Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений повышения тактико-технических характеристик газотурбинных двигателей (ГТД) является использование композиционных материалов (КМ), обладающих высокими прочностью и жесткостью при малой плотности и исключительной демпфирующей способностью; Большинство исследований направлено на создание композиционных высоконагруженных лопаток1 ком-:' прессора, применение которых повышает надёжность двигателя и существенно снижает его массу. .,
.-; .Работы в этом направлении были начаты в 60-х годах. Для изготовле- ' ния лопаток на первом этапе использовали полимерные композиционные материалы (ПКМ). Наибольших успехов добились фирмы Роллс-Ройс; Пратт-' Уитни, Дженерал Электрик, Запорожское МКБ «Прогресс», Самарский НТК>; им. Н.Д. Кузнецова, Уфимское НПО «Мотор». Однако ПКМ обладают ползучестью под действием эксплуатационных нагрузок, особенно при повышенных температурах, что позволяет использовать их только в направляющих лопатках, работающих до температуры 200С. Для нового поколения двигателей, имеющих высокие скорости вращения роторов, при которых титановые лопатки не выдерживают центробежные нагрузки, наибольший ин- терес со стороны конструкторов вызывают композиционные материалы на металлической матрице (МКМ).
Первые попытки применения МКМ в рабочих лопатках были предприняты фирмой Пратт-Уитни. У нас в стране в Рыбинском КБ в 70-х годах были изготовлены рабочие лопатки компрессора из углеалюминия на основе углеродной ленты Лу-2 и алюминиевого сплава АЛ 2. Невысокая прочность материала, недостаточная стабильность свойств, вызванная разупрочнением углеродного волокна в процессе прогалки, неудачная конструкция замкового соединения привели к разрушению лопаток на разгонном стенде еще до выхода на рабочий режим. Последующее развитие МКМ, разработка новых армирующих наполнителей - борного волокна и углеродной ленты «Кулон» обеспечили значительное повышение механических свойств материалов, что позволило на новом уровне провести исследования по применению МКМ в лопатках компрессора. Однако не удалось максимально реализовать прочность армирующего наполнителя вследствие взаимодействия на границе раздела с матрицей, что требует оптимизации технологии переработки МКМ.
В настоящее время известно большое количество конструкций лопаток из КМ, но, к сожалению, ни одна из них не внедрена в серийных двигателях. В большом .объеме зарубежной информации о проведении' экспериментальных;і исследований: по созданию лопаток из МКМ отсутствуют сведения об особенностях технологии их изготовления и влиянии конструкции материала на работоспособность лопаток. Поэтому актуальной является разработка
конструкции материала с максимальной реализацией свойств компонентов, использование новых наполнителей и матриц, разработка оптимальных технологических процессов, обеспечивающих требуемую работоспособность лопаток из МКМ.
Цель работы. Создание, работоспособных лопаток компрессора ГТД из
МКМ. .,:; :.. і. ,-.= :. . . .,'
Научная новизна. В работе на основе комплексных исследований впервые определена зависимость работоспособности лопаток от типа композиционного материала и его структуры;, а также метода переработки, позволившая рекомендовать боралюмииий для изготовления рабочих лопаток методом диффузионной сварки,, а также, впервые в мире, - бормагний для изготовления направляющих лопаток методом вакуумно-компрессионной пропитки. Установлены общие закономерности формирования пера и замкового соединения лопатки из МКМ. Расчетно-эксперимеитальными методами проведена оптимизация технологических параметров изготовления композиционных лопаток. Разработаны принципы конструирования и изготовления лопаток из МКМ, позволившие впервые в России изготовить работоспособные лопатки, обеспечивающие снижение их массы на 25 - 35 % по сравнению с титановыми аналогами,
Практическая значимость. На основании выполненных исследований разработаны и внедрены в производство рациональные конструкции и оптимальные технологические процессы изготовления лопаток из МКМ. Освоено производство натурных лопаток. Проведены комплексные исследования работоспособности лопаток на стендах и в составе двигателя, показавшие их высокую надежность. Разработаны научно-обоснованные технологические рекомендации и .руководящий, технический материал по изготовлению лопаток из МКМ для двигателя нового поколения.
Апробация работы. .Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме «Механика конструкций из композиционных материалов», Ереван, 1976; Межотраслевых конференциях «Композиционные материалы в авиадвигателестррении», Москва, 1978, 1980, 1984; II, III, IY, Y, YI, YII, YIH, IX Межотраслевых конференциях «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении», Куйбышев-Самара, 1980, 1982, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994; YI Всесоюзной конференции по композиционным материалам, Ереван, 1987, XI Всесоюзной конференции по конструкционной прочности двигателей, Куйбышев, 1988; Всесоюзной конференции по сварке разнородных материалов, Киев, 1990; Отраслевой научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы изготовления деталей и узлов ГТД и агрегатов из композиционных, порошковых материалов по СВС-технологии», Куйбышев, 1989; IY, YI, YII Межотраслевых конференциях «Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрение в специальные отрасли промышленности», Миасс, 1984^1989, J992; Всесоюзной конференции «Научно-технические
проблемы конверсии в авиадвигателестроении», Москва, 1990; Отраслевой конференции «Пути совершенствования технологии производства лУпаток ГТД», Запорожье, 1984; Международной конференции «Надежность и каче-' ство в промышленности, энергетике и на транспорте», Самара, 1999, а также на других конференциях и семинарах. Результаты исследований экспонировались на Международных авиационных выставках "Авиадвигатель-96""'й-' "Авиадвигатель-98", Международном авиакосмическом салоне МАКС-97,'';' выставке в КНР в 1999г.
. Публикации.,По материалам диссертации опубликовано 18 статей [1-18], 23 тезиса доклада, 3 технологические рекомендации [19-21], руководящий технический материал [22], получено более 30 авторских свидетельств и патентов, основные из которых приведены в перечне литературы [23-30].
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов по результатам работы, перечня литературы, включающего 144 наименования и приложения. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, содержит 41 таблицу и 77 рисунков.
