Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей
Покупка
Тематика:
Воздушный транспорт
Авторы:
Елисеев Юрий Сергеевич, Крымов Валентин Владимирович, Колесников Сергей Анатольевич, Васильев Юрий Николаевич
Год издания: 2007
Кол-во страниц: 360
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3054-3
Артикул: 800539.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложены результаты внедрения в авиационные газотурбинные двигатели антифрикционных графитов и создания первого отечественного специализированного производства таких материалов. Описаны основные отечественные и зарубежные достижения в области применения деталей из неметаллических композиционных материалов в авиадвигателестроении. Даны принципиальные технологические схемы производства армирующих наполнителей для получения полимерных, углеродных, углерод-керамических и неорганических материалов. Приведены результаты испытаний деталей из неметаллических композиционных материалов в составе модельных газотурбинных двигателей.
Обобщен опыт применения теплозащитных углеродных материалов в электровакуумных печах для специальной обработки жаростойких металлических деталей. Приведены первые результаты применения неорганических материалов, полученных по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в производстве высококачественных рабочих лопаток авиационных двигателей. Систематизированы результаты применения полимерных композиционных материалов во вспомогательном производстве, предназначенном для изготовления деталей двигателей и ремонта технологического оборудования.
Для студентов и аспирантов вузов. Может быть полезно инженерам-двигателестроителям и технологам общей химической технологии углеродных, керамических и неорганических композиционных материалов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.05: Двигатели летательных аппаратов
- 25.03.01: Техническая эксплуатация летательных апаратов и двигателей
- ВО - Специалитет
- 24.05.02: Проектирование авиационных и ракетных двигателей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей Допущено УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области материаловедения, технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки специалистов «Материаловедение, технологии материалов и покрытий», бакалавров и магистров «Материаловедение и технология новых материалов» Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2007
УДК 621.45(075.8) ББК 39.55 Н501 Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Технология переработки неметаллических материалов» «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского (зав. кафедрой проф. С.В. Бухаров); д-р техн. наук, проф. И.С. Епифановский Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных дви- гателей: Учеб. пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау- мана, 2007. – 368 с.: ил. ISBN 978-5-7038-3054-3 Изложены результаты внедрения в авиационные газотурбинные дви- гатели антифрикционных графитов и создания первого отечественного спе- циализированного производства таких материалов. Описаны основные оте- чественные и зарубежные достижения в области применения деталей из неметаллических композиционных материалов в авиадвигателестроении. Даны принципиальные технологические схемы производства армирующих наполнителей для получения полимерных, углеродных, углерод-керамичес- ких и неорганических материалов. Приведены результаты испытаний де- талей из неметаллических композиционных материалов в составе модель- ных газотурбинных двигателей. Обобщен опыт применения теплозащитных углеродных материалов в электровакуумных печах для специальной обработки жаростойких метал- лических деталей. Приведены первые результаты применения неоргани- ческих материалов, полученных по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в производстве высококачественных рабо- чих лопаток авиационных двигателей. Систематизированы результаты при- менения полимерных композиционных материалов во вспомогательном про- изводстве, предназначенном для изготовления деталей двигателей и ремонта технологического оборудования. Для студентов и аспирантов вузов. Может быть полезно инженерам- двигателестроителям и технологам общей химической технологии углерод- ных, керамических и неорганических композиционных материалов. Н501 УДК 621.45(075.8) ББК 39.55 © Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев, 2007 © Оформление. Издательство МГТУ ISBN 978-5-7038-3054-3 им. Н.Э. Баумана, 2007
Оглавление Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Гл а в а 1. Состояние и перспективы использования неметаллических композиционных материалов в конструкциях основных узлов современных ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1. Сравнительная характеристика современных ГТД. Рабочие парамет- ры и требования к материалам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2. Конструкции из композиционных материалов для входных устройств ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3. Конструкции из композиционных материалов для осевых компрес- соров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4. Конструкции из композиционных материалов для камер сгорания . . . 39 1.5. Конструкции из композиционных материалов для узлов турбин вы- сокого и низкого давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.6. Конструкции из композиционных материалов для узлов форсажных камер и сопловых аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Гл а в а 2. Опыт конструкторско-технологической проработки, модели- рования и испытания деталей и узлов малоразмерных ГТД из неметаллических композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.1. Применение малоразмерных ГТД при проектировании и модерниза- ции полноразмерных ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.2. Колеса осевого компрессора из композиционных материалов . . . . . . . 66 2.3. Колеса к центробежным компрессорам и турбинам из композицион- ных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.4. Композиционные элементы конструкций высокотемпературных жа- ровых труб камер сгорания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.5. Лопатки соплового аппарата турбины из композиционных материалов 81 2.6. Рабочие колеса турбин из композиционного материала . . . . . . . . . . . . . 85 2.7. Интегральные конструкции газогенератора из композиционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.8. Жаровая труба кольцевой камеры сгорания из композиционного материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.9. Продувочные испытания образцов жаростойких композиционных материалов в потоке сгорания авиационного топлива . . . . . . . . . . . . . . 108 Гл а в а 3. Применение антифрикционных графитовых материалов в ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.1. Уплотнения масляных полостей системы смазки ГТД из антифрикционных графитовых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2. Практическое значение исследований трения и смазки графитовых уплотнений для технологии антифрикционных графитов . . . . . . . . . . . 129 3.3. Строение графитовых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.4. Современные представления о трении графитовых материалов . . . . . . 137 3.5. Стойкость графита к окислению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.6. Выбор сырьевых материалов при разработке технологии получения графитовых антифрикционных материалов, используемых в произ- водстве ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.7. Разработка на ФГУП «ММПП «Салют» технологического процесса промышленного производства материалов АТГ-С, ПУМА-С, МПГ-6 и МПГ-7/1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Гл а в а 4. Углеродные композиционные материалы в конструкциях ГТД и технологии их производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1. Технология производства углеродных волокон для конструкционных углепластиков и углерод-керамических композиционных материалов . . . 183 4.2. Конструкционные углерод-керамические композиционные материалы 197 4.3. Углерод-углеродные композиционные материалы в технологическом оборудовании производства деталей ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Гл а в а 5. Неорганические неметаллические материалы в конструкциях ГТД и технологии их производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 5.1. Стеклянные и жаростойкие высокопрочные неорганические волокна 247 5.2. Конструкционные неметаллические керамические композиционные материалы на основе порошкообразных наполнителей . . . . . . . . . . . . . 267 5.3. Конструкционные неметаллические керамические композиционные материалы на основе неорганических волокон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 5.4. Технология самораспространяющегося высокотемпературного син- теза в производстве и упрочнении поверхностей деталей ГТД . . . . . . 286 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Гл а в а 6. Полимерные материалы в конструкциях ГТД и технологии их производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 6.1. Органические высокомодульные высокопрочные волокна . . . . . . . . . . 307 6.2. Армированные угле- и органопластики в конструкциях ГТД . . . . . . . . 313 6.3. Применение фуллероидных структур, нанотрубок и астраленов для модификации полимерных связующих конструкционных пластмасс . . . 332 6.4. Полимерные композиционные материалы при подготовке производ- ства ГТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Предисловие Отечественное авиадвигателестроение в настоящее время осуществляет разработку авиационных газотурбинных двигателей 5-го поколения. Это осо- бенно актуально в условиях постоянной конкуренции на мировом рынке авиа- ционной техники. Неметаллические композиционные материалы и технологии изготовления из них деталей авиационной техники, в том числе при создании газотурбин- ных двигателей 5-го поколения, разрабатываются в Российской Федерации и зарубежных развитых странах в течение продолжительного времени. В вузах нашей страны, в частности в «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского, прово- дится подготовка студентов по специальностям «Материаловедение, техноло- гии материалов и покрытий» и «Материаловедение и технология новых мате- риалов». Целью данного учебного пособия является попытка обобщения отечествен- ного и зарубежного опыта разработки и применения в авиационных газотурбин- ных двигателях 5-го поколения неметаллических конструкционных композици- онных материалов. Рассмотрены вопросы проектирования наиболее теплонапря- женных узлов газотурбинных двигателей из таких конструкционных материалов и использования для этого новых численных методов автоматизированного кон- струирования. Приведены результаты испытаний демонстраторов с узлами из но- вых отечественных неметаллических композиционных материалов. Изданные в России книги по данной тематике, как правило, не содержат обобщения и сопоставления зарубежных и отечественных достижений в об- ласти применения конструкций из композиционных материалов для авиаци- онных двигателей, поэтому предлагаемое учебное пособие призвано занять отдельную нишу. В нем рассмотрены результаты работ в области материало- ведения композиционных материалов применительно к отечественному авиа- двигателестроению. Значительная часть пособия посвящена опыту ведущего отечественного авиадвигателестроительного предприятия ФГУП «ММПП «Са- лют» в решении различных проблем в этой области. Впервые рассмотрены проблемы не только создания элементов конструкций газотурбинных двигате- лей, но и технологического оборудования производства, представлены резуль- таты практического опробования ряда отечественных композиционных мате- риалов в модельных газотурбинных двигателях, а также приведены справоч- ные и экспериментальные данные по отечественным неметаллическим композиционным материалам. Авторы выражают искреннюю признательность доктору технических наук, профессору Т.Д. Каримбаеву, работающему на ФГУП «ЦИАМ», который за мно- гие годы сотрудничества с ФГУП «ММПП «Салют» и ФГУП «НИИГрафит» внес большой вклад в решение проблем внедрения неметаллических композиционных материалов в авиадвигателестроении, с его участием написаны гл. 1 и 2. Авторы благодарны ведущим специалистам ФГУП «ММПП «Салют» А.Е. Санкину, А.Н. Токаеву, А.С. Малюгину за предоставление материалов к гл. 6.
Введение Основными направлениями совершенствования рабочих ха- рактеристик авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) 5-го и 6-го поколения являются: повышение тяги двигателя; уменьше- ние числа ступеней компрессора благодаря повышению его эффек- тивности; снижение массы двигателя; уменьшение вредных эколо- гических последствий эксплуатации авиационных ГТД повышен- ной мощности. Достижение поставленных целей обеспечивается осуществлением трехмерного управления потоком рабочего газа по лопаточным трактам газогенератора, а также увеличением значе- ний следующих параметров: – температуры рабочего газа перед турбиной до 1850…1950 K и выше, к 6-му поколению ГТД – до 2100 K; – отношения тяги к массе двигателя до 9–10 и далее, к 6-му поколению ГТД – до 15; – степени сжатия воздуха в компрессоре до 50; – надежности эксплуатации двигателя и увеличения его срока службы до ресурса планера. Для выполнения этих задач требуется включить в число ос- новных конструкторско-технологических решений коренной пе- ресмотр материаловедческой базы летательного аппарата в целом и авиационных двигателей, в частности. Это требование обуслов- лено тем, что дальнейшие «количественные» преобразования кон- струкции двигателя имеют принципиальные ограничения, поскольку работа газогенератора ввиду необходимости повышения рабочей температуры все больше расходуется на поддержание собственной работоспособности (охлаждение его рабочих систем) и все в мень- шей степени затрачивается на улучшение тяговых характеристик двигателя. Поэтому переход к новому поколению авиационной техники дол- жен включать «качественные» изменения в конструкции двигателя, а также в выборе основных конструкционных материалов. Необхо- димо не менее чем вдвое повысить реальные рабочие температуры эксплуатации основных горячих узлов ГТД (без учета затрат на их охлаждение). В настоящее время это возможно только с примене- нием высокопрочных высокомодульных жаростойких неокисляю- щихся неорганических композиционных материалов (КМ).
В соответствии с IHPTET* – одной из наиболее известных про- грамм, проводимых по инициативе МО США, за рубежом создают- ся «революционные» технологии, обеспечивающие двукратное по сравнению с 1987 г. улучшение характеристик ГТД различного на- значения при низкой стоимости их производства и технического обслуживания. Работы по этой программе к 2005 г. осуществля- лись по двум направлениям: – «узловые» технологии (вентиляторы, компрессоры, камеры сгорания, выходные устройства, механические системы, системы управления, демонстраторы); – перспективные материалы и методы проектирования двигате- лей (конструкционные материалы, численные методы, автоматизи- рованное конструирование). В современных зарубежных ГТД 5-го поколения М88 и F119 ряд деталей выполнен из неметаллических КМ. Однако принципи- ального перехода к неметаллическим конструкционным КМ еще не произошло и в зарубежном авиадвигателестроении. Основной причиной отставания материаловедческой базы от по- требностей современной авиационной техники является задержка в разработке КМ, пригодных для конструирования и производства ос- новного ассортимента деталей, определяющих работоспособность авиационных ГТД. Это в первую очередь относится к созданию тон- костенных со сложным профилем рабочих лопаток компрессоров и турбин, сопловых аппаратов, крупногабаритных тонкостенных кор- пусов камеры сгорания, жаровой трубы и форсажной камеры. К неметаллическим конструкционным КМ относят спектр кон- струкционных материалов на основе углерода, полимерных связую- щих и наполнителей, керамик из карбидов, нитридов, оксидов, кото- рые все вместе могут охватить температурный диапазон применения от температур ниже 0 °С до температуры сублимации графита 3300 °С. Этот диапазон температур эксплуатации существенно шире, чем у металлов и сплавов – основных конструкционных материалов авиационной техники 3-го и 4-го поколений. Потенциальные возмож- ности неметаллических КМ по прочности, долговечности и работо- способности в окислительных средах, усталостной прочности под- тверждены исследованием их свойств в течение последних 50 лет. * Integrated High Performance Turbine Engine Technology – Интегрированные технологии ГТД с высокими характеристиками.
Использование КМ в современной авиационной технике нача- лось с создания из них конструкций интерьера, фюзеляжа, тор- мозных систем, и в настоящее время КМ находят более широкое применение в этих конструкциях летательных аппаратов, чем в их двигателях. Это связано со сложностью конструкций ГТД, их термической напряженностью, требованиями механической проч- ности и долговечности в условиях интенсивных динамических на- грузок элементной базы авиационных двигателей. В то же время потенциальный выигрыш от применения в составе ГТД материа- лов с вдвое меньшей удельной массой не может быть переоценен, поскольку кинетическая энергия вращающихся масс двигателя пре- вышает кинетическую энергию всего летательного аппарата. В со- временном авиадвигателестроении уже безоговорочно утвердилось применение графитовых уплотнительных колец в масляных полос- тях опор роторов, торцевых уплотнений центробежных насосов пе- рекачки топлива и смазочных масел. Как одно из базовых отечественных авиадвигателестроитель- ных предприятий ФГУП «ММПП «Салют» постоянно отслеживает современные тенденции разработки и применения новейших кон- струкционных материалов в составе ГТД 5-го поколения. В учеб- ном пособии представлены основные результаты, достигнутые ФГУП «ММПП «Салют» при разработке и применении неметал- лических КМ в конструкциях жаростойких узлов современных ГТД. Объективная потребность в таких материалах при нынешнем со- стоянии отечественной промышленности обусловила создание на ФГУП «ММПП «Салют» собственного производства конструкци- онного графита. По технологическому уровню это производство пре- восходит аналогичные производства (существовавшие и существующие) в отечественной электродной промышленности. Характеристики качества производимых графитовых материалов АТГ-С и ПУМА-С полностью соответствуют требованиям надежности и долговечности, предъявляемым к материалам авиационных ГТД 4-го поколения при эксплуатации. Кроме того, на ФГУП «ММПП «Салют» принципиально решена проблема бесперебойного обеспечения поставок деталей из КМ как для вновь производимых двигателей, так и для ремонтируемых двигателей и агрегатов. Проведение текущего или планово-предупредительного ремонта авиационных двигателей, которое сопровождается заменой ранее применявшихся разнотипных графитов на со-
временные высококачественные материалы, приводит к тому, что старые марки графитов выходят из употребления, происходит унификация масляных узлов и в конечном счете – снижение общих экономических затрат, освобождение отечественной авиадвигателестроительной промышленности от зависимости от иностранных производителей. Все это способствует повышению надежности эксплуатации отечественной авиационной техники в Российской Федерации и в зарубежных странах-партнерах, эксплуатирующих са- молеты с двигателями российского производства. Углеродные материалы постоянно применяются в технологи- ческом производстве ФГУП «ММПП «Салют». Современные тех- нологии получения более жаростойких конструкционных матери- алов могут быть реализованы только при повышении температур обработки в электровакуумном оборудовании. Для обеспечения собственного производства на ФГУП «ММПП «Салют» создано производство углеродных конструкций, оснастки, токовводов и проводится оперативное замещение частей конструкций печей для обеспечения их постоянной работоспособности. Эти работы вы- полняются на высоком научно-техническом уровне, и их резуль- татом является не только воспроизведение стандартной графито- вой или углерод-углеродной оснастки, но и разработка и изготов- ление новых типов конструкционных материалов (на некоторые из них уже получены патенты РФ, подтверждающие их принци- пиальную новизну). На базе производства графитовой и керамической оснастки для технологического оборудования ФГУП «ММПП «Салют» проводит работы по созданию углеродных и углерод-керамических КМ для использования их в составе ГТД, и в этом отношении предприятие не уступает многим авиакосмическим предприятиям Европы и Аме- рики. В настоящее время прослеживается тенденция роста самофи- нансирования известными фирмами высокотехнологичных частей собственного производства. Так, даже при наличии в последнее вре- мя финансовых трудностей для авиационной промышленности рас- ходы на исследования и научно-технические разработки составля- ют не менее 14 % объема собственных продаж. Причем военный сектор на 38 % финансирует исследования и разработки, проводи- мые на предприятиях авиационной промышленности, а в граждан- ском секторе доля собственного финансирования научно-исследо- вательских и опытно-конструкторских работ достигает 65 %.
Еще одной областью применения углеродных материалов на ФГУП «ММПП «Салют» является интенсивно развивающееся про- изводство углепластиковой оснастки, ремонтных компаундов для восстановления работоспособности станочного оборудования и вы- полнения технологических работ в агрессивных средах, в которых не могут работать металлические приспособления и оснастка. Цех полимерных КМ обычно использует в своей работе промышленные материалы, но в последние годы разрабатывает собственные, высококачественные КМ, применение которых в текущем и планово- предупредительном ремонте станочного парка, включающего десятки тысяч позиций оборудования, приносит значительный экономический эффект. На ФГУП «ММПП «Салют» постоянно развиваются производственные мощности цеха полимерных КМ, и становится реальным изготовление в нем из КМ тех узлов и элементов ГТД, в которых металлические конструкционные материалы менее эффективны по массовым характеристикам и по работоспособности.
Г л а в а 1 СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СОВРЕМЕННЫХ ГТД
Доступ онлайн
В корзину