Как уже сообщал журнал "Двигатель", в начале сентября на территории ФГУП "ММПП "Салют" состоялся Международный научно-технический семинар "Прогрессивные технологии для создания газотурбинного двигателя нового поколения". На семинаре выступили генеральные директоры и ведущие специалисты крупнейших предприятий авиационного двигателестроения и отраслевых научных центров. В соответствии с решением семинара был составлен перечень критических технологий, освоение которых позволит решить задачу по созданию двигателя нового поколения. Данная статья является первой в серии публикаций, в которых все участвующие в создании нового двигателя расскажут о своих достижениях в этом крайне важном деле.

Надо признать, что Россия отстает от Запада в создании двигателей пятого поколения, которые уже есть в США и Европе. У нас уже много лет ведутся только разговоры, хотя первое постановление о создании двигателя АЛ-41Ф вышло в свет более 20 лет назад. И хотя многие идеи, заложенные в этот двигатель, реализованы в АЛ-31Ф, в полном объеме выполнить техническое задание на разработку двигателя пятого поколения не удалось. Можно привести множество объективных и субъективных причин, помешавших созданию двигателя, но из-за давности лет даже эти невыполненные требования уже устарели.
Анализ развития авиационного двигателестроения на нашем предприятии, начиная с двигателя первого поколения РД-45, показывает, что повышение параметров двигателя как абсолютных, так и удельных, обеспечивалось постоянным ростом pк и Тг* и связанным с этим применением более жаропрочных сплавов, а затем и охлаждаемых турбинных лопаток. Одновременно росли и трудозатраты, причем значительно. В современных условиях нельзя требовать создания двигателя любой ценой. Вопрос экономии всех ресурсов выдвигается на первое место.
В общем можно сказать, что двигатель пятого поколения должен отличаться от своего предшественника следующим:
- значительным улучшением удельных параметров;
- увеличением ресурса, надежности и эксплуатационной надежности;
- снижением затрат на создание, изготовление и эксплуатацию.
Следует заметить, что эти требования не являются какими-то исключительными, они формулируются при создании каждого нового двигателя, но сейчас ситуация особая. Во-первых, удельные параметры необходимо улучшить не на единицы, а на десятки процентов. Во-вторых, в конструкции двигателя пятого поколения будут применяться совершенно новые материалы. В-третьих, необходимо остановить рост стоимости двигателя от поколения к поколению, так как при сохранении существующей тенденции двигатель не выдержит конкурентной борьбы. И, в-четвертых, из-за наметившегося отставания от западных фирм следует сжимать сроки разработки. Выход может быть найден только в использовании новых организационных принципов создания двигателя.
Известно, что раньше были разработчики двигателей (КБ генеральных конструкторов, например, А. Люлька, Н. Кузнецова и других). Эти КБ свои чертежи передавали на филиал при серийном заводе (у завода "Салют" таким филиалом было МКБ "Гранит"). Далее чертежи попадали в серийные конструкторские отделы завода. И только потом чертеж детали поступал для технологической проработки в отделы главных специалистов и цехи. Эта многоступенчатость приводила к потере темпов создания техники.
Сегодня наблюдается тенденция слияния КБ и серийных заводов. Хорошо известно, что за рубежом практика объединения в одном лице разработчика и производителя считается нормальной. Необходимо и нам концентрировать усилия и материальные возможности в одних руках для разработки, технологической проработки, производства и поддержки эксплуатации авиационных двигателей. Должно появиться юридическое лицо, взявшее на себя полную ответственность за весь жизненный цикл изделия. Это теперь понятно многим, даже бывшим оппонентам инициативе завода "Салют", критиковавшим идею развертывания нового КБ в составе нашего ФГУП. Другой путь сводится к объединению КБ и серийного завода, как это произошло в случае с КБ "А. Люлька-Сатурн" и "Рыбинскими моторами".
На ММПП "Салют" создано собственное КБ, в которое влилось КБ "Гранит". К заводу присоединился и институт НИИД. В результате образовалась мощная конструкторская и технологическая база, есть и отлаженное, сертифицированное производство. Если этих трех составляющих не будет, то и идея о создании новой, наукоемкой продукции в заданные сроки с высоким качеством и с минимальными затратами станет мечтой идеалиста.
Сегодня ФГУП "ММПП "Салют" - это и завод, и КБ, и большой институт одновременно. И только так следует подходить к созданию новых двигателей. Наличие этих составляющих дает возможность претендовать на создание чего-то нового. В противном случае потребуются большие деньги, громадные сроки, а вероятность успешного создания двигателя, отвечающего высоким требованиям по надежности, ресурсу и т.д., будет минимальной. Сейчас главное - не упустить время.
Следует понимать, что технология - это только часть проблем, стоящих перед разработчиками при создании двигателя нового поколения. Но ей принадлежит главная, основная, ведущая роль среди всех составляющих при создании ГТД.
К примеру, сегодня широко используется вычислительная техника, созданы современные методики расчетов, проектирования. На "Салюте" у конструкторов нет кульманов. Все расчеты от обвязки двигателя до расчетов газодинамического тракта выполняются на компьютерах. Можно сказать, что конструкторский труд на 100 % автоматизирован. Это позволяет в разы сократить сроки создания новых изделий и значительно снижает вероятность совершения каких-либо ошибок и принятия неоптимальных решений при проектировании узлов двигателя.
К сожалению, сегодня пока нет возможности в такой степени автоматизировать разработку новых технологических процессов. А задача определена: требуется найти такие технологии, которые позволили бы создать двигатель, способный конкурировать на любом рынке. С молотком и зубилом этого сделать невозможно.
Основных направлений совершенствования параметров двигателя и, соответственно, технологических процессов достаточно много. Например, считается, что температура газов перед турбиной двигателя пятого поколения должна быть доведена до 1900…2000 К (есть мнение о целесообразности еще большего ее повышения). Но лопаток, способных работать при таких температурах, не существует. Новый двигатель будет и более теплонапряженным. Это обусловлено и прямым повышением температуры газов перед турбиной, и тем, что из-за роста удельных параметров еще больше возрастают нагрузки на отдельные элементы, детали и узлы. Раньше решение проблемы искали в применении новых материалов, новых покрытий и различных способов упрочнения. Сегодня этого недостаточно. Почти все элементы таблицы Менделеева уже перепробованы, в том числе и редкоземельные. Необходим переход к принципиально новым материалам, таким как керамика, необходимы новые открытия в физике и химии, такие, например, как самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Основные направления создания перспективных технологических процессов можно разделить на несколько групп. К одним можно отнести совершенствование технологий изготовления отдельных элементов конструкции двигателя, таких как лопатки турбины и компрессора, камеры сгорания и т.д. Другая группа охватывает технологии, которые связаны с заготовительным производством и контролем точности. Здесь особо следует отметить роль информационных технологий, которые пронизывают всю структуру производства и без которых оно уже эффективно существовать не может.
В короткой статье невозможно подробно остановиться на каждой проблеме, поэтому ограничимся кратким описанием того, что удалось достичь и в каком направлении следует искать пути решения проблем.
1. Лопатки турбины. Из перспективных технологических процессов, обеспечивающих возможность длительной работы лопаток компрессора при высокой температуре, можно выделить метод направленной кристаллизации и монокристаллическое литье. Повышение температурного градиента на фронте кристаллизации до 200 °С/см, по данным ВИАМ, уменьшает размер жидко-твердой области, что обеспечивает получение более однородной, тонкодендритной структуры с меньшей дендритной ликвацией, меньшим размером упрочняющих фаз и выделенной g/g’-эвтектики, меньшей пористостью. Все это повышает усталостную прочность литейных никелевых сплавов на 15…20 %. К критическим технологиям в производстве лопаток можно также отнести обработку рабочих поверхностей замка методом глубинного шлифования, получение охлаждающих отверстий малого диаметра и большой глубины методом струйной электроэрозионной обработки, защиту наружных и внутренних поверхностей лопаток от газовой коррозии и воздействия высоких температур путем нанесения современных покрытий.
И вместе с тем, для того, чтобы выйти на более высокие температуры, требуется повышение эффективности охлаждения лопаток благодаря применению проникающего (транспирационного) охлаждения, что позволит увеличить температуру газа перед турбиной до 2200 К.
Еще одним направлением обеспечения ресурса охлаждаемых лопаток турбин является использование защитных покрытий, которые предохраняют поверхность внутренней полости и внешней поверхности от высокотемпературного окисления. Предстоит разработать новые способы комплексного легирования, обеспечивающие одностадийный процесс формирования покрытий. В настоящее время одним из таких методов является метод газовых циркуляционных покрытий, который может применяться для защиты поверхности охлаждающих отверстий лопаток с конвективно-пленочным и проникающим охлаждением.
2. Лопатки компрессора. Одним из направлений совершенствования технологии производства лопаток компрессора, имеющих длину пера до 140 мм, можно считать штамповку "в размер". Последующей механической обработке подвергается только хвостовик лопатки на станках с ЧПУ. Это на сегодня самая дешевая технология. Альтернативой данной технологии является электрохимическая обработка пера, причем пера с большой закруткой и широким профилем. Трудоемкость изготовления лопатки по этой технологии сопоставима со штамповкой.
3. Зубчатые колеса. Это третьи по значимости и нагруженности детали двигателя, от качества которых зависит ресурс двигателя. Точность изготовления шестерен достигла 4 и 5 степени, но надежность их работы зависит от состояния поверхностного слоя, который в основном формируется в процессе химико-термической обработки. Радикальным средством улучшения качества зубчатых колес и повышения ресурса их работы является применение новых высокоэффективных технологических процессов:
- глубинного шлифования - нового процесса зубонарезания и финишной обработки зубчатых колес;
- ионной химико-термической обработки, включающей процессы ионной цементации и нитроцементации, а также ионного азотирования. При такой обработке резко повышаются несущие свойства поверхности зубчатых колес.
Немаловажное значение при изготовлении зубчатых колес для редуктора двигателя имеет и применяемое оборудование. Раньше для изготовления одного редуктора требовалось до десяти единиц оборудования и 12 рабочих. А так как коробка имеет более 1500 мерных размеров, то здесь существовала возможность совершения ошибки. По новой технологии используется только одна единица технологического оборудования и один оператор. А это еще один технологический способ обеспечения качества зубчатых передач.
4. Механическая обработка. Более 60 % трудоемкости изготовления двигателя четвертого поколения составляет механическая обработка. Это наиболее длительные и трудоемкие процессы, через которые проходят практически все детали. И здесь заложен главный резерв в повышении эффективности производства. К основным направлениям следует отнести автоматизацию механической обработки (на заводе 600 единиц различного оборудования с ЧПУ) и максимальную концентрацию операций на одном рабочем месте. Уже существуют машинные центры, на которых деталь обрабатывается точением (причем возможна обработка одновременно двумя резцами по разным программам), фрезерованием, сверлением, шлифованием.
Сегодня оборудование определяет не только технологию изготовления двигателя, но и его конструкцию. Только наличие станка Turboblisk фирмы Liechti позволило приступить к проектированию и изготовлению моноколес нового компрессора двигателя АЛ-31ФМ.
Во многих случаях целесообразна замена механической обработки электроэрозионной или электрохимической, лазерной или плазменной. Как уже неоднократно упоминалось, все это оборудование оснащено ЧПУ. Широкое применение оборудования с ЧПУ хорошо вписывается в общую стратегию компьютеризации производства. Это обеспечивает кратчайший путь от мысли конструктора через проектно-конструкторские работы, технологическую подготовку производства непосредственно к изготовлению продукции и контролю параметров на измерительных машинах. В перспективе можно говорить о внедрении компьютерной сборки и автоматических испытаниях двигателей (на испытательной станции не будет моториста, двигающего РУД).
5. Упрочнение и покрытия. Этот вид обработки необходим для того, чтобы помочь материалу деталей выдержать большие нагрузки и температуры. Диффузионные, кондиционные и комбинированные покрытия уже позволили решить некоторые проблемы, но нерешенных задач еще очень много, и для движения вперед необходимо привлечение академических институтов РАН.
6. Неразъемные соединения. На современном двигателе общая протяженность сварных соединений составляет от сотен метров до нескольких километров. К основным требованиям к таким соединениям можно отнести равнопрочность (иногда и более высокую прочность шва) и качество. Определенную сложность на сегодня представляет контроль качества сварных соединений. Необходим поиск новых способов получения неразъемных соединений, а также совершенствование технологии существующих, например, сварки трением.
7. Совершенствование методов контроля точности изготовления. На двигателе столь большое количество размеров, что их вручную проконтролировать невозможно. Да и человеческий фактор необходимо исключить. В этих случаях только применение координатно-измерительных машин, создание лабораторий для измерения всех деталей в процессе их производства позволит повысить качество и поднять производственную дисциплину.
8. Разработка новых материалов. Для изготовления целого ряда деталей двигателя пятого поколения требуются новые уникальные материалы, обладающие заранее заданными свойствами, причем разными в разных точках детали, например по теплопроводимости или по твердости. Это возможно при использовании новых технологий, в том числе и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. У этого направления хорошие перспективы, так как из материалов, полученных в результате СВС, возможно получение, например, керамических лопаток. Эти же технологии позволяют получать специальные порошки, которые при их нанесении на детали могут резко повысить температурную стойкость.
9. Новые виды обработки. Свойства и качества деталей определяются не только механической обработкой, но и термообработкой, химико-термической обработкой, вакуумной термообработкой, ионными процессами химико-термического упрочнения детали.
Еще одним направлением получения новых свойств деталей является использование порошковой и гранульной металлургии. Перспективно внедрение специальных станов для горячей раскатки дисков, при этом получается иная структура материала диска и повышаются прочностные характеристики материала диска. Немаловажно и то, что при этом повышается коэффициент использования металла.
К новым методам обработки следует отнести и электроэрозионные и электрохимические методы. Основным их достоинством является то, что при этом возможна обработка деталей из материалов, твердость которых практически не уступает твердости инструмента. Первоначально электроэрозия в основном и использовалась в инструментальном производстве. Теперь она все чаще используется в основном производстве. Ранее уже упоминалось применение электроэрозии для прошивки в лопатках турбины охлаждающих отверстий малого диаметра и большой глубины. Причем современные электроэрозионные станки оснащены системами ЧПУ.
10. Информационные технологии. Этот вид технологии, по сути своей, не должен стоять последним в перечне. Как уже упоминалось, информационная технология существует на каждом этапе жизненного цикла двигателя. А на этапе создания двигателя пятого поколения роль информационных технологий возрастает многократно.
В последнее время информационные технологии развиваются чрезвычайно быстро. Причем развитие идет по нескольким путям. Это и появление все более мощных компьютерных систем, это и появление всевозможных программ, охватывающих все этапы жизненного цикла двигателя. Сюда же можно отнести и рост мощности компьютерной сети предприятий. Например, если в 1996 г. на заводе "Салют" было всего 50 персональных компьютеров, то к началу 2003 г. их насчитывалось более 2500.
В этой статье перечислена незначительная часть стоящих перед двигателестроителями проблем, связанных с освоением новых технологий при создании двигателя пятого поколения. Некоторые из них уже близки к разрешению, для решения других нащупываются пути, но есть и те, над которыми предстоит серьезно поработать. В одиночку ни одному предприятию России с этим не справиться, необходимо объединение интеллектуальных и финансовых ресурсов. Московский завод "Салют" готов к такому сотрудничеству и призывает другие предприятия и организации включиться в эту сложную, но крайне важную работу.
Только концентрация усилий предприятий и КБ, финансовых и интеллектуальных возможностей при непременном условии поддержки государства позволит в кратчайший срок ликвидировать наметившееся отставание в создании двигателей нового поколения.

Рабочие места одного из заводских КБ