ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОМПОЗИТНОЙ СОПЛОВОЙ ЛОПАТКИ МЕТОДОМ 3D ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

© Б.Е.Байгалиев, А.Г.Тумаков, Е.А.Тумаков, А.И.Ибрагимов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2015 г.

В настоящее время в ракетно-космической отрасли для изготов-ления лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) применяют методы 3D прототипирования. Изготовления изделий методами 3D протопирования осуществляется одним экструдером, при этом рабочим материалом является один металлический порошок. Лопатки могут изготавливаться из нержавеющей стали, титана, вольфрама. Структура лопаток представляет собой проницаемый спечённый порошок.

При изготовлении композитных лопаток, состоящих из метал-лического каркаса и теплозащитного покрытия возникают технологи-ческие проблемы. Суть проблем заключается в том, что мы должны использовать два материала с различными теплофизическими свой-ствами. В нашем случае температура спекания армирующих элементов из порошков высоколегированных сталей отличается от температуры спекания оксида циркония, используемого в качестве теплозащиты.

Для решения этих проблем изготовили модели элементов сопловой композитной лопатки. Одним из элементов является армату-ра каркаса, состоящая из металла, другим элементом является тепло-защитное покрытие, предохраняющее арматуру от высокотемпературных потоков продуктов сгорания. На данном этапе модели изготавливались из полимерных материалов. Изготовление этих моделей позволило осуществить отладку математического обеспечения процесса изготовления реальных лопаток и их работы в ГТД.

Математическое обеспечение анализа работы включало в себя определение температурного состояния металлической арматуры и поверхности композитных сопловых лопаток из оксида циркония, дав-ления во всех элементах данной лопатки и распределение векторов скоростей продуктов сгорания и охлаждающего воздуха. В результате расчётов выявлено, что предложенная конструкция охлаждаемой ло-патки позволяет реализовать рабочую полную температуру наружной поверхности лопатки не менее 1800К при полной температуре набега-ющего потока 2300К и максимальной температуре армирующих эле-ментов не более 650К. Ввиду того, что армирующие элементы имеют коэффициент теплопроводности значительно больше, чем оксид цир-кония, температурное состояние лопатки остается равномерным и постоянным. Кроме того, вследствие повышения стойкости к разруше-нию при циклических температурных нагружениях за счёт обеспече-ния равномерного поля температур в теле лопатки (перепад темпера-тур имеет место в толщине порядка 1,5 мм) повышается ресурс лопат-ки.

Для возможности работы при высоких температурах продуктов сгорания используются различные методы охлаждения сопловых ло-паток. Широко используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувом относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через проницаемый (пори-стый) материал. Сущность «пористого охлаждения» заключается в том, струи охладителя на выходе из пор сливаются и образуют погра-ничный слой, существенно уменьшая тем самым конвективный тепло-обмен между газом и поверхностью профиля.

При изготовлении реальных лопаток большое значение имеет изготовление моделей лопаток. Композитная лопатка состоит из ме-таллического каркаса и теплозащиты. Изготовление изделий методами 3D протопирования осуществляется одним экструдером. Композитная лопатка состоит из двух материалов. Поэтому возникает необходимость обеспечить экструдирование и спекание сразу двух компонентов: металлического и керамического порошков.