От чего зависит прочность двигателя летательного аппарата и что помогает ему работать десятилетиями? Самолет – сложная система, в которой даже небольшая деталь влияет на безопасность пассажиров и экипажа. Например, вал — это металлический стержень, который передает вращение между частями двигателя. Во время работы он испытывает высокие нагрузки, от устойчивости к которым зависит надежность всей конструкции. Ученые Пермского Политеха установили, какие участки вала турбины в авиационном двигателе испытывают критические нагрузки во время полета. Результаты работы позволят конструкторам точнее рассчитывать ресурс деталей и избегать излишнего утяжеления конструкций.

Статья опубликована в сборнике трудов конференции «Механика в новых материалах, конструкциях, технологиях».

Согласитесь, что у каждого из нас возникала мысль: «Как устроен самолет? Огромная птица, которая сегодня считается самым безопасным транспортным средством. Что так легко поднимает его в воздух?»

Безопасность полетов напрямую зависит от надежности двигателя. Именно он создает тягу, которая позволяет самолету взлетать, набирать высоту и преодолевать тысячи километров. Он состоит из множества связанных деталей, каждая из которых должна стабильно работать в течение многих лет. Одной из таких деталей является вал, вращающийся за счет энергии горячих газов, которые расширяются и приводят в движение лопатки.

В работе вал одновременно подвержен кручению, растяжению, действию центробежных сил. При манёврах самолёта (поворотах, снижении высоты) добавляются гироскопические силы — они создают дополнительную нагрузку на крепления. Если в каком-то участке возникают высокие напряжения, это может привести к повреждению, ускоренному износу детали, появлению микротрещин. Такие зоны необходимо выявлять и своевременно усиливать на этапе создания проекта.

В современном авиадвигателестроении расчёты на прочность валов роторов являются обязательным этапом проектирования — без этого действительно невозможно обеспечить безопасные полёты. Традиционные аналитические расчёты рассматривают нагрузки вала по отдельности. Совокупность этих значений определяет общий запас прочности. Такая методика надёжна и проверена многолетней практикой. Однако требования к авиации растут: самолёты должны летать еще дольше без ремонта, перевозить больше грузов и сжигать меньше топлива. Чтобы исключить любые риски, конструкторы вынуждены увеличивать массу детали. Это приводит к лишнему расходу горючего, поэтому данного метода становится недостаточно.

В реальных условиях эксплуатации все эти факторы действуют одновременно и во взаимосвязи, а их комбинация может создавать локальные зоны концентрации напряжений, которые не выявляются при традиционном пофакторном анализе. Поэтому ученые Пермского Политеха предложили комплексный анализ прочности вала — одновременный учет всех нагрузок. Он помогает определить, где усилить деталь, а где можно обойтись без утяжеления, применяя топологическую оптимизацию геометрии.

Ученые провели аналитические расчёты, после чего создали точную цифровую модель вала — со всеми размерами, формой, материалом и способами закрепления. Затем провели разбиение на десятки тысяч элементов и задали сценарий виртуального полёта: взлёт-посадка, крейсерный режим полета. Таким образом было определено поведение каждого фрагмента в реальных условиях полета.

— Численное моделирование показало, что высокие механические напряжения распределены неравномерно и сконцентрированы в нескольких поперечных сечениях вала, в местах перехода геометрии, закрепления и соединения контактных поверхностей сопряженных деталей. Именно эти зоны оказались самыми уязвимыми: здесь конструкция испытывает пиковые нагрузки, возникает сложное напряженное состояние, которое затруднительно оценить при аналитическом расчете - отметила Елена Кузнецова, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Учёные ПНИПУ получили новые количественные результаты, которые в дальнейшем позволят более детально рассматривать опасные сечения, помогут выбрать программу эксперимента, схему размещения тензодатчиков для проведения усталостных испытаний, что значительно сократит время подготовки и проведения опытно-конструкторских работ.

Инженеры прочнисты, конструкторы при разработке перспективных двигателей и новых модификаций могут усиливать только опасные зоны, а не весь вал целиком. Это позволит в перспективе снизить его массу без потери прочности, что повысит годовую экономию топлива. Результаты исследования применимы во всех отраслях, где используются газотурбинные установки, — от авиации до энергетики.