Диссертация (Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов), страница 4

Одну из работ проводила фирма Daimler-Benz в1978 году в рамках программы BMFT [83]. Разработана технологияизготовления цельнокерамического ротора из горячепрессованного материала,включающая в себя три технологических этапа (Рис. 1.3). На первом этапеполучали деталь цилиндрической формы, на втором ‒ путѐм обрезки профильдиска, на третьем ‒ посредством ультразвуковой и алмазной шлифовкиокончательную форму ротора с лопатками. После каждого этапа проводиласьконтрольная раскрутка ротора.Проведѐн ряд успешных стендовых испытаний. Во время испытаний всоставе двигателя происходило разрушение из-за ударения о керамическиелопатки частиц металла, вырванных из горячей части двигателя.

Данная20программа в 1990 году завершилась показательной поездкой автомобиляMercedes-Benz из Штутгарта в Брюссель (~600 км) с двигателем скерамическим ротором. Общая наработка цельнокерамических роторов фирмыDaimler-Benz достигла 500 часов.Рис. 1.3. Изготовление цельнокерамического ротора Daimler-BenzФирмой Honeywell Engines в рамках программы «Advanced TurbineTechnology Applications Project (ATTAP)» 1993-2000 гг. создан демонстраторвспомогательной силовой установки самолѐтов Boeing 757/767, AirbusA300/310 с цельнокерамическим ротором [84].

Ротор успешно отработал 6800часов на стенде. В составе двигателя ротор выдержал более 1000 часов работы,однако имел повреждения керамических лопаток из-за попадания в нихотколовшихся частиц металла из горячей части двигателя (Рис. 1.4).Как показал опыт, при создании цельнокерамических роторов необходимоиспользоватькерамическиематериалы,получаемыеметодомгорячегопрессования. Эти материалы плохо обрабатываются, и изготовление цельногоротора чрезвычайно трудоѐмко. Рядом фирм (Daimler-Benz, Volkswagen, Ford)рассматриваласьконцепциясозданияротораиздвухразнородныхкерамических материалов «duo-density Rotor» (Рис. 1.5, 1.6). Согласно замыслу,диск должен изготавливаться из более прочного (горячепрессованного)материала, а присоединяемые к верхней части обода лопатки – из менеепрочного (реакционно-спечѐнного).

Это обусловлено тем, что ступица диска21более нагружена, чем лопатки, а отдельное изготовление диска представляетсяболее простой технологически задачей [10, 85].Рис. 1.4. Цельнокерамический ротор из нитрида кремния фирмыHoneywell EnginesПри стендовых испытаниях данных конструкций разрушение происходилов области соединения разнородных керамических материалов. Разработчикисделали вывод о недостаточной прочности подобных соединений и дальнейшиеусилиянаправилинасозданиеконструкции«металлическийдиск–керамические лопатки».Для металлических лопаток турбин высокого давления опробованызамковые соединения «ѐлочного» типа. В отечественном двигателестроениигеометрические параметры профиля регламентированы отраслевым стандартомОСТ 110975-81 [86].На Рис.

1.5 представлен конструктивный вариант соединения с восемьюварьируемыми параметрами (красный цвет). Клиновидная форма замковогосоединения обеспечивает равномерность нагружения зубьев. Зубья работают на22срез, изгиб и смятие, а сечения по впадинам замка лопатки и выступа диска – нарастяжение [5].

С увеличением числа зубьев уменьшается сила, действующаяна каждый зуб, однако возрастают растягивающие напряжения во впадинахзубьев. При проектировании замкового соединения с керамическими лопаткаминеобходимоиспользоватьминимизироватьконструктивныерастягивающиенапряжения.решения,позволяющиеПоэтомуиспользованиемногозубых замков керамических лопаток типа «ѐлочка» нецелесообразно, чтоподтверждено в работе [87].Рис. 1.5. Замковое соединение «ѐлочного» типа:1 – замок лопатки; 2 – выступ дискаБольшая часть работ посвящена исследованию соединения керамическихлопаток с металлическим диском типа «ласточкин хвост», геометрическиепараметры профиля которого регламентированы отраслевым стандартом ОСТ111031-81 [86].

На Рис. 1.6 представлен конструктивный вариант соединения счетырьмя варьируемыми параметрами (красный цвет). Увеличение угланаклона контактной площадки позволяет разместить большее число лопаток,приэтомвозрастаетвеличинаконтактногодавления.Максимальныерастягивающие напряжения возникают в радиусе перехода контактной гранизамка к профилю лопатки.23Рис. 1.6.

Замковое соединение типа «ласточкин хвост»: 1 – замок лопатки; 2 –выступ дискаНемецкие фирмы MTU и Volkswagen разработали конструкцию ротораавтомобильного двигателя с замковым соединением керамических лопатоктипа «ласточкин хвост», Рис. 1.7 [8, 10]. Лопатки из горячепрессованногонитрида кремния фирмы MTU успешно выдержали статические испытания напрочность. При длительных испытаниях в интервале от 55 мин до 79 чпроисходило разрушение в области контакта (Рис. 1.8).

В качестве возможныхпричин выделены следующие: неравномерное распределение нагрузки вконтакте, локальная концентрация напряжений из-за микронеровностейконтактирующих поверхностей, увеличение сил трения при нагреве, влияниеразности коэффициентов линейного термического расширения на контактныенапряжения. C целью снижения негативных контактных эффектов фирмамипредложено использовать промежуточную проставку толщиной 0,1 мм междулопаткой и диском.Фирмой Honeywell Engines в рамках программы «Advanced TurbineTechnology Applications Project (ATTAP)» 1993-2000 гг. для вспомогательнойсиловойустановки,помимоцельнокерамическогоротора(см.выше)рассматривались также варианты замкового соединения керамических лопатокс металлическим диском [10].24Рис.

1.7. Ротор с керамическимиРис. 1.8. Характер разрушениялопатками фирм MTU, VWлопаток фирмы MTUВ рабочем колесе Honeywell использовалось соединение лопаток с дискомтипа «ласточкин хвост» с углом наклона контактной площадки 60º. Междуметаллическимдискомметаллическиепроставки.икерамическимиМаксимальноелопаткамирастягивающеезакладывалисьнапряжениевхвостовике лопатки достигало 296 МПа. После обнаружения сильнойзависимости контактных напряжений от коэффициента трения конструкциябыла усовершенствована.

Она имела такую же профильную часть лопатки,ножка лопатки была укорочена и увеличена еѐ толщина, что позволилоотстроиться от резонансов. Благодаря изменению угла наклона контактнойграни замка с 60º до 45º, снизился уровень контактных напряжений. Уголустановки замка был уменьшен до 10º. Наибольшее значение растягивающегонапряжения в модифицированной конструкции не превышало 210 МПа.Исходная конструкция разрушалась в области контакта. Испытанияусовершенствованнойконструкциипроводилисьвсоставедвигателя-25демонстратора с различными проставками продолжительностью 100 ч. Ни однаиз лопаток не была разрушена, а суммарная наработка превысила 1000 ч.Фирма Honeywell сделала вывод о необходимости продолжения работы внаправлении коммерциализации и отработки надѐжности предложеннойконструкции.Компания Solar Turbines Incorporated в рамках программы CeramicStationary Gas Turbine (CSGT) разработала и испытала неохлаждаемые рабочиелопатки из нитрида кремния для двигателя Solar Centaur-50S [8, 10, 69].Применение керамических лопаток позволило увеличить входную температурутурбины.

Требуемый ресурс до первого капитального ремонта двигателя былустановлен в 30000 ч. Рассматривались монолитные керамические материалыNT164, GN-10, SN-281, SN-282, SN-88, AS-800 и КМК SiC/SiC, имеющиебольшую вязкость разрушения при меньшем значении прочности. Температурав области замкового соединения достигала 682oС, частота вращения ротора –14950 об/мин, число лопаток – 62.

Рассматривались варианты соединенияметаллического диска с керамическими лопатками типа «ласточкин хвост» cуглом наклона контактной грани замка 55o и соединение шарнирного типа (Рис.1.9). После ряда исследований был выбран вариант соединения металлическогодиска с керамическими лопатками типа «ласточкин хвост» с максимальнымзначением растягивающих напряжений в хвостовике лопатки 214 МПа, вкачестве материала ‒ AS-800.Данные лопатки успешно прошли термопрочностные испытания влабораторных условиях. При комнатной температуре они выдерживалинагрузки в 3-4 раза большие, чем при эксплуатации.

А при температуре 682oС –в 2-3 раза. Исследовались различные упругие проставки между керамическимилопатками и металлическим диском. Никелевые проставки толщиной 0,13 ммуспешно прошли более 5000 часов термо-циклических испытаний. В одном изпервых испытаний в составе двигателя разрушение произошло в зоне контактапосле 58 часов работы. Причиной разрушения хвостовиков лопаток стал износ26промежуточныхупругихпроставок(Рис.1.10).Послеповышенияизносостойкости проставок двигатель успешно проработал 100 ч на стенде.Рис.