Перспективы развития конструкций авиационных гтд

14 Перспективы развития конструкций авиационных ГТД

§ 14.1 Факторы, ограничивающий развитие ГТД

Рисунок 23 – Факторы, ограничивающий развитие ГТД

§14.2 Основные направления развития авиационных ГТД

1. Интенсификация рабочего процесса

– ;

Рекомендуемые материалы

– ;

– .

2. Применение новых материалов и технологических процессов (композиты, интерметаллиты…).

3. Рациональное конструирование  (уменьшение количества деталей, числа ступеней…).

4. Создание принципиально новых систем обеспечения характеристик и работоспособности двигателя (например, магнитные опоры, щеточные уплотнения, отказ от коробки агрегатов…).

5. Создание выходных устройств с управляемым вектором тяги, низким уровнем шума, уменьшенными показателями ИК-излучения.

6. Переход на альтернативные виды топлива (водород, сжиженный природный газ, синтетическое топливо…).

Задачи российского авиадвигателестроения:

1. Модернизация ограниченного числа существующих двигателей (АЛ-31Ф, Р195, ПС90, Д30КУ, РД33, НК-93…).

2. Создание двигателя V поколения для боевого самолета.

3. Формирование научно-технического задела для двигателей V поколения.

§14.3 Перспективы развития конструкции компрессоров

1) Создание компрессоров с противовращением роторов. Рассмотрим ТВВД с задним расположением вентилятора.

Рисунок 24 – Компрессор с противовращением роторов

2) Применение широкохордных лопаток вентилятора.

- в классических лопатках ;

- в широкохордных лопатках .

Рисунок  25 – Сечение широкохордной лопатки

3) Использование цельных конструкций «блиск» и «блинк»

4) Использование новых материалов:

- интерметаллиты (например, работоспособен до  );

- композиты.

Рисунок  26 – Лопатка из композита

Композиционные материалы  (КМ)– это объемное сочетание химически разнородных компонентов с четко выраженной поверхностью раздела.

КМ состоит из:

- Матрицы, которая обеспечивает сплошность материала;

- Армирующего элемента, который обеспечивает прочность и жесткость.

Различают 3 типа КМ:

1. Волокнистые.

2. Слоистые.

3. Дисперсно-упрочненные.

Приемущества КМ:

1. Высокая удельная прочность .

2. Двойной эффект при использовании на вращающихся деталях:

а) снижение массы детали;

б) снижение массы всего узла.

3. Хорошие демпфирующие характеристики.

4. Разрушение КМ не носит катастрофический характер.

Недостатки КМ:

1. Малая эрозионная стойкость.

2. Высокая стоимость и сложная технология производства армирующих волокон.

Т а б л и ц а 1 – Свойства армирующих волокон

Для деталей компрессоров (рабочих лопаток, лопаток НА, корпусов) применяют:

- матрица: Mg, Al, Ti сплавы, стали, эпоксидная смола, полиамидная смола…

- волокна: графит, бор, карбид кремния…

Примеры:

1. С-волокно + полиамидная смола

;

.

2. ВКА-2:  Mg-матрица + В-волокно

.

Рисунок 27 – Перо лопатки из композита

Для изготовления лопатки:

1.Профиль разбивается на несколько слоев.

2. Каждый слой выкраивается отдельно.

Рисунок 28 – Выкроенные слой пера лопатки

3. Ориентация волокон в каждом слое разная:

Рисунок 29 – Ориентация волокон в слое

60% слоев имеют ;

20% слоев имеют ;

10% слоев имеют ;

5% слоев имеют ;

5% слоев имеют .

Композиты используются для:

- рабочих лопаток;

- лопаток направляющего аппарата;

- корпусов.

Рисунок 30 – Композит в корпусе компрессора

§14.4 Перспективы развития конструкции КС

Общие направления:

1. Увеличение ресурса КС.

2. Уменьшение эмиссии.

3. Сокращение длины КС.

а) Двухзонная КС дает:

- уменьшение СО на пониженных режимах;

- уменьшение NOx на повышенных режимах.

Рисунок 31 – Двухзонная КС

б) Использование форсунок с аэродинамическим распылом топлива

Рисунок 32 – Форсунка с аэродинамическим распылом топлива

Преимущества:

1. Повышение гомогенности смеси (снижение СО, NOx).

2. Позволяет уменьшить длину КС.

Недостатки:

1. Сужает диапазон устойчивой работы КС.

в) Жаровая труба с двойными стенками

Рисунок 33 – Жаровая труба с двойными стенками

Также была разработана жаровая труба с плавающими панелями. Такая конструкция дает снижение расхода охлаждающего воздуха в 2 раза

Рисунок 34 – Жаровая труба с плавающими панелями

г) Послойное конвективно-пленочное охлаждение с орошением стенок

Рисунок 35 – Послойное конвективно-пленочное охлаждение

с орошением стенок

д) Интеграция зоны разбавления КС и соплового аппарата 1-й ступени турбины.

Рисунок 36 – КС с интеграцией зоны разбавления

Приемущества:

1. Сокращение длины КС.

2. Снижение массы КС и двигателя.

е) КС модульного типа.

Фронтовое устройство выполнено в виде отдельных модулей- горелок.

Плюсы:

1. Снижение расхода охлаждающего воздуха.

2. Сокращение длины КС.

3. Снижение концентрации сажи в продуктах сгорания.

Рисунок 37 – КС модульного типа

§14.5 Перспективы развития конструкции турбин

Основные задачи:

1. Совершенствование системы охлаждения.

2. Применение новых материалов.

3. Регулирование радиальных зазоров.

Примеры:

а) Рабочая лопатка с двойными стенками.

Выдерживает .

Рисунок 38 – Рабочая лопатка с двойными стенками.

б) Лопатка из композита С-С

;

.

Прочность сохраняется до .

Рисунок 39 – Принципиальная схема лопатки и композита

в) ВХ-17 - cплав на основе хрома (Cr+SiC)

ВКЛС-20: матрица ЖС6Ф

волокно NbC

г)

Рисунок 40 – Регулирование зазора при помощи кольца

д)

Рисунок 41 – – Регулирование зазора при помощи плавающей вставки

Теплозащитные покрытия ():

1) плазменное напыление;

2)  осаждение из паровой фазы,

3)  ионная имплантация.

§14.6 Применение керамики для изготовления элементов ГТД

Приемущества:

1. Высокая жаропрочность.

2. Высокая жаростойкость.

3. Низкая плотность.

4. Низкий коэффициент термического расширения.

5. Повышенная эрозионная стойкость.

6. Низкая стоимость сырья.

7. Работоспособность в отсутствии смазки.

Недостатки:

1. Чувствительность к концентрации напряжения.

2. Сравнительно высокая скорость распространения трещин.

3. Разброс прочностных характеристик.

Рисунок 42 – Разброс прочностных характеристик керамических и металлических материалов

4. Высокая стоимость изготовления изделия.

§14.6.1 Керамические подшипники

Рисунок 43 –. Точка максимальной контактной усталости подшипника

Рисунок 44 – Сравнение характеристик металла и керамики

Работоспособность в отсутствии смазки маслом у  керамических подшипников в 5-6 раз выше, чем у металлических.

§14.6.1 Керамика в КС

Рисунок 45 – Жаровая труба из керамического материала

Составы:

1) .

2) Композит С-С с покрытием .

3) Композит С- (волокно).

4) Композит -..

5) Сиалон ().

Технологии:

1) Азотирование кремния ().

2) Газофазный синтез.

3) Реакционное спекание.

4) Горячее изостотическое прессование:

- Т=1950-1970 К;

- Р =100-300 МПа;

- среда – аргон.

 Примеры конструкций:

Рисунок 46 – Стенки жаровой трубы из керамики

Рисунок 47 – Стенки жаровой трубы с керамической плиткой

§14.6.3 Применение керамики в турбинах

Керамику применяют для изготовления сопловых и рабочих лопаток.

Рисунок 48 – Крепление керамической лопатки

Рисунок 49 – Крепление керамической лопатки

Требования, которые необходимо выполнять при конструировании керамических деталей:

1. Обеспечить достаточную свободу деформации в месте сопряжения с металлическими деталями.

2.  Избегать повышенных градиентов температур.

3. Исключить возможность появления изгибных деформаций.

§14.7 Перспективы развития конструкций выходных устройств

1. Применение новых материалов:

- композиты (Ni+C, С-С, SiC, … );

- интерметаллиды (,, …).

2. Шумоглушение.

Рисунок 50 – Шевронное сопло

3. Применение неоссесимметричных сопел.

Рисунок 51 – Сопло-щель самолета В-2

4. Снижение инфракрасного излучения:

- экранирование;

Рисунок 52 – Закрывание проточной части центральным телом

Рисунок 53 – Закрывание проточной части створками

- охлаждение.

Рисунок 54 – Пленочное охлаждение

Рисунок 55 – Радиальная схема охлаждения

§14.8 Перспективные уплотнения

1) Щеточные уплотнения (brush seal)

Рисунок 56 – Схема щеточного уплотнения

Рисунок 57 – Щетины изготовлены электро-химической обработкой

Рекомендация для Вас - Предмет, цели и задачи лесоустройства.

2) «Пальцевые» уплотнения

Рисунок 58 – «Пальцевые» уплотнения