Определение рациональных параметров замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных авиационных газотурбинных двигателях. Часть I. Модели механического и теплового контактов керамических и металлических частей рабочего колеса турбины

Для повышения коэффициента полезного действия авиационных газотурбинных двигателей необходимо увеличивать температуру газа перед турбиной. Однако металлические сплавы, применяемые в современных конструкциях, не позволяют достичь этого без снижения долговечности изделия. Одним из способов решения такой задачи является разработка конструкций турбин с элементами керамики. Рассмотрены вопросы обеспечения термопрочности замковых соединений рабочих колес турбин с лопатками из монолитного керамического материала. Приведены модели механического и теплового контактов керамических и металлических деталей. Исследовано влияние масштабного фактора и коэффициента концентрации напряжений на прочность керамических деталей при растяжении.

Литература

[1] Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь, Авиадвигатель, 2006. 1204 с.

[2] Nozhnitsky Y.A., Fedina Y.A., Rekin A.D., Petrov N.I. Development and investigation of ceramic parts for gas turbine engines. American Society of Mechanical Engineers, 1997, GT1997-157, 6 p.

[3] Nozhnitsky Y.A., Fedina Y.A., Rekin A.D. Experience of development of gas-turbine engines ceramic components at the central institute of aviation motors. Ceramic Gas Turbine Design and Test Expericence, 2002, vol. 1, pp. 669–682.

[4] Ferber M., Richerson D., Roode M. Ceramic Gas Turbine Component Development and Characterization. New York, ASME Press, 2003. 425 p.

[5] Ceramic Materials and Components for Engines. Ed. Heinrich J.G., Aldinger F. New York, Weinheim, Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001. 665 p.

[6] Roode M., Ferber M., Richerson D. Ceramic Gas Turbine Design and Test Experience. New York, ASME Press, 2002. 700 p.

[7] Ruggles-Wrenn M.B., Jones T.P. Tension-compression fatigue of a SiC/SiC ceramic matrix composite at elevated temperature. Proc. of GT2012 ASME Turbo Expo, 2012, GT2012-68902, doi: 10.1115/GT2012-68902

[8] Van Roode M., Bhattacharya A.K. Durability of oxide/oxide CMCs in gas turbine combustors. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2012, vol. 1, pp. 475–485, doi: 10.1115/GT2012-68974

[9] Boyle R.J., Parikh A.H., Nagpal V.K., Halbig M.C., DiCarlo J.A. Ceramic matrix composites for high pressure turbine vanes. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2014, vol. 6, doi: 10.1115/GT2014-27136

[10] Fumiaki W., Takeshi N. The application of ceramic matrix composite to low pressure turbine blade. Proc. of ASME Turbo Expo, 2016, GT2016-56614.

[11] Резник С.В., Сапронов Д.В. Проектирование рабочего колеса газовой турбины с использованием керамических лопаток. Вестник СГАУ, 2014, № 5(47), c. 199–206.

[12] Гордеев С.К., Ежов Ю.А., Каримбаев Т.Д., Корчагина С.Б., Мезенцев М.А. Дисперсно-упрочненные композиции алмаз-карбид кремния — новые материалы для машиностроения. Композиты и наноструктуры, 2015, т. 7, № 2, c. 61–71.

[13] Каримбаев Т.Д., Мезенцев М.А., Ежов А.Ю. Разработка и экспериментальные исследования неметаллических деталей и узлов горячей части перспективного газотурбинного двигателя. Вестник СГАУ, 2015, т. 14, № 3(14), ч. 1, c. 128–138.

[14] Сапронов Д.В. Исследование кратковременной прочности замковых соединений керамических лопаток и металлических дисков рабочих колес газовых турбин. Новые решения и технологии в газотурбостроении. Сб. тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов ЦИАМ, 26–28 мая 2015, Москва, ЦИАМ, 2015, c. 266–267.

[15] Сапронов Д.В. Разработка методики проектирования замковых соединений керамических лопаток с металлическим диском в перспективных газотурбинных двигателях летательных аппаратов. Дис. ... канд. техн. наук, 2017. 156 с.

[16] Reznik S.V., Sapronov D.V., Prosuntsov P.V. Computational and Experimental Investigation of Mechanical and Thermal Contacts of Ceramic Blades with the Metal Disk in Gas Turbine Engines. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2018, vol. 91, no. 6, pp. 1438–1444.

[17] Price J.R., Jimenez O., Parthasarathy V. Miriyala N. Ceramic Stationary Gas Turbine Development Program — Sixth Annual Summary. Proceedings of ASME Turbo Expo, 1999, 99-GT-351.

[18] Richerson D. Historical review of addressing the challenges of use of ceramic components in gas turbine engines. Proc. of ASME Turbo Expo, 2006, GT2006-90330, doi: 10.1115/GT2006-90330

[19] Келина И.Ю., Ершова Н.И., Дробинская В.А. Горячепрессованные материалы на основе нитрида кремния. Наука-производству, 1999, № 9, c. 17–22.

[20] Schenk B., Brehm P.G., Menon M.N., Peralta A.D., Tucker W.T. Status of the CERAMIC/ERICA probabilistic life prediction codes development for structural ceramic applications. Proc. of ASME Turbo Expo, 1999, GT1999-318, doi: 10.1115/99-GT-318