Неметаллические композиционные материалы в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей

Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов,
С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев

Неметаллические
композиционные материалы
в элементах конструкций
и производстве авиационных
газотурбинных двигателей

Допущено УМО высших учебных заведений РФ
по образованию в области материаловедения,
технологии материалов и покрытий
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлениям подготовки специалистов
«Материаловедение, технологии материалов
и покрытий», бакалавров и магистров
«Материаловедение и технология новых
материалов»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007

УДК 621.45(075.8)
ББК 39.55
Н501
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Технология переработки неметаллических материалов»
«МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского
(зав. кафедрой проф. С.В. Бухаров);
д-р техн. наук, проф. И.С. Епифановский

Неметаллические композиционные материалы в элементах
конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей: Учеб. пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов,
С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 368 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-3054-3

Изложены результаты внедрения в авиационные газотурбинные двигатели антифрикционных графитов и создания первого отечественного специализированного производства таких материалов. Описаны основные отечественные и зарубежные достижения в области применения деталей из
неметаллических композиционных материалов в авиадвигателестроении.
Даны принципиальные технологические схемы производства армирующих
наполнителей для получения полимерных, углеродных, углерод-керамических и неорганических материалов. Приведены результаты испытаний деталей из неметаллических композиционных материалов в составе модельных газотурбинных двигателей.
Обобщен опыт применения теплозащитных углеродных материалов в
электровакуумных печах для специальной обработки жаростойких  металлических деталей. Приведены первые результаты применения неорганических материалов, полученных по технологии самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза, в производстве высококачественных рабочих лопаток авиационных двигателей. Систематизированы результаты применения полимерных композиционных материалов во вспомогательном производстве, предназначенном для изготовления деталей двигателей и ремонта
технологического оборудования.
Для студентов и аспирантов вузов. Может быть полезно инженерамдвигателестроителям и технологам общей химической технологии углеродных, керамических и неорганических композиционных материалов.

Н501

УДК 621.45(075.8)
ББК 39.55

© Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов,
    С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев,  2007
© Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3054-3
    им. Н.Э. Баумана, 2007

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Гл а в а  1. Состояние и перспективы использования неметаллических
композиционных материалов в конструкциях основных узлов
современных ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.  Сравнительная характеристика современных ГТД. Рабочие параметры и требования к материалам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Конструкции из композиционных материалов для входных устройств
ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Конструкции из композиционных материалов для осевых компрессоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4. Конструкции из композиционных материалов для камер сгорания  . . . 39
1.5. Конструкции из композиционных материалов для узлов турбин высокого и низкого давления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.6. Конструкции из композиционных материалов для узлов форсажных
камер и сопловых аппаратов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Гл а в а  2. Опыт конструкторско-технологической проработки, моделирования и испытания деталей и узлов малоразмерных ГТД из
неметаллических композиционных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1. Применение малоразмерных ГТД при проектировании и модернизации полноразмерных ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2. Колеса осевого компрессора из композиционных материалов  . . . . . . . 66
2.3. Колеса к центробежным компрессорам и турбинам из композиционных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.4. Композиционные элементы конструкций высокотемпературных жаровых труб камер сгорания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5. Лопатки соплового аппарата турбины из композиционных материалов
81
2.6. Рабочие колеса турбин из композиционного материала  . . . . . . . . . . . . . 85
2.7. Интегральные конструкции газогенератора из композиционных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.8. Жаровая труба кольцевой камеры сгорания из композиционного материала  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.9. Продувочные испытания образцов жаростойких композиционных
материалов в потоке сгорания авиационного топлива  . . . . . . . . . . . . . . 108
Гл а в а  3. Применение антифрикционных графитовых материалов
в ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.1. Уплотнения масляных полостей системы смазки ГТД из антифрикционных графитовых материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.2. Практическое значение исследований трения и смазки графитовых
уплотнений для технологии антифрикционных графитов  . . . . . . . . . . . 129
3.3. Строение графитовых материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4. Современные представления о трении графитовых материалов  . . . . . . 137
3.5. Стойкость графита к окислению  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.6. Выбор сырьевых материалов при разработке технологии получения
графитовых антифрикционных материалов, используемых в производстве ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.7. Разработка на ФГУП «ММПП «Салют» технологического процесса
промышленного производства материалов АТГ-С, ПУМА-С, МПГ-6
и МПГ-7/1  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Гл а в а  4. Углеродные композиционные материалы в конструкциях ГТД
и технологии их производства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.1. Технология производства углеродных волокон для конструкционных
углепластиков и углерод-керамических композиционных материалов  . . . 183
4.2. Конструкционные углерод-керамические композиционные материалы
197
4.3. Углерод-углеродные композиционные материалы в технологическом
оборудовании производства деталей ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Гл а в а  5. Неорганические неметаллические материалы в конструкциях
ГТД и технологии их производства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.1. Стеклянные и жаростойкие высокопрочные неорганические волокна
247
5.2. Конструкционные неметаллические керамические композиционные
материалы на основе порошкообразных наполнителей  . . . . . . . . . . . . . 267
5.3. Конструкционные неметаллические керамические композиционные
материалы на основе неорганических волокон  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.4. Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза  в производстве и упрочнении поверхностей деталей ГТД  . . . . . . 286
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Гл а в а  6. Полимерные материалы  в конструкциях ГТД и технологии
их производства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
6.1. Органические высокомодульные высокопрочные волокна  . . . . . . . . . . 307
6.2. Армированные угле- и органопластики в конструкциях ГТД  . . . . . . . . 313
6.3. Применение фуллероидных структур, нанотрубок и астраленов для
модификации полимерных связующих конструкционных пластмасс  . . . 332
6.4. Полимерные композиционные материалы при подготовке производства ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

Предисловие

Отечественное авиадвигателестроение в настоящее время осуществляет
разработку авиационных газотурбинных двигателей 5-го поколения. Это особенно актуально в условиях постоянной конкуренции на мировом рынке авиационной техники.
Неметаллические композиционные материалы и технологии изготовления
из них деталей авиационной техники, в том числе при создании газотурбинных двигателей 5-го поколения, разрабатываются в Российской Федерации и
зарубежных развитых странах в течение продолжительного времени. В вузах
нашей страны, в частности в «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского, проводится подготовка студентов по специальностям «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» и «Материаловедение и технология новых материалов».
Целью данного учебного пособия является попытка обобщения отечественного и зарубежного опыта разработки и применения в авиационных газотурбинных двигателях 5-го поколения неметаллических конструкционных композиционных материалов. Рассмотрены вопросы проектирования наиболее теплонапряженных узлов газотурбинных двигателей из таких конструкционных материалов
и использования для этого новых численных методов автоматизированного конструирования. Приведены результаты испытаний демонстраторов с узлами из новых отечественных неметаллических композиционных материалов.
Изданные в России книги по данной тематике, как правило, не содержат
обобщения и сопоставления зарубежных и отечественных достижений в области применения конструкций из композиционных материалов для авиационных двигателей, поэтому предлагаемое учебное пособие призвано занять
отдельную нишу. В нем рассмотрены результаты работ в области материаловедения композиционных материалов применительно к отечественному авиадвигателестроению. Значительная часть пособия посвящена опыту ведущего
отечественного авиадвигателестроительного предприятия ФГУП «ММПП «Салют» в решении различных проблем в этой области. Впервые рассмотрены
проблемы не только создания элементов конструкций газотурбинных двигателей, но и технологического оборудования производства, представлены результаты практического опробования ряда отечественных композиционных материалов в модельных газотурбинных двигателях, а также приведены справочные и экспериментальные данные по отечественным неметаллическим
композиционным материалам.
Авторы выражают искреннюю признательность доктору технических наук,
профессору Т.Д. Каримбаеву, работающему на ФГУП «ЦИАМ», который за многие годы сотрудничества с ФГУП «ММПП «Салют» и ФГУП «НИИГрафит» внес
большой вклад в решение проблем внедрения неметаллических композиционных
материалов в авиадвигателестроении, с его участием написаны гл. 1 и 2.
Авторы благодарны ведущим специалистам ФГУП «ММПП «Салют»
А.Е. Санкину, А.Н. Токаеву, А.С. Малюгину за предоставление материалов
к гл. 6.

Введение

Основными направлениями совершенствования рабочих характеристик авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) 5-го
и 6-го поколения являются: повышение тяги двигателя; уменьшение числа ступеней компрессора благодаря повышению его эффективности; снижение массы двигателя; уменьшение вредных экологических последствий эксплуатации авиационных ГТД повышенной мощности. Достижение поставленных целей обеспечивается
осуществлением трехмерного управления потоком рабочего газа по
лопаточным трактам газогенератора, а также увеличением значений следующих параметров:
– температуры рабочего газа перед турбиной до 1850…1950 K
и выше, к 6-му поколению ГТД – до 2100 K;
– отношения тяги к массе двигателя до 9–10 и далее, к 6-му
поколению ГТД – до 15;
– степени сжатия воздуха в компрессоре до 50;
– надежности эксплуатации двигателя и увеличения его срока
службы до ресурса планера.
Для выполнения этих задач требуется включить в число основных конструкторско-технологических решений коренной пересмотр материаловедческой базы летательного аппарата в целом
и авиационных двигателей, в частности. Это требование обусловлено тем, что дальнейшие «количественные» преобразования конструкции двигателя имеют принципиальные ограничения, поскольку
работа газогенератора ввиду необходимости повышения рабочей
температуры все больше расходуется на поддержание собственной
работоспособности (охлаждение его рабочих систем) и все в меньшей степени затрачивается на улучшение тяговых характеристик
двигателя.
Поэтому переход к новому поколению авиационной техники должен включать «качественные» изменения в конструкции двигателя,
а также в выборе основных конструкционных материалов. Необходимо не менее чем вдвое повысить реальные рабочие температуры
эксплуатации основных горячих узлов ГТД (без учета затрат на их
охлаждение). В настоящее время это возможно только с применением высокопрочных высокомодульных жаростойких неокисляющихся неорганических композиционных материалов (КМ).

В соответствии с IHPTET* – одной из наиболее известных программ, проводимых по инициативе МО США, за рубежом создаются «революционные» технологии, обеспечивающие двукратное по
сравнению с 1987 г. улучшение характеристик ГТД различного назначения при низкой стоимости их производства и технического
обслуживания. Работы по этой программе к 2005 г. осуществлялись по двум направлениям:
– «узловые» технологии (вентиляторы, компрессоры, камеры
сгорания, выходные устройства, механические системы, системы
управления, демонстраторы);
– перспективные материалы и методы проектирования двигателей (конструкционные материалы, численные методы, автоматизированное конструирование).
В современных зарубежных ГТД 5-го поколения М88 и F119
ряд деталей выполнен из неметаллических КМ. Однако принципиального перехода к неметаллическим конструкционным КМ еще
не произошло и в зарубежном авиадвигателестроении.
Основной причиной отставания материаловедческой базы от потребностей современной авиационной техники является задержка в
разработке КМ, пригодных для конструирования и производства основного ассортимента деталей, определяющих работоспособность
авиационных ГТД. Это в первую очередь относится к созданию тонкостенных со сложным профилем рабочих лопаток компрессоров и
турбин, сопловых аппаратов, крупногабаритных тонкостенных корпусов камеры сгорания, жаровой трубы и форсажной камеры.
К неметаллическим конструкционным КМ относят спектр конструкционных материалов на основе углерода, полимерных связующих и наполнителей, керамик из карбидов, нитридов, оксидов, которые все вместе могут охватить температурный диапазон применения
от температур ниже 0 °С до температуры сублимации графита
3300 °С. Этот диапазон температур эксплуатации существенно шире,
чем у металлов и сплавов – основных конструкционных материалов
авиационной техники 3-го и 4-го поколений. Потенциальные возможности неметаллических КМ по прочности, долговечности и работоспособности в окислительных средах, усталостной прочности подтверждены исследованием их свойств в течение последних 50 лет.

* Integrated High Performance Turbine Engine Technology – Интегрированные
технологии ГТД с высокими характеристиками.

Использование КМ в современной авиационной технике началось с создания из них конструкций интерьера, фюзеляжа, тормозных систем, и в настоящее время КМ находят более широкое
применение в этих конструкциях летательных аппаратов, чем в
их двигателях. Это связано со сложностью конструкций ГТД, их
термической напряженностью, требованиями механической прочности и долговечности в условиях интенсивных динамических нагрузок элементной базы авиационных двигателей. В то же время
потенциальный выигрыш от применения в составе ГТД материалов с вдвое меньшей удельной массой не может быть переоценен,
поскольку кинетическая энергия вращающихся масс двигателя превышает кинетическую энергию всего летательного аппарата. В современном авиадвигателестроении уже безоговорочно утвердилось
применение графитовых уплотнительных колец в масляных полостях опор роторов, торцевых уплотнений центробежных насосов перекачки топлива и смазочных масел.
Как одно из базовых отечественных авиадвигателестроительных предприятий ФГУП «ММПП «Салют» постоянно отслеживает
современные тенденции разработки и применения новейших конструкционных материалов в составе ГТД 5-го поколения. В учебном пособии представлены основные результаты, достигнутые
ФГУП «ММПП «Салют» при разработке и применении неметаллических КМ в конструкциях жаростойких узлов современных ГТД.
Объективная потребность в таких материалах при нынешнем состоянии отечественной промышленности обусловила создание на
ФГУП «ММПП «Салют» собственного производства конструкционного графита. По технологическому уровню это производство превосходит аналогичные производства (существовавшие и существующие) в отечественной электродной промышленности. Характеристики качества производимых графитовых материалов АТГ-С и
ПУМА-С полностью соответствуют требованиям надежности и долговечности, предъявляемым к материалам авиационных ГТД
4-го поколения при эксплуатации.
Кроме того, на ФГУП «ММПП «Салют» принципиально решена проблема бесперебойного обеспечения поставок деталей из КМ
как для вновь производимых двигателей, так и для ремонтируемых
двигателей и агрегатов. Проведение текущего или планово-предупредительного ремонта авиационных двигателей, которое сопровождается заменой ранее применявшихся разнотипных графитов на со

временные высококачественные материалы, приводит к тому, что
старые марки графитов выходят из употребления, происходит унификация масляных узлов и в конечном счете – снижение общих
экономических затрат, освобождение отечественной авиадвигателестроительной промышленности от зависимости от иностранных
производителей. Все это способствует повышению надежности эксплуатации отечественной авиационной техники в Российской Федерации и в зарубежных странах-партнерах, эксплуатирующих самолеты  с двигателями российского производства.
Углеродные материалы постоянно применяются в технологическом производстве ФГУП «ММПП «Салют». Современные технологии получения более жаростойких конструкционных материалов могут быть реализованы только при повышении температур
обработки в электровакуумном оборудовании. Для обеспечения
собственного производства на ФГУП «ММПП «Салют» создано
производство углеродных конструкций, оснастки, токовводов и
проводится оперативное замещение частей конструкций печей для
обеспечения их постоянной работоспособности. Эти работы выполняются на высоком научно-техническом уровне, и их результатом является не только воспроизведение стандартной графитовой  или углерод-углеродной оснастки, но и разработка и изготовление новых типов конструкционных материалов (на некоторые
из них уже получены патенты РФ, подтверждающие их принципиальную новизну).
На базе производства графитовой и керамической оснастки для
технологического оборудования ФГУП «ММПП «Салют» проводит
работы по созданию углеродных и углерод-керамических КМ для
использования их в составе ГТД, и в этом отношении предприятие
не уступает многим авиакосмическим предприятиям Европы и Америки. В настоящее время прослеживается тенденция роста самофинансирования известными фирмами высокотехнологичных частей
собственного производства. Так, даже при наличии в последнее время финансовых трудностей для авиационной промышленности расходы на исследования и научно-технические разработки составляют не менее 14 % объема собственных продаж. Причем военный
сектор на 38 % финансирует исследования и разработки, проводимые на предприятиях авиационной промышленности, а в гражданском секторе доля собственного финансирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ достигает 65 %.

Еще одной областью применения углеродных материалов на
ФГУП «ММПП «Салют» является интенсивно развивающееся  производство углепластиковой оснастки, ремонтных компаундов для
восстановления работоспособности станочного оборудования и выполнения технологических работ в агрессивных средах, в которых
не могут работать металлические приспособления и оснастка. Цех
полимерных КМ обычно использует в своей работе промышленные материалы, но в последние годы разрабатывает собственные,
высококачественные КМ, применение которых в текущем и планово-предупредительном ремонте станочного парка, включающего
десятки тысяч позиций оборудования, приносит значительный экономический эффект. На ФГУП «ММПП «Салют» постоянно развиваются производственные мощности цеха полимерных КМ, и становится реальным изготовление в нем из КМ тех узлов и элементов ГТД, в которых металлические конструкционные материалы
менее эффективны по массовым характеристикам и по работоспособности.

Г л а в а  1

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В КОНСТРУКЦИЯХ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ
СОВРЕМЕННЫХ ГТД