Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

—обеспечивать стабильность твердого раствора при длительной службе;

—предотвращать и затормаживать дифференциальные процессы;

—не вызывать структурных превращений, ведущих к ослабле­ нню границ зерен.

Удовлетворить все перечисленные требования одновременно очень трудно.

Рассмотрим, какое влияние оказывает многокомпонентное леги­ рование на жаропрочные свойства сплава на никелевой основе. Присадка к никелю 20% хрома слабо сказывается на жаропрочности сплава, хотя и сопровождается некоторым его упрочнением, свиде­ тельствующим об усилении энергии связи в кристаллической ре­ шетке. Дальнейшее усложнение состава присадками титана и алюми­ ния в общем количестве 2,5—3% вызывает резкое повышение жаро­ прочности сплава. Присадки молибдена и вольфрама способствуют дальнейшему увеличению длительной прочности. Дополнительным средством повышения жаропрочности таких сложнолегированных сплавов является присадка к ним небольших количеств бора, упроч­ няющего границы зерен. Такое комплексное легирование дает воз­ можность повысить в несколько раз жаропрочность основного ме­ талла.

наблюдаются в получении высокохромистых нержавеющих сталей. Жаропрочные модификации 12°о-ной хромистой стали (реке 448)

сложнолегированной стали аустеннтного класса при температуре 1073 К имеют предел длительной прочности более 100 Мнім2 (рис. 12). Современные дисперсионно-твердеющие сплавы на никелевой основе в зависимости от напряжения можно применять при температуре 1073—1123 К (см. рис. 12). Наиболее жаропрочными из специальных сплавов, по крайней мере применительно к небольшому ресурсу, является группа кобальтовых сплавов. Они уступают никелевым сплавам в интервале температур 700—800 К, но зато сохраняют сравнительно высокие значения длительной прочности при темпера­ турах 1173—1223 К (см. рис. 12).

Дальнейшее повышение рабочих температур металлических спла­ вов потребует, по-видимому, создания сплавов на базе других, более тугоплавких элементов, чем применяемые в настоящее время железо, никель, кобальт с их относительно низкими температурами плавле­ ния (1808, 128 и 1763 К соответственно).

Имеется много металлов с высокими температурами плавления (титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам). Наиболее перспективными металлами для газотурбостроения яв­ ляются молибден (7 П Л = 2898 К) и хром ( Г п Л = 2233 К).

изготовляют из специального сплава, обладающего протпвоокпслптельиой стойкостью, и упрочняют волокнами из более тугоплавкого и высокопрочного материала. В настоящее время разработаны такие композитные материалы на никелевой основе, армированные про­ волокой из вольфрама. Эти сплавы имеют температуру разрушения при 100 пли 1000-часовой работе выше, чем перспективные никеле­ вые сплавы, на 40—50 К.

Новые возможности открывает применение методов порошковой металлургии. Не будучи связана с необходимостью расплавления твердых веществ, порошковая металлургия не имеет температурных пределов. Для получения изделий методом порошковой металлургии можно применять не только металлы с различными температурами плавления, но и различные неметаллические и интерметаллические соединения в виде окислов боридов, нитридов, карбидов, силици­ дов и др.

Применение таких материалов очень важно для газотурбострое­ ния, так как именно среди этих материалов имеются наиболее огне­ упорные вещества в виде окислов (АЦ03 ; MgO; BeO, ZnO) тугоплав­ ких карбидов и нитридов, температуры плавления которых намного превышают 1773 К, а плотность редко выходит за пределы 3—5 про­ тив 8 и более для существующих жаропрочных сплавов. Однако ши­ рокому внедрению кермалей и керметов препятствуют основные их недостатки, связанные с повышенной чувствительностью к вибра­ циям, ударным нагрузкам и местным концентрациям напряжений. Недостатки этих материалов — сложность их механической обра­ ботки, а также затруднения, возникающие при разработке креплений керамических лопаток к дискам.

Несмотря на это, в некоторых лабораториях проводились иссле­ дования лопаточного аппарата из керамики. Турбина с лопатками из силлиманита (Al2 03 Si) прошла 38-часовые испытания при тем­

проработала до разрушения 50 ч при температуре 1163 К и частоте вращения 14 000 обIмин (окружная скорость ип = 223 м/с). Разру­ шение лопаток произошло из-за очень резкого теплового удара, вы­ званного прекращением подачи воздуха. На работающей турбине производилось также испытание лопаток, изготовленных из карби­ дов титана (80%) и кобальта (20%). Разрушение турбины прои­ зошло через 12 ч работы при окружной скорости на конце лопатки ип — 215 м/с и при температуре газа на входе в турбину 1473 К-

Проведенные испытания еще раз подтвердили, что если керами­ ческие и металлокерамические материалы и найдут применение, то только для соплового аппарата, который выдерживает изгибающие усилия от действия газовых сил и незначительные вибрационные нагрузки. По исследованиям фирмы Дженерал Электрик, внедрение порошковой металлургии, направленной кристаллизации и компо­ зитных материалов возможно к 1990 г. (рис. 13).

Все сказанное дает основание сделать вывод, что существующие материалы в настоящее время позволяют поднять температуру газа перед турбиной до 1223 К при малых ресурсах и до 1073 К — при больших ресурсах. Дальнейшее повышение температуры возможно только за счет интенсивного охлаждения высокотемпературных де­ талей газовых турбин.

Создание сплавов, способных работать при более высокой тем­ пературе, не исключает применения систем охлаждения, а будет способствовать еще большему расширению диапазона освоения вы­ соких температур. Поэтому работы по созданию более жаропрочных

19W " то то " то" то то

т, годы

Рис. 13. Предполагаемый рост рабочих температур для неко­ торых материалов лопаток турбин.

§ 5, Классификация систем охлаждения

итребования к ним

Всвязи с тем, что современные материалы не

могут обеспечивать резкого увеличения начальной температуры газа для высокотемпературной ГТУ, необходимо разрабатывать и внед­ рять различные способы охлаждения наиболее напряженных узлов газовой турбины.

Для выбранного материала и заданного ресурса можно опре­ делить допустимую температуру детали. Превышение действительной температуры над допустимой должно быть снято соответствующим

димого тепла можно достигнуть уменьшением поверхности охлажде­ ния и увеличением допустимой температуры детали. Следовательно, для высокотемпературных охлаждаемых турбин редкие рабочие ре­ шетки значительно выгоднее, чем густые. Из формулы также выте­ кает, что переохлаждение деталей нецелесообразно. Их выгодно охлаждать только до температур, допустимых по условиям длитель­ ной прочности.

Поскольку системы охлаждения газовых турбин дополнительно усложняют их конструкцию, то при создании надо обращать особое внимание на обеспечение надежности работы газовой турбины. Основ­ ные требования, предъявляемые к системам охлаждения, сводятся

кследующему:

—экономическая целесообразность применения систем охла­ ждения, т. е. тот выигрыш, который мы получаем за счет увеличения температуры газа, должен быть больше того проигрыша (всех по­ терь), который мы имеем за счет охлаждения детален турбины;

— обеспечение надежного п эффективного охлаждения деталей на всех режимах работы ВГТУ, исключение засоления и загрязне­ ния каналов охлаждения;

— обеспечение равномерного температурного поля в сечении охлаждаемой детали, исключающее местный перегрев;

—простота конструкции и удобство обслуживания;

—возможность контроля работы системы во время эксплуатации. Многочисленные попытки создать максимально эффективную си­

стему охлаждения для высокотемпературной газовой турбины вы­ звали многообразие систем охлаждения, различающихся между со­ бой конструктивным исполнением, способом подвода охлаждающего агента, родом охлаждающей среды. В настоящее время не существует строгой классификации систем охлаждения, в то время как необхо­ димость в этом уже назрела.

В основу предлагаемой классификации положены конструктивные особенности систем охлаждения и способы подвода охлаждающего агента. В соответствии с этим все существующие системы охлаждения

Открытые системы охлаждения обеспечивают охлаждение нагре­ тых деталей газовой турбины с последующим смешением охлаждаю­ щего агента в потоке газа; охлаждающий агент используется одно­ кратно. Открытые системы охлаждения могут быть внутренние и на­ ружные. Наружные открытые системы охлаждения характеризуются тем, что охлаждающий агент подается непосредственно снаружи на охлаждаемые детали газовой турбины. Во внутренних открытых системах охлаждения охлаждающий агент охлаждает детали турбин сначала внутри, а затем выбрасывается в проточную часть. К на-