Оптимизация угла намотки углепластика на металлический лейнер криогенного трубопровода

Инженерный журнал: наука и инновации

# 9·2017 1

УДК 678.067:621.763 DOI 10.18698/2308-6033-2017-9-1673

Оптимизация угла намотки углепластика

на металлический лейнер криогенного трубопровода

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

Показана актуальность создания криогенных трубопроводов двигательных установок

летательных аппаратов из комбинированных материалов на основе ультратонкого

стального лейнера и намотанного углепластика. Проведен анализ захолаживания

трубопровода до криогенных температур, при которых вследствие существенного

различия коэффициентов линейного термического расширения материалов лейнера и

углепластика возможна потеря осевой устойчивости с образованием радиальных

складок в тонкостенной стальной оболочке. Предложена методика определения и

выбора угла намотки углепластика, при котором осевые деформации тонкостенного

лейнера и намотанного композита будут иметь одинаковый уровень деформаций.

Ключевые слова:

трубопровод, комбинированная оболочка, криогенная темпера-

тура, коэффициент линейного расширения

Введение.

Ужесточение требований к рабочим параметрам дви-

гательных установок изделий ракетно-космической техники (РКТ),

авиации и наземного транспорта на криогенных топливах (жидком

кислороде и водороде или метане

в качестве горючего [1–5]),

привело к созданию легких, прочных и герметичных трубопроводов,

работающих в многоцикловом режиме при высоких давлениях, нор-

мальных, повышенных и криогенных температурах.

Трубопроводы, выполненные из металлов, имеют излишне боль-

шую массу и изгибную жесткость. Для снижения массы и уровня

монтажных сил предложено использовать рассматриваемые в насто-

ящей работе криогенные трубопроводы, которые изготовляют из

тонкой металлической оболочки (лейнера), усиленной композицион-

ным материалом (углепластиком) методом спиральной намотки.

При захолаживании комбинированного трубопровода до крио-

генных температур в его слоях будут возникать температурные де-

формации, зависящие от значений коэффициентов линейного терми-

ческого расширения (КЛТР) материалов слоев. При этом в слое

углепластика, намотанного под углами

> 55

к оси изделия, и в за-

висимости от толщины слоя намотки могут возникнуть значительные

сжимающие напряжения, которые приведут к потере осевой устой-

чивости тонкостенной металлической оболочки с образованием ра-

диальных гофр в области фланца [6–7]. При многоцикловом захола-