Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Расчеты и испытания показали возможность заметного уменьшения температуры металла охлаждаемых лопаток с термобарьерным покрьпием толщиной 0,28 мм (рис. 5.21). В турбине с заданной температурой металла лопаток термобарьерное покрытие обесдечнвает эффективность охлаждения, практически равноценную конструкционно более сложному пленочному охлаждению.
Еще большие преимущества термобарьерное покрытие может обеспечить при больших тепловых потоках в охлаждаемых лопатках тур. бин перспективных ГТД. В результате исследований, проведенных НАСА*, установлено, что наилучшим цо надежности, а также по суммарной стоимости материала и операции нанесения покрытия является термобарьерное покрытие из оксида циркония толщиной 0,28 — 0,64 мм с добавками 12 % оксида иттрия, нанесенное на связующий металлический подслой толщиной примерно 0,1 мм из сплава Х1, 16 % Ст, 6 Тс А), 0,6 % У.
Однако такое покрытие имеет недостаточную стойкость и долговечность при работе на низкокачественных видах топлива. Расширение применения пленочного и пористого охлаждения во многом зависит от совершенствования технологии изготовления лопаток, и прежде всего от развития методов получения отверстий малого диаметра в защищаемых вдувом воздуха элементах лопаток. Мелкие отверстия для пленочного охлаждения получить при отливке лопаток невозможно. Их выполняют в основном методом электрохимической обработки. Этот метод позволяет изготовлять отверстия диаметром до 0,015 мм.
Возможно применение лазерного и электронно-лучевого сверления, цри котором производительность оказывается намного больше, чем при электро- химической обработке. Электронно-лучевая прошивка позволяет выполнять отверстия диаметром 0,1 — 2 мм как перпендикулярно, так и под углом до 20' к поверхности детали. С внедрением электронно-лучевой сварки появилась воэможность изготовлять сварные роторы, и сейчас такой способ сварки применяется, например, на НЗЛ для изготовления некоторых деталей и узлов, в част- а НАСА — Напвоиалъное управление по аэронавтике и исслсдовивпо космического пространства (США), 147 Ф ности сопловых лопаток турбин.
Иностранные фирмы также широко применяют электронно-лучевую сварку, например барабан ротора компрессора ГТУ "Марс" (см. рис. 3.6) сварен электронным лучом в вакуум. ной камере из 15 дисков. ГТУ содержат большое число однотипных элементов, изготовлениеко. торых легко поддается автоматизации. В связи с развитием роботизации и микропроцессорной техники появилась возможность заметно повысить производительность путем автоматизации механической обработки.
На. пример, на фирме "Роллс-Ройс" введена автоматическая линия, исполь. зующая роботы для механической обработки рабочих лопаток турбин, полученных литьем в вакууме. Система обеспечивает снижение времеви шлифовальных операций с 6 мин до 45 с. Применение роботов позволило уменьшить эксплуатационные расходы и улуншить контроль за изготовлением лопаток.
Наиболее перспективными керамическими материалами (КМ) для ГТУ считаются ингрид кремния Б/зХ4 и карбид кремния Б/С. Эти материалы имеют следующие необходимые дчя деталей ГТУ свойства: высокую тер мостойкость (выдерживают скорость нагрева или охлаждения до 500 К/с и более); высокую корроэионную стойкость, нечувствительность к соедннениям, содержащим серу, ванадий, натрий; высокую эрозионную стойкость (твердость КМ соизмерима или выше твердости часпщ, содержащихся в продуктах сгорания); высокую жаропрочность или высокотемпературную прочность на сжатие (выше, чем у металлов).
низкую стоимость исходных продуктов и доступность сырья. Привлекательным свойством КМ является низкая плотность — всего 2,7 — 3,2 г/смз, поэтому детали из них получаются примерно в 3 раза легче, чем из металлических сплавов, Порошок ингрида кремния получают различными способами: азотированием кремния, газофазным синтезом, реакцией на жидкофазной зюверхности, восстановлением и азотированием кремния высокой чистоты. Для спекания КМ разработаны технологические процессы реакционного спекания, горячего изостатического прессования (ГИП), химического осаждения из паровой фазы и др.
На свойства Б)з)х/4, получаемого методом ГИП, в частности, на плотность, влияют давление, температура и продолжительность процесса. Максимальная плотность получается при прес. совании, проводимом при температуре 1970 К, давлении 200 МПа и при 1920 К, 100 МПа. Оптимютьная продолжительность процесса при 1970 К— 30 мин. Фирма АБЕА (Швеция) разработала процесс ГИП для формообразования деталей из порошка Б~зг/х. Процесс заключается в поддержании всестороннего равномерного давления на оболочку с порошковой массой при температуре, составляющей 0,5-0,8 температуры плавления, и давлении 100 — 300 МПа.
Этот щюцесс может обеспечить получение спрессованных до беспористого состояния КМ с удовлетворительной чистотой поверхности, высоким пределом прочности при растяжении*, сопротивлением ползучести и точностью изготовления. Получаемью "Основной характеристикой прочности КМ является условный предел прочности. определяемый лря трех — ллл четырехточечлом изгиба балки-образца, имеюгцего прямоугольное еечелве. 148 Таблица 5.1.
Свойства векотормх зврубезюзых ввтрвдокарбвдвых кояструкцяоввых керамических материалов Прочласть лри чегырехточечлем изгибе лрв ком- натной темпера- туре, МПа Плоззззоезв, г/ем Крвткза характеристика Фирма л глл матеРиала 344 — 452 Карбют кремния, вяфвльт- рвревзлный кремнием Спеченный карбид крем- ния офазы Спеченный карбид крем- Карбид кремния, янфильт- риревзнвый кремнием Ревкцволло-слечелямй ввтряд кремния Реакционно-спеченный витрвд кремния Реакционно-спеченный ввтряд кремния, фор- муемый шлвкерлым литьем Реакционно.слечеллый витрид кремния, формуе- мый илжекциоллым методом Реакционно-спеченный литрвд кремнии Спеченный лвтрид кремния с 6% УзОз /ло массе) Реакциовво-спеченный лвтрвд кремния, фор- муемый влжекциолвым методом "Нортав*', 1ЧС"$35 Карборузщум", 8/С 3,16 '*дженерал электрик", 51С ПКАЕА/ВЫР, 5Ы-201 3,11 338 ",Нортон", ЫС-350 2,41-2,55 2,35 — 2,53 162-234 123-158 "Кввекв-Вервлко", /Из на '"эриеерч", КВ)Ч-101 260 2,85 263 2,75 форд 51зН4 78,5 2,08 "Индуеса/Нилов Левко", Рйзкз **ОТЕ Свльвзвия", 5гз Ка "Зрисерч", ВВ)Ч-122 3,23 536 234 2,66 при этом детали после формования почти не требуют механической об.
работки. ГИП позволяет получать из Б)зХ, детали сложной формы. Примерно аналогичный результат дает процесс химического осаждения из паровой фазы. Наиболее известные марки и фирмы-изготовители некоторых КМ приведены в табл. 5.1. Некоторые обобщенные физические и механические свойства КМ в сравнении с известным жаропрочным сплавом 1псо713С (по данным фирмы "Фольксваген" ) приведены в табл. 5.2.
Изучение свойств КМ показюю, что прочность большинства деталей из Б)з Ка с ростом температуры снижается, причем механические свойства очень разнообразны и сильно зависят от способа получения КМ. Предел прочности основных типов Б/зал при 1470 К укладывается в диапазон 70 — 350 МПа.
Имеются КМ на основе Б)з/з/„прочность которых с ростом температуры от комнатной до 1500 К возрастает вдвое, и только затем отмечается постепенное ее снижение, Прочность карбидов кремния слабо возрастает с ростом температуры 149 М Таашиа 5.2. Некоторые свойства керамических конструкционных материалов " Температурный коэффициеят линейного расширеяия яри ЗОО-12бо К, а,эО,К ' Тедяодро- яодяссть ори 12бОК, вг/(м К) Модуль уоругостк дри 12ОО К, Е эоу мп Темперяту- Пяотря пяяв- ность, лекия, К г/см з' МатеРиал 2170 3,1 18 29 9 1,8 60 41 513 ьЧ4 горячего прессования Я2194 Реакционно- 3170 2,6 спеченный Яэ Н4 горячего 2520 прессования Я2294 реакционно. 1650* 3,12 спеченный, иифипьт. рировяииый кремнием Я2144 реькциоиись 2520 спеченный Стеклокерамиче.
1975 2,2 скип материал Жаропрочный сплав 1560 7,7 1дсо 713С ь Температура плавления свободного кремния 3,0 4,3 3,12 4,4 50 1,8 2,7 22 2,0 1,0 0,12 25 1,7 0,6 15 до 1470 — 1570 К, а затем снижается, При температурах выше 1520 — 1570 К прочность на изгиб у этих материалов выше, чем у 5121ь1 . Основное отличие механических свойств КМ от свойств металлических материалов заключается в их хрупкости и малой пластичности; при высоких напряжениях в КМ появляются трещины, которые быстро распространяются по объему и приводят к разрушению детали. Источниками трещин в КМ являются микродефекты либо на поверхности, либо в его объеме. Разброс прочностных свойств (в частности, предела прочности на разрыв) у КМ обычно выше, чем у металлов, что приводит к необходимости более пцательной обработки поверхности деталей из КМ. КМ обэтадают и другим нежелательным свойством — очень низкой ударь.й вязкостью.
Хрупкость КМ вызывает необходимость оценивать их прочность иначе, чем прочность метющических ма~ериалов: для их практического использования необходимо знать че только прочностные свойства, но и вероятность разрушения. Разработаны методы, позволяющие оценивать эту вероятность, и критерии оценки ее значений. Напряжение, вызывающее разрушение КМ, когда еще не наблюдает рост трещины, может быть определено по формуле: ог /с /(Уъ/а), где /сс — коэффициент интенсивности напряжений, необходимых для рос 150 трещины (постоянная материала); 1' — коэффициент, зависящий от геометрических характеристик, формы, ориентации и расположения трещин; а — размер дефекта.
Типичными микродефектами являются внутренние пустоты и включения, которые образуются в процессе изготовления детали, а также поверхностные царапины, появляющиеся при обработке ее поверхности. Отклонения размеров дефекта от некоторого среднего вызывают необходимость определения вероятности разрушения. Изменения прочности из-за таких отклонений рассматриваются на основе модели слабейшего звена Вейбулла, предполагающей, что вероятность разрушения -л р= 1 — е (5.1) где /2 — опасность разрушения.
Для так называемого двухпараметриче. ского распределения Вейбулла (по некоторому характеристическому напряжению о, и модулю т) значение )с определяется интегрированием нзпряжений о по всему объему (г: /(о/ое) с/(г = /с(г(омакс/его) (5.2) у где /с — коэффициент, зависящий от нагрузки; оман — максимальное напряжение в образце или конструкции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
