Применение инновационных композиционных материалов в современных авиационных двигателях

ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННЫХ АВИАЦИОННЫХ

ДВИГАТЕЛЯХ Исангулова Э.Р. Email: Isangulova652@scientifictext.ru

Исангулова Элина Разитовна - студент, кафедра технологии машиностроения, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа

Аннотация: в статье анализируется применение инновационных композиционных материалов в современных авиационных двигателях. Приводятся основные группы композиционных материалов. Подробно описываются высокотемпературные керамические композиционные материалы, которые могут обеспечить более высокую температурную работоспособность в турбинных двигателях, по сравнению с металлическими. Анализируется использование углепластиковых лопаток, при их использовании масса отдельных частей деталей снижается в два раза. Приводится описание получения углепластиковых лопаток, а также преимущества изготовления по сравнению с металлическими.

Ключевые слова: композиционные материалы, керамические, металлические, газотурбинный двигатель, углепластиковые лопатки, пресс-форма.

THE USE OF INNOVATIVE COMPOSITE MATERIALS IN MODERN AIRCRAFT ENGINES Isangulova E.R.

Isangulova Elina Razitovna - Student, MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGY DEPARTMENT, UFA STATE AVIATION TECHNICAL UNIVERSITY, UFA

Abstract: the article analyzes the use of innovative composite materials in modern aircraft engines. Describes the main groups of composite materials. In detail described high-temperature ceramic composite materials, which can provide a higher temperature performance in turbine engines compared to metal ones. Analyzed the use of carbon-fiber blades, the mass of individual parts is reduced by half. A description of the production of carbon fiber blades, as well as the advantages of manufacturing compared to metal. Keywords: composite materials, ceramic, metal, gas turbine engine, carbon-plastic blades, mold.

УДК 331.225.3

Композиционные материалы (КМ) разрабатываемые и используемые можно разделить на четыре основные группы: полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), керамические (ККМ) и углерод-углеродные (УУКМ) с покрытиями. Перечисленные группы КМ представляет новый класс материалов для отечественного авиационного двигателестроения, который требует несколько иных подходов на всех этапах их изготовления и эксплуатации.

На рисунке 1 представлено использование КМ различных типов по уровню предельно допустимых температур. Современные КМ различного типа могут найти применение во всех узлах авиационного двигателя.

Группы композиционных материалов

Углерод-углеродные КМ с покрытиями

Рис. 1. Типы композиционных материалов

В авиастроении уже был опыт, который вполне можно сравнить с переходом от металла к композиционным материалам - переход в самолетостроении от дерева к металлу.

Для определения эффективности двигателя существуют общие физические принципы. Уровень совершенства авиационного двигателя определяется температурой газа, протекающей в ней. Используемые в турбинных двигателях материалы, в настоящее время имеют рабочую температуру, не превышающую 1100°С. Появляется необходимость их охлаждения, для продолжения работы при более высоких температурах газа. В связи с этим, конструкция усложняется, необходим отбор воздуха от компрессора, это влечет за собой весомое снижение экономичности двигателя. Более высокую температурную работоспособность деталей турбины способны обеспечить современные композиционные материалы, с ощутимо меньшими потерями на охлаждение, или без охлаждения вовсе. Осуществляются попытки использовать для достижения этих целей высокотемпературные керамические композиционные материалы (ККМ). К главным преимуществам использования ККМ, по сравнению с металлическими материалами относится снижение массы изделия в два раза. Снижение массы характеризуется повышением надежности, а так же уменьшением расхода топлива.

Необходимо отметить, что композиционные материалы так же эффективны при применении их в холодной части ГТД. Наблюдается тенденция, при которой эффективность двигателя повышается с увеличением степени двухконтурности, которое в свою очередь ведет к увеличению размеров вентилятора, а это, соответственно, к увеличению массы, повышение массы приводит к негативным последствиям, в частности, увеличение расхода топлива. Использование углепластиковых лопаток приводит к снижению массы, из чего следует уменьшению нагрузки на диск, на вал, снижается ударное воздействие на корпус при обрыве лопатки, следовательно, турбину можно сделать менее мощной. Также необходимо отметить, что при снижении массы двигателя, снижается нагрузка на крыло, а это означает возможность облегчения крыла. Подсчитано, что при замене металлов на

КМ масса отдельных деталей снижается на 10-50%, экономичность двигателя возрастает на 3-8 [2, 130].

По расчетам научных сотрудников в данной области, стоимость углепластиковых лопаток будет составлять 50-70% от стоимости полых титановых. Полые титановые лопатки изготавливаются в печи при температуре 1000°С заготовки распирают внутренним давлением в оснастку [2, 135]. Изготовление оснастки, которая сможет выдержать такие температуры выходит достаточно затратно. Пресс-форма для изготовления углепластиковых лопаток неметаллическая. Их можно изготавливать в больших количествах, если имеется мастер-модель. Это будет существенно дешевле при мелкосерийном производстве.

В России существует лаборатория, которая обладает необходимым оборудованием для производства углепластиковых лопаток. Создан участок, который позволяет по рабочей технологии создавать качественные лопатки различных типоразмеров. В среднем на изготовление одной лопатки уходит несколько дней.

Технология создания узлов и деталей авиационных двигателей композиционных материалов может привести к определенным результатам, при условии прочной взаимосвязи на этапах проектирования, изготовления и испытаний. Инновационные разработки исследователей в области создания и изучения рабочих лопаток вентилятора из углепластика, сопловых аппаратов турбины из дисперсно-упрочненного керамического КМ, должны найти применение в двигателях. Однако для достижения данной цели необходимо уделять особое внимание в области исследования КМ.

Список литературы /References

1. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В. // Рабочие лопатки вентиляторов из углепластика для перспективных двигателей. Журнал «Двигатель». № 6 (78+243), 2011. Стр. 247.

2. Каблов Е.Н., Салибеков С.Е., Абузин Ю.А., Рыльников В.С., Турченков В.А., Каримбаев Т.Д., Луппов А.А. Конструктивные и технологические решения для создания составных лопаток перспективных вентиляторов с применением прочных и жестких металлокомпозитов / В сб.: Новые технологические процессы и надежность ГТД. Вып. 3. Композиционные и керамические материалы в ГТД. М.: ЦИАМ, 2003. С. 124-139.

3. Раскутин А.Е., Панина Т.В. Проблемы создания конструкционных углепластиков с повышенной термоокислительной стойкостью / В сб. Авиационные материалы и технологии: науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2002. № 3. С. 18-23.