Конструкционные материалы для компрессоров

Выбор материалов для деталей компрессора определяется их тепловым состоянием. Ниже приводятся краткие сведения о матери­алах, применяемых для отдельных деталей компрессора.

Осевые компрессоры

Входные устройства

Выбор материала для входного устройства определяется темпера­турой нагрева:

• при температуре меньшей до 250°С — применяется листовой дуралюмин,
• при температуре меньшей до 500° С — листовой титановый сплав,
• при температырах свыше 500°С — нержавеющая сталь (Х18Н9Т).

Колеса ступеней компрессора

При температуре нагрева колес:

• до 200оС применяются магниевые сплавы,
• до 250° С можно применять алюминиевые сплавы,
• до 450 — 550° С — титановые сплавы,
• до 450° С — стали,
• выше 450° — жаропроч­ные стали.

Во всех случаях колеса штампуются и обрабатываются механичес­ки. Для колес применяют теплостойкие алюминиевые сплавы АК2, АК4-1, ВД17. Титановые сплавы ВТЗ-1 (до 450 — 500°С), ВТ10 (до 500 — 550°С). Стали ОХНЗМ, З0ХГСА, 18ХНВА, 40ХНМЛ, 13Х14ВФРА (пос­ледняя марка — для последних ступеней компрессора при температуре нагрева до 500°С).

Механические качества указанных материалов при­ведены в таблице:

Как известно, работоспособность материала при повышенной тем­пературе оценивается пределами ползучести и длительной прочности. Обозначение предела ползучести сопровождается двумя индексами, на­пример σ0,1/100. Первый индекс означает остаточную деформацию в про­центах (в данном случае 0,1%), второй — время в часах, за которое по­лучается такая деформация.

Иногда за предел ползучести принимают напряжение, при котором скорость деформации за определенный проме­жуток времени не превосходит некоторой допускаемой величины.

Рабочие лопатки

Если по температурным условиям (t<250° С) возможно применение алюминиевого сплава, то применяют сплавы АК4-1 или ВД17. Однако и в этом случае па первых ступенях компрессора следует применять стальные лопатки, так как во время работы двигателя на земле даже при наличии защитных сеток в двигатель засасывается пыль, песок, ку­сочки снега и льда, которыми повреждается поверхность лопаток из алюминиевого сплава, отчего их усталостная прочность сильно снижает­ся.

На диаграмме выше показаны результаты испытаний на усталость компрессорных лопаток, выполненных из алюминиевого (линии на диаграмме 1- стандартная целая лопатка, 2 — такая же, надсеченная), титаново­го сплава (линии на диаграмме 3- стандартная целая лопатка, 4 — такая же, надсеченная) и из стали (линии на диаграмме 5- стандартная целая лопатка, 6 — такая же, надсеченная). Испытаниям подвергались стандартные лопатки, на которых была сделана насечка под углом 60° глубиной примерно 1,3 мм.

Материалы для лопаток по разности температур работы:

• при температуре: 250° С могут применяться стекло­пластики,
• при температуре до 450 — 550°С — титановые сплавы: ВТ8-1, ВТ8, ВТ10 и хромистые стали: 13Х12НВМФА (ЭИ961), 13Х14НВВФРА (ЭИ736), Х17Н2 (ЭИ268) и 513Л (ЭИ736Л).

Механические качества сталей

Во всех случаях для увеличения усталостной прочности заготовка лопатки должна быть штампованной, а окончательная форма лопатки получается путем механической или электромеханической обработки. Для уменьшения припуска в некоторых случаях применяют точную штамповку — чеканку, после которой замковая часть обрабатывается механически (или электрохимически), а для пера лопатки требуется только полировка.

Спрямляющие лопатки

Изготовляются лопатки из указанных выше марок алюминиевых и титановых сплавов и стали. Благодаря тому что спрямляющие лопатки нагружены меньше, чем рабочие, кроме указанных материалов, можно применять листовой дуралюмин марки Д1, сталь 20, ЗОХГСА и Х17Н2.

Корпус компрессора

В зависимости от температурных условий корпус может быть ли­тым из алюминиевого сплава или сварным из листового титанового сплава и стали. При литых корпусах могут применяться алюминиевые сплавы АЛ4 и АЛ5, упрочняемые термообработкой.

Для деталей осевых компрессоров, например для корпуса переднего подшипника, могут применяться магниевые сплавы, однако, как указы­валось выше, если температура его не превышает 200° С. При более вы­сокой температуре механические качества магниевых сплавов резке ухудшаются

Вал компрессора и цапфа

Эти детали изготовляются из сплавов марок 18ХНВА, ЗОХГСА. 40ХНМА, 12Х2Н4А. Детали воздушных уплотнений изготовляются из мягкой углеродистой стали, типа стали 10, а при допустимой рабочей температуре — из алюминиевых сплавов.

Центробежные компрессоры

Колесо и вращающийся направляющий аппарат изготовляются из штамповок алюминиевых сплавов АК2, АК4 и ВД17 и подвергаются ме­ханической обработке, а неподвижный направляющий аппарат изготов­ляется из листового дуралюмина Д1. Отдельные части корпуса и диф­фузора отливаются из силуминов АЛ4 и АЛ5.

Когда температуры направляюще­го аппарата и колеса могут быть больше 250° С, колесо должно быть изготов­лено из титановых сплавов ВТЗ, ВТ10, а неподвижный направляющий аппарат — из листового титанового сплава ВТЗ-1.

Материалами для вала служат стали 18ХНВА, 12Х2Н4А, 40ХНМА.

Стеклопластики

Для деталей компрессора (передний корпус, спрямляющие лопат­ки) некоторых турбин, например двигателей са­молетов вертикального взлета, могут применяться стеклопластики. Их особенности:

1. Небольшая плотность (1,6 — 1,7)*10-3 кг/см3;
2. до­статочно большая допускаемая длительная температура — до 260° С (а у некоторых сортов стеклопластиков — до 350° С);
3. достаточно вы­сокие механические качества при растяжении (σВ = 4600 — 4800 даН/см2, а у некоторых сортов — выше 6000 даН/см2);
4. сравнительно неболь­шая усталостная прочность при 108 числе циклов σ-1 = 980 даН/см2 (не­ржавеющая сталь имеет 4560 даН/см2, кованый алюминиевый сплав 1350 даН/см2, титановый сплав 4220 даН/см2);
5. весьма большой дек­ремент колебаний.

Стеклопластики состоят из связующего (синтетической смолы) и стекловолокнистого наполнителя (стеклянных нитей, жгутов, лент, тка­ней). Наполнитель является армирующим элементом и воспринимает основные нагрузки при работе стеклопластика. Связующее обеспечива­ет связь отдельных волокон наполнителя в общую систему и способ­ствует равномерному распределению нагрузки.

В Англии фирма Роллс-Ройс применяет для лопаток вентилятора ТРДД и для рабочих и направляющих лопаток компрессора низкого давления пластические материалы, усиленные стекловолокном. Один из таких материалов — хайфил (композиционный материал, армирован­ный углеродным волокном) имеет плотность 1,8 г/см3, предел проч­ности 11 800 даН/см2 и модуль упругости 1,76 *106 даН/см2.

Известно, что лопатки из хайфила при попа­дании птиц в проточный тракт двигателя ломаются; при эксплуатации самолетов в южных широтах, в условиях высокой влажности и темпе­ратуры воздуха, не выдерживают заданного ресурса и разрушаются, и фирме пришлось заменить их титановыми.