Проектирование композитной сопловой лопатки методом 3D прототипирования

В настоящее время в ракето-космической отрасли для изготовления лопаток ГТД применяют методы 3D прототипирования. Изготовление изделий методами 3D протопирования осуществляется одним экструдером, при этом рабочим материалом является металлический порошок одного вида. Лопатки могут изготавливаться из нержавеющей стали, титана, вольфрама. Структура лопаток представляет собой проницаемый спеченный порошок.

При изготовлении композитных лопаток, состоящих из металлического каркаса и теплозащитного покрытия возникают технологические проблемы. Суть этих проблем заключается в том, что мы должны использовать два материала с различными теплофизическими свойствами. В нашем случае температура спекания армирующих элементов из порошков высоколегирован-

ных сталей отличается от температуры спекания оксида циркония, используемого в качестве теплозащиты.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Были изготовлены модели элементов сопловой композитной лопатки. Одним из элементов является арматура каркаса, состоящая из металла, другим элементом является теплозащитное покрытие, предохраняющее эту арматуру от высокотемпературных потоков продуктов сгорания. На данном этапе модели изготавливались из полимерных материалов, что позволило осуществить отладку математического обеспечения процесса изготовления реальных лопаток и их работы в ГТД.

Математическое обеспечение работы включало в себя определение температурного состояния металлической арматуры и поверхности композитных сопловых лопаток из оксида циркония, определения давления во всех элементах данной лопатки и распределение векторов скоростей продуктов сгорания и охлаждающего воздуха [1].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате расчетов было выявлено, что предложенная конструкция охлаждаемой лопатки позволяет реализовать рабочую полную температуру наружной поверхности лопатки не менее 1800К при полной температуре набегающего потока 2300К и максимальной температуре армирующих элементов не более 650К. Ввиду того, что армирующие элементы коэффициент теплопроводности значительно больше, чем оксид циркония, температурное состояние лопатки остается равномерным и постоянным. Кроме того, вследствие повышения стойкости к разрушению при циклических температурных нагружениях за счет обеспечения равномерного поля температур в теле лопатки (перепад температур имеет место в толщине порядка 1,5 мм) повышается ресурс лопатки.

Для возможности работы при высоких температурах продуктов сгорания используются различные методы охлаждения сопловых лопаток. Для предотвращения повышения температуры в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин широко используется заградительное воздушное охлаждение, которое осуществляется вдувом относительно холодного воздуха на наружную поверхность профиля лопатки через проницаемый (пористый) материал [2]. Сущность «пористого охлаждения» заключается в том, струи охладителя на выходе из пор сливаются и образуют пограничный слой, существенно уменьшая тем самым конвективный теплообмен между газом и поверхностью профиля (рис. 2).

При изготовлении реальных лопаток большое значение имеет изготовление моделей лопаток. Композитная лопатка состоит из двух компонентов (рис. 3). Поэтому возникает необходимость обеспечить экструдирование и спекание сразу двух компонентов: металлического и керамического порошков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен метод 3D прототипирования для создания сопловой композитной лопатки. Предложенная конструкция охлаждаемой лопатки по-

Рис. 1. Общий вид расчетной модели:

1 – вход набегающего потока; 2 – вход охлаждающего воздуха

Рис. 2. Полная температура в средней плоскости набегающего потока и охлаждающего воздуха

Рис. 3. Композитная лопатка состоит из двух компонентов: металлического и керамического порошков

зволяет реализовать рабочую полную температуру наружной поверхности лопатки не менее 1800К при полной температуре набегающего потока 2300К. Ввиду того, что коэффициент теплопроводности армирующих элементов значительно больше, чем у оксида циркония, температурное состояние лопатки остается равномерным и постоянным. Повышается стойкость к разрушению при циклических температурных нагружениях.