Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов)

2СОДЕРЖАНИЕCтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………......................Глава 1. СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕ5ПРОБЛЕМЫПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧИХ КОЛЁС СКЕРАМИЧЕСКИМИ ЛОПАТКАМИ........................................................111.1. Проекты перспективных газотурбинных двигателей летательныхаппаратов…………………………………….……..........................................1.2.Керамическиематериалыдляэлементоврабочих11колѐстурбин……………………………………………………………………........161.3. Конструкции рабочих колѐс турбин с керамическимиэлементами…………………………………………………………................191.4.

Методы расчѐта теплонапряжѐнного состояния элементов рабочихколѐс турбин……………………………….....................................................271.4.1. Методы расчѐта на прочность металлических дисков……...............271.4.2. Методы расчѐта на прочность керамических лопаток……...............311.4.3. Особенности напряжѐнно-деформированного состояния в областиконтакта деталей…………………………………………...............................351.4.4. Литературные данные о термической проводимости зоныконтакта твердых тел из разнородных материалов………………...............381.5. Выводы к главе 1………………………………………………...............42Глава 2.

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ИТЕПЛОВОГОКОНТАКТАКЕРАМИЧЕСКИХИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ…….........................................................2.1.Исследованиемеханическогоконтактаметаллических43икерамических деталей……………………………………………..................432.1.1. Постановка задачи расчѐта на прочность замкового соединениякерамических лопаток типа «ласточкин хвост»……....................................2.1.2. Разработка модели механического контакта керамических иметаллических деталей…………………………………………....................43443Стр.2.1.3. Экспериментальное исследование механического контактакерамических и металлических деталей………………................................2.1.4.Экспериментальныеисследования48микрошероховатостиповерхности образцов из металла и керамики………………......…………562.2.

Исследование теплового контакта металлических и керамическихдеталей……………………………………………...........................................622.2.1. Разработка модели теплового контакта керамических иметаллических деталей……………………………………………................622.2.2. Разработка конструкции нагревателя и системы контроля иуправления температурой………………………………………....................662.2.3. Исследование термической проводимости контакта «металлкерамика» при различных уровнях температур………................................702.2.4.

Исследование термической проводимости контакта «металлкерамика» при различных уровнях силовогонагружения……………………………………………………..……..............752.3. Выводы к главе 2……….....……………………………………..............80Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ СКЕРАМИЧЕСКИМИ ЛОПАТКАМИ…………........................................813.1. Исходные данные для проектирования……………………...................813.2.

Разработка методики оптимального проектирования рабочегоколеса турбины с керамическими лопатками……........................................853.3. Моделирование теплового состояния рабочего колеса скерамическими лопатками на типовых режимах полѐта……......................883.4. Исследование особенностей теплового состояния замковогосоединения керамических лопаток типа «ласточкинхвост»………………………………………………….....................................3.5. Моделирование теплонапряжѐнного состояния рабочего колеса скерамическими лопатками на типовых режимах полѐта..............................93964Стр.3.6. Анализ теплонапряжѐнного состояния рабочего колеса скерамическими лопатками на типовых режимах полѐта……......................1003.6.1.

Оценка прочности металлических дисков…………………...............1003.6.2. Оценка прочности хвостовиков керамических лопаток….................1043.7. Исследованиезамковогоособенностейсоединениятеплонапряжѐнногокерамическихлопатоктипасостояния«ласточкинхвост»………………………………………….................................................1093.8. Выводы к главе 3……….……………………………………………......118Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙСПОСОБНОСТИЗАМКОВОГОСОЕДИНЕНИЯКЕРАМИЧЕСКИХ ЛОПАТОК С МЕТАЛЛИЧЕСКИМДИСКОМ…………………….…………........................................................1194.1. Разработка методики экспериментального исследования несущейспособности замкового соединения керамических лопаток сметаллическим диском ……………...............................................................1194.2.

Численное моделирование раскрутки ротора…………….....................1264.3. Описание экспериментального стенда……………………....................1304.4. Программа и результаты стендовых испытаний модельнойконструкции ротора…………………………………......................................1314.5. Сопоставление теоретических и экспериментальныхданных………………………………………………………………...............1354.6.

Выводы к главе 4……….……………………………………………..…136ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ.............137СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………................139ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................1555ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. К ключевым направлениям развитиягазотурбинных двигателей летательных аппаратов относятся: повышениеэкономичности, увеличение полного назначенного ресурса, снижение эмиссиивредных веществ и уровня шума. В качестве первостепенных показателейэффективности двигателя, как тепловой машины, можно выделить удельнуюработу и эффективный к.п.д.

Для их улучшения необходимо повышатьтемпературу газа перед турбиной. Эта задача не может быть решена безиспользования рабочих лопаток турбин из новых жаропрочных материалов,способных работать при температурах до 1600°С, например, керамических.Основной неблагоприятный фактор при создании керамических деталей –хрупкость материала. По данным ведущих разработчиков характеристикисовременныхкерамическихматериаловнедостаточныдляобеспеченияпрочности цельного ротора турбины. Более реальной задачей представляетсясоздание сборной конструкции из металлического диска и керамическихлопаток.Среди главных проблем создания рабочих колес с керамическимилопатками можно выделить проблему прочности замкового соединения.

Выбороптимальной формы замкового соединения, исследование механического итеплового контакта металлического диска и керамических лопаток являютсяактуальными научными задачами.Степень разработанности темы исследования. Работы по исследованиюэлементов газотурбинных двигателей из керамических материалов ведутся внашей стране и за рубежом с 1960-х годов. Современные керамическиематериалымогуиметьпрочностьболее800МПаисохранятьработоспособность при температурах до 1600°С.

Существенный вклад всоздание керамики с высокими механическими характеристиками внесли AlliedSignal Ceramic Components, Norton Advanced Ceramics, Kyocera IndustrialCeramics Corp, АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» и др.6Конструктивной проработкой и испытанием рабочих колѐс с керамическимилопатками занимались Honeywell, Solar Turbines, Volkswagen, MTU, DaimlerBenz, Kawasaki Heavy Industries, General Electric, Pratt&Whitney, Rolls-Royce,Snecma, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и др. Показано, что керамическиелопатки в условиях работы высокотемпературных турбин могут работать более1000 часов.Несмотря на обширные работы, в настоящее время керамические лопаткине внедрены в серийное производство. До сих пор не до конца решѐн ряд задачпрочностной надѐжности подобных изделий.

Из них можно выделить: а)усовершенствование расчѐтных методов, основанных на моделях быстрогоразрушениякерамическихдеталей;б) созданиемоделейисчерпаниядолговечности керамических деталей, обусловленной ростом трещин отисходныхматериалов;дефектов,в)ползучестью,изучениеокислениемособенностейидеградациейконтактногосвойстввзаимодействиякерамических и металлических деталей, в том числе учѐт контактноготеплообмена; г) обеспечение прочности при вибрационном и ударномвоздействии на керамические детали; д) улучшение контроля качества иотбраковки керамических изделий.Цель диссертационной работы – определение рациональных параметровзамковых соединений керамических лопаток с металлическим диском вперспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов с учетомособенностей их теплового и механического контакта.Основные задачи диссертационной работы:1.

Разработать модели механического и теплового контакта металлическихикерамическихдеталей,методикиоценкиконтактнойпрочностииопределения контактной термической проводимости в системе «керамикаметалл».2. Построить параметризованную модель высокого уровня рабочего колесатурбины перспективного газотурбинного двигателя летательного аппарата и7исследовать с ее помощью теплонапряжѐнное состояние замкового соединениякерамических лопаток типа «ласточкин хвост» по полѐтному циклу.3. Теоретически обосновать конструкцию модельного рабочего колеса ипровести ее стендовые испытания для определения несущей способностизамкового соединения керамических лопаток на режимах нагружения,соответствующих эксплуатационным.Объект исследований – замковое соединение керамических лопаток сметаллическимдискомврабочемколесетурбиныперспективногогазотурбинного двигателя летательного аппарата.Предмет исследований – модели теплового и механического контактакерамических и металлических деталей, параметризованная модель рабочегоколеса турбины перспективного газотурбинного двигателя летательногоаппарата.Методология исследования основана на совокупности численных иэкспериментальных методов исследования механических и теплофизическиххарактеристик контактных пар «металл-керамика», анализе теплового инапряжѐнно-деформированного состояния замкового соединения керамическихлопаток с металлическим диском в рабочем колесе турбины перспективногогазотурбинного двигателя летательного аппарата.Научная новизна:1.

Впервые разработаны модели теплового и механического контактакерамическихиметаллическихдеталей,учитывающиехарактерэксплуатационных нагрузок в замковых соединениях турбин перспективныхгазотурбинных двигателей летательных аппаратов.2. Впервыеполученыэкспериментальныеданныепоконтактнойпрочности, значения термической проводимости при уровне температур до500оС и контактных давлений ‒ до 250 МПа для пар «сталь ЭИ961ш-керамикана основе нитрида кремния» и «сталь ЭИ961ш-керамика на основе карбидакремния».83.