CC BY
356
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.744/624.016.004.14
А.С. Дударев АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ ПАНЕЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассмотрены различные конструкции заполнителя из полимерных композиционных и металлических материалов звукопоглощающих панелей авиационных двигателей. Предложена оригинальная конструкция заполнителя.
Полимерный композиционный материал, звукопоглощающая панель
A.S. Dudarev
ADAPTABILITY ANALYSIS OF THE SOUND-PROOF PANEL CORE FOR AIR ENGINES
The article deals with the various designs for core materials made from polymer composites and metal materials used for the sound-proof panels to the air engines. A unique design for the core material is offered.
Polymer composites, sound-proof panel
Гражданская авиация - один из самых современных транспортных комплексов планетарного масштаба, является высокотехнологичной отраслью мировой экономики. В силу этого существует конкуренция интересов всемирно известных авиакомпаний и изготовителей авиационной техники. Конкурентная борьба привела к образованию шкалы приоритетов при создании новых самолётов, где второе место после безопасности полётов занимает проблема акустической экологии.
Несмотря на многолетний опыт создания авиадвигателей, снижение их шума остается актуальной проблемой. Государства Евросоюза и ряда других стран вводят ограничения на полеты «шумных» самолетов в окрестностях крупных аэропортов, вынуждая авиакомпании и предприятия авиационной промышленности бороться с шумом.
С января 2006 г. установлены новые нормы на уровни шума самолетов (глава 4 Стандарта ИКАО), распространяющиеся на новые, вновь сертифицированные типы воздушных судов.
В настоящее время отечественные пассажирские самолеты, введенные в эксплуатацию в 19912000 годах, не соответствуют требованиям норм главы 4 стандарта ИКАО. Динамика развития международных нормативных требований к безопасности и, в том числе, к уровню шума на местности по данному вопросу даёт основания полагать, что уже к 2014-2015 годам нормы 2006 г. окажутся устаревшими и будут распространены на все типы реактивных самолетов, выполняющих рейсы на международных авиалиниях. Таким образом, возможности отечественных самолетов попасть на европейские авиалинии будет существенно ограничены. Решение проблем, возникших перед отечественной гражданской авиацией, необходимо для сохранения российского сектора рынка международных пассажирских и грузовых перевозок.
Сегодня из-за несоответствия по уровню шума российские самолеты не могут летать по международным линиям с полной загрузкой. Российские авиакомпании вынуждены сокращать в разы пассажиропоток на международных рейсах. В соответствии с ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и в период до 2015 г.» и «Комплексной программой работ по проблеме снижения шума, эмиссии и повышения точности навигации отечественных самолетов и вертолетов в обеспечение требований норм ИКАО и ЕС» в России с 2002 г. проводится комплекс работ по снижению шума силовой установки для магистральных самолетов. Комплекс работ охватывает семейства самолётов Ту-204, Ту-214 Ил-96, Ил-76 с двигателями ПС-90А2 с целью обеспечения
соответствия акустических характеристик новым требованиям. На сегодняшний день одним из эффективных методов решения проблемы снижения шума авиационного двигателя является использование звукопоглощающих конструкций (ЗПК). Серийный двигатель ПС-90А имеет ЗПК, состоящую из наружной и внутренней обшивок, между которыми находится заполнитель.
Конструкция ЗПК может быть различной. У авиационных двигателей имеются «холодный» и «горячий» контуры ЗПК. Общим для всех конструкций ЗПК является то, что внутренняя обшивка, перфорируется, наружная целостная, а заполнитель ЗПК предусматривает элементарные ячейки -камеры. Размеры ячеек определяются акустическим расчетом и выбираются из условия максимального гашения звуковых колебаний на требуемых частотах. Физический смысл гашения звука по модели резонатора имени Гельмгольца [1] состоит в следующем: если доминирующая частота в спектре падающей волны близка или совпадает с частотой собственных колебаний резонатора, то в замкнутой полости камеры возникают интенсивные упругие колебания воздуха. В результате энергия колебаний диссипирует в полости камеры, а непогашенная часть возвращается через отверстия перфорации, что также приводит к снижению уровня звукового давления в заданном направлении.
Параметрами, определяющими частоту собственных колебаний резонатора, являются процент перфорации внутренней обшивки и объём воздушной полости в элементарной ячейке - камере [2].
Таким образом, главным в ЗПК является конструкция заполнителя - т.е. носитель ячеек в воздушными полостями.
От конструкции заполнителя зависит технологичность изготовления ЗПК, а также их эксплуатационные свойства. Проведем анализ различных конструкций заполнителя ЗПК с точки зрения технологичности изготовления. Рассмотрим конструкцию панели ЗПК с трубчатым заполнителем (рис. 1).
Рис. 1. Панель с трубчатым заполнителем
Конструкция заполнителя, приведенная на рис. 1, в настоящее время серийно применяется в ЗПК «холодного» контура двигателя ПС-90А и изготовляется из полимерного композиционного материала (ПКМ) марки ВПС-34. Преимуществом конструкции является опробованная технология изготовления и наличие технологической оснастки на ОАО «Пермском заводе «Машиностроитель».
Недостатками ЗПК с трубчатым заполнителем являются:
- неэффективное подавление шума;
- значительная доля ручного труда при изготовлении;
- огромные затраты на вспомогательные материалы, в частности для формования расходуется резина одноразового применения.
На «горячий» контур для двигателя ПС-90А используется ЗПК с заполнителем в виде сотовой конструкции производства г. Самары (рис. 2).
Рис. 2. Панель с сотовым заполнителем
Преимуществами конструкции приведенной на рис. 2 являются:
- простота конструкции;
- отработанная технология изготовления;
- стойкость конструкции к высоким температурам (350 °С и более);
- удовлетворительные акустические характеристики.
Недостатками являются:
- значительная масса, т.к. заполнитель, приведенный на рис. 2, выполнен из стальной ленты.
В 2002-2006 гг. на предприятии ОАО «Пермский завод «Машиностроитель» были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию новых конструкций и технологий изготовления ЗПК. В результате проведенной работы ОАО «Пермским заводом «Машиностроитель» был получен ряд новых конструкций заполнителя ЗПК, которые защищены патентами РФ [2247878, 2268380, 2282735]. Новая конструкция заполнителя ЗПК (рис. 3) [2247878] представляет собой ячеистый заполнитель, полученный путем формования из тканых (трикотажных) армирующих материалов, пропитанных связующим. Элементарная ячейка представляет собой усеченную пирамиду. Полученный ячеистый заполнитель может принимать форму поверхностей первого и второго порядков кривизны. В дальнейшем ячеистый заполнитель изгибают и при скреплении с внутренними и внешними обшивками, придают ему форму тела вращения - кожуха ЗПК.
Рис. 3 Панель с пирамидальным заполнителем
Особенностью конструкции, приведенной на рис. 3, является то, что способы получения такой формы могут быть различными, и до сих пор не установлен оптимальный способ.
Так, в патенте на способ изготовления звукопоглощающей конструкции [2247878] автором Покатаевым К. А. предусмотрено ячеистую конструкцию выполнять методом экструзии или литьём. Патентами [2268380, 2282735] под авторством Щенёва Б.А. ячеистую конструкцию выполнять методом прессования из трикотажного полотна.
Преимущества конструкции, приведенной на рис. 3:
- каждая элементарная ячейка представляет собой ярко выраженный резонатор Г ельмгольца, поэтому возможны уникальные акустические характеристики, подтвержденные на стендовых испытаниях во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ);
- широкие возможности создания поверхностей высшего порядка;
- технологичность изготовления и исключение ручного труда;
- возможность автоматизации процесса производства.
Недостатками являются:
- отсутствие известного ПКМ для выполнения операций прессования, а традиционные ПКМ (углепластики, стеклопластики) при прессовании не формуются в пирамидальную форму определенной высоты;
- предложенный автором эластичный капрон не обладает температурной стойкостью.
С заполнителем, приведенным на рис. 3, была изготовлена опытная панель вентилятора авиационного двигателя, которая удовлетворяет прочностным и акустическим характеристикам, предъявляемым к этой конструкции. Однако в качестве тканого армирующего материала был использован эластичный капрон, который не удовлетворил температурным требованиям (стойкость конструкции к температуре 110-140 °С) «холодного» контура двигателя.
По проведенному аналитическому обзору на данный момент времени не существует ПКМ [3], из которых возможно изготовить ячеистый заполнитель (рис. 3) для ЗПК, удовлетворяющий по температурной стойкости для «холодного» и «горячего» контура авиационного двигателя, прочностным характеристикам, удлинению и др.
Проблемой разработки новых ПКМ для ЗПК с заданными характеристиками занимаются в ВИАМе по заказу ОАО «Авиадвигатель» и ОАО «Пермский завод «Машиностроитель» (г. Пермь).
В настоящее время ОАО «Пермский завод «Машиностроитель» разработал и осваивает новую конструкцию заполнителя (рис. 4) [2432259]. Ячеистый заполнитель (рис. 4) содержит взаимно пересекающиеся гофрированные профили, соединенные между собой по пазам, выполненным в профиле с симметричными гофрами. Каждая элементарная ячейка, полученная пересечением гофрированных профилей, это своего рода элементарный резонатор Г ельмгольца.
Конструкция заполнителя (рис. 4) позволяет изготовлять его из известных сертифицированных материалов ПКМ, используемых для серийных изделий ракетно-космической техники и авиации.
Рис. 4. Заполнитель из гофрированных профилей
Рис. 5. Схема соединения гофрированных профилей
Сотовый заполнитель звукопоглощающей конструкции (рис. 5) состоит из внутренней обшивки 1 и симметричного, трапецеидального профиля 2, вершины гофр которого имеют развитую поверхность приклея 3, а поперек гофр прорезаны пазы 4, выполненные на определенную глубину.
Второй профиль 5 (рис. 5) выполнен с гофрами 6 направленными в одну сторону и основанием 7, которое является одновременно наружной обшивкой.
Симметричный гофрированный профиль 2 (рис. 5) получают из ПКМ на основе стекло- или углеткани с помощью формообразующих элементов. Второй профиль 5 получают путем укладки стекло- или углеткани на профиль 2 (рис. 5) поперек гофр, заправляя ткань в пазы 4. Материал гофрированного заполнителя - ткань Т-10-14, связующее - ЭНФБ. Для приклеивания использован клей ВК-300.
Преимущества конструкции, приведенной на рис. 4:
- элементарные ячейки представляют собой форму, близкую к резонатору Г ельмгольца;
- возможность изготовления из известных сертифицированных ПКМ.
Недостатком конструкции, приведенной на рис. 4 является то, что необходимо выполнять пазы механической обработкой. Точность пазов влияет на качество клеевого соединения, а вместе с тем и на прочностные и акустические характеристики всей конструкции. В связи с этим конструкцию на рис. 4 нельзя назвать технологичной.
Дальнейшим развитием является разработка многослойной ячеистой конструкции заполнителя ЗПК из гофрированных листов (рис. 5).
Рис. 6. Многослойный заполнитель из гофрированных профилей
Конструкция (рис. 6) позволяет получить хорошие акустические показатели, т.к. в каждом слое размещается резонатор Г ельмгольца, но конструкция нетехнологична в изготовлении по тем же причинам, что и конструкция, приведенная на рис. 4.
Процесс производства конструкций заполнителя (рис. 4 и 6) в связи с фрезерованием или проточкой пазов затруднительно автоматизировать. Кроме того, изготовление пазов трапецеидальной формы предусматривает применение специального режущего инструмента.
Автор статьи разработал более технологичный вариант конструкции заполнителя сэндвичевой панели ЗПК. Предложена конструкция заполнителя с основой в виде отформованной кассеты (рис. 7).
Рис. 7. Образец основы заполнителя
Однако, как показали предварительные испытания предложенной конструкции, звуковые колебания в таком заполнителе с обшитыми внутренним и наружным слоями расходятся между рядами незамкнутых объёмов элементарных пирамидок и не происходит эффективного шумоглушения. Причина незамкнутых объёмов заключается в отсутствии стенок определенной высоты, т.к. прессование пирамидок из ПКМ не даёт формы требуемой высоты. Поэтому автор предложил конструкцию заполнителя, где на кассету наложен дополнительный слой гофрированного полотна (рис. 8) с тем же шагом расположения вершин пирамид, как у кассеты.
Рис. 8. Фрагмент полотна гофрированного
Технологией изготовления должно быть предусмотрено, что гофрированное полотно приклеивается к отформованной кассете (рис. 9). Таким образом, звуковые колебания в заполнителе будут изолированы друг от друга, и конструктивно обеспечивается оптимальная конструкция акустических ячеек.
Рис. 9. Образец заполнителя
Предложенная конструкция (рис. 9) объединяет в себе преимущества вышеописанных конструкций и технологична в изготовлении. Изготовление данной конструкции возможно автоматизировать.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учеб. / Н.И. Иванов. М.: Университетская книга «Логос», 2008. 424 с.
2. Крысин В.Н. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций /
В.Н. Крысин, М.В. Крысин. М.: Машиностроение, 1989. 240 с.
3. Панин В.Ф. Конструкции с заполнителем: справочник / В.Ф. Панин, Ю.А. Гладков. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
4. Пат. ЯИ 2 432259 С1. Звукопоглощающая конструкция / Мезенцев С.Д. и др. Опубл. 27.10.2011. Бюл. № 30. 2010.
5. Пат. ЯИ 2 268380 С1. Способ изготовления звукопоглощающей конструкции / Щенёв Б. А. и др. Опубл. 20.01.2006. Бюл. № 02. 2004.
6. Пат. ЯИ 2 282735 С1. Способ изготовления звукопоглощающей конструкции / Щенёв Б.А., Ломаев В.И. Опубл. 27.08.2006. Бюл. № 24. 2005.
7. Пат. ЯИ 2 247878 С2. Способ изготовления звукопоглощающей конструкции газового тракта / Покатаев К.А. и др. Опубл. 10.03.2005. Бюл. № 7. 2003.
Дударев Александр Сергеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» Пермского национального исследовательского политехнического университета
Alexander S. Dudarev -
Ph.D., associate Professor Department of Innovative
technologies engineering industry
Perm National Research Polytechnic University
Статья поступила в редакцию 17.08.13, принята к опубликованию 15.09.13
