CC BY
9УДК 621.721
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРНЫХ КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ИЗ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Зинзер А.Е., студент группы 17А(м)КАП, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: zinzer-sasha@mail.ru
Снегирева И.В., студент группы 17А(м)КАП, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: zinzer-sasha@mail.ru
Научный руководитель: Осипов Е.В., канд. техн. наук, доцент кафедры летательных аппаратов, Оренбургский государственный университет, Оренбург
В ближайшем будущем наиболее перспективным топливом для самолетов представляется жидкий водород. Преимущество его перед керосином, помимо экологической чистоты состоит в том, что он имеет втрое меньшую плотность, что создает перспективы уменьшения взлетной массы или повышения коммерческой нагрузки. Основные проблемы при размещении жидкого водорода - это в 4 раза больший объем по сравнению с керосином и сверхнизкая температура, что требует использования специальных хорошо изолированных баков, выдерживающих высокое давление.
Ключевые слова: криогенные топливные баки, жидкий водород, гражданская авиация, новое поколение самолетов, перспективные конструкционные материалы.
Водород удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к топливам. Водород дает минимум загрязнения окружающей среды. Высокая массовая теплота сгорания примерно в 2,8 раза превышает теплоту сгорания керосина, его высокая полнота сгорания позволяет повысить эффективность двигателей, уменьшить удельный расход топлива, уменьшить массу и габариты двигателя. Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ - получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос в эффективности применения водородного топлива. Но развитие технологий позволит внедрить в производство электричества такие виды энергии как: атомная энергия, энергия ветра и солнца, что впоследствии должно исправить эти проблемы.
Новое поколение самолетов, работающих на жидком водороде, будет создаваться на базе традиционных типов аэробусов с размещением топливных баков в корпусе фюзеляжа. Конструктивно криогенные топливные баки представляют собой цилиндрические емкости длиной 5-10 метров и диаметром 2-3 метра. Баки состоят из отдельных обечаек, переднего и заднего днищ и системы трубопроводов. Сами обечайки выполняются из вафельных или ребристых панелей с толщиной полотна 1,5-3 мм. Основным способом соединения элементов топливного бака является сварка [1].
Наиболее перспективными конструкционными материалами для топливных баков являются новые деформируемые термоупрочняемые алюминиевые сплавы систем Al-Cu и Al-Cu-Li: 1440, 1450, 1460, 2090, 2091, 8090, Weldalite 049 и др. [2]. Химический состав их приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав алюминиевых сплавов
Сплав Массовая доля элементов, %
Си Mn Li Zr Sc П Mg Ag,Cr
1201 5,8-6,8 0,200,40 - 0,100,25 - 0,020,10 0,020,05 -
1440 1,2-1,9 0,050,08 1,6-2,3 0,100,20 - 0,020,10 0,601,10 -
1450 2,8-3,2 0,050,08 1,8-2,0 0,100,20 - 0,100,15 0,050,10 -
1460 2,6-3,3 0,050,10 1,9-2,3 0,080,12 0,06-0,1 0,100,15 0,050,10 -
1460-1 5,0-6,5 0,080,10 1,0-1,3 0,080,10 0,12-0,2 0,020,10 0,020,07 —
1460-2 4,0-4,3 0,200,30 1,0-1,2 0,100,16 0,15-0,2 0,040,06 0,020,07 —
1460-3 5,1 0,1 1,2 0,12 0,18 0,05 0,25 -
2090 2,4-3,0 0,050,08 1,9-2,6 0,080,15 - 0,080,12 0,601,30 0,05 &
8090 1,0-1,6 0,080,10 2,2-2,7 0,040,16 - 0,080,12 0,601,30 0,1 Сг
Weldalite 049 4,0-6,3 - 1,1-1,5 0,100,15 - 0,020,05 0,300,50 0,350,5 Ag
При комнатной температуре у этих сплавов ов=500-600 МПа, а о0,2=500-550 МПа; при температуре - 253° С значения ов=670-790 МПа, что в 2-3 раза больше, чем у применяемого в настоящее время алюминиевого сплава АМг6.
Изготовление сварных криогенных топливных баков из алюминиевых сплавов принципиально возможно по двум схемам.
Первая схема: гибка плит в обечайки, контактная стыковая или электронно-лучевая сварка продольных стыковых обечаек; механическая обработка обечаек изнутри для получения вафельного рельефа поверхности; соединение обечаек между собой плавящимся или неплавящимся электродом (в зависимости от толщины стыка); приварка сферических днищ кольцевыми швами и вварка фланцев.
Вторая схема: механическая обработка плоских заготовок из плиты с образованием вафельной гравюры; формирование вафельной панели по контуру обечайки; сборка и сварка сформированных панелей в обечайку продольными швами; сборка-сварка обечаек с обечайками и шпангоутами кольцевыми швами; приварка сферических днищ кольцевыми швами и вварка фланцев [3].
Каждая схема имеет свои преимущества и недостатки. Первая схема отличается высокой трудоемкостью, требует уникального оборудования, но обеспечивает большую геометрическую точность сварных баков. Вторая схема может быть выполнена на универсальном оборудовании, менее трудоемка, но связана с применением специальных приемов для снижения остаточных деформаций после сварки. С теоретической точки зрения первая схема изготовления предпочтительнее, однако, на практике в настоящее время она трудно реализуема. Поэтому все реальные технологические процессы изготовления криогенных топливных баков основаны на второй схеме.
Применительно к криогенным топливным бакам оптимальное сочетание свариваемости, прочностных и пластических свойств обеспечивает алюминиевый сплав 1460-1 с содержанием 5,5 - 6,5% Си и не более 0,07% Mg.
В качестве присадочного материала для сварки сплава 1460-1 рационально использовать проволоку типа Св 1201 с содержанием 6,5 - 7,5% Си.
Прочностные свойства сварных соединений из сплавов типа 1460 при комнатной температуре в 1,3-1,5 раза, а пластические свойства в 2-4 раза ниже, чем у сплавов 1420, 1421, 1570 и т.п. При температуре - 253° С прочностные свойства сплавов типа 1460 на 1035% выше, чем у других алюминиевых сплавов [4].
Наиболее реальна следующая схема изготовления сварных криогенных топливных баков: получение плоских вафельных панелей, формирование и сварка обечаек с продольными швами.
Серийное изготовление криогенных топливных баков для гражданских самолетов целесообразно осуществлять на заводах, имеющих многолетний опыт производства ракет, на участках с высокоточным оборудованием и методами контроля, соответствующими новейшим технологиям. Это будет означать реальную конверсию оборонных заводов, с использованием высококвалифицированных кадров и имеющегося оборудования и площадей [5].
Сказанное позволяет сделать выводы, что водород вызывает большой интерес как альтернатива традиционным видам топлива, несмотря на сложность его получения. Поэтому вопросы по технологии и способам изготовления емкостей для его хранения и транспортировки являются актуальными на сегодняшний день.
Литература
1. Патон, Б.Е. Перспективы применения сварки при создании самолетов нового поколения / Б.Е. Патон, А.Я. Ищенко, К.А. Ющенко // Автоматическая сварка. - 1996. - №6.
- С. 26-27.
2. Гуреева, М.А. Свариваемые алюминиевые сплавы в конструкциях транспортных средств / М.А. Гуреева, О.Е. Грушко, В.В. Овчинников // ФГУП «ВИАМ». - 2008. - С. 6-10.
3. Рязанцев, В.И. Изготовление сварных топливных баков из алюминиевых сплавов / В.И. Рязанцев, В.А. Федосеев // Авиационная промышленность. - 1995. - №7-8. - С. 9-12.
4. Сварка в самолетостроении / Г.А. Кривов, В.Р. Рябов, А.Я. Ищенко, Р.В. Мельников, А.Г. Чаюн // Межотраслевой информационно-издательский выставочный центр.
- 1998. - С. 38-40.
