Материалы камер сгорания и выходных устройств

КС

Материалы, применяемые для изготовления камер сгорания, должны удовлетворять условиям работы узлов и обеспечить работоспособность конструкции в течении ресурса работы двига.

Узлы камер сгорания подвержены воздействию высоких температур и перепадов давления, динамическим и вибрационным нагрузкам, а также пульсациям газового потока, возникающим при сгорании топлива.

Максимальный перепад давления на корпус КС может достигать 300МПа, а температура стенок-650-700С.Жаровые трубы работают в условиях агрессивной среды продуктов сгорания, при этом температура может достигать 900С и более.

Основные требования к материалу:

- высокая жаропрочность и жаростойкость;

- устойчивость к газовой коррозии;

- высокое сопротивление усталости и трещинообразование при низкой скорости распространения трещин;

- удовлетворительные характеристики теплопроводности и пластичности;

- удовлетворительные технологичные св-ва.

Для изготовления корпусных деталей КС применяют жаропрочные титановые сплавы (450-500С),или жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе например ХН78Т (600-750С).

Для изготовления жаровых труб применяют жаропрочные сплавы на никелевой и хромистой основе, например Х20Н80Т. Для повышения стойкости материала к газовой коррозии и окислению поверхности жаровых труб покрывают специальными эмалями.

ВыхУ

Детали конструкций выходных и реверсивных устройств работа­ют в условиях обтекания химически активными газами при температу­рах до 1000...1300 К. Скорость истечения газов из сопла достигает 600...700 м/с. Разность температур вызывает коробление деталей выходного устройства, что в свою очередь искажает газовый поток и увеличивает местный наг­рев, приводя к прогару и появлению вибраций.

 

 

Для изготовления деталей используют жаропрочные и жаростойкие сплавы на никелевой основе, жаростойкие и коррозионно-стойкие стали, титановые сплавы.

Из литейных сплавов изготавливают створки реактивных сопел сложной конфигурации. Для предохранения от эрозионного разрушения и высокотемпературной газовой коррозии ряд элементов сопел форсированных двигателей защищает эмалевыми покрытиями

МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛЕЙ КОМПРЕССОРОВ и ТУРБИН

Компрессор

При выборе материалов для деталей осевого компрес­сора следует исходить из их теплового состояния, сопротивления коррозии и эрозии и обеспечения требуемой долговечности.

Входные устройства. При рабочей температуре t ≤ 250 °С применяют листовые материалы: дуралюмин и титановый сплав, при t < 500 °С — титановый сплав и коррозионно-стойкую сталь, при t > 500 °С — коррозионно-стойкую сталь, например, 12Х18Н9Т

Диски, барабаны и проставки ротора. Алюминиевые сплавы можно применять при температурах до 250 °С, титановые сплавы и жаропрочные стали — до 450... 550 °С. Во всех случаях указанные детали штампуют и обрабатывают механически.

Рабочие лопатки. При температуре t < 250 °С возможно при­менение алюминиевых сплавов АК4-1 и ВД-17. Однако для обес­печения необходимого сопротивления усталости при попадании посторонних предметов лопатки первой ступени следует выполнять из коррозионно-стойкой стали.

При рабочей температуре лопаток менее 250 °С для их изго­товления можно использовать также стеклопластики. При тем­пературе до 500 °С применяют титановые сплавы, а выше 550 °С — хромистые стали 13Х11Н2В2МФ.

При выборе материала для лопаток необходимо учитывать, что для получения высокого сопротивления усталости заготовка лопатки должна быть получена путем штамповки. Окончательную форму лопатки получают механической или электромеханической обработкой. Для уменьшения припуска применяют точную штамповку, чеканку, после которой замковую часть обрабатывают механически, а перо лопатки только поли­руют.

Направляющие лопатки. Для изготовле­ния лопаток направляющих аппаратов ис­пользуются алюминиевые и титановые спла­вы, приведенные выше, а также листовой дуралюмин Д1 и стали 20, Х17Н2 и др. При выборе марки стали надо учитывать, что лопатки направляющих аппаратов ис­пытывают меньшие нагрузки, чем рабочие.

 

 

Корпус компрессора. Выбор материала для корпуса также определяется его рабочей температурой. Корпус может быть литым из алюминиевых сплавов AJI4 и АЛ5, упрочненных термо­обработкой, или сварным из листового титанового сплава и стали.

Вал компрессора и цапфы. Наиболее часто для их изготовле­ния используют различные стали. Для деталей воздушных уплотнений применяются мягкие углеродистые стали типа сталь 10, а при допустимой рабочей температуре — алюминиевые сплавы.

Титановые сплавы. Для изготовления деталей компрессора широко используются титановые сплавы. Это объясняется их высоким пределом прочности, не меньшим, чем у некоторых сортов сталей, при сравнительно небольшой плотности ρ = 4,5·10³ кг/м³. Поэтому применение титановых сплавов позволяет заметно снизить массу компрессора, а вместе с тем и массу всего двигателя

По статической прочности при растяжении в условиях нор­мальной температуры титановые сплавы не уступают высоко­прочным сталям.

Предел выносливости σ_–1 гладких полированных образ­цов из титановых сплавов вы­ше, чем у образцов из стали. Однако детали из титановых сплавов (особенно при нарушении технологических процессов их изготовления) имеют высокую чувствительность к концентрации напряжений, что существенно снижает их сопротивление усталости. Модуль упругости Е для титановых сплавов примерно в два раза меньше, чем для стали. Поэтому, когда решающее значение для тонкостенных конструкций из титановых сплавов имеет жесткость, толщину стенок приходится увеличивать. При этом снижения массы конструкции добиться не всегда удается.

Особенностью титановых сплавов является их низкая теплопроводность, составляющая примерно 20 % теплопроводности стали. Поэтому в одних и тех же температурных условиях местная температура титановых лопаток достигает значительно больших значений, чем стальных.

Непрерывный контакт двух взаимно подвижных поверхностей из титановых сплавов вызывает их сварку и возгорание. Если корпус компрессора и рабочие лопатки изготовлены из титанового сплава, следует применять мягкие покрытия, разделяющие их. Покрытие из титаново-оксидной пленки также значительно уменьшает возможность возгорания деталей.

Стеклопластики. Стеклопластики можно применять для изго­товления некоторых деталей компрессора ТРД и особенно ТРД для самолетов вертикального взлета. При низких рабочих темпе­ратурах стеклопластики обладают следующими преимуществами:

— небольшой плотностью — (1,6... 1,7)·10³ кг/м³;

— достаточно большой допускаемой длительной температу­рой — до 260 °С (у некоторых видов стеклопластиков до 350 °С);

— достаточно высоким σ_в = 400... 480 МПа, а у некоторых видов — выше 600 МПа;

— весьма большим декрементом затухания.

И как недостаток современных стеклопластиков — сравнитель­но небольшой при 10⁸ циклах предел выносливости σ_-1= 98 МПа, в то время как для стали σ_-1= 465 МПа, для кованого алюмини­евого сплава σ_-1= 135 МПа, для титанового сплава σ_-1= 422 МПа.

Турбина

Значительные температуры нагрева и резкие их изме­нения, статическая, динамическая и циклическая загруженность и ряд других факторов обусловили специфические требования к выбору конструкционных материалов для основных деталей газовых турбин: рабочих и сопловых лопаток, дисков, корпусов, валов и других. В числе этих требований:

— длительная жаропрочность;

— сочетание высокой сопротивляемости ползучести при до­статочной пластичности;

— стойкость против газовой коррозии и эрозии;

— достаточно высокая теплопроводность и др.

Этим требованиям в достаточной мере удовлетворяют жаропроч­ные сплавы на никелевой и в ряде случаев — кобальтовой основе.

Для повышения жаростойкости (устойчивости к газовой коррозии) лопатки алитируют — покрывают окисью алюминия слоем толщиной 0,02... 0,03 мм с последующей термообработкой для образования в поверхностном слое раствора алюминия.

Все более широкое применение находят многокомпонентные покрытия на основе Ni, Cr, Al и др