Турбины с повышенным КПД
|
Эволюция газовых турбин тесно связана с развитием никелевых сплавовДжон Милн (John Milne)Журнал «Никель», март 2007 г. -- На сегодняшний день стандартный реактивный двигатель состоит почти из 1,8 тонн никелевых сплавов, в состав которых входит длинный перечень уникальных сплавов специального назначения на никелевой основе. Межремонтный ресурс двигателя современного коммерческого реактивного воздушного судна – около 20 тыс. операционных часов, в сравнении всего лишь с 5 часами работы опытных образцов двигателей конца сороковых годов двадцатого века. Шестьдесят лет назад Германия и Англия начали проведение экспериментов с газовыми турбинами, использовавшимися в качестве источника питания летательных аппаратов. Всасывающий вентилятор турбины сжимал воздух и подавал его в камеру сгорания, в которой сжигание жидкого топлива вызывало расширение раскаленного газа. Это расширение приводило в действие турбину и всасывающий вентилятор. Современные газовые турбины работают практически по тому же принципу. Межремонтный ресурс первых газовых турбин ограничивался пятью часами, поскольку имевшиеся в то время стальные сплавы не выдерживали высоких температур (950º - 1100º С) отсека камеры сгорания реактивного двигателя. Двигатель работал, но его практическое применение ограничивалось коррозией материалов, из которых в те дни производились детали горячего тракта. Чтобы газовая турбина стала эффективным и надежным двигателем, каким она является сегодня, требовались сплавы с улучшенными характеристиками. Никель, обладая внутренним запасом прочности, сопротивляемостью коррозии и способностью легировать другие материалы, был основным металлом, выбранным для создания сплавов, более подходящих для реактивных двигателей. Металлурги сороковых и пятидесятых годов прошлого века знали, что хромоникелевые и кобальтохромоникелевые сплавы прочнее и устойчивее к коррозии и окислению, чем широко применяемые в то время сплавы из нержавеющей стали. Эти хромоникелевые и кобальтовые сплавы могли продлить срок службы газовых турбин. Сплавы раннего периода, такие как N06600 (содержащий 72% никеля), побуждали металлургов работать над созданием более эффективных и износоустойчивых сплавов для реактивных двигателей. Прекратилась ли разработка сплавов на никелевой основе и последующих технологий обработки кованых и литых изделий из них? Коэффициент полезного действия газовой турбины зависит от разницы температур воздухозаборника, окружающей атмосферы и камеры сгорания. Чем выше температура в зоне сгорания, тем больше энергии может быть изъято из топлива. Поэтому нам и нужны были сплавы, которые могли выдержать повышенные температуры камеры сгорания. С развитием металлургической промышленности создавались новые материалы, призванные справиться с этой задачей. В основном это были сплавы на основе никеля с присадками хрома или других компонентов, используемых для увеличения прочности и устойчивости к окислению и коррозии при более высоких температурах. Создание новых сплавов, как и самих газовых турбин, проходило в три этапа. На первом сплавы совершенствовались путем увеличения содержания никеля и хрома как в ковких, так и в литейных сплавах, а также при помощи технологии вакуумной плавки, призванной снизить образование губительных окислов. Затем исследователи занялись совершенствованием состава сплавов. Добавление в них других компонентов, помимо никеля, хрома или кобальта, явилось следующим шагом в работе с повышенными температурами. В частности, присадки вольфрама, ванадия, молибдена и ниобия привели к созданию сложных сплавов, содержащих до двенадцати различных металлических компонентов. Среди созданных таким образом сплавов был и N06102 (содержащий 68% никеля). Его характеристики хорошо отвечали потребностям реактивных двигателей. Совершенствование технологий вакуумной сварки сделало возможным создание таких сложных сплавов с сохранением их чистоты и однородности микроструктуры. Затем пришел черед плакировок, таких как алюминиды (например, CoAl – алюминий-кобальт или NiAl – алюминий-никель), которые можно было наносить на основные детали из сплавов для улучшения сопротивляемости коррозии и окислению. На третьем этапе развития слабым звеном являлись детали из литейных сплавов, такие как лопатки горячих трактов турбины, из-за сегрегации некоторых компонентов по границам зерен во время затвердевания расплавленного металла. Эта проблема была решена разработкой новых технологий литья лопаток турбин. Например, направленное отверждение и монокристаллическое литье позволили газовым турбинам работать при еще более высоких температурах, что привело к повышенной эффективности использования топлива. Сегодня мы ожидаем дальнейших металлургических новшеств, ознаменующих следующий этап развития газовых
турбин. Такие усовершенствования будут зависеть от непрестанного развития сплавов на никелевой основе. Джон Милн – консультант Института никеля. ФОТОГРАФИИ: Rolls-Royce
|
