Часть 1. Конструкция
ВК-1 (РД-45) — первый серийный советский турбореактивный двигатель, разработанный под руководством Владимира Климова на заводе ГАЗ-116. Он основан на британском Rolls-Royce Nene, чертежи которого были проданы СССР с ограничениями на военное использование, что вызвало негативную реакцию на Западе.
Изначально двигатель имел много проблем, но затем конструкция была улучшена. ВК-1 отличался большей камерой сгорания и турбиной, а в модификации ВК-1Ф появился форсаж. Двигатель использовался на истребителях МиГ-15 и МиГ-17, а также на бомбардировщиках Ил-28 и Ту-14.
ВК-1 оснащался центробежным компрессором, что требовало большего диаметра фюзеляжа по сравнению с осевыми компрессорами.
Таблица 1 - Основные параметры ТРД ВК-1:
ВК-1 представляет собой одновальный турбореактивный двигатель с одноступенчатым двухсторонним центробежным компрессором, индивидуальными трубчатыми камерами сгорания и одноступенчатой турбиной. На модификации ВК-1Ф установлена форсажная камера.
Модификации:
ВК-1 - базовый. Устанавливался на самолётах Ла-176, Ла-200, МиГ-15бис.
ВК-1Ф – с форсажной камерой (первый в СССР). Тяга на форсаже составила 3380 кгс (форсаж длился до 3 минут). Выпускался в 1951-1958 годах. Устанавливался на самолёте МиГ-17Ф, МиГ-17ПФ.
Lis-5 – польский вариант ВК-1Ф. Устанавливался на истребителе Lim-5 (копия МиГ-17Ф) и его модификациях.
WP-5 – китайский вариант ВК-1Ф. Выпускался с июня 1956 года. Устанавливался на истребителе J-5 (копия МиГ-17Ф) и его модификациях.
В камерах сгорания воздух смешивается с топливом, поступающим через форсунки. Воспламенение происходит в двух из девяти камер с помощью пусковой форсунки и электрической свечи, после чего пламя быстро распространяется по всем камерам.
Горячие газы, образующиеся при сгорании (t3 = 870 °C, P3 = 0,408 МПа), поступают в газовый сборник и через сопловой аппарат вращают турбину. Затем газы (tн = 640 °C, Pн = 0,148 МПа) отводятся в реактивную трубу и выбрасываются в атмосферу со скоростью С = 556 м/с, создавая тягу.
Силовая часть двигателя включает три корпуса подшипников и две фермы, а большинство агрегатов смонтировано на коробке приводов в передней части, приводимой во вращение от вала компрессора.
Часть 2. Материалы
Для изготовления узлов турбореактивного двигателя РД-45 (ВК-1), разработанного под руководством Владимира Яковлева Климова, использовали различные сплавы, учитывая высокие температуры и нагрузки, которым подвергаются отдельные части двигателя. Вот краткий обзор материалов, применявшихся для каждого узла:
1. Входное устройство
Входное устройство обычно изготавливалось из легких алюминиевых сплавов, таких как дюралюминий (например, Д16). Это обеспечивало необходимую прочность при минимальном весе.
2. Компрессоры:
Высокого давления: лопатки компрессора высокого давления выполнялись из жаропрочных никелевых сплавов, таких как ХН77ТЮР (ЭИ437Б), а диски могли быть изготовлены из титановых сплавов (например, ВТ3-1).
- Низкого давления: лопатки компрессора низкого давления также могли выполняться из никелевого сплава, но менее критичного к температуре, например, Х20Н80 (нихром). Диски компрессора низкого давления часто изготавливались из легированных сталей, таких как 12Х18Н9Т.
3. Камера сгорания
Камеры сгорания работали в условиях высоких температур, поэтому их стенки выполняли из жаростойких никелевых сплавов, таких как ХН78Т (ЭИ435) или ХН70ВМТЮ (ЭИ617). Для защиты от перегрева камеры снабжали системой охлаждения.
4. Турбины:
- Низкого давления: лопатки турбин низкого давления изготавливались из жаропрочного никелевого сплава, например, ЖС6К (или его аналог ЭП99), обладающего высокой стойкостью к окислению и ползучести. Диски турбины низкого давления могли быть выполнены из титанового сплава ВТ3-1.
- Высокого давления: лопатки турбины высокого давления изготавливались из еще более жаропрочных сплавов, таких как ЖС6У (ЭП533) или ЖС32 (ЭП670), способных выдерживать экстремальные температуры до 1000°C. Диски турбины высокого давления могли быть сделаны из высоколегированной стали типа 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961).
5. Реактивное сопло
Реактивное сопло подвергалось воздействию горячих газов, выходящих из турбины, поэтому оно изготовлялось из жаростойкой нержавеющей стали, такой как 10Х23Н18 (ЭИ417) или 08Х17Т (ЭИ645).
Эти материалы обеспечивали надежность работы двигателя в условиях высоких температур и механических нагрузок, характерных для турбореактивных двигателей того времени.
Анализ трех материалов, используемых в турбореактивном двигателе РД-45 (ВК-1)
Для анализа выберем три материала, относящихся к разным классам: никелевый жаропрочный сплав, жаростойкая нержавеющая сталь и титановый сплав.
Таблица 2 – Материалы используемые в узлах РД-45
Для более подробного анализа возьмем следующие сплавы никелевый жаропрочный сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б), жаростойкая нержавеющая сталь 10Х23Н18 (ЭИ417), титановый сплав ВТ3-1. Рассмотрим их химический состав, структуру и применяемую термообработку.
1. Никелевый жаропрочный сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б)
Применение: Используется для лопаток компрессоров высокого давления.
Таблица 3 – Химический состав сплава ХН77ТЮР:
Структура: Аустенитная структура с интерметаллическими соединениями γ′ фазы (Ni₃(Ti, Al)), что придает сплаву высокую жаропрочность.
Термообработка:
- Закалка при 1180°C с последующим охлаждением на воздухе.
- Старение при 760°C в течение 16 часов.
2. Жаростойкая нержавеющая сталь 10Х23Н18 (ЭИ417)
Применение: Применяется для изготовления реактивного сопла.
Таблица 4 – Химический состав сплава 10Х23Н18:
Структура: Аустенитная структура, обеспечивающая коррозионную стойкость и устойчивость к окислению.
Термообработка:
Закалка при 1070°C с последующим быстрым охлаждением.
3. Титановый сплав ВТ3-1
Применение: Используется для дисков компрессоров и турбин.
Таблица 5 - Химический состав сплава ВТ3-1:
Структура: Альфа-бета структура, где альфа-фаза обеспечивает высокую прочность, а бета-фаза улучшает обрабатываемость.
Термообработка: Двухступенчатое старение: закалка при 920°C с последующим охлаждением на воздухе, затем старение при 540°C в течение 8 часов.
Таблица 6 – Физико-механических характеристик выбранных сплавов:
Анализ изменения механических свойств материалов под воздействием высоких температур является важным аспектом проектирования и эксплуатации газовых турбинных двигателей (ГТД). Рассмотрим зависимость механических свойств от температуры для выбранных сплавов.
Таблица 7 – Параметры никелевого жаропрочного сплава ХН77ТЮР (ЭИ437Б)
Таблица 8 – Параметры жаростойкой стали 10Х23Н18 (ЭИ417)
Таблица 9 – Параметры Титанового сплава ВТ3-1
Общие тенденции изменения механических свойств материалов при повышении температуры показывают, что при температурах выше 700°C они теряют значительную часть прочностных характеристик: предел прочности снижается на 30%, а предел текучести — на 20%. Это связано с фазовыми переходами и структурными изменениями в атомной структуре сплавов, а также с ускорением процессов окисления и диффузии углерода.
Для никелевых жаропрочных сплавов, таких как ХН77ТЮР (ЭИ437Б), стабилизирующие добавки (например, ниобий и титаний) замедляют деградацию свойств при высоких температурах, но не предотвращают её полностью. Жаростойкие стали, например 10Х23Н18 (ЭИ417), теряют коррозионную стойкость и устойчивость к окислению при температурах выше 900°C, что ограничивает их применение в высокотемпературных узлах ГТД.
Титановые сплавы, такие как ВТ3-1, показывают меньшую потерю прочности при повышении температуры, но при 600°C начинают снижаться прочность и текучесть, что ограничивает их использование в нагруженных элементах ГТД.
Заключение:
Никелевые жаропрочные сплавы, такие как ХН77ТЮР (ЭИ437Б), обладают высокими прочностными характеристиками при 700°C, достигая предела прочности 1350 МПа и предела текучести 1230 МПа. Однако при 900°C предел прочности снижается до 1200 МПа, а предел текучести — до 1020 МПа. Усталостная прочность также уменьшается с 740 МПа до 680 МПа, что ограничивает применение сплава в условиях длительного воздействия высоких температур. Долговечность никелевых сплавов зависит от качества термообработки и стабильности фазовой структуры.
Жаростойкая нержавеющая сталь 10Х23Н18 (ЭИ417) при 700°C имеет предел прочности 480 МПа и предел текучести 320 МПа. При 900°C эти показатели снижаются до 350 МПа и 270 МПа соответственно, а усталостная прочность падает с 360 МПа до 285 МПа. Несмотря на падение прочности и устойчивости к окислению выше 900°C, сталь сохраняет хорошую коррозионную стойкость, что ограничивает её применение в высокотемпературных узлах.
Титановый сплав ВТ3-1 при 400°C имеет предел прочности 970 МПа и предел текучести 860 МПа. При 600°C предел прочности снижается до 810 МПа, а предел текучести до 710 МПа. Усталостная прочность также уменьшается с 510 МПа до 420 МПа, что подчеркивает необходимость учета ухудшения свойств при высоких температурах.