Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 3

Они обладают повышенной прочностью, вязкостью и стойкостью к14газовой коррозии, но работоспособны по условиям жаропрочности притемпературах не превышаюших 750°С. По прогнозам, в ближайшее времямаловероятно освоение новых более жаропрочных металлических сплавов [6].Из конструкционных жаропрочных неметаллических материалов можновыделить, в первую очередь, монолитные керамические материалы, углеродуглеродные композиционные материалы и керамоматричные композиционныематериалы (КМК) [7]. Из монолитной керамики или КМК могут бытьизготовлены рабочие колѐса малоразмерных радиальных турбин, рабочиелопатки осевых турбин, сопловые аппараты, подшипники, теплообменники,элементы жаровых труб камер сгорания и газопроводов.Работы по внедрению элементов из керамических материалов вконструкцию газотурбинных двигателей ведутся в рамках общенациональныхпрограмм в США, Японии, ФРГ, России и других странах с 1960-х годов [8-17].ВСШАввыполненииработнаразныхэтапахучаствовалидвигателестроительные фирмы (General Electric, Pratt&Whitney, Allison, SolarTurbines, Honeywell) и фирмы-производители материала (Allied Signal CeramicComponents, Norton Advanced Ceramics).

В Англии исследованиями занималисьфирмы Rolls-Royce, Lucas Industries; во Франции – Snecma и Onera; в Швеции –Турбоконсул и Union Turbine; в Германии – Volkswagen, MTU, Daimler-Benz; вЯпонии – Kyocera Industrial Ceramics Corp, Kawasaki и др.Можно выделить крупные программы по созданию керамическихэлементов, спонсируемые NASA и Министерством энергетики США в 1990-е и2000-е годы: Advanced Turbine Technology Application (ATTAP) [18], AdvancedGas Turbine (AGT) [19], Ceramic Turbine Engine Demonstration Project (CTEDP)[20], Ceramic Stationary Gas Turbine (CSGT) [21].Фирма General Electric проводила собственную программу Ceramics for GasTurbines в 1993-1996 гг.

[22], Continuous Fiber Ceramic Composites Program1990-е – 2000-е гг [23]. Фирмой General Electric ведутся работы по созданиюлопаток высокотемпературных турбин из КМК SiC/SiC в рамках программ15Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) и Adaptive Engine TechnologyDevelopment (AETD) [24].Фирма NASA исследовала высокотемпературные (до 1650°С) элементыдвигателей из КМК SiC/SiC в рамках программы UEET [25], а в настоящеевремя продолжает исследования по программе фундаментальных исследований«NASA Fundamental Aeronautics Program» [26]. В рамках программы «NASASIMPLEX Turbo pump Blisk» фирма NASA Marshall Space Flight Centerразрабатывает цельное колесо турбины из КМК C/SiC [27].Фирма Honeywell в рамках программы Integrated High Performance TurbineEngine Technology в середине 2000-х гг. проводила исследования керамическихрабочих лопаток турбины в составе газогенератора XTC97[28].В Германии до 1990 года проходила спонсируемая федеральнымминистерством исследований и технологий программа «Car 2000» [29].

ВЯпонии с 1993 по 1998 гг. министерство внешней торговли и промышленностиспонсировало программы по созданию стационарной газотурбинной установкимощностью 300 кВт и автомобильного газотурбинного двигателя мощностью100 кВт [30, 31].В России с середины 1970-х по начало 2000-х годов во ФГУП «ЦИАМ им.П.И. Баранова»,совместносПАО«НПО«Сатурн»,АО«Научно-исследовательский институт двигателей» проводились оценки эффективностиприменения неметаллических материалов в ГТД [32-42]. Исследовалисьматериалы, разработанные ОНПП «Технология им. А.Г.

Ромашина» [43],ФГУП «ВИАМ», ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины, и Институтомсверхтвѐрдых материалов имени В.Н. Бакуля НАН Украины, НИИ ГРАФИТ,ОАО «ЦНИИМ» и др. В НИЦ «КТД» НИТИ ЭМ предложена конструкциягазотурбинной установки с лопатками, представляющими собой металлическийстержень с работающей в условиях сжатия керамической оболочкой [44].161.2. Керамические материалы для элементов рабочих колѐс турбинК преимуществам керамики относят высокую твердость, химическуюинертность, меньшую в 2-3 раза по сравнению с металлами плотность, кнедостаткам ‒ хрупкость и низкую вязкость разрушения [45, 46]. В качествеконструкционных керамических материалов наиболее перспективны карбиды инитриды кремния.

Они могут применяться для автомобильных двигателей,газовых турбин, теплообменников и гидравлических насосов. Считается, чтоперспективные керамические материалы должны обладать следующимихарактеристиками: вязкость разрушения K1C  20 МПа  м1/2 , прочность на изгибζ B ИЗГ  800 МПа , допустимый размер трещин 10 мкм, модуль Вейбулла m>20.Керамику получают уплотнением порошка исходных веществ. Процессизготовления можно разделить на шесть этапов: получение исходныхпорошков;подготовкапорошковыхкомпозиций;формованиеизделий;уплотнение; финишная обработка поверхности изделия; контроль и отбраковкаизделий.Любойдефект,возникающийвпроцессеизготовления,будетприсутствовать в готовом изделии.

Свойства получаемого материала сильнозависят от качества исходных порошков: структуры, чистоты, дисперсности,фазового состава. Выбор метода формования порошков керамическихкомпонентов зависит от типа изделия, технологии уплотнения. В качествесвязующих материалов, смазок и пластификаторов используют органическиематериалы.

Можно выделить несколько наиболее распространѐнных способовуплотнения: горячее прессование (ГП), реакционное спекание (РС) и горячееизостатическое прессование (ГИП).Финишную обработку керамики из-за высокой твѐрдости обычно проводяталмазным инструментом. Стоимость еѐ проведения может доходить до 50%стоимости самого изделия. Также при обработке вносятся поверхностныенапряжения, которые могут снизить прочность детали.17С точки зрения надѐжности и контроля необходимо производить керамикусразмерамидефектовнижекритическойвеличины,производитьнеразрушающий контроль и иметь надѐжные методы отбраковки изделий.Размеры внутренних дефектов в керамике составляют порядка 10 мкм, чтозначительно меньше, чем в металлах.

Для контроля дефектов в керамикеиспользуют сканирующие акустические микроскопы, ультразвуковые иэлектромагнитные методы дефектоскопии. Ведутся работы над такиминаправлениями, как методы сканирующей фотоакустической и лазернойакустической микроскопии.В Таблице 1.1 приведены некоторые характеристики керамическихматериалов зарубежных (Norton Advanced Ceramics, Allied Signal CeramicComponents) [47-56] и отечественных [57-60] предприятий.ВРоссиичастьисследований,проводимыхФГУП«ЦИАМим.П.И. Баранова» и ОКБ, посвящена керамическим материалам, разработаннымАО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» [57].

Исследования показали,что для изготовления рабочих лопаток высоконагруженных турбин можетрассматриваться только высокопрочный нитрид кремния – горячепрессованныйили уплотненный.В АО «ЦНИИМ» разработан керамический материал на основе карбидакремния, армированный алмазными частицами – Скелетон [58, 59]. Данныйматериалобладаетвысокимимеханическимихарактеристиками,термостойкостью и износостойкостью (Таблица 1.1).

Его плотность изменяетсяв зависимости от размера частиц алмаза: от 3600 кг/м3 до 3100 кг/м3. Изматерила Скелетон во ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» разработанаконструкция соплового аппарата малоразмерного газотурбинного двигателя[60].Следует отметить, что в последнее время наиболее перспективнымиматериалами для лопаток турбин высокого давления стали считать КМК сматрицей SiC, армированные волокнами SiC [61-82].

По сравнению смонолитными керамическими материалами КМК SiC/SiC обладают большей18вязкостью разрушения и более стойки к ударным нагрузкам; по сравнению сКМК с углеродными волокнами – более стойки к окислению. Один из главныхнедостатков ‒ сложность изготовления таких небольших элементов, какхвостовик лопатки.Таблица 1.1.Характеристики керамических материалов зарубежных фирмкгρ,Материалм3ζ B ИЗГ , МПаВтλ, oE , ГПам С(модуль Вейбулла)(1000o С)NT154320031020,7NT1643100––NT230305039536GS-44320030016AS8003300310273340242163450322~113200520300ОТМ906ОТМ914СКЕЛЕТОН25°С1371°С890-960520-650(8-19)(11,4)910689(12)(-)410500(8-10)(8-10)1051715(20-35)(20-35)720524(20-30)(20-30)660480(8,5)(8,5)830700(8,7)(6,8)300320(20)(20)α  10 6 ,K1C ,МПа  м1/ Ο С1220 10004 -133,9––84,78,23,48,03,96,02,78,03,27,02,1– плотность материала; E – модуль упругости; λ – коэффициенттеплопроводности; ζ B РАС – предел прочности при испытаниях на растяжение;ρζ B ИЗГ – предел прочности при испытаниях на изгиб; K1C – вязкость разрушения;α – коэффициент линейного термического расширения.Характеристики некоторых зарубежных материалов SiC/SiC приведены вТаблице 1.2.19Таблица 1.2.Характеристики зарубежных КМК SiC/SiCТип ККМТипа волокнаПределПределПокрытиеТиппрочностипрочностиволокнаматрицыпри 20°С,при 1300°С,МПаМПаSiC/SiCHi-Nicalon Sнитрид бораSiC360280SiC/SiCSylramic-iBNнитрид бораSiC4503201.3.

Конструкции рабочих колѐс турбин с керамическими элементамиПри создании ротора турбомашины с работающими на растяжение поддействием центробежных сил керамическими лопатками встаѐт вопрос оспособе соединения лопаток с диском. Можно выделить три конструктивныхрешения соединения: цельнокерамический ротор; раздельное изготовлениедиска и лопаток из керамических материалов с последующим соединением;сборная конструкция из металлического диска и керамических лопаток сзамковым соединением.Некоторыефирмыработалинадсозданиемконструкциицельнокерамического ротора.