ЖУРНАЛ "ДВИГАТЕЛЬ" В НАЧАЛЕ ДВУХ ВЕКОВ

Редакция журнала "Двигатель" продолжает публикацию выступлений участников Круглого стола, состоявшегося в апреле этого года и посвященного 100-летию журнала. Сегодня "слово" предоставляется Валентину Владимировичу Крымову, директору по науке ФГУП "ММПП "Салют", д.т.н.

В начале прошлого века, буквально за год до создания завода "Гном", в журнале "Двигатель" была опубликована статья о перспективах создания работоспособного газотурбинного двигателя. В этой публикации утверждалось о невозможности создания компрессора и турбины такого двигателя, и поэтому редакция журнала обещала к теме создания ГТД больше не возвращаться. Как мы видим, тогдашняя редакция поспешила. Сейчас ГТД работают и в воздухе, и на земле.

Московский завод "Салют" был одним из первых предприятий в нашей стране, кому было поручено освоение газотурбинного двигателя. Вначале это был двигатель ТР-1, а затем РД-45, ставший одним из самых массовых реактивных двигателей. Ведь именно РД-45 устанавливался на знаменитый МиГ-15. Но это были двигатели первого поколения. Затем завод выпускал двигатели второго, третьего и четвертого поколения. Сейчас специалисты Московского машиностроительного промышленного предприятия "Салют" работают над совершенствованием двигателя АЛ-31Ф и доведением его параметров до значений, соответствующих двигателям пятого поколения.

Чем же отличаются двигатели разных поколений, особенно пятого, от его предшественников?

Анализ развития ГТД для реактивной авиации, начиная с двигателя первого поколения РД-45, показывает, что повышение параметров двигателя (как абсолютных, так и удельных) обеспечивалось постоянным ростом степени повышения давления в компрессоре и температуры газов перед турбиной и связанным с этим применением более жаропрочных сплавов, а затем и охлаждаемых турбинных лопаток.

В общем, можно сказать, что двигатель нового - пятого поколения должен отличаться от своего предшественника следующим:

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 отставания по некоторым направлениям от западных фирм следует сокращать 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.

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. Тем не менее, поиск таких технологий, которые позволили бы создать двигатель, способный конкурировать на любом рынке, осуществляется постоянно.

Как уже отмечалось, среди основных направлений совершенствования параметров двигателя находится 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.

Итак, чего же удалось достичь и в каком направлении следует искать пути решения некоторых проблем?

Во-первых, главные усилия должны быть направлены на разработку новых технологий производства лопаток турбин. Из перспективных технологических процессов, обеспечивающих возможность длительной работы лопаток при высокой температуре, можно выделить метод направленной кристаллизации и монокристаллическое литье. Повышение температурного градиента на фронте кристаллизации обеспечивает получение более однородной, тонкодендритной структуры с меньшей дендритной ликвацией, меньшей пористостью. Все это повышает усталостную прочность литейных никелевых сплавов на 15…20 %.

В конце прошлого века специалисты 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. Наиболее эффективным оказалось присутствие рения и рутения. Известно, что использование рения в качестве легирующего элемента приводит к повышению рабочей температуры рабочей лопатки, но при этом возможно возникновение топологически плотноупакованных фаз. Эту проблему удалось решить путем введения еще одного редкоземельного элемента - рутения. Рений-рутеневые сплавы при изготовлении турбинных лопаток не только обеспечат более высокие параметры у перспективных ГТД, но и гарантируют повышение ресурса.

И все же, для того, чтобы выйти на более высокие температуры, требуется повышение эффективности охлаждения лопаток путем применения проникающего (транспирационного) охлаждения, что позволит увеличить температуру газа перед турбиной до 2200 К. Напомню, что лопатки двигателя первого поколения выдерживали 1100 К, второго - 1275 К, третьего - 1450 К, четвертого - 1680 К.
Еще одним направлением обеспечения ресурса охлаждаемых лопаток турбин является использование защитных покрытий, которые предохраняют поверхность внутренней полости и внешнюю 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, который может применяться для защиты поверхности охлаждающих отверстий лопаток с конвективно-пленочным и проникающим охлаждением.

Другим важным направлением является совершенствование технологий производства лопаток компрессора. Например, лопатки компрессора, имеющие длину пера до 140 мм, можно штамповать "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.

Третьей по значимости и нагруженности деталью двигателя, от качества которой зависит ресурс двигателя, является зубчатое колесо. 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.

Кстати, современное оборудование определяет не только технологию изготовления двигателя, но и его конструкцию. Так, наличие станка Turboblisk фирмы Liechti позволило приступить к проектированию и изготовлению моноколес нового компрессора двигателя АЛ-31ФМ.

Механическая обработка в общих трудозатратах на изготовление двигателя четвертого поколения составляет более 60 %. И здесь есть резерв для повышения эффективности производства. Во многих случаях целесообразна замена механической обработки электроэрозионной или электрохимической, лазерной или плазменной. А 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.

Сейчас остро стоит проблема поиска 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.

В современных условиях тесно связаны новые материалы и новые виды обработки. Причем свойства и качества деталей определяются и механической обработкой, и последующей 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 электроэрозионные и электрохимические методы. Основным их достоинством является то, что при этом возможна обработка деталей из материалов, твердость которых практически не уступает твердости инструмента.
Вот лишь 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.
И мы благодарны коллективу журнала "Двигатель" за ту большую работу, которую он проводит по объединению всех двигателестроителей во имя укрепления России.