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 дви-
гателей: Учеб. пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов,
С.А. Колесников, Ю.Н. Васильев. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана, 2007. – 368 с.: ил.

ISBN 978-5-7038-3054-3

Изложены результаты внедрения в авиационные газотурбинные дви-
гатели антифрикционных графитов и создания первого отечественного спе-
циализированного производства таких материалов. Описаны основные оте-
чественные 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-керамичес-
ких и неорганических материалов. Приведены результаты испытаний де-
талей из неметаллических композиционных материалов в составе модель-
ных газотурбинных двигателей.
Обобщен опыт применения теплозащитных углеродных материалов в
электровакуумных печах для специальной обработки жаростойких  метал-
лических деталей. Приведены первые результаты применения неоргани-
ческих материалов, полученных по технологии самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза, в производстве высококачественных рабо-
чих лопаток авиационных двигателей. Систематизированы результаты при-
менения полимерных композиционных материалов во вспомогательном про-
изводстве, предназначенном для изготовления деталей двигателей и ремонта
технологического оборудования.
Для студентов и аспирантов вузов. Может быть полезно инженерам-
двигателестроителям и технологам общей химической технологии углерод-
ных, 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 парамет-
ры и требования к материалам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Конструкции из композиционных материалов для входных устройств
ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Конструкции из композиционных материалов для осевых компрес-
соров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4. Конструкции из композиционных материалов для камер сгорания  . . . 39
1.5. Конструкции из композиционных материалов для узлов турбин вы-
сокого 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, модели-
рования и испытания деталей и узлов малоразмерных ГТД из
неметаллических композиционных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1. Применение малоразмерных ГТД при проектировании и модерниза-
ции полноразмерных ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2. Колеса осевого компрессора из композиционных материалов  . . . . . . . 66
2.3. Колеса к центробежным компрессорам и турбинам из композицион-
ных материалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.4. Композиционные элементы конструкций высокотемпературных жа-
ровых 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 произ-
водстве 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 син-
теза  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 производ-
ства ГТД  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

Предисловие

Отечественное авиадвигателестроение в настоящее время осуществляет
разработку авиационных газотурбинных двигателей 5-го поколения. Это осо-
бенно актуально в условиях постоянной конкуренции на мировом рынке авиа-
ционной техники.
Неметаллические композиционные материалы и технологии изготовления
из них деталей авиационной техники, в том числе при создании газотурбин-
ных 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, прово-
дится подготовка студентов по специальностям «Материаловедение, техноло-
гии материалов и покрытий» и «Материаловедение и технология новых мате-
риалов».
Целью данного учебного пособия является попытка обобщения отечествен-
ного и зарубежного опыта разработки и применения в авиационных газотурбин-
ных двигателях 5-го поколения неметаллических конструкционных композици-
онных материалов. Рассмотрены вопросы проектирования наиболее теплонапря-
женных узлов газотурбинных двигателей из таких конструкционных материалов
и использования для этого новых численных методов автоматизированного кон-
струирования. Приведены результаты испытаний демонстраторов с узлами из но-
вых отечественных неметаллических композиционных материалов.
Изданные в России книги по данной тематике, как правило, не содержат
обобщения и сопоставления зарубежных и отечественных достижений в об-
ласти применения конструкций из композиционных материалов для авиаци-
онных двигателей, поэтому предлагаемое учебное пособие призвано занять
отдельную нишу. В нем рассмотрены результаты работ в области материало-
ведения композиционных материалов применительно к отечественному авиа-
двигателестроению. Значительная часть пособия посвящена опыту ведущего
отечественного авиадвигателестроительного предприятия ФГУП «ММПП «Са-
лют» в решении различных проблем в этой области. Впервые рассмотрены
проблемы не только создания элементов конструкций газотурбинных двигате-
лей, но и технологического оборудования производства, представлены резуль-
таты практического опробования ряда отечественных композиционных мате-
риалов в модельных газотурбинных двигателях, а также приведены справоч-
ные 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 мно-
гие 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 ха-
рактеристик авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) 5-го
и 6-го поколения являются: повышение тяги двигателя; уменьше-
ние числа ступеней компрессора благодаря повышению его эффек-
тивности; снижение массы двигателя; уменьшение вредных эколо-
гических последствий эксплуатации авиационных ГТД повышен-
ной мощности. Достижение поставленных целей обеспечивается
осуществлением трехмерного управления потоком рабочего газа по
лопаточным трактам газогенератора, а также увеличением значе-
ний 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 ос-
новных конструкторско-технологических решений коренной пе-
ресмотр материаловедческой базы летательного аппарата в целом
и авиационных двигателей, в частности. Это требование обуслов-
лено тем, что дальнейшие «количественные» преобразования кон-
струкции 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 мень-
шей степени затрачивается на улучшение тяговых характеристик
двигателя.
Поэтому переход к новому поколению авиационной техники дол-
жен включать «качественные» изменения в конструкции двигателя,
а также в выборе основных конструкционных материалов. Необхо-
димо 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 примене-
нием высокопрочных высокомодульных жаростойких неокисляю-
щихся неорганических композиционных материалов (КМ).

В соответствии с IHPTET* – одной из наиболее известных про-
грамм, проводимых по инициативе МО США, за рубежом создают-
ся «революционные» технологии, обеспечивающие двукратное по
сравнению с 1987 г. улучшение характеристик ГТД различного на-
значения при низкой стоимости их производства и технического
обслуживания. Работы по этой программе к 2005 г. осуществля-
лись по двум направлениям:
– «узловые» технологии (вентиляторы, компрессоры, камеры
сгорания, выходные устройства, механические системы, системы
управления, демонстраторы);
– перспективные материалы и методы проектирования двигате-
лей (конструкционные материалы, численные методы, автоматизи-
рованное конструирование).
В современных зарубежных ГТД 5-го поколения М88 и F119
ряд деталей выполнен из неметаллических КМ. Однако принципи-
ального перехода к неметаллическим конструкционным КМ еще
не произошло и в зарубежном авиадвигателестроении.
Основной причиной отставания материаловедческой базы от по-
требностей современной авиационной техники является задержка в
разработке КМ, пригодных для конструирования и производства ос-
новного ассортимента деталей, определяющих работоспособность
авиационных ГТД. Это в первую очередь относится к созданию тон-
костенных со сложным профилем рабочих лопаток компрессоров и
турбин, сопловых аппаратов, крупногабаритных тонкостенных кор-
пусов камеры сгорания, жаровой трубы и форсажной камеры.
К неметаллическим конструкционным КМ относят спектр кон-
струкционных материалов на основе углерода, полимерных связую-
щих и наполнителей, керамик из карбидов, нитридов, оксидов, кото-
рые 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 возмож-
ности неметаллических КМ по прочности, долговечности и работо-
способности в окислительных средах, усталостной прочности под-
тверждены 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 нача-
лось с создания из них конструкций интерьера, фюзеляжа, тор-
мозных 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 проч-
ности и долговечности в условиях интенсивных динамических на-
грузок элементной базы авиационных двигателей. В то же время
потенциальный выигрыш от применения в составе ГТД материа-
лов с вдвое меньшей удельной массой не может быть переоценен,
поскольку кинетическая энергия вращающихся масс двигателя пре-
вышает кинетическую энергию всего летательного аппарата. В со-
временном авиадвигателестроении уже безоговорочно утвердилось
применение графитовых уплотнительных колец в масляных полос-
тях опор роторов, торцевых уплотнений центробежных насосов пе-
рекачки топлива и смазочных масел.
Как одно из базовых отечественных авиадвигателестроитель-
ных предприятий ФГУП «ММПП «Салют» постоянно отслеживает
современные тенденции разработки и применения новейших кон-
струкционных материалов в составе ГТД 5-го поколения. В учеб-
ном пособии представлены основные результаты, достигнутые
ФГУП «ММПП «Салют» при разработке и применении неметал-
лических КМ в конструкциях жаростойких узлов современных ГТД.
Объективная потребность в таких материалах при нынешнем со-
стоянии отечественной промышленности обусловила создание на
ФГУП «ММПП «Салют» собственного производства конструкци-
онного графита. По технологическому уровню это производство пре-
восходит 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 са-
молеты  с двигателями российского производства.
Углеродные материалы постоянно применяются в технологи-
ческом производстве ФГУП «ММПП «Салют». Современные тех-
нологии получения более жаростойких конструкционных матери-
алов 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 вы-
полняются на высоком научно-техническом уровне, и их резуль-
татом является не только воспроизведение стандартной графито-
вой  или углерод-углеродной оснастки, но и разработка и изготов-
ление новых типов конструкционных материалов (на некоторые
из них уже получены патенты РФ, подтверждающие их принци-
пиальную 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 Аме-
рики. В настоящее время прослеживается тенденция роста самофи-
нансирования известными фирмами высокотехнологичных частей
собственного производства. Так, даже при наличии в последнее вре-
мя финансовых трудностей для авиационной промышленности рас-
ходы на исследования и научно-технические разработки составля-
ют не менее 14 % объема собственных продаж. Причем военный
сектор на 38 % финансирует исследования и разработки, проводи-
мые на предприятиях авиационной промышленности, а в граждан-
ском секторе доля собственного финансирования научно-исследо-
вательских и опытно-конструкторских работ достигает 65 %.

Еще одной областью применения углеродных материалов на
ФГУП «ММПП «Салют» является интенсивно развивающееся  про-
изводство углепластиковой оснастки, ремонтных компаундов для
восстановления работоспособности станочного оборудования и вы-
полнения 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