Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение кпд энергетических газотурбинных установок связано с повышением начальной температуры газа. Так, увеличение температуры рабочего тела в парогазовых установках (ПГУ) с Тг =1050-4400 С до Тг =1600 С позволит увеличить кпд установок на 10-45%. При этом первоочередной задачей является обеспечение надежной теплозащиты лопаток первой ступени газовой турбины. Одним из эффективных способов теплозащиты термически высоконапряженных поверхностей является пористое проникающее охлаждение с выходом газа-охладителя на поверхность, обтекаемую высокотемпературным рабочим газом, и создания на ней термозащитной газовой завесы. Для организации такого способа теплозащиты различных поверхностей современных и перспективных теплоэнергетических аппаратов (в частности, камер сгорания, турбин) необходимо создание пористых проницаемых оболочек.
Одним из наиболее напряженных элементов двигателей является передняя кромка рабочих лопаток высокотемпературных газовых турбин. Работы по созданию лопаток с проникающим охлаждением высокотемпературных турбин ведутся в МГТУ им. Н.Э.Баумана совместно с ИПТ РАН и ОАО «Рыбинские моторы».
Увеличение надежности пневмо и гидросистем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) требует применения фильтров, обеспечивающих требуемую тонкость фильтрации, имеющих высокую проницаемость, стойких и прочных во всем диапазоне рабочих температур и нагрузок.
Актуальность выполнения диссертационной работы подтверждается участием в выполнении работ Министерства по науке РФ по программе «Создание проницаемых оболочек турбинных парогазовых установок» и по программе «Создание фильтров для очистки жидкостей космического, авиационного и наземного транспорта».
Цель работы. Установление основных закономерностей пластической деформации и консолидации структурообразующих элементов при получении пористых сетчатых материалов (ПСМ) с заданными свойствами, их листовой штамповки и разработка технологических процессов изготовления фильтроэлементов и'оболочек турбинных лопаток.
Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решения следующих взаимосвязанных задач:
-
Установление механизмов пластической деформации и консолидации структурообразующих элементов при получении ПСМ и последующей их листовой штамповке;
-
Получение зависимостей, описывающих влияние параметров структурообразующих элементов, их пластического деформирования и консоли-
чс/чя госудлрСг;^>
"Отлал ~^%Д
иторатури ЧСд \
раничонного J <
о Л И О V -*у
/
дации на механические и служебные свойства (тонкость фильтрации, проницаемость и др.) листовых заготовок;
-
Уточнение уравнений для расчета эквивалентного размера пор, коэффициента проницаемости, коэффициента гидравлического сопротивления пористых сетчатых материалов;
-
Изучение влияния параметров листовой штамповки на изменение проницаемости ПСМ;
-
Разработка технологических процессов изготовления фильтроэле-ментов и гнутых оболочек турбинных лопаток из ПСМ на основе зависимостей пластического деформирования структурообразующих элементов.
Научная новизна. Установлены закономерности пластической деформации структурообразующих элементов при получении листового ПСМ и последующей штамповке, которые отражают влияние геометрических параметров структурообразующих элементов, степени и скорости деформации на технологические и механические свойства ПСМ.
Показано, что допустимая степень деформации брикета сеток при получении листового ПСМ находится в пределах е-0,3 5+0,6, так как при меньших деформациях материал расслаивается при штамповке, а при б > 0,6 резко уменьшается пластичность материала и происходит значительное нарушение равномерности распределения пор по объему.
Установлено, что в процессе листовой штамповки ПСМ изменение размера пор происходит интенсивнее с ростом исходной пористости и коэффициента формообразования (формовки, вытяжки, отбортовки).
Практическая ценность. На основе экспериментальных исследований гидравлических свойств ПСМ получена уточненная формула для расчета эквивалентного размера пор, коэффициента проницаемости, коэффициента гидравлического сопротивления пористых сетчатых материалов.
Изучение механизма консолидации структурообразующих элементов позволило установить, что одним из путей повышения межслойной прочности пористых элементов является высокотемпературная пайка с использованием тонких электрогальванических покрытий никелем и медью толщиной 3+5 мкм каждый в процессе прокатки в вакууме при температуре 1100+1150 С.
Разработаны технологические процессы изготовления:
фильтров с тонкостью очистки 10+12 мкм из стали 12Х18Н10Т для жидкостных ракетных двигателей космических аппаратов "Фобос" и "Марс";
бескаркасных фильтров с тонкостью очистки 100+130 мкм из стали 12XI8HI0T, используемых в ЖРД-170, ЖРД-180;
оболочки турбинных лопаток из нихрома Х20Н80 для парогазовых высокооборотлых турбин энергетических установок;
- пористых непроницаемых элементов из коррозионностойкои стали 12Х18Н10Т для стоматологии.
Апробация работы. По основным разделам работы опубликовано 3 статьи в журналах: "Технология металлов", "Порошковая металлургия", "Известия РАН "Энергетика". Получены 2 авторских свидетельства на изобретение, 1 патент на способ получения пористого сетчатого материала.
Результаты работы доложены на XL сессии в г. Рыбинске в 1993г., на XLII научно-технической сессии в 1995г. в г. Рыбинске, на конференции в МГТУ в 1995г., на 4-м собрании металловедов в г. Пензе, на Всероссийской научно-технической конференции в МГТУ в 1998г.
Объем работы. Диссертация изложена на 199 страницах машинописного текста, включающего введение, пять глав, основные результаты и выводы по работе и приложение. В диссертации приведено 10 таблиц, 45 рисунков и список литературы из 82 наименований.