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
Волокно | Диаметр, мкм | ||||
Углерод | 8-10 | -переход в газообр. состояние | 1600 | 2500-3500 | 1,5-2,5 |
Бор | 110-120 | 2300 | 2650 | 2000-4000 | 0,75-1,50 |
Карбид кремния | 1-3 | 2680 | 3200 | 7000-21000 | 2-7 |
Графит (усы) | 0,1-1,0 | -переход в газообр. состояние | 2200 | 20000 | 9 |
Титановый сплав | - | 1610 | 4500 | 1000 | 0,22 |
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
1900 | 1500 | 3300 | |
2540 | 2200 | 3200 | |
3000 | 2500 | 2340 |
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