Создание лопатки авиационного двигателя требует сложнейших расчетов при проектировании, высочайшей точности в изготовлении и уникальных сплавов из редких металлов. Двигателестроители внедряют уникальные отечественные технологии, которые позволяют повысить стойкость к высоким температурам.
От мельниц до авиадвигателей
Предшественниками современных лопаток в двигателестроении можно считать лопасти, приводящие в движение механизмы ветряных и водяных мельниц. Принцип лопаточной машины применялся для подъема жидкостей в знаменитом «Архимедовом винте» и других устройствах древности. Сегодня подобные механизмы применяются очень широко − в авиации, судостроении, машиностроении, энергетике.
Чтобы понять, что такое лопатки авиадвигателя, стоит взглянуть на силовую установку самолета - самые большие по размеру лопатки расположены на вентиляторе. На самом же деле их в двигателе гораздо больше − в основном они скрыты под корпусом силовой установки.
Каждая лопатка авиадвигателя − одна из самых сложных в производстве деталей силовой установки, создание которой требует применения самых современных технологий. И такими технологиями обладают только шесть стран в мире. Россия укрепила свое лидерство в этой отрасли, внедрив эффективные отечественные решения, которые позволят создавать новые авиационные двигатели.
Высоконагруженная деталь
Принцип работы газотурбинного двигателя можно описать следующим образом: поток воздуха попадает в двигатель, сжимается с помощью компрессора, в камере сгорания нагревается, вращает турбину и на огромной скорости выбрасывается из сопла, толкая самолет вперед.
В устройстве газотурбинного двигателя (ГТД) используется несколько видов лопаток. В зависимости от типа двигателя это лопатки вентилятора, лопатки компрессора низкого давления, лопатки компрессора высокого давления, лопатки турбины высокого давления, лопатки турбины низкого давления. Кроме рабочих лопаток также применяются стационарные лопатки, направляющие поток воздуха.
Лопатки вентилятора и компрессоров работают на нагнетание и сжимание воздуха, направляя его в камеру сгорания. Лопатки в турбине действуют подобно лопастям ветряной мельницы: поток набегающего воздуха сталкивается с лопатками, обтекает их и приводит в движение ротор, который в свою очередь передает вращение механизму компрессора.
Каскад лопаток турбины высокого давления – это самые высоконагруженные лопатки в двигателе. Температура газа перед сопловой и рабочей лопаткой первой ступени турбины выше, чем температура плавления металла из которого сделаны лопатки. Однако благодаря совершенной системе охлаждения температура тела лопаток значительно ниже температуры плавления, что позволяет им работать , сохраняя целосность.
Лопатки определяют КПД основных узлов двигателя - вентилятора, компрессора и турбины. Это самая массовая деталь силовой установки - в каждом двигателе применяется примерно 2-3 тысячи лопаток. Они отличаются сложной конфигурацией, что диктует высокие требования к их изготовлению.
Как изготавливают «воздушные лезвия»
Лопатки компрессора в основном изготавливают штамповкой с последующей механической обработкой, а лопатки турбины - литьем по технологии «монокристалл».
При их обработке применяется широкий спектр современных технологий: резание, электрохимическая обработка, шлифование и полирование, лазерная и электроэрозионная обработка. Также используются технологические процессы нанесения термобарьерного и эрозионно-стойкого покрытия, вакуумная термическая обработка. Каждая лопатка проходит проверку на соответствие заданным характеристикам с помощью автоматизированных методов измерения и контроля.
Чтобы воздействовать на потоки воздуха максимально эффективно, лопатки имеют сложную, изогнутую форму. А чтобы выдерживать высокие температуры и обеспечивать беспрерывную работу в течение многих часов, внутри лопаток турбины создаются специальные полости для охлаждения.
Металл, из которого сделаны лопатки, также имеет большое значение. Двигателестроители искали сплав, способный выдерживать большие нагрузки, не теряя своих свойств.
В истории сохранился почти детективный эпизод, о том как был получен образец материала, из которого англичане изготавливали лопатки. Советская делегация в 1947 году пошла на хитрость: металловед Сергей Кишкин вынес заводскую стружку в рифленой подошве ботинок с одного из английских предприятий. Так одним из первых рабочих материалов для лопаток был выбран жаропрочный никелевый сплав.
Сегодня при изготовлении лопаток вентилятора применяется титан и полимерные композитные материалы. Например, для нового двигателя ПД-35, который имеет вентилятор диаметром более трех метров, в пермском конструкторском бюро предприятия ОДК-Авиадвигатель разработана лопатка вентилятора из композитных полимерных материалов. Переход от титана к полимерным материалам позволит снизить массу двигателя на 400 кг.
Положить конкурентов на лопатки
В Объединенной двигателестроительной корпорации созданы центры технологической компетенции по изготовлению лопаток. На рыбинском предприятии ОДК-Сатурн для гражданской авиации, морских двигателей и энергетических установок, а на ОДК-Пермские моторы делают лопатки турбин высокого давления для авиадвигателей ПД-14, ПД-8, ПД-35.
На рыбинском предприятии внедрена современная технология для производства лопаток компрессора- гибридная штамповка лопаток из двухфазного титанового сплава. Также установлено оборудование отечественного производства - устройство для закрутки высокоточных титановых лопаток . Это позволяет изготавливать более точные детали, в том числе и крупногабаритные лопатки.
Двигателестроительные предприятия постоянно совершенствуют технологии изготовления лопаток. Увеличивается их номенклатура, внедряются новые материалы и технологии производства, что подтверждает высочайшие компетенции российских специалистов. Сейчас есть большие достижения, и впереди еще много работы.