Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

500

ãèáêîé ÿâëÿåòñÿ ïëàñòèíêà è ÷åì áîëåå ðîâíîé ÿâ-

ëÿåòñÿ ïîâåðõíîñòü êàíàâîê, òåì ëó÷øå ïðèëåãàíèå

è óïëîòíåíèå. Ïîýòîìó êàíàâêè èçãîòàâëèâàþò

ìå-

òîäîì øëèôîâàíèÿ è èìåþò îíè ïðåèìóùåñòâåí-

íî ïðÿìîëèíåéíóþ ôîðìó.

- Êîëüöåâûå ïàçû ñ âñòàâëåííîé â íèõ ïðîâî-

ëîêîé 4 - äëÿ óïëîòíåíèÿ ñòûêîâ äåòàëåé ðîòîðà

(â ïåðåäíåì è çàäíåì äåôëåêòîðàõ è ïðîìåæóòî÷-

íîì äèñêå – íà ïîâåðõíîñòÿõ, ïðèëåãàþùèõ ê áî-

êîâûì ïîâåðõíîñòÿì 1 è 2 äèñêîâ). Ïîä äåéñòâèåì

öåíòðîáåæíîé ñèëû ïðîâîëîêà óïëîòíÿåò ñòûê ðî-

òîðíûõ äåòàëåé.

- Äåôîðìèðóåìàÿ òðóáêà 5 – äëÿ óïëîòíåíèÿ

ïîëîñòè âíóòðè ëàáèðèíòíîãî óïëîòíåíèÿ çà ðà-

áî÷åé ëîïàòêîé 1 ñòóïåíè èñïîëüçîâàíà ñæàòàÿ ïðè

ñáîðêå òðóáêà.

8.7.2 - Óïëîòíåíèÿ ìåæäó ðîòîðîì

è ñòàòîðîì

Ëàáèðèíòíûå óïëîòíåíèÿ (ËÓ).

ËÓ (ñì. Ðèñ. 8.7.2_1) òðàäèöèîííûé âèä óï-

ëîòíåíèÿ ìåæäó ðîòîðîì è ñòàòîðîì. Âðàùàþùå-

ìóñÿ ðîòîðíîìó ëàáèðèíòó îáû÷íî ïðîòèâîñòîèò

ïðèðàáàòûâàåìîå (ñðåçàåìîå) ñòàòîðíîå ïîêðûòèå.

Îáû÷íî íà ñòàòîðå êðåïÿòñÿ ñîòû – çà èñêëþ÷åíè-

åì âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ óïëîòíåíèé â ïðîòî÷íîé

÷àñòè ÒÂÄ, â êîòîðûõ èñïîëüçóåòñÿ êåðàìè÷åñêîå

ïîêðûòèå.

Ïðèðàáàòûâàåìîå êåðàìè÷åñêîå ïîêðûòèå

â ïðîòî÷íîé ÷àñòè ÒÂÄ íà Ðèñ. 8.7.1_1 ïðèìåíåíî

íà ðàçðåçíûõ âñòàâêàõ íàä ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè,

êîòîðûå ðàáîòàþò â ñðåäå ãàçà.

Ñîòû ïðèìåíåíû â òðåõ ËÓ ïîä 2ÑÀ, êîòîðûå

ðàáîòàþò ïðåèìóùåñòâåííî â ñðåäå îõëàæäàþùå-

ãî âîçäóõà. Ñîòû ïðèìåíÿþòñÿ è â ËÓ ñèñòåìû

îõëàæäåíèÿ (âòîðè÷íîé âîçäóøíîé ñèñòåìå) òóð-

áèíû. Â ïðîòî÷íîé ÷àñòè ÒÍÄ (ñì. Ðèñ. 8.4.1.3_2)

– íàä ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè è ïîä ñîïëîâûìè àïïà-

ðàòàìè - ïðèìåíÿþòñÿ ñîòîâûå ËÓ. Õàðàêòåðíûå

êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè ñîòîâûõ ËÓ çàêëþ-

÷àþòñÿ â îáåñïå÷åíèè ìàêñèìàëüíîãî êîýôôèöè-

åíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ çà ñ÷åò:

- óâåëè÷åíèÿ ðàçìåðà ïîëîñòåé ìåæäó çóáöà-

ìè ñîòîâîãî óïëîòíåíèÿ (íàçûâàåìûõ òàêæå êàìå-

ðàìè òîðìîæåíèÿ);

- íàêëîíà çóáöîâ óïëîòíåíèÿ ïðîòèâ íàïðàâ-

ëåíèÿ äâèæåíèÿ ïîòîêà;

- ñòóïåí÷àòîãî ðàñïîëîæåíèÿ çóáöîâ â óïëîò-

íåíèè

Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòè óïëîòíå-

íèÿ (óìåíüøåíèÿ òðåíèÿ ïðè âðåçàíèè) êîíöû çóá-

öîâ âûïîëíÿþòñÿ êàê ìîæíî áîëåå îñòðûìè, à ñà-

ìè ñîòû èìåþò óâåëè÷åííóþ âûñîòó.

Ùåòî÷íûå óïëîòíåíèÿ (ÙÓ).

ÙÓ (ñì. Ðèñ. 8.7.2_2) âíåäðÿþòñÿ â êîíñòðóê-

öèþ òóðáèí ñ íà÷àëà 1990-õ ãîäîâ. Îíè ïðåäñòàâ-

ëÿþò ñîáîé ïó÷êè ïðîâîëîêè èç î÷åíü òâåðäîãî

ñïëàâà (íàïðèìåð, íà îñíîâå êîáàëüòà). Ãèáêîñòü

ïîëó÷åííîãî ïó÷êà ïðîâîëî÷åê ÿâëÿåòñÿ ãëàâíûì

äîñòîèíñòâîì ÙÓ è ïîçâîëÿåò åìó îáåñïå÷èâàòü

ìèíèìàëüíûé çàçîð è ìèíèìàëüíûå óòå÷êè íà

âñåõ ðåæèìàõ ðàáîòû. Ëàáèðèíòíûå óïëîòíåíèÿ

ïîëó÷àþò ìàêñèìàëüíîå âðåçàíèå íà ïåðåõîäíûõ

ðåæèìàõ ðàáîòû (ñáðîñå èëè íàáîðå ðåæèìà), ïî-

ýòîìó íà ñòàöèîíàðíûõ (è íàèáîëåå âàæíûõ äëÿ

òóðáèíû) ðåæèìàõ ðàáîòû ýòè óïëîòíåíèÿ ðàáî-

òàþò ñ óâåëè÷åííûì çàçîðîì è óòå÷êàìè. Ïîñòî-

ÿííûé êîíòàêò è ñòàáèëüíî ìèíèìàëüíûå óòå÷êè

äàþò ÙÓ çíà÷èòåëüíîå ïðåèìóùåñòâî – ïðèìåð-

íî â 20% (â íåêîòîðûõ èñòî÷íèêàõ – äî 40%) âå-

ëè÷èíû óòå÷êè.

Õàðàêòåðèñòèêè ÙÓ çàâèñÿò îò èçíîñà (îê-

ðóæíîé ñêîðîñòè è êà÷åñòâà ïîêðûòèÿ íà ïðîòè-

âîëåæàùåé ïîâåðõíîñòè ðîòîðà). Îïòèìàëüíîå

ïîêðûòèå (íàíåñåííûé ñ ïîìîùüþ ïëàçìû êàðáèä

õðîìà) â äâà ðàçà óìåíüøàåò èçíîñ [8.7.3.1]. ÙÓ

äîñòàòî÷íî õîðîøî ïîêàçàëè ñåáÿ â ýêñïëóàòàöèè

â ñòàöèîíàðíûõ òóðáèíàõ GE Power Systems

[8.7.3.2].

Â àâèàöèîííûõ òóðáèíàõ óñëîâèÿ ðàáîòû ïî

ìíîãîðåæèìíîñòè è îñîáåííî ïî öèêëè÷íîñòè çíà-

÷èòåëüíî æåñò÷å, ÷åì ó ñòàöèîíàðíûõ ýíåðãîóñòà-

íîâîê.

ÙÓ óæå âíåäðåíû â ýêñïëóàòàöèþ è íà àâèà-

öèîííûõ òóðáèíàõ (íàïðèìåð, íà äâèãàòåëå

PW4084 äëÿ óïëîòíåíèÿ âåðõíåãî è íèæíåãî äèà-

ìåòðîâ àïïàðàòà çàêðóòêè ÒÂÄ) – Ðèñ. 8.7.2_2.

Ìàêñèìàëüíûé äèàìåòð 620 ìì, îêðóæíàÿ ñêî-

ðîñòü 350 ì/ñ, ïåðåïàä äî 11 êã/ñì

[8.7.3.1]. Ýòè

óïëîòíåíèÿ óñïåøíî ïðîøëè 3000 öèêëîâ ñòåíäî-

âûõ èñïûòàíèé íà äâèãàòåëå.

Îäíàêî ïåðâûå ñâåäåíèÿ î ðåçóëüòàòàõ èõ

äëèòåëüíîé ýêñïëóàòàöèè â àâèàêîìïàíèÿõ áûëè

íå î÷åíü áëàãîïðèÿòíû.

Ïðè ðàçáîðêå íåñêîëü-

êèõ äâèãàòåëåé PW4084 ïîñëå ïðèìåðíî 5000

÷àñîâ ýêñïëóàòàöèè â àâèàêîìïàíèè United

Airlines [8.7.3.3] îêàçàëîñü, ÷òî ÙÓ ÒÂÄ âûøëè

èç ñòðîÿ è íóæäàþòñÿ â çàìåíå. GE Aircraft

Engines â

2001 ãîäó ñîîáùèëà î õîðîøèõ ðåçóëü-

òàòàõ ñòåíäîâûõ èñïûòàíèé è ïëàíàõ ïðîâåäåíèÿ

ëèòåëüíûõ ýêñïëóàòàöèîííûõ èñïûòàíèé ùåòî÷-

íûõ óïëîòíåíèé íà CFM56 [8.7.3.4].

Îò ðåçóëüòàòîâ ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ òåõíîëî-

ãèè ÙÓ ïî äîëãîâå÷íîñòè â óñëîâèÿõ ðåàëüíîé

ýêñïëóàòàöèè çàâèñÿò òåìïû âíåäðåíèÿ ýòèõ óïëîò-

íåíèé â ïðàêòèêó.

Â ðàçðàáîòêå íàõîäÿòñÿ è äðóãèå âèäû óïëîò-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

501

Ðèñóíîê 8.7.1_1 – Ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü ÒÂÄ

1 – êîíóñíîå êîëüöî; 2 – ãîôðèðîâàííûå W-îáðàçíûå êîëüöà; 3 – «ïåðüåâûå óïëîòíåíèÿ»;

4 – ïðîâîëîêà; 5 – òðóáêà

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

502

Ðèñóíîê 8.7.2_1 - Ëàáèðèíòíîå óïëîòíåíèå

Ðèñóíîê 8.7.2_2 - Ùåòî÷íîå óïëîòíåíèå

íåíèé ìåæäó ðîòîðîì è ñòàòîðîì (àñïèðàöèîííûå,

ïëàñòèí÷àòûå…). Áîëåå ïîäðîáíî îá óïëîòíåíèÿõ

ñì. ãëàâó 18.

8.7.3 - Ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàííîé

ëèòåðàòóðû

8.7.3.1 Mahler F., Boyes E. The Application of Brush

Seals in Large Commercial Jet Engines. AIAA-95-2617

(UTC, Pratt & Whitney), 1995.

8.7.3.2 Chupp R., Mahmut F., Ghasripoor F., Turnquist

N. Advanced Seals for Industrial Turbine Applications.

AIAA 2001-3626. 37

AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint

Propulsion Conference & Exhibit, 2001.

8.7.3.3 Soditis S.M. Commercial Aircraft Maintenance

Experience Relating to Current Engine Seal

Technology. AIAA-3284, 1998.

8.7.3.4 Benzakein M.J. Propulsion Strategy for the 21

Century – A Vision into the Future. ISABE-2001-1005.

Ðèñóíîê 8.7.2_3 – Ùåòî÷íûå óïëîòíåíèÿ äëÿ àïïà-

ðàòà çàêðóòêè â ÒÂÄ PW4084

(Pratt&Whitney)

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

503

8.8 - Ìàòåðèàëû îñíîâíûõ

äåòàëåé òóðáèíû

Êîíñòðóêöèè ñîâðåìåííûõ òóðáèí áàçèðóþò-

ñÿ íà ñàìûõ âûñîêèõ òåõíîëîãèÿõ â îáëàñòè ìàòå-

ðèàëîâåäåíèÿ. Ïðîãðåññ â îáëàñòè æàðîïðî÷íûõ

ñïëàâîâ â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåò ïàðà-

ìåòðû ãàçîâûõ òóðáèí.

Òèïè÷íûå ìàòåðèàëû äëÿ òóðáèíû àâèàöèîí-

íîãî äâèãàòåëÿ õàðàêòåðèçóþòñÿ âûñîêîé óäåëüíîé

ïðî÷íîñòüþ ïðè âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ è óäîâëåò-

âîðèòåëüíîé âîñïðîèçâîäèìîñòüþ ìåõàíè÷åñêèõ

ñâîéñòâ â ïðîèçâîäñòâå. Âñå ýòè ìàòåðèàëû äîëæ-

íû áûòü îäîáðåíû ãîñóäàðñòâåííûìè ñåðòèôèöè-

ðóþùèìè îðãàíèçàöèÿìè.

Â êîíñòðóêöèþ ãàçîâîé òóðáèíû âõîäèò ÷å-

òûðå îñíîâíûå ãðóïïû äåòàëåé, îïðåäåëÿþùèõ

íàäåæíîñòü ðàáîòû äâèãàòåëÿ:

- äèñêè, êîëüöà è äðóãèå âðàùàþùèåñÿ ðîòîð-

íûå äåòàëè

- ëîïàòêè

- âàëû

- êîðïóñíûå äåòàëè

Íèæå ðàññìîòðåíû ìàòåðèàëû, ïðèìåíÿåìûå

äëÿ êàæäîé ãðóïïû.

8.8.1 - Äèñêè è ðîòîðíûå äåòàëè

òóðáèíû

Âûáèðàåìûé äëÿ äèñêà ìàòåðèàë äîëæåí îò-

âå÷àòü ñëåäóþùèì òðåáîâàíèÿì:

- âûñîêàÿ ñòàòè÷åñêàÿ è äèíàìè÷åñêàÿ ïðî÷-

íîñòü ïðè òåìïåðàòóðàõ äî 750

Ñ.

- îïòèìàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïî ìàëîöèê-

ëîâîé óñòàëîñòè;

- òðåùèíîñòîéêîñòü (ñòîéêîñòè ê ðàçâèòèþ

âîçíèêøèõ â ìàòåðèàëå òðåùèí);

- äîñòàòî÷íûé îáúåì áàçû äàííûõ ïî êîíñò-

ðóêöèîííîé ïðî÷íîñòè;

- íèçêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê äåôåêòàì;

- îïûò ïðèìåíåíèÿ â ýêñïëóàòàöèè;

- îïûò èçãîòîâëåíèÿ â ïðîèçâîäñòâå;

- ãàðàíòèÿ îòñóòñòâèÿ ìåòàëëóðãè÷åñêèõ äå-

ôåêòîâ â çàãîòîâêàõ;

- âîçìîæíîñòü êîíòðîëÿ âíóòðåííèõ è âíåø-

íèõ äåôåêòîâ;

- ïðèåìëåìàÿ ñòîèìîñòü.

Äëÿ óìåíüøåíèÿ ìàññû òóðáèíû ñòðåìÿòñÿ

âûáðàòü ìàòåðèàëû äëÿ äèñêîâ ñ áîëåå âûñîêîé

êðàòêîâðåìåííîé è äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòüþ. Îäíà-

êî ïðè ïîâûøåíèè ñòàòè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ìàòåðè-

àëà ïàäàåò åãî ïëàñòè÷íîñòü, ÷òî ïðèâîäèò ê

óõóä-

øåíèþ õàðàêòåðèñòèê ìàëîöèêëîâîé óñòàëîñòè

è òðåùèíîñòîéêîñòè. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ, ó÷èòû-

âàÿ òåíäåíöèþ ê óâåëè÷åíèþ öèêëè÷åñêîãî ðåñóð-

ñà, îñíîâíûìè êðèòåðèÿìè âûáîðà ìàòåðèàëà äèñ-

êîâ íàðÿäó ñ ïðî÷íîñòüþ ñëóæàò ìàëîöèêëîâàÿ

óñòàëîñòü è ñîïðîòèâëåíèå ðîñòó òðåùèí.

Â 1960-õ ãîäàõ â îòå÷åñòâåííîì äâèãàòåëåñò-

ðîåíèè øèðîêîå ïðèìåíåíèå äëÿ äèñêîâ òóðáèí ïî-

ëó÷èëè ñïëàâû íà íèêåëåâîé îñíîâå ÝÈ437ÁÓ-ÂÄ

(óëó÷øåííûé, âàêóóìíî-äóãîâîé âûïëàâêè)

è ÝÈ698ÂÄ. Ýòè äèñêè ïðîèçâîäèëèñü òðàäèöèîí-

íûì ìåòîäîì äåôîðìàöèè èç ñëèòêîâ (äâèãàòåëè

Ä-30, Ä-30ÊÓ/ÊÏ, ÍÊ-8 è äðóãèå). Âñëåäñòâèå

áîëüøîãî (äî 80%) ñîäåðæàíèÿ íèêåëÿ, ñòîèìîñòü

ýòèõ ñïëàâîâ äîâîëüíî âûñîêà.

Çà ðóáåæîì â ýòîò ïåðèîä íàèáîëüøåå ðàñïðî-

ñòðàíåíèå ïîëó÷èë ñïëàâ IN718. Ìàêñèìàëüíàÿ

òåìïåðàòóðà ïðèìåíåíèÿ äëÿ óïîìÿíóòûõ ñïëàâîâ

ñîñòàâëÿåò 600-650

Ñ.

Ñëåäóþùèì ïîêîëåíèåì îòå÷åñòâåííûõ äèñ-

êîâûõ ñïëàâîâ ñòàëè ðàçðàáîòàííûå ÂÈÀÌ ñïëà-

âû ÝÏ742ÈÄ, ÝÊ79Ó, ÝÊ151ÈÄ, ÝÏ962. Ýòî âû-

ñîêîïðî÷íûå íèêåëåâûå ñïëàâû, ïîëó÷àåìûå èç

ñëèòêîâ ñ ïðèìåíåíèåì èçîòåðìè÷åñêîé øòàìïîâ-

êè. Îäíàêî ïðè ïðîèçâîäñòâå çàãîòîâîê ñëîæíîé

ôîðìû èç ýòèõ ñïëàâîâ ïîÿâëÿþòñÿ òåõíîëîãè÷åñ-

êèå ïðîáëåìû – èõ òðóäíî äåôîðìèðîâàòü.

Äëÿ ðåøåíèÿ äàííîé ïðîáëåìû ðàçðàáîòàíà

óíèêàëüíàÿ òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ çàãîòîâîê äëÿ

äèñêîâ ìåòîäîì ìåòàëëóðãèè ãðàíóë (ïîðîøêîâîé

ìåòàëëóðãèè). Âîçìîæíîñòü ðåàëèçàöèè âûñîêèõ

ñâîéñòâ ìàòåðèàëà â ñî÷åòàíèè ñ ñóùåñòâåííîé

ýêîíîìèåé ìàòåðèàëà çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ âåñà çàãî-

òîâêè (äî 35% ïî ñðàâíåíèþ ñ âåñîì òðàäèöèîí-

íîé çàãîòîâêè) ïðèâåëà ê øèðîêîìó èñïîëüçîâà-

íèþ ãðàíóëüíûõ (ïîðîøêîâûõ) ñïëàâîâ äëÿ äèñêîâ

òóðáèí.

Ýòè ïðåèìóùåñòâà ãðàíóëüíûõ ñïëàâîâ ïîëó-

÷åíû çà ñ÷åò ñóùåñòâåííîãî (ïðèìåðíî â äâà ðàçà)

óäîðîæàíèÿ ìàòåðèàëà.

Â Ðîññèè óñïåøíî ýêñïëóàòèðóþòñÿ äèñêè èç

ÝÏ741ÍÏ (ðàçðàáîòêè ÎÀÎ «ÂÈËÑ») â òóðáèíàõ

äâèãàòåëåé ÐÄ-33 è ÏÑ-90À, à èç ñïëàâà ñ íàèáî-

ëåå âûñîêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè – ÝÏ962Ï – èç-

ãîòîâëåíû äèñêè äëÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî äâèãà-

òåëÿ ÀË-41Ô.

Çà ðóáåæîì ïðèìåíÿþòñÿ ãðàíóëüíûå ñïëàâû

IN100, RENE95, MERL 76 (äâèãàòåëè V2500,

PW2000), êîòîðûå ìîæíî îòíåñòè ê ñïëàâàì ïåð-

âîãî ïîêîëåíèÿ.

Ñïëàâ R88DT (èñïîëüçóåìûé â ÒÂÄ äâèãàòå-

ëÿ GE90) ìîæíî îòíåñòè ê ñïëàâàì 2 ïîêîëåíèÿ.

R88DT îáëàäàåò áîëåå âûñîêèì (÷åì ó ñïëàâîâ

ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ), ñîïðîòèâëåíèåì ïîëçó÷åñòè

(ïðèìåðíî íà 30-50

Ñ), áîëåå âûñîêèìè êðàòêîâ-

ðåìåííîé ïðî÷íîñòüþ è òðåùèíîñòîéêîñòüþ. Õà-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

504

ðàêòåðèñòèêè R88DT äîñòèãíóòû îïòèìèçàöèåé

õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà è ïðîöåññà èçãîòîâëåíèÿ (ïî-

âûøåíèå ÷èñòîòû, îïòèìèçàöèÿ ðàçìåðà ãðàíóë

è òàê äàëåå).

Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçìåð ãðàíóë äëÿ èçãî-

òîâëåíèÿ äèñêîâûõ îòå÷åñòâåííûõ ñïëàâîâ, ñîñòàâ-

ëÿåò 50…140 ìêì. Â ñïëàâå IN100 ðàçìåð ãðàíóë

îöåíèâàåòñÿ âåëè÷èíîé 60 ìêì. Êðîìå òîãî, çà ðó-

áåæîì ïîñëå ãîðÿ÷åãî èçîñòàòè÷åñêîãî ïðåññîâà-

íèÿ äîáàâëÿþò îïåðàöèþ äåôîðìèðîâàíèÿ, ÷òî

ïîçâîëÿåò èìåòü áîëåå ðàâíîìåðíóþ áåçäåôåêòíóþ

ñòðóêòóðó ñïëàâà è ïîâûøàåò ÷óâñòâèòåëüíîñòü

óëüòðàçâóêîâîãî êîíòðîëÿ.

Ñòîèìîñòü áàçîâîãî ñïëàâà IN718 â 2000 ãîäó

ñîñòàâëÿëà îêîëî $22/êã [8.8.1]. Ñòîèìîñòü ïîðîø-

êîâûõ ñïëàâîâ ñ òåìïåðàòóðîé ïðèìåíåíèÿ äî

730

Ñ – ïðèìåðíî â ÷åòûðå ðàçà âûøå.

Äèñêè òóðáèí ïðîìûøëåííûõ äâèãàòåëåé,

ñîçäàííûõ íà áàçå àâèàöèîííûõ, ìîãóò ðàáîòàòü

â óñëîâèÿõ áîëåå íèçêèõ òåìïåðàòóð è íàïðÿæå-

íèé. Êðîìå òîãî, óìåíüøåíèå ìàññû äëÿ ïðîìûø-

ëåííûõ äâèãàòåëåé íå ÿâëÿåòñÿ ïåðâîñòåïåííîé

çàäà÷åé. Ïîýòîìó ìàòåðèàë äëÿ äèñêîâ âûáèðàåò-

ñÿ ïðåæäå âñåãî ñ ó÷åòîì ñòîèìîñòè. Íàïðèìåð,

äëÿ äèñêîâ ÒÂÄ ÃÒÓ-12Ï, ÃÒÓ-16Ï, ÃÒÓ-25Ï

ÎÀÎ «Àâèàäâèãàòåëü» (ìîùíîñòü ìåõàíè÷åñêîãî

ïðèâîäà ñîîòâåòñòâåííî 12, 16, 25 ÌÂò), ñîçäàí-

íûõ íà áàçå àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ ÏÑ-90À, èñ-

ïîëüçóåòñÿ ñïëàâ ÝÈ698 âìåñòî ÝÏ741ÍÏ.

Ìàòåðèàë äëÿ âàëîâ äîëæåí èìåòü âûñîêèå

ïðî÷íîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè, õîðîøî îáðàáàòû-

âàòüñÿ è èìåòü óäîâëåòâîðèòåëüíóþ êîððîçèîííóþ

ñòîéêîñòü. Îñíîâíîå íàçíà÷åíèå âàëà òóðáèíû -

ïåðåäà÷à çíà÷èòåëüíîãî ïî âåëè÷èíå êðóòÿùåãî

ìîìåíòà ñ òóðáèíû íà êîìïðåññîð. Âàëû òóðáèíû

ðàáîòàþò â âîçäóøíî-ìàñëÿíîé ñðåäå (â çîíå ìàñ-

ëÿíûõ ïîëîñòåé îïîð) ñ òåìïåðàòóðîé äî 450

Ñ.

Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ òóðáèííûõ âàëîâ ïðèìåíÿþòñÿ

ñïëàâû 40ÕÍÌÀ, ÝÈ961Ø, ÝÏ517.

8.8.2 - Ñîïëîâûå è ðàáî÷èå ëîïàòêè

Ñîïëîâûå è ðàáî÷èå ëîïàòêè ÿâëÿþòñÿ íàèáî-

ëåå íàãðåòûìè äåòàëÿìè òóðáèíû. Ðàáî÷èå ëîïàò-

êè ïðè ýòîì ïîäâåðæåíû âûñîêèì ñòàòè÷åñêèì

íàïðÿæåíèÿì íà ðàçðûâ è íà èçãèá, à òàêæå äèíà-

ìè÷åñêèì íàïðÿæåíèÿì. Â îõëàæäàåìûõ ëîïàòêàõ

íà ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ ðàáîòû òóðáèíû âîçíèêà-

þò òåðìè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ.

Ñîïëîâûå è ðàáî÷èå ëîïàòêè ðàáîòàþò â ãà-

çîâîé ñðåäå âûñîêîé òåìïåðàòóðû, ñîäåðæàùåé,

êðîìå êèñëîðîäà, äðóãèå àãðåññèâíî äåéñòâóþùèå

âåùåñòâà, â òîì ÷èñëå îñîáåííî îïàñíûå - âàíàäèé

è ñåðó. Ýòè âåùåñòâà ñïîñîáñòâóþò ðàçâèòèþ ãà-

çîâîé êîððîçèè, ðàçðóøàþùåé ëîïàòêè (ñì.

Ðèñ. 8.8.2_1).

Ïîýòîìó ìàòåðèàëû ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ ëî-

ïàòîê äîëæíû áûòü íå òîëüêî æàðîïðî÷íûìè, íî

è æàðîñòîéêèìè, òî åñòü óñòîé÷èâûìè ïðîòèâ êîð-

ðîçèè â àòìîñôåðíûõ óñëîâèÿõ è â ãàçîâîé ñðåäå

ïðè ðàáî÷åé òåìïåðàòóðå.

Êðîìå æàðîïðî÷íîñòè è æàðîñòîéêîñòè, ìà-

òåðèàë ëîïàòîê ãàçîâûõ òóðáèí äîëæåí îáëàäàòü

ìàëîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ê êîíöåíòðàöèè íàïðÿ-

æåíèé, ïðîòèâîñòîÿòü òåðìè÷åñêîé óñòàëîñòè,

óäîâëåòâîðèòåëüíî îáðàáàòûâàòüñÿ, èìåòü ïðèåì-

ëåìóþ ñòîèìîñòü.

Äëÿ ëèòüÿ ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ ëîïàòîê ñ 1960-õ

ãîäîâ â Ðîññèè ïðèìåíÿþòñÿ íèêåëåâûå ñïëàâû

ÆÑ-6Ê, ÆÑ-6Ô, ÆÑ-6ÓÂÈ. Ýòè ñïëàâû ðåêîìåí-

äóåòñÿ ïðèìåíÿòü äî òåìïåðàòóðû 1050…1100 Ê.

Ðèñóíîê 8.8.2_1 – Çàâèñèìîñòü óðîâíÿ àãðåññèâíîñ-

òè ðàáî÷åé ñðåäû â òóðáèíå

àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ îò

òåìïåðàòóðû

Ðèñóíîê 8.8.2_2 – Ïðîãðåññ, îáåñïå÷èâàåìûé ñïëàâà-

ìè ñ íàïðàâëåííîé êðèñòàëëèçà-

öèåé è ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèìè ïî

íàäåæíîñòè è äîëãîâå÷íîñòè ëî-

ïàòîê òóðáèí [8.8.5.2]

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

505

Îãðîìíûé ïðîãðåññ â ïàðàìåòðàõ òóðáèíû

è äîëãîâå÷íîñòè ñîïëîâûõ è ðàáî÷èõ ëîïàòîê äî-

ñòèãíóò ñ âíåäðåíèåì â ïðàêòèêó ñïëàâîâ ñ íàïðàâ-

ëåííîé êðèñòàëëèçàöèåé è ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ

ñïëàâîâ. Îñíîâíàÿ èäåÿ ñïëàâà ñ íàïðàâëåííîé

êðèñòàëëèçàöèåé ñîñòîèò â ëèêâèäàöèè ãðàíèö

ìåæäó çåðíàìè, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèþ

öåíòðîáåæíûõ ñèë. Òî åñòü èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæ-

íîñòåé äëÿ ïîëçó÷åñòè è ðàçðóøåíèÿ íà ãðàíèöàõ

çåðåí. Ìîíîêðèñòàëëè÷åñêàÿ äåòàëü âîîáùå íå

èìååò ãðàíèö çåðåí, ïîýòîìó îíà èìååò îïòèìàëü-

íûå õàðàêòåðèñòèêè ïðî÷íîñòè.

Êàê ñëåäóåò èç Ðèñ. 8.8.2_2, ëîïàòêè, ïîëó÷åí-

íûå ìåòîäîì íàïðàâëåííîé êðèñòàëëèçàöèè, èìå-

þò óâåëè÷åííóþ â 2,5 ðàçà ïðî÷íîñòü, óâåëè÷åííóþ

â 6 ðàç ñòîéêîñòü ê òåðìîóñòàëîñ

òè è óâåëè÷åííóþ

â 2 ðàçà ñòîéêîñòü ê îêèñëåíèþ è êîððîçèè. Äëÿ

ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîé ëîïàòêè ïðî÷íîñòü è ñòîé-

êîñòü ê òåðìîóñòàëîñòè óëó÷øàþòñÿ ñîîòâåòñòâåí-

íî â 9 ðàç, à ñòîéêîñòü ê îêèñëåíèþ è êîððîçèè –

â 3,5 ðàçà.

Ïðåèìóùåñòâà ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ëèòüÿ

ðåàëèçóþòñÿ çà ñ÷åò óäîðîæàíèÿ ìàòåðèàëà è óâå-

ëè÷åíèÿ ìàññû ëîïàòêè ïðèìåðíî íà 20%.

Æàðîïðî÷íûå ëîïàòî÷íûå ñïëàâû (íàðÿäó

ñ ñèñòåìàìè îõëàæäåíèÿ) ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûì äâè-

ãàòåëåì ïðîãðåññà â îáåñïå÷åíèè ðàáîòîñïîñîáíî-

ñòè òóðáèíû ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû ãàçà.

Î÷åíü âàæíî, ÷òî ïðèìåíåíèå íîâûõ ñïëàâîâ (íà-

ïðàâëåííîé êðèñòàëëèçàöèè, ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ)

íà ïðàêòèêå äîêàçàëî öåëåñîîáðàçíîñòü èõ ïðèìå-

íåíèÿ ïî êðèòåðèþ ñòîèìîñòü-ýôôåêòèâíîñòü.

Â Ðîññèè â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðèìåíÿþòñÿ

ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå ñïëàâû äëÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê

ÆÑ32 è ÆÑ36ÂÈ, ðàçðàáîòàííûå ÂÈÀÌ.

Âåäóùèå ôèðìû ðàçðàáàòûâàþò ñîáñòâåííûå

ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå ñïëàâû. Ôèðì

à Pratt&Whitney

ðàçðàáîòàëà óæå òðè ïîêîëåíèÿ ìîíîêðèñòàëëè-

÷åñêèõ ñïëàâîâ (PWA1480, PWA1484, PWA1487)

ïëàíèðóåò ïîÿâëåíèå ñïëàâà 4 ïîêîëåíèÿ ê 2005

ãîäó. Ñïëàâû 2 ïîêîëåíèÿ ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ ïðè

ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðå äî 1095

Ñ, 3 ïîêîëå-

Ðèñóíîê 8.8.2_3 – Ñðàâíèòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ëîïàòî÷íûõ ñïëàâîâ ê ðàáîòå ïðè âûñîêîé òåìïåðàòóðå

[8.8.5.3] - ðàâíîîñíûõ, ñ íàïðàâëåííîé êðèñòàëëèçàöèåé è ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

506

íèÿ – äî 1125

Ñ [8.8.5.1]. GE Aircraft Engines ïðè-

ìåíÿåò ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå ñïëàâû Rene N5

è Rene N6.

Ñòîèìîñòü îáû÷íîãî ðàâíîîñíîãî (ñ îäèíàêîâû-

ìè ñâîéñòâàìè âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ) ñïëàâà IN100

â íà÷àëå 2000-õ ãîäîâ ñîñòàâëÿëà îêîëî

$20/êã. Ñïëàâ

ñ íàïðàâëåííîé êðèñòàëëèçàöèåé äîðîæå îáû÷íî-

ãî ïðèìåðíî â 1,5 ðàçà, ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèé

ñïëàâ 2 ïîêîëåíèÿ (PW1484) – ïðèìåðíî â 5 ðàç, 3

ïîêîëåíèÿ – ïðèìåðíî â 10 ðàç [8.8.5.1].

Ïðèìåíåíèå íîâûõ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ

ëèòå

éíûõ ñïëàâîâ ÷àñòî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé åäèí-

ñòâåííî âîçìîæíóþ, íî ÷àùå âñåãî - íàèáîëåå ýô-

ôåêòèâíóþ ïî ñòîèìîñòè òåõíîëîãèþ îáåñïå÷åíèÿ

íåîáõîäèìîé íàäåæíîñòè è äîëãîâå÷íîñòè ëîïàòîê.

Äëÿ äâèãàòåëåé íàçåìíîãî ïðèìåíåíèÿ, èñ-

ïîëüçóþùèõ â êà÷åñòâå òîïëèâà ïðèðîäíûé èëè

ïîïóòíûé ãàç, îäíèì èç îñíîâíûõ êðèòåðèåâ âû-

áîðà ìàòåðèàëà äëÿ ëîïàòîê òóðáèíû ÿâëÿþòñÿ õà-

ðàêòåðèñòèêè ïî ñîïðîòèâëåíèþ ñîëåâîé êîððîçèè.

Òàêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëó ïðèäàåò óâåëè÷åííîå

ñîäåðæàíèå õðîìà.

Â Ðîññèè â òóðáèíàõ íàçåìíûõ «àâèàïðîèç-

âîäíûõ» äâèãàòåëåé ïðèìåíÿþòñÿ êîððîçèîííî-

ñòîéêèå ñïëàâû ×Ñ70ÂÈ, ×Ñ-80, ÖÍÊ-7ÍÊ.

ÂÈÀÌ ðàçðàáîòàíû ïåðñïåêòèâíûå êîððîçèîííî-

ñòîéêèå ñïëàâû íîâîãî ïîêîëåíèÿ ÆÑÊÑ-1

è ÆÑÊÑ-2. Ïî æàðîïðîïðî÷íîñòè ÆÑÊÑ-1 ïðå-

âîñõîäèò ñóùåñòâóþùèå ñïëàâû ÖÍÊ-7ÍÊ, ×Ñ-80

è çàðóáåæíûå àíàëîãè GTD-111, IN738LC, íå óñ-

òóïàÿ èì ïî ñîïðîòèâëåíèþ ãîðÿ÷åé êîððîçèè.

Áåçóãëåðîäèñòûé ñïëàâ ÆÑÊÑ-2, ëåãèðîâàííûé

2% òàíòàëà è 1% ðåíèÿ, è ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ

ëèòüÿ ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèõ ëîïàòîê, ïî æàðîïðî÷-

íîñòè íå óñòóïàåò àâèàöèîííûì ñïëàâàì íàïðàâ-

ëåííîé êðèñòàëëèçàöèè ÆÑ30-ÍÊ è ÆÑ26-ÂÍÊ,

çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿ ïîñëåäíèå ïî ñîïðîòèâ-

ëåíèþ ñîëåâîé êîððîçèè.

8.8.3 - Ïîêðûòèÿ ëîïàòîê

Äëÿ ëîïàòîê òóðáèí ïðèìåíÿþòñÿ ïîêðûòèÿ

äâóõ âèäîâ.

Ìåòàëëè÷åñêèå ïîêðûòèÿ (ñîñòîÿùèå èç

íåñêîëüêèõ êîìïîíåíòîâ) çàùèùàþò îñíîâíîé

ìåòàëë ëîïàòêè îò îêèñëåíèÿ è êîððîçèè è ÿâëÿ-

þòñÿ ãëàâíûì ñðåäñòâîì îáåñïå÷åíèÿ ðàáîòîñïî-

ñîáíîñòè ëîïàòîê â àãðåññèâíîé ðàáî÷åé ñðåäå (ñì.

Ðèñ. 8.8.2_1).

Äëÿ íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè è âíóòðåííåé ïî-

ëîñòè ëîïàòîê ÒÂÄ, â òîì ÷èñëå îòâåðñòèé íà âõîä-

íîé êðîìêå, îáû÷íî èñïîëüçóþò äëÿ çàùèòû îò

îêèñëåíèÿ äèôôóçèîííîå àëèòèðîâàíèå. Íà íàðóæ-

íîé ïîâåðõíîñòè äîïîëíèòåëüíî íàíîñèòñÿ êîí-

Ðèñóíîê 8.8.3_1 – Ïðèíöèï äåéñòâèÿ òåïëîçàùèò-

íîãî ïîêðûòèÿ. Èçìåíåíèå òåì-

ïåðàòóðû ìåòàëëà ïðè ñíèæåíèè

êîýôôèöèåíòà òåïëîïðîâîäíîñ-

òè â ÒÇÏ â äâà ðàçà

äåíñèðîâàííîå ìåòàëëè÷åñêîå ïîêðûòèå Ni-Co-Cr-

Al-Y ìåòîäîì âàêóóìíî-ïëàçìåííîãî íàïûëåíèÿ.

Òîëùèíà ýòîãî ïîêðûòèÿ 0,10…0,25 ìì.

Îñîáåííî ñèëüíî ïðîöåññû îêèñëåíèÿ è êîð-

ðîçèè ñêàçûâàþòñÿ â òóðáèíàõ íàçåìíîãî ïðèìå-

íåíèÿ. Â äâèãàòåëÿõ äëÿ ìîðñêèõ ñóäîâ çàùèòíûå

ïîêðûòèÿ ÿâëÿþòñÿ, ôàêòè÷åñêè, åäèíñòâåííûì

ñðåäñòâîì îáåñïå÷åíèÿ äîëãîâå÷íîñòè ëîïàòîê òóð-

áèíû. Êàê ñâèäåòåëüñòâóåò îïûò GE [8.8.5.4], ïåð-

âûå èñïûòàíèÿ äâèãàòåëÿ LM2500 (íàçåìíîãî âà-

ðèàíòà àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ TF39) â ìîðñêîì

ïðèìåíåíèè ïîêàçàëè áåñïðåöåäåíòíîå óõóäøåíèå

õàðàêòåðèñòèê èç-çà ñîëåâîé êîððîçèè ëîïàòîê òóð-

áèíû. Ðåøèòü ïðîáëåìó óäàëîñü òîëüêî ñðî÷íîé

ðàçðàáîòêîé íîâîãî ïîêðûòèÿ.

Òåïëîçàùèòíûå (êåðàìè÷åñêèå) ïîêðûòèÿ

(ÒÇÏ)

îáåñïå÷èâàþò óìåíüøåíèå òåïëîâîãî ïî-

òîêà â äåòàëè çà ñ÷åò óìåíüøåííîé òåïëîïðîâîä-

íîñòè çàùèòíîãî ñëîÿ. Óìåíüøåíèå ìàêñèìàëü-

íîé òåìïåðàòóðû ìåòàëëà ñîñòàâëÿåò îò 30 äî 90

(â

çàâèñèìîñòè îò òîëùèíû ïîêðûòèÿ, åãî ñâîéñòâ

è ãðàäèåíòà òåìïåðàòóð ìåæäó ãàçîì è ñòåíêîé

ëîïàòêè). Øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïîêðûòèé äëÿ ëî-

ïàòîê ÒÂÄ íà÷àëîñü â 1990-õ ãîäàõ íà âûñîêîòåì-

ïåðàòóðíûõ äâèãàòåëÿõ áîëüøîé òÿãè (PW4084,

GE90), à çàòåì ïðîãðåññ â òåõíîëîãèè ñòàë îïðàâ-

äûâàòü èõ ïðèìåíåíèå íà äâèãàòåëÿõ áîëåå ìàññî-

âîãî ïðèìåíåíèÿ ñ áîëåå íèçêèì óðîâíåì òåìïå-

ðàòóð (PW2000, V2500, PW6000).

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

507

Ïðèìåíåíèå ÒÇÏ ñóùåñòâåííî ñíèæàåò ðàñ-

õîä îõëàæäàþùåãî âîçäóõà, óâåëè÷èâàåò ýôôåêòèâ-

íîñòü òóðáèíû è äîëãîâå÷íîñòü ëîïàòîê.

Ïåðâûé âèä ÒÇÏ (êåðàìèêà ñ íèçêîé òåïëî-

ïðîâîäíîñòüþ èç ñòàáèëèçèðîâàííîãî èòòðèåì

öèðêîíèÿ - ZrO

-Y

) ïðèìåíÿåòñÿ ñ 1980-õ ãîäîâ.

Ýòî ïîêðûòèå íàíîñèòñÿ ïëàçìåííûì íàïûëåíè-

åì è ïðèãîäíî òîëüêî äëÿ ñòàòîðíûõ äåòàëåé. Äëÿ

íåãî íåîáõîäèì âíóòðåííèé ñëîé (ïîäñëîé) â âèäå

4-5 êîìïîíåíòíîãî ïîêðûòèÿ òèïà M-Cr-Al-Y (ãäå

M - ýòî Ni, Co, Fe èëè èõ ñî÷åòàíèÿ), êîòîðîå îáåñ-

ïå÷èâàåò çàùèòó îò îêèñëåíèÿ è ïåðåõîä ê èìåþ-

ùåìó áîëåå íèçêèé êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðíîãî

ðàñøèðåíèÿ ÒÇÏ. Âíåøíåå ïîêðûòèå èãðàåò ðîëü

òåïëîâîãî áàðüåðà, ñíèæàÿ òåìïåðàòóðó ìåòàëëà

ëîïàòêè íà 20…50

Ñ. Ïîêðûòèå èìååò âèä ãîðè-

çîíòàëüíûõ ñëîåâ ñ îäíîðîäíîé ñòðóêòóðîé è îá-

ëàäàåò íåäîñòàòî÷íî âûñîêîé ñòîéêîñòüþ ê òåðìè-

÷åñêîé óñòàëîñòè â ýêñïëóàòàöèè – â ïîêðûòèè

âîçíèêàþò ìèêðîòðåùèíû è îíî îòñëàèâàåòñÿ.

Âòîðîé âèä ÒÇÏ (òîãî æå ñîñòàâà) èìååò ñòîë-

á÷àòóþ ñòðóêòóðó, ïîëó÷àåìóþ èñïàðåíèåì ïîä

âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîííîãî ëó÷à ñ ïîñëåäóþùèì

îñàæäåíèåì íà ïîâåðõíîñòü ëîïàòêè. Ýòî ïîêðû-

òèå ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê íà ñòàòîðíûõ, òàê

è íà ðîòîðíûõ ëîïàòêàõ. Îíî èìååò õîðîøóþ ñòîé-

êîñòü ê òåðìè÷åñêîé óñòàëîñòè è íå çàêðûâàåò îò-

âåðñòèÿ ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ ïðè íàíåñåíèè.

Îòñëîåíèå ïîêðûòèÿ ìîæåò âîçíèêíóòü èç-çà îêèñ-

ëåíèÿ íà ñòûêå ñ ïîäñëîåì. Äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ýòî-

ãî âèäà ÒÇÏ íåîáõîäèìî î÷åíü äîðîãîå îáîðóäî-

âàíèå.

8.8.4 - Êîðïóñû òóðáèí

Êîðïóñ òóðáèíû âõîäèò â îáùóþ ñèëîâóþ

ñõåìó äâèãàòåëÿ. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öèëèíä-

ðè÷åñêóþ èëè êîíè÷åñêóþ îáîëî÷êó ñ ôëàíöàìè.

Îáû÷íî êîðïóñ âûïîëíÿåòñÿ ñ ïîïåðå÷íûìè ðàçúå-

ìàìè ìåæäó âñåìè ñòóïåíÿìè. Âî âðåìÿ ðàáîòû

äâèãàòåëÿ êîðïóñ èñïûòûâàåò áîëüøèå íàïðÿæå-

íèÿ çà ñ÷åò çíà÷èòåëüíûõ ãðàäèåíòîâ òåìïåðàòóð

ãàçà â ïðîòî÷íîé ÷àñòè (îêðóæíàÿ íåðàâíîìåðíîñòü

òåìïåðàòóð çà êàìåðîé ñãîðàíèÿ) è ðàçíèöû òåì-

ïåðàòóð â ïðîòî÷íîé ÷àñòè è âîçäóøíîé ñðåäû íàä

êîðïóñîì. Â ñâÿçè ñ ýòèì ìàòåðèàë äëÿ êîðïóñà

äîëæåí èìåòü âûñîêèå ïðî÷íîñòíûå õàðàêòåðèñ-

òèêè, õîðîøî îáðàáàòûâàòüñÿ, äîïóñêàòü âîçìîæ-

íîñòü çàâàðêè äåôåêòîâ è óäîâëåòâîðèòåëüíóþ êîð-

ðîçèîííóþ ñòîéêîñòü. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ êîðïóñà

òóðáèí èçãîòîâëÿþò èç ñïëàâîâ ÝÏ609, ÝÏ648-ÂÈ,

ÝÈ437Á, ÝÏ718-ÈÄ.

Ê êîðïóñíûì äåòàëÿì òàêæå îòíîñÿòñÿ âñòàâ-

êè (ðàçðåçíûå êîëüöà) íàä ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè.

Ðàçðåçíûå êîëüöà ðàáîòàþò â «æåñòêèõ» óñëîâèÿõ

ãàçîâîãî ïîòîêà ïðîòî÷íîé ÷àñòè – âûñîêàÿ òåìïå-

ðàòóðà, áîëüøèå ñêîðîñòè òå÷åíèÿ ãàçà. Äëÿ ðàç-

ðåçíûõ êîëåö íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó-

÷èëè ìàòåðèàëû ÝÈ437Á, ÝÈ868. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ

äîëãîâå÷íîñòè äëÿ âñòàâîê íàä ðàáî÷èìè ëîïàòêà-

ìè ÒÂÄ ÷àñòî èñïîëüçóþò ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå

ñïëàâû (íàïðèìåð, ÒÂÄ PW2000).

Îäíèì èç ñïîñîáîâ óìåíüøåíèÿ ðàäèàëüíî-

ãî çàçîðà ìåæäó ðàáî÷èìè ëîïàòêàìè è ñòàòîðîì

â òóðáèíå ÿâëÿåòñÿ íàíåñåíèå èñòèðàåìûõ ïîêðû-

òèé íà âñòàâêè ðàçðåçíûõ êîëåö. Èñòèðàåìûå óï-

ëîòíèòåëüíûå ìàòåðèàëû äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü

ñëåäóþùèì òðåáîâàíèÿì:

- óäîâëåòâîðèòåëüíàÿ ïðèðàáàòûâàåìîñòü, òî

åñòü íåçíà÷èòåëüíûé èçíîñ ëîïàòîê îòíîñèòåëüíî

ïîêðûòèÿ (íå ìåíåå ÷åì 1:5); ïðè ýòîì ìàòåðèàë

óïëîòíåíèÿ íå äîëæåí íàâîëàêèâàòüñÿ íà ëîïàòêè

è ñâàðèâàòüñÿ ñ ëîïàòêàìè èëè ñ ãðåáåøêàìè èõ

áàíäàæíûõ ïîëîê;

- ñòîéêîñòü ê îêèñëåíèþ;

- ñîõðàíåíèå àäãåçèè ê ìåòàëëè÷åñêîé îñíî-

âå êîðïóñà;

- ýðîçèîííàÿ ñòîéêîñòü;

- òåõíîëîãè÷íîñòü èçãîòîâëåíèÿ è íàíåñåíèÿ.

Äëÿ íàíåñåíèÿ íà âñòàâêè ïðèìåíÿþòñÿ êåðà-

ìè÷åñêèå óïëîòíèòåëüíûå ìàòåðèàëû òèïà

NiCr+ZrO

8.8.5 – Ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàííîé

ëèòåðàòóðû

8.8.5.1 Steffens K., Wilhelm H. Next Engine

Generation: Materials, Surface Technology,

Manufacturing Processes. What comes after 2000?

MTU Aero Engines. 2001.

8.8.5.2 Altman R.L. Gas Turbine Technology Benefits

for Commercial Airplane Operators. Pratt & Whitney,

United Technologies, USA, 1991.

8.8.5.3 Gupta D.K. Materials and Processes for

Affordable and High Performance Propulsion Systems.

ISABE-2001-1104.

8.8.5.4 Garvin R. The Commercial Emergence of GE

Aircraft Engines. AIAA, 1998.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

508

8.9 - Îñîáåííîñòè êîíñòðóêöèè

òóðáèí äâèãàòåëåé íàçåìíîãî

ïðèìåíåíèÿ

Äëÿ ýêñïëóàòàöèè â ïðîìûøëåííûõ äâèãàòå-

ëÿõ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ àâèàöèîííûå òóðáèíû

áåç ïðèíöèïèàëüíûõ èçìåíåíèé ïðîòî÷íîé ÷àñòè

(è ýòî ìîæíî ñ÷èòàòü èäåàëüíûì âàðèàíòîì ïðè-

ìåíåíèÿ) èëè íîâûå CÒ, ïðèñîåäèíÿåìûå ê ãàçî-

ãåíåðàòîðó. Äëÿ ïðèâîäà ïîòðåáèòåëåé ÷àñòîòà âðà-

ùåíèÿ âûõîäíîãî âàëà ÑÒ äîëæíà ñîâïàäàòü

ñ ÷àñòîòîé âðàùåíèÿ âàëà ïîòðåáèòåëÿ. Â ýíåðãå-

òèêå ýòî 3000…3600 îá/ìèí, à äëÿ ìåõàíè÷åñêîãî

ïðèâîäà ðàçëè÷íûõ êîìïðåññîðîâ – îò 4000 äî 7500

(è äàæå äî 9000) îá/ìèí. Óíèâåðñàëüíûì âàðèàí-

òîì ðåøåíèÿ ýòîé ïðîáëåìû ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå

Ðèñóíîê 8.9_1 – Ðàçðàáîòêà «àâèàïðîèçâîäíîãî» íàçåìíîãî äâèãàòåëÿ LM6000PA/PB íà áàçå àâèàöèîííîãî

äâèãàòåëÿ CF6-80C2

à) ÒÂÄ è ÒÍÄ àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ CF6-80C2 «àâèàïðîèçâîäíîãî» íàçåìíîãî äâèãàòåëÿ

LM6000PA/PB; á) ÒÂÄ è ÑÒ äâèãàòåëÿ LM6000PA/PB;

1 - íîâûé âàë ÑÒ; 2 – ïðèñîåäèíèòåëüíûé ôëàíåö âûõîäíîãî âàëà; 3 – ðàçãðóçî÷íàÿ ïîëîñòü

ÑÒ; 4 – ëàáèðèíò ÑÒ

ðåäóêòîðà. Îäíàêî ýòîãî âñåãäà ñòðåìÿòñÿ èçáåæàòü

èç-çà äîïîëíèòåëüíûõ ïîòåðü ìîùíîñòè, ïðîáëåì

ñî ñòîèìîñòüþ, íàäåæíîñòüþ, íåîáõîäèìîñòüþ

äîïîëíèòåëüíûõ ñèñòåì îáåñïå÷åíèÿ ìàñëîì è òàê

äàëåå.

Íèæå ðàññìîòðåíû ïðèìåðû óñïåøíîé ðàçðà-

áîòêè òóðáèí ïðîìûøëåííûõ äâèãàòåëåé íà áàçå

àâèàöèîííûõ êîíñòðóêöèé.

Òóðáèíà LM6000PA/PB (GE Aircraft

Engines) [8.9.1.1]

Â êîíñòðóêöèè 41-ìåãàâàòòíîé ýíåðãîóñòàíîâ-

êè LM6000PA/ÐÂ ÒÂÄ è ÒÍÄ ïîëíîñòüþ ñîõðàíå-

íû ñ àâèàöèîííîãî äâèãàòåëÿ CF6-80C2 (ñì.

Ðèñ. 8.9_1, 8.9_2). Ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü òóðáèí ñîõðà-

íåíà áåç èçìåíåíèé. ÒÍÄ ïðîäîëæàåò îáåñïå÷èâàòü

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

509

ïðèâîä ÊÍÄ è ñòàëà îäíîâðåìåííî ÑÒ. Âàë 1 ÒÍÄ

ïîëó÷èë äîïîëíèòåëüíûé âûâîä íàçàä ñ ôëàíöåì

2 äëÿ îòáîðà ïîëåçíîé ìîùíîñòè. Äëÿ êîìïåíñà-

öèè îñåâîé ñèëû ÒÍÄ (ðàíåå êîìïåíñèðóåìîé âåí-

òèëÿòîðîì) ñîçäàíà äîïîëíèòåëüíàÿ ðàçãðóçî÷íàÿ

ïîëîñòü 3, äëÿ ÷åãî íà âàë óñòàíîâëåí äîïîëíèòåëü-

íûé ëàáèðèíò 4.

Íà ïîñëåäíèõ ëîïàòêàõ ÒÍÄ (ïðåèìóùåñòâåí-

íî íà ïîñëåäíåé ðàáî÷åé ëîïàòêå) ðåàëèçóåòñÿ äî-

ïîëíèòåëüíûé ïåðåïàä äàâëåíèÿ (ðàíåå ñîçäàâàâ-

øèé òÿãó â ñîïëå) è ñîçäàåò ïîëåçíóþ ìîùíîñòü,

ïåðåäàâàåìóþ ïîòðåáèòåëþ. Íà ïðîôèëå ïîñëå-

äíåé ðàáî÷åé ëîïàòêè ðåàëèçóåòñÿ ñâåðõçâóêîâîé

óðîâåíü ñêîðîñòåé, óìåíüøàþùèé ê.ï.ä. ÒÍÄ

è ñîçäàþùèé âûñîêèå èçãèáàþùèå íàãðóçêè íà ýòó

ëîïàòêó. Òåì íå ìåíåå, êîíñòðóêöèÿ ëîïàòêè îáåñ-

ïå÷èëà íåîáõîäèìóþ ïðî÷íîñòü.

×àñòîòà âðàùåíèÿ áàçîâîé àâèàöèîííîé ÒÍÄ

CF6-80C2 ñîñòàâëÿåò 3600 îá/ìèí. Â íàçåìíîì âà-

ðèàíòå äëÿ ãåíåðàòîðà íà 3600 îá/ìèí èñïîëüçóåò-

ñÿ ïðÿìîé ïðèâîä, à äëÿ 3000 îá/ìèí – ïðèâîä ÷å-

ðåç ðåäóêòîð.

×åðåç ïÿòü ëåò ïîñëå íà÷àëà ýêñïëóàòàöèè

(â 1995 ãîäó) áûëà ðàçðàáîòàíà íîâàÿ óñòàíîâêà

Ðèñóíîê 8.9_2 – Òóðáèíà LM6000PA (GE Aircraft Engines)

1 – ÒÂÄ; 2 – ÑÒ; 3 – ïðèñîåäèíèòåëüíûé ôëàíåö âûõîäíîãî âàëà ÑÒ; 4 – ëàáèðèíò ðàçãðóçî÷-

íîé ïîëîñòè ÑÒ