пїњ

ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»≈ Ќќ¬џ’ ћј“≈–»јЋќ¬ ѕ–»  ќЌ¬≈–“ј÷»»  ќ–јЅ≈Ћ№Ќџ’ » ј¬»ј÷»ќЌЌџ’ √“ƒ ¬ —“ј÷»ќЌј–Ќџ≈ √“”

Ќ —ќ¬–≈ћ≈ЌЌџ≈ “≈’ЌќЋќ√»» ¬ √ј«ќ“”–Ѕќ—“–ќ≈Ќ»»
-------------------- -------------------------
ќсобливост≥ застосуванн€ р≥зних сплав≥в ≥ матер≥ал≥в дл€ основних вузл≥в й деталей стац≥онарних √“ƒ дл€ корабельних двигун≥в. Ќаведено результати пор≥вн€льного анал≥зу конструкц≥й компресор≥в низького та високого тиск≥в √“ƒ ƒЌ80, дан≥, €к≥ характеризують м≥цн≥сн≥ властивост≥ сер≥йних матер≥ал≥в. ѕоказано дос€гненн€ створенн€ жаром≥цних сплав≥в ав≥ац≥йних √“ƒ
 лючов≥ слова: двигун, сплав, ресурс, м≥цн≥сть, компресор, турб≥на
---------------------------------------
ќсобенности применени€ различных сплавов дл€ основных узлов и деталей стационарных √“ƒ дл€ корабельных двигателей. ѕриведены результаты сравнительного анализа конструкций компрессоров низкого и высокого давлений √“ƒ ƒЌ80, данные, характеризующие прочностные свойства серийных материалов. ѕоследние достижени€ создани€ жаропрочных сплавов авиационных √“ƒ
 лючевые слова: двигатель, сплав, ресурс, прочность, компрессор, турбина
---------------------------------------
Habits of application of various alloys for the basic units and details stationary √“≈, formed on the basis of ship are observed. Results of the comparative analysis of designs of compressors of low and tall pressures √“≈ DN80, and also the data describing of strength properties of serial materials are resulted. Last achievements in the field of creation of high-temperature alloys aviation √“≈ are shown
Key words: engine, alloy, resource, strength, compressor, turbine, tall -------------------- -------------------------
”ƒ  621.78:621.438
ѕ–»ћ≈Ќ≈Ќ»≈ Ќќ¬џ’ ћј“≈–»јЋќ¬ ѕ–»  ќЌ¬≈–“ј÷»»  ќ–јЅ≈Ћ№Ќџ’ » ј¬»ј÷»ќЌЌџ’ √“ƒ ¬ —“ј÷»ќЌј–Ќџ≈ √“”
¬ . ¬ . – о м а н о в
 андидат технических наук, доцент, генеральный директор
ќјќ ЂЌѕќ им. ћ.¬. ‘рунзе ул. √орького, 58, г. —умы, 40004  онтактный тел./факс: (542) 78-68-20; 78-68-21 E-mail romanov_v@frunze.com.ua
¬ . ј .   о в а л ь
ƒоктор технических наук, старший научный сотрудник »нститут проблем машиностроени€ им. ј.Ќ. ѕодгорного ЌјЌ
”краины
ул. ƒм. ѕожарского, 2/10, г. ’арьков, 61046  онтактный тел. (0572) 95-95-94 E-mail turbogaskoval1@rambler.ru
 орабельные √“ƒ. »спользуемые материалы в конструкци€х корабельных √“ƒ были разработаны при сотрудничестве √ѕ Ќѕ √ Ђ«ор€ї-Ђћашпроектї с такими организаци€ми, как ÷Ќ»» Ђѕрометейї, ¬»јћ, ÷ “» им. ѕолзунова, ÷Ќ»»„ерћет и »нститутом проблем прочности ЌјЌ ”краины. ¬сесторонний анализ сталей и сплавов, которые использовались отечественной промышленностью дл€ производства паровых турбин, компрессоров и авиационных двигателей, позволил определить основные классы металлов, примен€емых дл€ изготовлени€ дисков и лопаток компрессоров и турбин, а та жаровых труб камер сгорани€:
- дл€ дисков компрессоров титановые сплавы ¬“3-1 и ¬“-9;
- дл€ дисков первых ступеней турбин - сплавы на основе никел€ ’Ќ77“ё–-¬ƒ (Ё»437Ѕ-¬ƒ), ’Ќ73ћЅ“ё-¬ƒ (Ё»698-¬ƒ), а дл€ дисков силовых турбин сталь 08’15Ќ25“2ћ‘– (Ёѕ674);
- дл€ жаровых труб камеры сгорани€ ’Ќ60¬“ (¬∆98, Ё»868), ’Ќ75ћ¬“ё (Ё»602);
- дл€ корпусов турбин сплавы на основе никел€ ’Ќ75ћЅ“ё (Ё»602), ’Ќ62¬ћё“-¬ƒ (Ёѕ708-¬ƒ) и сталь 15’16 5Ќ2ћ¬‘јЅ-Ў (Ёѕ866-Ў);
- дл€ лопаток компрессоров в двигател€х 3 и 4 поколений - титановый сплав ¬“3-1 и ¬“8;
- дл€ сопловых и рабочих лопаток турбин деформируемые сплавы на никелевой основе Ё»617-¬ƒ, Ё»826, Ёѕ539-¬ƒ и литые є-сплавы Ё 9Ћ, Ёѕ539Ћћ, „—70Ћ-¬», „—88”-¬», „—104-¬».
ѕеречисленные сплавы отличаютс€ стойкостью как против высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорани€ жидких топлив с высоким содержанием серы, так и исключительной коррозионной стойкостью против воздействи€ морской соли.
Ќадежна€ работа корабельных √“ƒ, спроектированных с применением указанных сплавов, подтверждена положительным опытом длительной эксплуатации.
— переходом на услови€ эксплуатации в составе наземных √“” стал вопрос о целесообразности дальнейшего применени€ дорогих коррозионно-стойких сталей и сплавов. ѕоиск таких сплавов проводилс€ среди материалов, имеющих достаточную коррозионную стойкость в услови€х наземного применени€ √“ƒ. ¬ыбранные сплавы должны были иметь относительно высокую жаропрочность при длительности полного
3
ресурса √“ƒ 75000...100000 часов и обладать хорошими технологическими свойствами. ѕеречисленным критери€м удовлетвор€ли хорошо освоенные на предпри€тии √ѕ Ќѕ √ Ђ«ор€ї-Ђћашпроектї стали Ёѕ6-09-Ў и Ёѕ961-Ў, а также нова€ сталь мартенситного класса Ёѕ517-Ў.
¬недрение в серийное производство сплава Ёѕ5-17-Ў стало возможным после проведени€ большого комплекса конструкторско-технологических проработок с целью обеспечени€ длительной и малоцикловой прочности деталей, режимов сварки, механической обработки, производства необходимым сортаментов.
»значально сталь Ёѕ517-Ў предполагалось примен€ть как заменитель материала Ёѕ866-Ў в статорных узлах машины. ќднако по мере изучени€ механических свойств (длительной прочности, структурной стабильности), режимов сварки и механической обработки, сплав Ёѕ517-Ў нашел применение дл€ изготовлени€ дисков компрессоров √“ƒ IV поколени€, работающих при температурах до 420о—. —плавы Ёѕ5-17-Ў и Ёѕ866-Ў относ€тс€ к жаропрочным стал€м мартенситного класса, которые близки по химическому составу стали Ёѕ866, за исключением повышенного содержани€ хрома (15.16,5%) и наличи€ кобальта (4,5.5,50%).
 ак известно, в высоколегированных стал€х насыщение хромом способствует фазовому упрочнению. ќднако это достигаетс€ при взаимодействии хрома с другими элементами. –астворение этих элементов в карбидах хрома уменьшает склонность к коагул€ции карбидов и затрудн€ет растворимость их при высоких температурах. ’ром резко повышает сопротивл€емость окислению, что особенно заметно при его 5% содержании. “ака€ сталь пригодна дл€ работы при температурах, вплоть до 6500—.
ѕовышение жаропрочности сплавов достигаетс€ заметным снижением содержани€ в них хрома, что сопровождаетс€ уменьшением его растворимостью. ѕри этом хром либо образует самосто€тельные фазы, либо способствует их образованию на основе а-—г, о-№ ц-фаз, карбидов ћ23—6, ћ6— и др., которые привод€т к ухудшению свойств материалов вследствие возникновени€ процессов неблагопри€тной морфологии. ѕоэтому процесс длительной выдержки стали Ёѕ866-Ў при высоких температурах среды способствуют ее охрупчиванию за счет образовани€ о-фазы.
 обальт в небольшой степени повышает жаропрочность материала и в его присутствии заметно увеличиваютс€ пластические свойства соединений. ѕоэтому в сплаве Ёѕ866-Ў повышенное содержание хрома компенсировано добавкой кобальта. Ћегирование кобальтом оправдывает себ€ только при кратковременных нагружени€х в услови€х высоких температур. ѕодтверждением сказанному служат данные дл€ сталей Ёѕ866 и Ёѕ 517-Ў, приведенные в табл. 1.
 ак показал опыт эксплуатации, при длительном нагружении (более 3000 часов) и температурах от 400...550∞—, сталь Ёѕ866-Ў сильно охрупчиваетс€ за счет выделени€ о-фазы. ƒеградаци€ механических свойств выражаетс€ в виде существенного снижени€ ударной в€зкости до уровн€ ан=0,3 кгм/см2 (при минимально допустимом уровне [ан] = 2 кгм/см2), и возрастанием твердости сплава с 311-341Ќ¬ до 440Ќ¬. ћатериал корпусов становитс€ чрезвычайно хрупкими и
чувствительными к внешним ударным воздействи€м. ¬ этой ситуации переход на сталь Ёѕ517-Ў, котора€ отличаетс€с€ стабильностью механических свойств в диапазоне рабочих температур и длительности нагружени€, обеспечил требуемый ресурс тех узлов, в которых первоначально использовалась сталь Ёѕ866-Ў.
“аблица 1
—равнительные данные по длительной прочности сплавов (ћѕа)
<1 400 ∞юЂ 450 ∞]0* _550 10* 200 ЂV 400 ∞ю* 450 аю* 550
Ёѕ517-Ў диск 937 697 540 255 937 618 442 177
Ё√ќ17-Ў корпус 937 692 510 245 937 608 438 168
Ёѕ866 корпус 850 700 590 340 850 700 460 260
Ёѕ609-Ў диск 800 505 363 113 800 417 280 30
Ё»602 корпус 696 657 560 363 687 657 555 343
Ё»708 корпус 930 873 755 550 930 873 710 415
Ёѕ961-Ў диск 863 481 368 160 863 380 250 10
¬“«-1 диск 706 603 417 80 664 537 310 10
¬“8 диск 632 515 486 10 580 450 420 -
Ё»479 лопатки 840 738 665 - 840 738 640 -
¬ысокие показатели кратковременной прочности сплава Ёѕ517-Ў при температурах до 200о— ( о^0 = 937 ћѕа) позволили применить его в высоконагруженных первых ступен€х роторов  Ќƒ вместо титанового сплава ¬“3-1 ( о^0 = 664 ћѕа). ѕри длительной прочности Ёѕ517-Ў в интервале температур 200...350∞— стало возможным изготовление дисков первых ступеней  ¬ƒ вместо титанового сплава ¬“9, имеющего длительную прочность в этих же услови€х о2Щ"'350 = 780.885 ћѕа. ¬ качестве примера на рис. 1 приведен сравнительный анализ конструкций дисков 1 - 6 ступеней  ¬ƒ ƒЌ80Ћ, спроектированных из сплава Ёѕ517-Ў и дисков, выполненных из титанового сплава ¬“9 издели€ GT25000. ¬идно, что переход на стальные диски приводит к двукратному увеличению их веса по сравнению с титановыми конструкци€ми. ¬месте с тем, данные изменени€ не превышают п€тикратной разницы в цене между сплавами Ёѕ517-Ў и ¬“9.
Ѕлагодар€ высокой (по сравнению с другими сплавами такого же класса) жаропрочности и свариваемости в услови€х ЁЋ— и јƒ—, сталь Ёѕ517-Ў также широко примен€етс€ дл€ корпусов силовых турбин вместо сплава Ёѕ866-Ў, а также диафрагм сопловых аппаратов турбин вместо Ў-сплавов Ё»602-¬ƒ и Ё»708-¬ƒ.
“ак дл€ энергетического двигател€ ƒ√80Ћ были спроектированы диафрагмы сопловых аппаратов 2, 4,
5 и 6 ступеней турбины из Ёѕ517-Ў вместо Ў-сплава Ёѕ708-¬ƒ (2-€ ступень) и Ў-сплава Ё»602-¬ƒ (4, 5 и
6 ступени).

 ак следует из данных табл. 1, относительна€ длительна€ прочность Ёѕ517-Ў в сравнении с Ё»602-¬ƒ и Ёѕ708-¬ƒ при характерной дл€ диафрагм температуре 450о— и длительности 105 часов составл€ет соответственно 0“ = 0,79 и 0,62. Ќесущие конические оболочки стальных диафрагм были утолщены в 1.3 раза от исходной толщины, что эквивалентно относительному повышению жаропрочности в опр = 1.69 раз между никелевым сплавом и сталью в одинаковых услови€х. “аким образом, относительное изменение запасов по несущей способности в диафрагмах составило
кв = (0,62...0,79) 1,69 = 1,05... 1,3 .
контур дисков из титанового сплава ¬“9 контур дисков из стали Ёѕ517-Ў
–ис. 1. —равнение конструкции дисков 1-6 ст.  ¬ƒ ƒЌ80 из сплавов Ёѕ517-Ў и ¬“9
------------- контур дисков из титанового сплава ¬“«-1
------------- контур дисков из стали Ёѕ609-Ў
–ис. 2. —равнение конструкции дисков 3-7 ст.  Ќƒ ƒЌ80 из сплавов Ёѕ609-Ў и ¬“3-1
Ќа рис. 3 показаны результаты расчетов напр€женного состо€ни€ одной из стальных диафрагм, выполненных методом конечных элементов в программе ANSYS в виде полей эквивалентных напр€жений по ћизесу. ћаксимальные местные напр€жени€ в диафрагмах не превышают 20 кг/мм2, что обеспечивает требуемые запасы прочности в пределах полного ресурса.
—таль Ёѕ609-Ў нашла широкое применение в роторах  Ќƒ двигателей ƒЌ80Ћ и ƒ√90 вместо титанового сплава ¬“3-1 благодар€ хорошей обрабатываемости и свариваемости ЁЋ— и јƒ—. ¬ качестве примера на рис. 1 показаны отличи€ в меридиональных сечени€х дисков  Ќƒ двигател€ ƒЌ80Ћ в варианте из титанового сплава ¬“3-1 и стали Ёѕ609-Ў. ќтносительное увеличение площади меридионального сечени€ стальных дисков составило 40.50 %.
ѕри изготовлении диска последней ступени  Ќƒ ƒЌ80Ћ применена сталь Ёѕ961-Ў вместо сплава ¬“3-1.
«десь важно отметить, что положительному решению проблемы обеспечени€ нормативных запасов прочности при замене материалов также способствовало и то, что, практически все корабельные √“ƒ имели на 10.15% большую мощность, чем аналогичный двигатель в наземных услови€х. Ёто означает, что температуры деталей наземных √“ƒ оказывались ниже на 20...40∞—.
ѕрименение дл€ лопаток компрессоров корабельных √“ƒ титановых сплавов ¬“3-1 и ¬“8, обладающих высокой коррозионной стойкостью и повышенной механической прочностью, позвол€ет заметно снизить массу компрессора, так как удельна€ прочность их значительно выше, чем у сталей.
шиш. њо≥атсах
«“≈–-≤
газ ї≥
I ѕ—≈ -1
гг аус≥ ютз-о
¬Ќ’ -.033131 зам -^206.93 5√  -250.524
1
2 X
-206.03 -104.574 -3.117 Ё¬.339 1ѓ9.796
_____________-155.308________-63.846_________47.611__________149.067_________250.584
–ис. 3. Ёквивалентные напр€жени€ по ћизесу (кг/см2) в диафрагме —ј 4 ст. турбины ƒЌ80
ќднако при повышенных температурах свойства титановых сплавов резко ухудшаютс€ и к тому же они более чувствительны к концентрации напр€жений. ѕоэтому применение титановых сплавов дл€ рабочих и направл€ющих лопаток возможно при обеспечении высокого сопротивлени€ усталости, не ниже о_1 = 400 ћѕа.
¬ысокий уровень сопротивлени€ усталости достигаетс€ путем оптимизации макро- и микроструктуры, правильного подбора режимов финишной механической обработки и поверхностного пластического упрочнени€, а также снижени€ конструктивной концентрации напр€жений. ¬месте с тем лопатки, изготовленные из титанового сплава, весьма чувствительны к случайным царапинам и рискам, которые могут по€витьс€ в процессе сборки и эксплуатации √“ƒ.   этому необходимо добавить также и высокую стоимость титановых сплавов по сравнению со стал€ми.
¬следствие этого на предпри€тии была исследована возможность замены дл€ рабочих лопаток компрессоров низкого давлени€ титановых сплавов на стальные. ѕроведенные расчетные работы показали принципиальную возможность создани€ роторов серийных компрессоров низкого давлени€ ƒ√90 и ƒЌ80 со стальными дисками и лопатками из услови€ обеспечени€ статической прочности лопаток, замковых соединений и дисков, а также необходимых запасов по критическим частотам вращени€ роторов и долговечности подшипников качени€.
ѕоскольку лопатки осевых компрессоров корабельных √“ƒ подвергаютс€ коррозии, то специфические услови€ эксплуатации обуславливают применение в качестве материалов рабочих и направл€ющих лопаток коррозионностойких сталей, содержание хрома в которых не ниже 12%.   таким стал€м относитс€ сплав 15’16Ќ2јћ-Ў (Ёѕ479-Ў), который обладает высокой демпфирующей способностью, позвол€ющей уменьшить напр€жени€ в лопатках при колебани€х. ѕроведенные испытани€ на вибростенде натурных лопаток из Ёѕ479-Ў показали, что предел выносливости их составил не менее о_1 = 400 ћѕа и сопоставим с уровнем предела выносливости таких же лопаток из титанового сплава ¬“3-1.
ƒл€ определени€ фактических запасов усталостной прочности было проведено сравнительное тензометри-рование титановых и стальных рабочих лопаток 3 и 4 ступеней  Ќƒ на серийном роторе √“ƒ ƒЌ80. –езультаты измерений показали, что в стальных лопатках уровень динамических напр€жений на 10.15% выше, чем в титановых. ѕринима€ во внимание, что фактические запасы по усталостной прочности титановых лопаток превышают допустимый запас более чем на 25%, при изготовлении лопаток из стали Ёѕ479-Ў, запас по усталостной прочности также обеспечиваетс€.
јвиационные √“ƒ. ƒл€ лопаток турбин авиационных √“ƒ характерно применение жаропрочных сталей типа ∆—. —овременный углеродистый сплав ∆—30 и безуглеродистый ∆—40 предназначены дл€ лить€ лопаток турбин с направленной кристаллизацией и монокристаллической структурами, соответственно. ѕри этом сплав ∆—40, легированный танталом, обладает наибольшей структурной стабильностью в области длительного времени нагружени€, что обуславливает повышенные значени€ о . —плавы второго поколени€ ∆—32 (~4%яе) и ∆—36 (~2%яе), обладают достаточно большей жаропрочностью при меньших временных базах (–<28000).
Ќа рис. 4 показаны характеристики жаропрочных никелевых сплавов, примен€емых в современном га-зотурбостроении при повышенных температурах и ресурсах. ƒл€ широко примен€емых сплавов ∆—30 и ∆—36 гарантированные свойства соответствуют следующим значени€м: о26000=370ћѕа, о29000 =130ћѕа и
ќзз000=30ћѕа (∆—30); 026000=450ћѕј, о2эооо=185ћѕа и ќ33000 =50ћѕа (^^—36).
–ис. 4. ѕределы длительной прочности жаропрочных сплавов лопаток турбин
—ледует отметить, что пр€мое использование авиационных сплавов дл€ турбинных лопаток конвертированных √“ƒ не всегда оправданно вследствие их высокой стоимости и низкой сопротивл€емости газовой коррозии. ¬ св€зи с этим во ¬сероссийском институте авиационных материалов дл€ рабочих лопаток √“” созданы жаропрочные сплавы ∆— —-1 и ∆— —-2.
—плав ∆— —-1 с частично монокристаллической структурой, содержащий в своем составе зернограничные упрочн€ющие элементы, по характеристикам жаропрочности незначительно уступает сплаву ∆—30 и превосходит существующие ÷Ќ -7Ќ  и „—-70, а также зарубежные аналоги GTD-111 и In738LC, не уступа€ им по сопротивлению гор€чей коррозии. ѕри этом дл€ материала ∆— —-1 о25800 >350ћѕа и 027000Ч240ћѕа.
Ћегированный танталом и рением безуглероди-стый сплав ∆— —-2 с полностью монокристалли-ческой структурой по длительной прочности аналогичен авиационному сплаву ∆—30 и значительно превосходит его по сопротивлению солевой коррозии. ƒл€ этого материала характеристики жаропрочности соответствуют о25800Ч380ћѕа, о27000Ч2 8 0ћѕа и 028000>200ћѕа [1].
Ћитература
1.  аблов ≈.Ќ. Ќовые коррозионностойкие жаропрочные сплавы и технологи€ получени€ крупногабаритных турбинных лопаток стационарных √“”/ ≈.Ќ.  аблов, Ќ.√. ќрехов, ».ћ. ƒемонис, ¬.Ќ. “олораи€ и др.// LЎ научно-техническа€ сесси€ по проблемах газовых турбин. 13-14 сент€бр€ 2006 г. “езисы докладов. ћосква, 2006. - —.108-109.

пїњ