ЧТО НАДО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

ФГУП "ММПП"Салют": Юрий Сергеевич Елисеев, генеральный директор, д.т.н., профессор
Валентин Владимирович Крымов, директор по науке, д.т.н., профессор

Несомненно, успешное выполнение современных требований к двигателям летательных аппаратов обеспечит повышение их удельных параметров. А вот пути решения этих задач крайне разнообразны: от широкого применения композиционных, конструкционных и жаропрочных материалов с новыми свойствами до перехода на новые технологии, в том числе, как теперь принято говорить, нанотехнологии.

Анализ развития двигателей для реактивной авиации, начиная с двигателей первого поколения ТР-1 и РД-45, показывает, что повышение параметров двигателя (как абсолютных, так и удельных) обеспечивалось постоянным ростом ?к и Тг* и связанным с этим применением более жаропрочных сплавов, а затем и охлаждаемых турбинных лопаток. Переход на новые материалы и конструкцию турбинных лопаток привел к значительному росту трудозатрат. В современных условиях с этим нельзя мириться. Вопрос экономии всех ресурсов выдвигается на первое место.

В общем можно сказать, что двигатель нового - пятого поколения должен отличаться от своего предшественника следующим: значительным улучшением удельных параметров; увеличением ресурса, 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.

И, в-четвертых, из-за отставания по некоторым направлениям от западных фирм следует сжимать сроки разработки, интенсифицировать поиск новых материалов и технологий. 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 конструкторский труд на 100 % автоматизирован. Это позволяет сократить сроки, значительно снижает вероятность ошибок и принятия неоптимальных решений.

К сожалению, сегодня пока нет возможности в такой степени автоматизировать разработку новых технологических процессов.
Как уже отмечалось, среди основных направлений совершенствования параметров двигателя - повышение температуры газов перед турбиной двигателя пятого поколения до 1900…2000 К. Но лопаток, способных работать при таких температурах (а есть мнение о целесообразности еще большего ее повышения), не существует. Да и повышение температуры газов перед турбиной с одновременным ростом удельных параметров приведет к еще большим нагрузкам на отдельные элементы, детали и узлы, т.е. новый двигатель будет и более теплонапряженным.

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 некоторых проблем.

1. Лопатки турбины. Из перспективных технологических процессов, обеспечивающих возможность длительной работы лопаток турбины 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.
Специалисты в конце прошлого века предполагали, что с 2005 г. удастся изготовить турбинные лопатки из интерметаллидов, но, к сожалению, эта технология так и не была реализована. Одновременно шло создание новых жаропрочных материалов, в которых в той или иной комбинации присутствовали почти все элементы таблицы Менделеева, в том числе и редкоземельные.

И все же, для того, чтобы выйти на более высокие температуры, требуется повышение эффективности охлаждения лопаток (проникающее или транспирационное), 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 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.

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. Альтернативой данной технологии является электрохимическая обработка пера.

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.

Немаловажное значение при изготовлении зубчатых колес для редуктора двигателя имеет и применяемое оборудование. Раньше для изготовления одного корпуса редуктора (1500 мерных размеров) требовалось до десяти единиц оборудования и 12 рабочих. По новой технологии используется только одна единица технологического оборудования и один оператор.

4. Механическая обработка составляет более 60 % трудоемкости изготовления двигателя четвертого поколения. 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 новых компрессоров двигателей АЛ-31ФМ и АИ-222-25.

Во многих случаях целесообразна замена механической обработки электроэрозионной или электрохимической, лазерной или плазменной. В перспективе можно говорить о внедрении технологии компьютерной сборки и автоматических испытаниях двигателей (на испытательной станции не будет моториста, двигающего РУД).

5. Упрочнение и покрытие. 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.
Что касается упрочнения материала турбинных лопаток, то в последние годы удалось отработать процесс горячего изостатического прессования, благодаря которому пропали макро- и микропористость лопаток турбин. Испытания образцов на малоцикловую усталость показало, что число циклов до разрушения увеличилось на два порядка. Тем не менее, нерешенных задач еще очень много, и для движения вперед необходимо привлечение академических институтов РАН.

6. 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 (СВС). У этого направления хорошие перспективы, так как из материалов, полученных в результате СВС, возможно получение, например, керамических лопаток.

7. 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 его прочностные характеристики.

8. Наноматериалы. В последние годы прогресс в совершенствовании композитов и других материалов связывают с исследованиями в области наноструктурированных материалов и технологий. Перспективы их использования оказались столь значительными, что ученые и инженеры многих специальностей увидели в этом феномене отчетливые признаки новой научно-технической революции.
Особые свойства материи на наномасштабном уровне проявляются в силу того, что размеры частиц становятся сравнимы с масштабами таких физических величин, как средний пробег электрона в металлах. При изготовлении из наноматериалов только крепежа и кронштейнов можно снизить массу двигателя на 100…200 кг.

9. Информационные технологии. Этот вид технологии, по сути своей, не должен стоять последним в перечне. Как уже упоминалось, информационные технологии сопровождают каждый этап жизненного цикла двигателя. А на этапе создания двигателя пятого поколения роль информационных технологий возрастает многократно. Если в 1996 г. на заводе "Салют" было всего 50 персональных компьютеров, то к началу 2007 г. их насчитывалось более 4500; важным является широкое внедрение современного оборудования с ЧПУ.

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. Есть и те, над которыми предстоит серьезно поработать. В одиночку ни одному предприятию России с этим не справиться, необходимо объединение интеллектуальных и финансовых ресурсов. ММПП "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.