Авиация России

Лопатки газотурбинных двигателей являются ключевым элементом в конструкции авиационных силовых установок. Советский конструктор-двигателист Николай Кузнецов, отмечая их значение, говорил, что двигатель — это лопатки и подшипники. В турбореактивном двигателе одновременно работают различные типы лопаток: нагнетательные — в вентиляторе и компрессоре, приводные — в турбине и неподвижные направляющие. Эволюция повышения эффективности и надёжности авиадвигателей отражает совершенствование технологии производства лопаток — от простой штамповки до выращивания монокристаллов и разработки эффективных систем охлаждения.

Первые поколения авиационных двигателей, когда температура газа перед турбиной (ТГТ) не превышала 900-1000 К, использовали штампованные лопатки. ТГТ имеет критическое значение для эффективности, мощности и надёжности турбореактивного двигателя. Чем она выше, тем больше получаемое количество энергии, которое можно преобразовать в механическую работу, повышая тем самым коэффициент полезного действия и тягу силовой установки.

В газотурбинном двигателестроении принято использовать для указания температуры газа в Кельвинах — единице термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), которая начинается с абсолютного нуля — самой низкой возможной температуры, при которой прекращается тепловое движение частиц. Использование шкалы Кельвина обеспечивает универсальность и точность инженерных и научных расчётов, так как шкала абсолютна, не зависит от свойств конкретного вещества и не содержит отрицательных значений. Это упрощает математические операции и моделирование процессов.

Почему лопатки турбин – ключевое звено в гонке за эффективность авиадвигателей

В авиационном двигателестроении и термодинамике температура газа и материалов часто достигает очень высоких значений, поэтому шкала Кельвина является предпочтительной для технических спецификаций и расчётов. Перевод между шкалами происходит по формуле: T(K)=T(°C)+273,15 Например: 1800 °C = 1800 + 273,15 = 2073,15 К, следовательно в середине 1950-х годов температура газа перед турбиной ГТД того времени находилась в пределах 627-727 °C.

Увеличение мощности двигателей потребовало повышения температуры, что привело к созданию новых жаропрочных сплавов, которые уже не поддавались штамповке. Были разработаны технологии литья турбинных лопаток, они стали более жаростойкими, увеличился их ресурс. Однако структура литых лопаток с равноосными зёрнами оказалась подвержена усталостным разрушениям по границам зёрен, расположенным перпендикулярно направлению центробежных нагрузок.

Решение проблемы усталости металла привело к созданию технологии направленной кристаллизации, которая позволяет устранить поперечные границы зёрен в структуре металла, формируя столбчатые зёрна, вытянутые вдоль направления основных силовых нагрузок. Такие лопатки получили повышенную стойкость к усталостным разрушениям. Дальнейшим шагом стало изготовление лопаток с монокристаллической структурой — цельного кристалла без границ зёрен. Монокристаллы обеспечивают максимальную прочность и ресурс, позволяют работать турбине при температурах газа свыше 2000 К.

«Направленную структуру лопатки получают в специальных плавильных установках путём медленного вертикального перемещения литейной формы с залитым металлом из горячей зоны печи в холодную. При этом происходит кристаллизация и затвердевание металла. В основание литейной формы устанавливают металлическую монокристаллическую затравку. На её поверхности при контакте с залитым в форму металлом происходит формирование монокристаллической структуры. Далее происходит «выращивание». В процессе медленного перемещения литейной формы в холодную зону печи монокристаллическая структура передаётся в тело отливки, и идёт её рост по высоте лопатки», — рассказали сайту «Авиация России» в Объединённой двигателестроительной корпорации.

Новые методы обработки лопаток повысят надёжность авиадвигателей

На «ОДК-Сатурн» (Рыбинск) применяется метод высокоскоростной направленной кристаллизации, где литейная форма с расплавленным металлом перемещается из горячей зоны печи и одновременно погружается в ванну с жидким охлаждающим металлом (алюминием), что позволяет эффективнее управлять процессом кристаллизации. Лопатки, изготовленные по этой технологии, применяются в двигателях ПД-14 и ПД-8.

Эффективность двигателя достигается также за счёт оптимизации внешних контуров лопаток для работы в высокоскоростном потоке газа. Рабочие температуры в турбинах ГТД достигают 1800-2000 °C — эти значения превышают температуру плавления материалов лопаток. Для сохранения их целостности применяют комплекс мер для охлаждения. В сплавы вводят легирующие элементы — вольфрам, кобальт, хром, молибден, рений, рутений — суммарно их количество может достигать 15 наименований.

Дополнительно по технологии плазменного напыления лопатки покрывают термобарьерными и износостойкими покрытиями, в том числе керамическими, снижающими тепловую нагрузку и защищающими от газовой коррозии. Система плазменного напыления состоит из устройства подачи порошка, плазмотрона для нагрева и ускорения частиц напыляемого материала, источника питания для плазмотрона, системы управления, обеспечивающей точное соблюдение параметров газа, электропитания и охлаждающей воды, а также манипуляторов, синхронизирующих движение плазмотрона и напыляемой детали. В процессе напыления материал подаётся в горячую плазменную струю, где расплавляется, и ускоряясь, направляется на деталь, формируя покрытие. Этот метод применяют также для восстановления деталей.

Основным методом защиты лопаток служит конвективно-плёночное охлаждение, которое реализуется сложной системой каналов, выполненных как в полости самих лопаток, так и в рабочем колесе турбины. Хладагентом служит воздух, отбираемый от компрессора. Он охлаждается путём смешивания с водой или топливом и подаётся по внутренним каналам через вал двигателя и каналы центробежного компрессора, встроенного в рабочее колесо турбины. Такой конвективный теплообмен охлаждает лопатки изнутри.

Кроме того, для предотвращения деформации, через группы отверстий диаметром менее миллиметра на поверхности лопатки создаётся защитная воздушная плёнка, дополнительно препятствующую перегреву. Геометрия внутренних каналов сложна, их изготовление требует высокой точности. На предприятиях ОДК отверстия создают методом электроэрозионной обработки с применением станков типа «супердрель», использующих латунные электроды и дистиллированную воду для охлаждения.

Также активно внедряются аддитивные технологии (3D-печать), которые позволяют создавать лопатки с высокой точностью и сложной внутренней геометрией, в частности — оптимизированные каналы охлаждения, которые традиционными методами изготовить крайне сложно или невозможно. ПАО «Силовые машины», входящее в состав ОДК, также реализует опытные проекты по 3D-печати лопаток для энергетических газовых турбин ГТЭ-65.1. В рамках этих разработок создаются новые профили лопаток и усовершенствованные системы охлаждения, направленные на повышение КПД турбин и увеличение ресурса оборудования.

Крупногабаритные детали для двигателя ПД-35 будут «выращивать» на 3D-принтерах

В современных условиях цифровизации производства предприятия ОДК внедряют технологии искусственного интеллекта для повышения качества и надёжности изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Так, в «ОДК-Авиадвигатель» (Пермь) применяются нейросетевые модели для анализа результатов испытаний лопаток вентилятора, включая определение форм колебаний по визуальным данным. Это позволяет своевременно выявлять потенциальные дефекты и оптимизировать конструктивные решения на ранних этапах разработки.

В Рыбинске внедрён роботизированный комплекс с платформой машинного зрения и искусственным интеллектом для автоматического контроля поверхности полированных лопаток. Такая система обнаруживает мельчайшие дефекты, недоступные традиционным методам визуального контроля, что значительно повышает скорость и точность проверки качества.

Кроме того, методы машинного обучения и нейросети находят применение в предиктивной диагностике состояния агрегатов двигателей в эксплуатации, способствуя своевременному выявлению и предотвращению отказов. Интеграция искусственного интеллекта в процессы производства, контроля и эксплуатации лопаток ГТД на предприятиях ОДК значительно повышает технологичность, надёжность и эффективность отечественных авиационных двигателей.

Чат-боты с искусственным интеллектом позволят сократить сроки разработки авиадвигателей

Технологии производства монокристаллических лопаток и эффективных систем охлаждения сегодня доступны лишь немногим странам с развитой авиационной промышленностью — Великобритании, США, Франции и России. Китай также активно развивает собственные технологии в этой области, стремясь сократить технологическое отставание. Для своего перспективного двигателя CJ-1000 китайские инженеры применяют современные методы направленной кристаллизации и разрабатывают системы охлаждения лопаток турбин, однако им пока не удалось достичь уровня материалов и технологий, позволяющих создавать лопатки с ресурсом и термостойкостью, сопоставимыми с российскими и западными аналогами. Несмотря на значительные усилия, Китай продолжает испытывать сложности с созданием жаропрочных сплавов и покрытий, способных выдерживать экстремальные температуры газов в турбинах.

Российские предприятия в составе Объединённой двигателестроительной корпорации успешно реализуют полный цикл производства таких лопаток, включая технологии направленной кристаллизации и плазменного напыления термобарьерных покрытий. Применение аддитивных технологий не только ускоряет производство опытных образцов, но и открывает перспективы серийного изготовления сложных и высокотехнологичных деталей. Это позволяет поддерживать технологический суверенитет страны и создавать альтернативные газотурбинные двигатели для мирового рынка энергетики и гражданской авиации.

Таким образом, развитие отечественных технологий изготовления и защиты лопаток ГТД является стратегически важной задачей, направленной на повышение эффективности и ресурса двигателей, а также на укрепление позиций России в числе мировых лидеров авиадвигателестроения.

Подготовлено по материалам пресс-службы Объединённой двигателестроительной корпорации

Андрей Величко
для сайта «Авиация России»

564