Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Параметры Вейбулла оо и т определяются на образцах с извеспюй площадью поверхности, выполненных из того же материала, что и деталь, и имеющих такую же обработку поверхности. Модуль т определяет разброс распределения значений прочности; малым значениям т соответствует большее значение рассеяния; другими словами, чем выше т, тем более плотно распределены свойства КМ. Из (5.1) и (5.2) следует, что 1п1п(!/(1 — р)) = т1по + сопз1, поэтому в результате испытаний образцов методом наименьпих квадратов оценивают угловой коэффициент т, соответствующий измеренным значениям прочности. Вероятность р определяется отношением л/(Аг+ 1), где л — порядковый номер, Ас — общее число образцов. Характерными значениями модуля Вейбулла, например, для ингрида кремния с добавлением У202 и А1,0э, получаемого путем ГИП и предназначенного для лопаток турбин, являются т = 13 + 17.
Для многих других КМ т = 7 4 10. Коэффициент /с определяется при однородном распределении напряже- 151 ний и может быль вычислен из (5.2): й = 1(о/о „с)м(7Р/Р). у Дпя' однородного растяжения /с = 1. Для чистого изгиба с постоянным распределением напряжений вдоль длины образца /с = 1/2(т + 1); дпя четырехточечного изгиба /с = 1/2(т+ 1)'. Для точного определения вероятности разрушения конструкции, подверженной как термическим, так и механическим нагрузкам, должен быть вычислен интеграл /отосу" в (5.2). Напряжения в детзлях газовых турбин часто опредедяют с помощью метода конечных элементов, позто- му вероятностный расчет включают в программу вычисления напряжений и вероятности разрушения на ЭВМ с тем, чтобы вычисления напря.
жений и вероятности разрушения выполнялись одновременно. Досто. верность результатов, получаемых изложенным методом, зависит от того, насколько тип дефектов в образце отвечает тому, который возникает в рассчитываемой детали. Изложенная методика использована, например, для оценки надежности керамических роторов двигателя АСТ-101. При высоких (свыше 1270 К) рабочих температурах на прочность КМ обычно влияет фактор времени. С течением времени может происходить медленный рост трещин, могут наблюдаться ползучесть и нестабильность материала, выражающаяся в снижении физических свойств или в уменьшении прочности. Высказывается предположение, что основным механизмом, управляющим процессом усталостного разрушения, является высокотемпературное распространение трещин.
Для получения достоверных оценок надежности деталей исследуют структуру КЧ с целью выявления дефектов размерами 0,01 — 0,1 мм посредством высокочастотной ультразвуковой дефектоскопии. Дпя повышения ударной прочности КМ применяются армированне керамики волокнами (например, из тантала), упрочнение КМ путем сжатия 'поверхностных слоев, нанесение покрытий, поглощающих энергию при ударах. В частности, разработана технология нанесения пористого реакционно-опекаемого ЯзХ4, получаемого путем азотирования порошков кремния, на основу иэ плотного Яз Хч, полученного горячим прессованием. Испытания образцов при температурах 293 и 1640 К показали, что ударная прочность при наличии защитного слоя увеличивается в 6-7 раз.
Разработаны способы формирования деталей иэ КМ: изостатическое прессование, плазменное напыление, инжекционное литье, шликерное литье, выдавливание (зкструзия) и др. Выбор способа зависит от размеров и формы детали, требуемых механических свойств, Одной из принципиальных трудностей конструирования роторов из КМ является плохая прочность таких материалов при растяжетши. Поскольку пока нет КМ для роторов, способных работать при высоких температурах длительное время, предлагаются промежуточные решения, в которых компенсируются недостатки керамических материалов, Например, раз. рабатываются конструкции, позволяющие заменить работу КМ на растя.
жение работой на сжатие. Предложена конструкция составной лопатки (рис. 5.22), в которой металлический стержень 1 крепится в диске 2 по. средством елочного хвостовика 3 и имеет расширенную периферийную часть 4 грибовидного сечения. Профильная часть выполнена в виде керамических оболочек 5- 7, расположенных одна над другой. центрирование верхнего элемента осуществляется по опорным поверхностям 8 стержня 1. Объем между стержнем и профильной оболочкой заполнен упругой жаростойкой массой 9. Для охлахсдения металлического стержня предус мотрен подвод воздуха, вытекающего через каналы 10 в радиальный зазор. Соединение металлических и керамических дателей, в частности ме- 152 Рис.
5.22. Конструкция составной рабочей л~ь латки с керамической оболочкой таллического диска и керамических лопаток, представляет собой сложную задачу. 7 Специальная программа разработки способа соединения таких деталей выполнена фирмой "Пратт-Уитни". Выбран способ, объединяющий процесс изотермического прессования двух половин диска из никелевого деформируемого сплава и диффузионной сварки этих половин с рабочими лопатками из ЯэХ4. Проведенные испытания роторов с такими дисками при температурах до 1500 К и частоте вращения до 45 000 мин ' показали перспективность разработанной технологии и возможность проведения исследований при более высокой температуре (1640 К). Сопловые аппараты с керамическими лопатками могут быть двух типов: монолитные и составные (наборные) .
Последние обеспечивают подвижность отдельных лопаток в конструкции. Основные работы по КМ ведутся применительно к АГТД (см. з 2.6). В ходе разработок деталей выявляются трудности, которые не позволяют с полной уверенностью прогнозировать успешное завершение программ создания АГТД с КМ в намеченные сроки и обеспечить требуемый ресурс керамических деталей (3500 ч). Срок службы опытных деталей из КМ цри работе на режимах с Т, до 1570 К является пока неудовлетворительным.
Максимально достигнутая наработка одиночных сопловых лопаток иэ В1С в составе турбин двигателя СТ-404 при Т„= 1310 К достигла 1541 ч, а монолитного соплового аппарата из ЯзХч двигателя АСТ-10!в 401 ч при Тг = 1326 К. Максимальная достигнутая наработка цельнокерамических колес турбины из ЯзХ4 фирмы "Форд" составила 200 ч при Т„= 1473 Ки л= 50000 мин ' и всего 37 ч при Т = 1644 К при той же частоте вращения. Вместе с тем уже имеются сведения об успешных испытаниях роторов из В1зХ4 без лопаток для АГТД АСТ.!01 при частотах вращения п = 134000 и 115 000 мин ', превосходящих расчетную (100000мин '). При прогнозируемом массовом производстве АГТД возможны трудности с обеспечением стабильности качества деталей в процессе изготовпения, на которое влияет качество исходных материалов (чистота порошков, гранулометрический состав) . Для контроля качества необходима разработка методов неразрушающето контроля деталей из КМ.
При разработке перспективных АЗГТУ с высокотемцературными шзоохлаждаемыми реакторами рассматриваются возможности применения материалов двух типов: освоенных жаропрочных и жаростойких сплавов (в основном никелевых) и молибденовых (а также «шобиевых) сплавов, не применяющихся в ГТУ на оргатшческом топливе. Малолегированные и нержавеющие стали не рекомендуется применять в ГТУ с ВТГР 153 11-5278 при температурах свыше 920 К. Однако сплавы на никелевой основе, видимо, найдут применение и прн более высоких температурах, как с охлаждением, так н без охлаждения турбин ГТУ.
Известна, например' проектная проработка комбинированной установки с газоохлаждаемым реактором с Гг = 1173 К, в которой предусмотрено охлаждение лопаток нескольких первых рядов турбины, изготовленных из освоенных никелевых сплавов [26(. Никелевый сплав типа ЭИ893 рассмотрен в качестве материала лопаток последней ступени турбины АЗГТУ с начальной темпе. ратурой гелия Гт = 1223 К [16(.
Зарубежными экспериментами подтверждено, что никелевые сплавы типа 7Х!00 и7Х738 не теряют механических свойств в течение 13 000 ч при температурах до 1173 К. Эти сплавы содержат соответственно 1О и 16 % Сг, 15 и 8,5 %, Со, 3 и 1,7 % Мо, 5,5 и 3,4 % А1, 4,7 и 3,4% Т! и другие пеги рующие добавки. Молибденовые сплавы считаются наиболее перспективными лля турбин АЗГТУ с ВТГР. Они имеют большую прочность прн высоких температурах, но не выдерживают окислительной срейы, поэтому в ГТУ открытого цикла не применяются. Один из молибденовых сплавов — ТЕМ 10,03% С, 0,5 % Т1, 0,08 % Ег, остальное — молибден) испьпан в гелиевой среде. Он может применялся прн рабочих температурах 1200 — 1450 К.
Ло'патки из него получают штамповкой. Длительная прочность сплава при температуре 1150 К и сроке службы 10 и 10' ч одинакова — примерно 380 МПа. При температуре 1320 К и сроке службы 1О" и 10' ч длительная прочность равна соответственно 270 и 190 МПа. Этот сплав рассмотрен в качестве материала первых ступеней турбины ГТУ с ВТГР с Гг = 1223 К [16(. 5.4. Повышение эксплуатационной надежности и удлинение срока службы Обеспечение надежности н продление срока службы ГТУ ставятся наряду с повышением топливной экономичности как основные задачи газо. турбостроения. Надежность закладывают при проектировании установки, обеспечивают при ее изготовлении и поддерживают в эксплуатации.
К мероприятиям, обеспечивающим надежность н удлинение срока службы при проектировании, можно отнести; выбор материалов деталей ГТУ с учетом реальных условий эксплуатации, способных работать в течение заданного срока службы установки; правильный выбор за. зоров, натягов, биений и т.пб точную оценку маневренных качеств установки, учитывающую темпы прогрева деталей, особенности характеристик узлов и дрц выбор конструкции узлов и деталей, учитывающей особенности работы установки (например, возможную качку судна, ударные нагрузки на локомотивные ГТУ и т.п,); выбор схемы установки, размеров н массы ее узлов, обеспечивающих необходимые маневренные каче.
ства установки; выбор конструкционных мер, позволяющих устранять недостатки в двигателях прн их эксплуатации !например, должны быть . предусмотрены меры, обеспечивающие очистку проточных час~ей от от ложений солей, пыли и т.п.); отстройку от резонансов деталей в ра бочем диапазоне частот вращения, степень демпфирования колебаний.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
