Testowanie kompozytów na potrzeby silników lotniczych następnej generacji
Cały przemysł lotniczy i kosmiczny, a więc zarówno operatorzy, jak i producenci, dąży do realizacji kilku najważniejszych celów: zmniejszenia zużycia paliwa, ograniczenia szkodliwych emisji oraz redukcji hałasu. Będący częścią programu Sustainable and Green Engines realizowanego w ramach inicjatywy „Czyste Niebo” system demonstracyjny otwartego wirnika to nowa konstrukcja silnika, w skład którego wchodzą dwa przeciwbieżne otwarte wentylatory. Zaprojektowany, by napędzać wąskokadłubowe samoloty odrzutowe następnej generacji, otwarty wirnik pozwoli ograniczyć zużycie paliwa oraz poziom emisji CO2 o około 30 % w porównaniu do współczesnych silników CFM56. Finansowany ze środków UE projekt HEGEL powstał z myślą o wsparciu procesu projektowania nowych rozwiązań aerostrukturalnych poprzez dostarczenie zaawansowanych narzędzi oceny oraz procedur dla materiałów kompozytowych. „Naszym podstawowym celem było opracowanie zaawansowanych narzędzi do testowania, zarówno wirtualnych jak i doświadczalnych, by móc ocenić odporność laminatów kompozytowych na obciążenia dynamiczne i wibracyjne, które po przekroczeniu pewnego progu mogą prowadzić do uszkodzeń związanych ze zmęczeniem materiału, z którego zbudowane są komponenty”, zauważa Damaso De Bono, koordynator projektu HEGEL.
Zanieczyszczenie hałasem jako istotne zagadnienie
Jednym z najważniejszych wyzwań związanych z silnikami lotniczymi z otwartym wirnikiem jest poziom hałasu generowany przez układ napędowy. Powstaje on głównie na skutek obracania się łopat, których praca nie jest tłumiona przez obudowę wentylatora ani gondolę (jak to ma miejsce w przypadku silnika turbowentylatorowego). „Jednym z możliwych rozwiązań jest wykorzystanie silników z otwartym wirnikiem w konfiguracji pchającej, gdzie wirnik wraz z silnikiem są zamontowane na tyłach kadłuba. Taka konfiguracja wymaga jednak istotnej zmiany konstrukcji samego samolotu oraz przeprowadzenia licznych testów integralności strukturalnej”, wyjaśnia De Bono. Badacze z Holenderskiego Centrum Lotniczego i Kosmicznego (NLR), jednego z partnerów zaangażowanych w projekt HEGEL, opracowali unikatowy system źródła i wzmocnienia dźwięku, który poddano testom dla różnych wartości prędkości w Instytucie Fraunhofera ds. Fizyki Budowlanej. „Ten niezwykle nowoczesny system ocenia odpowiedź komponentów strukturalnych oraz materiałów na różne wielkości ciśnienia akustycznego i towarzyszące mu wibracje, jakie zwykle są obecnie w środowisku silnika takiego jak przeciwbieżny otwarty wirnik”, wyjaśnia De Bono. „Testy laboratoryjne pozwoliły na obejście drogich i wykonywanych na dużą skalę testów, przynajmniej na wczesnych etapach procesu projektowania komponentów strukturalnych”. Sprzęt składa się z ośmiu głośników podłączonych do takiej samej liczby rurek, którymi biegną fale dźwiękowe, skonfigurowanych symetrycznie i zabezpieczonych w akustycznie i termicznie izolowanej obudowie. Jednym ze sposobów na przetestowanie próbki laminatu kompozytowego jest wykorzystanie płaskiej płytki o rozmiarach 500x500 mm2 przykrywającej otwór. Następnie uruchamiany jest system dźwiękowy, a powstałe w efekcie ciśnienie akustyczne uderza w płytkę. Wielkości ciśnienia akustycznego mogą być różne w zależności od specyficznych wymogów testu.
Prognozowanie trwałości zmęczeniowej
„Prognostyczne narzędzia numeryczne i obliczeniowe wykorzystywane obecnie w próbach zmęczeniowych wysokocyklowych nie zostały w pełni zwalidowane pod kątem zastosowań lotniczych i kosmicznych, a ponadto uwzględniają jedynie ograniczoną liczbę parametrów”, mówi De Bono. Twórcy projektu HEGEL rozwinęli metody przewidywania trwałości zmęczeniowej, włączając dodatkowe parametry środowiskowe, takie jak temperatura i wilgotność, oraz czynniki zależne występujące przy wyższych częstotliwościach, w tym efekt samonagrzewania w trakcie prób zmęczeniowych wysokocyklowych. Nowo opracowane narzędzia predykcyjne pozwalają na zbadanie trwałości zmęczeniowej wysokocyklowej za pomocą metody półempirycznej w oparciu o krzywe złożone i czynniki zmiany oraz na podstawie zaawansowanych modeli opartych na elementach skończonych. „Nasze nowe narzędzia do testowania i oceny mogą znacząco poprawić skuteczność oceny materiałów kompozytowych wykorzystywanych do konstrukcji części samolotowych pod kątem ich integralności strukturalnej w trakcie procesu projektowania”, podsumowuje De Bono. Wyniki projektu stanowią ważny krok naprzód w rozwoju przyszłych silników lotniczych i ich integracji z nowymi samolotami.
Słowa kluczowe
HEGEL, wirnik otwarty, materiały kompozytowe, przewidywanie trwałości zmęczeniowej, ciśnienie akustyczne, przeciwbieżny wirnik otwarty, wysokocyklowa trwałość zmęczeniowa
