CC BY
79
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
УДК 536.212.2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
ЛОПАТОК ТУРБИН ТНА
П. А. Дубынин, И. А. Клешнина, В. Г. Яцуненко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 66GG37, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: pavel.dubynin@mail.ru
Рассмотрена возможность использования монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов для изготовления лопатки турбины ТНА с целью увеличения кпд ТНА.
Ключевые слова: монокристалл, кпд ТНА, зависимость температуры газа и КПД.
USE OF THE METHOD OF DIRECTIONAL CRYSTALIZATION OF TURBIN TNA SHOPS
P. A. Dubynin, I. A. Kleshnina V. G. Yatsunenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 66GG37, Russian Federation E-mail: pavel.dubynin@mail.ru
The possibility of using single-crystal high-temperature nickel alloys for the manufacture of a turbine blade TNA with the purpose of increasing the efficiency of a TNA is considered
Keywords: Single crystal, efficiency of THA, dependence of gas temperature and efficiency.
В авиационной и ракетной технике требования к достижению высоких значений термостойкости конструкционных материалов задаются условиями обеспечения задаваемых уровней работоспособности и эффективности изделий. Зонами высоких температур рабочего тела в реактивных двигателях являются элементы с организованными в них процессами горения и газовых потоков: камеры сгорания, газогенераторы, газовые турбины. Проектирование этих элементов всегда сопровождается решением сложных инженерно-технических задач, в основе которых находятся два противоположных условий.
Первое - достижение предельно высоких температур рабочего тела (продуктов сгорания), обеспечивающих наилучшие значения технико-экономических показателей реактивных двигателей: удельный импульс тяги, удельный расход топлива, удельная масса двигателя и др.
Второе - обеспечение заданной надежности двигателя в условиях воздействия высоких температур рабочего тела совместно с влиянием агрессивной среды на конструкцию элементов с процессами горения и каналами, организующими потоки горячих газов: направляющие аппараты, рабочие колеса турбин, сопла и др.
Поиск оптимальных соотношений между значениями температур сгорания топлива и термостойкостью материалов является весьма актуальной задачей, требующей положительного решения при создании современных реактивных двигателей. Согласно достигнутому опыту проектирования камер ракетных двигателей возможность поддержания высоких температур обеспечивается гидравлической системой охлаждения, по которой протекает охлаждающий компонент. В газовых каналах авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) используют воздушное охлаждение. При этом реальной и особо важной проблемой при создании современных ГТД выступает необходимость обеспечения высокой надежности лопаток турбин двигателя, так как температура продуктов сгорания достигают значений порядка 1 9GG °К, а в современных ГТД - до 2 2GG °К. В условиях требуемого рабочего ресурса таких лопаток, который должен составлять не менее
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
25 тыс. часов, требования к термостойкости материалов лопаток турбин занимают особое место. В качестве одного из путей решения данной проблемы сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВНИИАМ) была разработана новая технология, принципиально изменяющая процесс изготовления лопаток турбин. Кандидат технических наук И. Демонис предложил достаточно неординарный подход к созданию лопаток турбины газотурбинного двигателя. В основу нового метода изготовления лопаток турбин принята технология создания монокристаллической структуры материала. В этом методе используются особые свойства монокристалла, обладающего таким состоянием, при котором кристаллическая решетка является непрерывной по всему объему тела (детали). При этом вещество приобретает новые физические свойства. Теоретическая основа метода заключается в следующем. Любой материал состоит из множества зерен, между которыми в обычном состоянии есть границы, влияющие на термостойкость материала. Доказано, что чем меньше этих границ, тем материал более устойчив к воздействию высоких температур, более жаропрочный. Эти свойства использованы учеными и конструкторами ВНИИАМ при создании монокристаллической лопатки [1].
Технология производства представляется следующим образом. Лопатки турбин отливают и затем медленно извлекают из зоны нагрева, охлаждая при этом нижнюю часть заготовки. Такой процесс приводит к образованию кристаллов нижней части заготовки и последующему их росту в определенном направлении. При использовании определенных затравок удалось достичь такого роста одного кристалла, когда он занимает весь объем лопатки. Данная структура и будет являться монокристаллической, что и позволяет материалу выдерживать высокие температуры. В настоящее время разработаны охлаждаемые лопатки с монокристаллической структурой из жаропрочного никелевого сплава, выдерживающие температуру до 2 200 °К [2].
Анализируя опубликованную информацию, возникает естественный вопрос: возможно ли использовать данную технологию для изготовления лопаток турбин ТНА? Температура, допускаемая для восстановительного газа газогенератора в современных ЖРД, достигает 1 000-1 200 °К. По опубликованным данным вышеописанная технология позволяет ряду конструкционным материалам выдерживать температуру порядка 1 375 °К до 2 060 часов [3]. А при учете того, что в эксплуатации время работы ЖРД чаще всего не превышает 350 секунд, эту температуру теоретически возможно поднять на некоторую величину до большего значения. Ведь для турбонасос-ного агрегата основными показателями являются его надежность и КПД. Оба эти параметра напрямую зависят от предельно - допустимой температуры. Температуру рабочего тела обеспечивают соответствующим режимом работы газогенератора, т. е. необходимым соотношением компонентов топлива. Лучшим вариантом такого соотношения будет считаться состав смеси, в котором окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного сжигания горючего, т. е. сте-хиометрический коэффициент а ^ 1. Это приведет к максимально эффективному использованию находящихся на борту ракеты компонентов. При этом температура сгорания примет большее значение, что отразится на работоспособности лопаток турбонасосного агрегата.
При расчете ТНА используется понятие удельной работы. Это, иначе говоря, мощность, приходящаяся на расход газа, равный 1 кг/с. В свою очередь, удельная работа это произведение КПД турбины на адиабатную работу, совершаемую газом. Чем больше адиабатная работа, тем больше удельная работа, совершаемая турбиной. Увеличение адиабатной работы можно достичь либо увеличением разности давлений, либо за счет увеличения температуры газа, что и можно обеспечить, используя жаропрочные никелевые сплавы с монокристаллической структурой.
к=кт°
( \ 1 -1
5 к
к-1
где 5 = —— отношение давлений в турбине. Р2
Прирост удельной работы при приближенном рассмотрении может составить до 15 %, что положительным образом скажется на полном КПД турбины.
На рисунке графически изображена зависимость КПД турбины от температуры газа для газотурбинного двигателя [4]. По нему достаточно определенно можно судить о том, насколько
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
важна борьба за увеличение температуры газа. Ведь победа в ней, в свою очередь, приведет к уменьшению расхода рабочего тела на турбину. Следовательно, необходимое количество компонентов топлива уходящих на газогенератор будет уменьшено, что напрямую может повлиять на возможную массу полезной нагрузки.
1 ^____
8 -----
м it
= О.а с —
Ч
i=
i=
и
0 1,1,
1000 1Э1И 33X1
Температур? на вхо/ие в тугрику Тш, К
Зависимость КПД турбины от температуры газа для газотурбинного двигателя
Таким образом, при применении данной технологии, теоретически, возможно увеличение КПД турбины. Данная технология изготовления лопаток турбин газотурбинных двигателей с использованием метода направленной кристаллизации освоена уже на Российских предприятиях занятых в сфере авиа двигателестроении. Одним из таких предприятий является ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение».
Библиографические ссылки
1. Журнал «Наука и жизнь». 2007. № 6.
2. URL: http://viam.ru/public/files/2012/2012-206219 (дата обращения: 20.02.2017).
3. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания ЖРД. М. : Машиностроение, 1986. С. 343.
4. URL: http://studopedia.ru/7_181311_osobennosti-i-tendentsiya-razvitiya-gazoturbinnih-usta-novok-kompressornih-stantsiy.html (дата обращения: 20.02.2017).
© Дубынин П. А., Клешнина И. А., Яцуненко В. Г., 2017
