Российские ученые активно предлагают инновационные проекты: появляются новые технологии, материалы. Одним важных достижений стало создание и внедрение новых сплавов для изготовления одного из самых сложных элементов авиационного двигателя - лопатки. От прочности и правильной формы этой детали зависит работа всего двигателя.
О новых разработках и их значении для развития отечественного двигателестроения в нашем материале.
Уникальная технология литья
Самолеты и вертолеты делают более 20 стран мира, а создавать двигатели могут лишь единицы. Россия находится в числе четырех стран, которые владеют технологиями полного цикла производства газотурбинных авиадвигателей, и входит в шестерку государств, способных проектировать и изготавливать лопатки для них.
Такое внимание к возможности создавать лопатки авиадвигателя неслучайно. Создание этих деталей требует сложнейших расчетов при проектировании, филигранной точности при производстве, а также уникального оборудования и материалов.
При этом это одна из самых массовых деталей - в газотурбинном двигателе применяется около трех тысяч лопаток разных видов в зависимости от применения. Это лопатки вентилятора, компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, турбины низкого давления и турбины высокого давления.
Все они отличаются размером и конфигурацией. Одними из самых сложных являются литые лопатки, расположенные в турбине, так как они должны выдерживать температуру более 1500 градусов Цельсия, не теряя жаропрочность и термоусталость, то есть сохранять целостность. Поэтому разработать соответствующий сплав и создать нужное оборудование для их производства – непростая задача.
Технология изготовления лопаток двигателя постоянно совершенствуется, и весомый вклад в развитие этого направления вносят ученые Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ).
Поэтому, когда Объединенная двигателестроительная корпорация приступила к созданию нового отечественного двигателя пятого поколения ПД-8, то обратилась за помощью к ученым ВИАМа.
В результате совместной работы двигателестроителей и специалистов института появились новые литейные жаропрочные сплавы и новое оборудование, способное выплавлять лопатки из тугоплавких материалов.
Все это позволило создать на рыбинском предприятии ОДК-Сатурн самое современное в России литейное производство турбинных лопаток мощностью более 400 тысяч штук в год.
Новые сплавы и новая технология литья
Основой для лопаток турбины высокого давления двигателя ПД-8 стали пять новых высокожаропрочных сплавов. Их качество по стабильности химического состава и механических свойств не уступает аналогам ведущих мировых производителей этих материалов.
Разработчики добились того, что металл, из которого изготавливаются лопатки, не плавится, хотя температура его плавления на 400-500 градусов ниже, чем температура газа перед турбиной авиационного двигателя. Это достигается за счет уникального состава и структуры жаропрочного сплава, а также конструкции лопатки.
На предприятии ОДК-Сатурн было организовано и сертифицировано производство новых материалов и деталей авиадвигателей из них. Кроме того, специалисты разработали новую технологию вакуумной индукционной выплавки жаропрочных никелевых сплавов и высокотемпературную обработку деталей в вакууме.
Для новой технологии литья лопаток на ОДК-Сатурн спроектировали, изготовили и запустили в эксплуатацию пять автоматизированных вакуумных индукционных плавильных установок. Оборудование позволяет производить детали с направленной и монокристаллической структурой.
Как изготавливают лопатки?
Лопатки производят методом направленной и монокристаллической структуры в вакуумной индукционной плавильной установке. В ней создаются условия, чтобы залитый в керамическую форму сплав на основе никеля кристаллизовался в вакууме без контакта с кислородом воздуха в виде монокристалла (монокристаллическая структура) параллельно оси лопатки.
При этом в автоматическом режиме контролируются степень вакуума, температура начала кристаллизации и холодильника, скорость вытяжки литейной формы из зоны кристаллизатора.
Поскольку лопатка состоит из одного кристалла, то есть нет «зерен мелких частичек», на стыке которых могут скапливаться легкоплавкие примеси. Это повышает прочность и обеспечивает больший ресурс работы.
Чтобы при работе двигателя воздействовать на потоки воздуха максимально эффективно, лопатки имеют сложную изогнутую форму. Внутри лопатки создается специальная полость для охлаждения, поверхность которой состоит из конструктивных завихрителей. Правильно сформировать ее - сложнейшая задача, особенно при изготовлении литьем. Поэтому точность при изготовлении лопаток имеет важнейшее значение.
Важная деталь для мощного авиадвигателя
Принцип работы газотурбинного авиационного двигателя прост: воздух попадает в силовую установку, сжимается с помощью компрессора, в камере сгорания нагревается, вращает турбину и на огромной скорости выбрасывается из сопла, толкая самолет вперед. При этом чем выше температура газа перед турбиной, тем больше тяга и мощнее двигатель.
Лопатки турбины высокого давления испытывают колоссальные нагрузки, сопоставимые с давлением многотонного грузового автомобиля. Поэтому те, характеристики, которых удалось добиться с помощью последних разработок, имеют большое значение для двигателестроения.
Каждый новый двигатель требует создания новых материалов и технологий, что позволяет разрабатывать силовые установки следующего поколения и повышать их характеристики.
Важным достижением для российского двигателестроения стала разработка двигателя пятого поколения ПД-8.
Новые двигатели будут устанавливаться на ближнемагистральные пассажирские лайнеры Superjet 100, а также на самолеты-амфибии Бе-200.