13 ПЕРСПЕКТИВНІ МАТЕРІАЛИ ТА ТЕХНОЛОГІЇ В ГТБ

Забезпечення високого коефіцієнта корисної дії циклу ГТД залежить від багатьох факторів: вибору базового термодинамічного циклу, аеродинамічної та механічної досконалості вузлів. Із лопаточними машинами пов'язані основні втрати ККД двигуна. Теплообмін в компресорі, що здійснюється через елементи конструкції в навколишнє середовище, невисокий. Для турбіни, де робочі температури значно відрізняються від температури навколишнього повітря, існує значна неадіабатність. Адіабатність - ступінь відповідності реальної турбіни категорії „адіабатна", турбіна в якій здійснюється процес розширення робочого тіла (газу) з урахуванням тертя без теплообміну з навколишнім середовищем. При створенні енергетичних ГТУ підвищення температури на вході до турбіни супроводжується інтенсифікацією процесів охолодження високотемпературних елементів газової турбіни, вочевидь, це вступає в протиріччя з принципом адіабатності. Лопаточний апарат, водночас, виконує надійне та високоефективне перетворення енергії газу в механічну енергію та виступає теплообмінним апаратом. При охолодженні лопатки частина теплової енергії передається охолоджувачу, ККД зменшується, знижується ефективна потужність ГТД. Для вирішення цієї проблеми проводять розробку нових жароміцних матеріалів з більш високою температурою роботи: металевих сплавів з монокристалічною структурою, конструкційної кераміки та композитів, вуглеграфітових матеріалів, вуглекомпозитів. Розробляються нові способи та системи охолодження. Пропонується використання гібридних металокерамічних лопаток, деталей з термобар' єрними та захисними покриттями.

В сучасних ГТУ переважає відкрита система повітряного охолодження, що зумовлює найбільші втрати енергії. При відборі від компресора 1% повітря на охолодження газової турбіни питома потужність ГТД зменшується на 0,7-1,5%, зростає витрата палива на 0,3­0,5%. В стаціонарних ГТУ відносні витрати повітря на охолодження сягають 15%.

Одним з варіантів вирішення проблеми є використання керамічних матеріалів, що не потребують охолодження при високих температурах. Розроблена, наприклад жароміцна жаростійка конструкційна алюмоборонітридна кераміка з робочою температурою до 1500-1600°С (табл. 13.1).

Таблиця 13.1 - Теплофізичні властивості алюмоборонітридної кераміки

Показник

Чисельне значення

Густина (р), кг/м3

2800-3000

Максимальна температура експлуатації, °С

1600

Коефіцієнт лінійного розширення (а-10), К

9,0

Коефіцієнт теплопровідності (К), Вт/(м-К)

14,0-16,0

Питома теплоємність (с), кДж(кг-К)

1,1

Границя міцності при згинанні, (азг), МПа

110

Границя міцності при стисканні (остиск), МПа

400-450

Модуль повздовжної пружності (Е-10), МПа

0,08-0,2

Розробляється малотоксичний металокерамічний стаціонарний ГТД з потужністю 2,5МВт. В цій турбіні основні елементи, що контактують з гарячим газом, виготовлено з керамічних матеріалів (без охолодження), а силові елементи - з металевих (охолоджуваних). В конструкції ГТД передбачається використовувати кераміку в камері згорання (керамічна жарова труба), в турбіні (оболонки направляючих та робочих лопаток, термозахисні вставки). Використання алюмоборонітридної кераміки для цих елементів виключає використання алмазного інструмента при виготовленні деталей. Процес виготовлення складається з двох етапів: з „сирої" заготовки звичайним інструментом виготовляють за кресленням деталь, потім спікають її при температурі 1000-1100°С на повітрі та проводять термообробку при 1400°С. При цьому розміри деталі не змінюються. Вихід якісних деталей сягає 90%. Розроблена технологія дифузійногозварювання керамічних елементів, міцність з'єднання не менша за основний матеріал. Матеріал є достатньо термостійким, здатен витримувати жорсткі термоцикли, що виникають при запусках та зупинках турбіни.

Суттєве розширення можливостей матеріалів, що використовуються на сучасному етапі, може бути досягнуто за рахунок вдосконалення технології отримання заготовок. Так, у випадку виготовлення дисків, все більшого розповсюдження набуває технологія отримання заготовок методом металургії гранул. Цей спосіб отримання заготовок з жароміцних нікелевих сплавів дозволяє зменшити розвиток ліквації, зменшує розміри первинних частинок у* -фази та карбідів, підвищується технологічність та економічність використання металу. Розміри гранул, зазвичай, складають 0,02­0,4 мм. При розпиленні сплавів на гранули досягається досить висока швидкість кристалізації. Компактування дисків проводять при температурі гартування сплавів в газостатах. Технологія пресування дисків з порошків потребує додаткового очищення від кисню, пари води та інших домішок. В присутності на поверхні гранул плівок (А1203, Ті02, ТіС) процес руйнування дисків прискорюється. В авіатехніці для виготовлення валів, дисків, лабіринтів використовують диспергований сплав ЗП741П. Термічна обробка дисків з диспергованих сплавів співпадає з деформовними. Перевагою металургії гранул є підвищення коефіцієнту використання металу, більший рівень міцності та зменшення маси конструкції.

При вдосконаленні газової турбіни, окрім створення нових матеріалів для збільшення надійності та довговічності, пропонуються нові конструкторсько-технологічні прийоми використання вже існуючих матеріалів. Відомо, що при експлуатації робочих коліс турбін авіаційних ГТД існує значна нерівномірність за рівнем температури та напружень в окремих зонах. Для профільної частини лопатки температура сягає 800-1150°С, матеріал потребує високої жароміцності. Таким вимогам відповідають монокристалічні жароміцні сплави на основі нікелю. Замкове з'єднання повинно забезпечити високий опір втомі, тривалу міцність при відносно низьких температурах 650-750°С. Такі властивості можуть забезпечити порошкові нікелеві сплави, що призначені для виготовлення дисків. В загальному випадку перевага при виборіматеріалу надається більш „високотемпературному" сплаву для лопаток, хоча він не забезпечує оптимальних властивостей в замковому з' єднанні.

Для більш оптимального розподілу матеріалів було запропоновано використання біметалевих конструкцій. Використання для замкової частини лопатки матеріалу з більш відповідними властивостями або повне виключення замкового з' єднання (конструкція відома під назвою „блиск") дозволяють зменшити масу робочого колеса та збільшити його ресурс. Для виготовлення подібних конструкцій використовують спосіб ізотермічного штампування, що дозволяє поєднувати лопатки та диск, виготовлені з різних сплавів.

Технологія виготовлення таких конструкцій передбачає спікання лопаток з порошковим сплавом, що формує диск. Цей процес, що має назву ГІП (гаряче ізостатичне пресування), передбачає використання заздалегідь виготовлених литих лопаток, наприклад, зі сплаву ЖС32, які за допомогою керамічних елементів запаковуються в капсулу (сталь 20), в яку потім засипають гранули порошкового сплаву, наприклад ЗП741НП. Одночасно до капсули додають спеціальні елементи („зразки-свідки") з цього ж матеріалу. Спікання здійснюють в вакуумі, температура 1200°С, тиск 151,5 МПа. По завершенні ГІП капсула видаляється щавленням, диск та „зразки-свідки" проходять механічну обробку.

Наведений метод дозволяє поєднувати елементи з матеріалів різної природи у вузлах та деталях, наприклад, „блиск" ступені турбіни, крильчатки, біметалеві лопатки. Метод дозволяє уникати складних у конструюванні з' єднань (замкових, фланцевих, зварних, паяних).

Проведені дослідження свідчать , що конструкція „блиск" дозволяє зменшити масу двигуна. Маса класичного робочого колеса -95,4 кг, у випадку беззамкового біметалевого „блиск"а - 68,14 кг.

Виробництво монокристалічних лопаток з жароміцних сплаві продовжує вдосконалюватися. Збільшується номенклатура та об' єм випуску деталей призначених для двигунів цивільної та військової авіації, ракетних, танкових двигунів, стаціонарних установок для енергетики, газоперекачувальних агрегатів.

Найближчим часом потребує вирішення проблема створення нових корозійностійких жароміцних сплавів з тривалим ресурсом, які передбачають   отримання   лопаток   спрямованою кристалізацією.

Суттєвою відмінністю від існуючих сплавів авіаційного спрямування є необхідність отримання великих за розміром деталей для стаціонарних

ГТУ (табл.13.2).

Таблиця 13.2 - Основні параметри робочих та соплових лопаток перспективних ГТУ

Тип лопатки

Ступень турбіни

Висота, мм

Розміри в плані, мм

Маса, кг

Тип структури

Робоча

з

І

360

180x160

5

МОНО

охолодженням

 

ІІ

550

220x200

8

МОНО

 

 

ІІІ

750

230x210

11,5

СК

Робоча

 

ІУ

980

280x2400

15

СК

 

 

V

1030

-

-

-

Соплова

з

III

780

360x230

26

СК

охолодженням

 

IV

890

370x310

38

СК

Для виготовлення таких деталей необхідно не лише створення відповідних сплавів але й створення нового покоління технологічного устаткування.