Главная » Освещение » Производство моноколёс и крыльчаток газотурбинных двигателей. Разработка групповых технологий изготовления главных деталей гтд

Производство моноколёс и крыльчаток газотурбинных двигателей. Разработка групповых технологий изготовления главных деталей гтд

Изобретение относится к литейному производству. Лопатку газотурбинного двигателя выполняют литьем по выплавляемым моделям. Лопатка содержит перо 4, на конце которого находится пятка 5, выполненная в виде единой детали с пером. Пятка содержит площадку 5а, в которой выполнены первая ванночка 12 с радиальными поверхностями 13 и дном 14. Ванночка 12 уменьшает толщину пятки. В первой ванночке на уровне зоны сопряжения 15 между пером и пяткой выполнена вторая ванночка 16, что позволяет осуществлять заливку металла в оболочковую форму только в одной точке. За счет равномерного распределения металла предотвращается образование пористости в лопате. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2477196

Настоящее изобретение касается металлической лопатки, изготовленной литьем, и способа ее изготовления.

Газотурбинный двигатель, например турбореактивный двигатель, содержит вентилятор, одну или несколько ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбины и сопло. Газы приводятся в движение роторами вентилятора, компрессора и турбины, благодаря наличию радиальных лопаток, закрепленных на периферии роторов.

Понятия внутреннего, наружного, радиального, переднего или заднего положения или расположения следует рассматривать по отношению к главной оси газотурбинного двигателя и к направлению потока газов в этом двигателе.

Подвижная лопатка турбины содержит ножку, которой ее крепят к диску ротора, площадку, образующую элемент внутренней стенки, ограничивающей газовоздушный тракт, и перо, которое расположено в основном вдоль радиальной оси и обдувается газами. В зависимости от двигателя и ступени турбины на своем конце, удаленном от ножки, лопатка заканчивается элементом, поперечным к основной (главной) оси пера, называемым пяткой, которая образует элемент наружной стенки, ограничивающей газовоздушный тракт.

На наружной поверхности пятки выполнены одна или несколько радиальных пластинок или гребешков, образующих вместе с находящейся напротив стенкой статора лабиринтную прокладку, обеспечивающую герметичность по отношению к газам; для этого, как правило, упомянутую стенку статора выполняют в виде кольца из истираемого материала, об которое трутся пластинки. Пластинки содержат переднюю сторону и заднюю сторону, расположенные поперечно к газовому потоку.

Лопатка может быть моноблочной, то есть ножка, площадка, перо и пятка выполнены в виде единой детали. Лопатку выполняют способом литья, называемым «литьем по выплавляемым моделям» и хорошо известным специалистам. В этом способе:

Предварительно из воска выполняют модель лопатки;

Модель погружают в огнеупорный керамический шликер, который после обжига образует оболочку;

Воск расплавляют и удаляют, что позволяет получить «оболочковую форму» из огнеупорного материала, внутренний объем которой определяет форму лопатки;

В оболочковую форму заливают расплавленный металл, при этом несколько оболочковых форм объединяют в блок для одновременного разлива металла;

Оболочковую форму разбивают, что позволяет получить металлическую лопатку.

В точках заливки металла в форму на отливаемой в форме металлической лопатке образуются металлические наросты относительно большой толщины, которые необходимо подвергнуть механической обработке после формования лопатки. Как правило, заливку металла производят на уровне пятки лопатки. Диаметр канала заливки и, следовательно, образующегося впоследствии нароста является значительным, причем заливка происходит вблизи пластинок лабиринтной прокладки, которые имеют небольшую толщину; в результате, если предусмотрена только одна точка заливки, происходит плохое распределение металла в оболочковой форме, и возникают проблемы пористости лопатки, в частности, на уровне ее пластинок.

Эту проблему можно решить, предусмотрев два входа заливки, при этом соответственно уменьшается диаметр каналов заливки. Таким образом, вместо одного канала заливки большого диаметра получают два канала заливки меньшего диаметра, удаленные друг от друга, что обеспечивает лучшее распределение металла и позволяет избежать проблем пористости.

Тем не менее желательно решать указанные проблемы пористости, сохраняя только одну точку заливки.

В этой связи объектом изобретения является лопатка газотурбинного двигателя, выполненная литьем, содержащая перо, на конце которого находится пятка, выполненная в виде единой детали с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, а в площадке выполняют первую ванночку, отличающаяся тем, что в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку.

Наличие одной ванночки в другой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой позволяет избежать слишком большого утолщения в этой зоне и во время формования лопатки литьем обеспечивает лучшее распределение жидкого металла в форме. Улучшенное распределение жидкого металла в форме позволяет применять способ формования литьем с единственной точкой заливки металла. Преимуществом изготовления лопатки с одной точкой заливки является исключительная простота оболочковой формы и, в случае необходимости, блока оболочковых форм; стоимость изготовления лопаток снижается, тогда как их качество повышается.

Кроме того, оптимизируется количество материала на уровне пятки, что снижает массу и стоимость лопатки.

Кроме того, оптимизируются механические напряжения на пятку и/или на перо, и они лучше поглощаются лопаткой, поскольку достигается лучшее распределение массы.

Предпочтительно, чтобы первая ванночка была ограничена радиальными поверхностями и дном и вторая ванночка была выполнена в дне первой ванночки.

Предпочтительно также, чтобы вторая ванночка была выполнена по главной оси лопатки напротив зоны сопряжения между пяткой и пером.

Целесообразно, чтобы перо лопатки было образовано сплошной стенкой и содержало в зоне сопряжения изогнутые поверхности, вторая ванночка содержала изогнутые радиальные поверхности и поверхность дна и чтобы при этом изогнутые радиальные поверхности второй ванночки были расположены по существу параллельно изогнутым поверхностям пера в зоне сопряжения, что обеспечивает по существу постоянную толщину лопатки в зоне сопряжения.

Объектом изобретения является также турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну турбину в соответствии с настоящим изобретением.

Объектом изобретения является также способ изготовления лопатки газотурбинного двигателя, содержащий следующие этапы:

Выполняют восковую модель лопатки, содержащую перо, на конце которого выполняют пятку, образующую единую деталь с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполняют, по меньшей мере, одну уплотнительную пластинку, при этом в площадке выполняют первую ванночку, в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполняют вторую ванночку,

Лопатку из воска погружают в огнеупорный шликер,

Выполняют оболочковую форму из огнеупорного материала,

В оболочковую форму через единственный вход заливки заливают расплавленный металл,

Оболочковую форму разбивают и получают лопатку.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения лопатки в соответствии с настоящим изобретением и способа ее изготовления со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает схематичный вид сбоку лопатки турбины в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 - вид в изометрии спереди наружной стороны пятки лопатки.

Фиг. 3 - вид в разрезе лопатки по плоскости III-III фиг. 1.

Фиг. 4 - вид в изометрии сбоку наружной стороны пятки лопатки.

Как показано на фиг. 1, лопатка 1 в соответствии с настоящим изобретением выполнена в основном по главной оси А, которая является по существу радиальной по отношению к оси В газотурбинного двигателя, содержащего лопатку 1. В данном случае речь идет о лопатке турбины турбореактивного двигателя. Лопатка 1 содержит ножку 2, находящуюся с внутренней стороны, площадку 3, перо 4 и пятку 5, которая расположена с наружной стороны. Пятка 5 сопрягается с пером 4 в зоне 15 сопряжения. Ножка 2 предназначена для установки в гнезде ротора для крепления на этом роторе. Площадка 3 выполнена между ножкой 2 и пером 4 и содержит поверхность, расположенную поперечно по отношению к оси А лопатки 1, образуя элемент стенки, ограничивающей газовоздушный тракт своей внутренней стороной; указанная стенка образована всеми площадками 3 лопаток 1 рассматриваемой ступени турбины, которые примыкают друг к другу. Перо 4 в основном расположено вдоль главной оси А лопатки 1 и имеет аэродинамическую форму, соответствующую ее назначению, как известно специалистам. Пятка 5 содержит площадку 5а, которая выполнена на наружном конце пера 4 по существу поперечно к главной оси А лопатки 1.

Как показано на фиг. 2 и 4, площадка пятки 5 содержит передний край 6 и задний край 7, направленные поперечно по отношению к газовому потоку (поток проходит в основном параллельно оси В турбореактивного двигателя). Эти два поперечных края, передний 6 и задний 7, соединены двумя боковыми краями 8, 9, которые имеют Z-образный профиль: каждый боковой край 8, 9 содержит два продольных участка (8а, 8b, 9а, 9b соответственно), соединенные между собой участком 8", 9" соответственно, который является по существу поперечным или выполнен, по меньшей мере, под углом по отношению к направлению газового потока. Именно вдоль боковых краев 8, 9 пятка 5 входит в контакт с пятками двух смежных лопаток на роторе. В частности, для амортизации вибраций, которым они подвергаются во время работы, лопатки устанавливают на диске в основном с напряжением кручения вокруг их главной оси А. Пятки 5 выполнены таким образом, чтобы лопатки подвергались напряжению кручения при опоре на соседние лопатки вдоль поперечных участков 8", 9" боковых краев 8, 9.

Начиная от наружной поверхности площадки 5а пятки 5 выполнены радиальные пластинки 10, 11 или гребешки 10, 11, в данном случае в количестве двух; можно также предусмотреть только одну пластинку или более двух пластинок. Каждая пластинка 10, 11 выполнена поперечно к оси В газотурбинного двигателя, начиная от наружной поверхности площадки пятки 5, между двумя противоположными продольными участками (8а, 8b, 9a, 9b) боковых краев 8, 9 пятки 5.

Площадка 5а пятки 5 в основном выполнена под радиальным углом по отношению к оси В газотурбинного двигателя. Действительно, в турбине сечение газовоздушного тракта увеличивается от входа к выходу, чтобы обеспечивать расширение газов; таким образом, площадка 5а пятки 5 удаляется от оси В газотурбинного двигателя от входа к выходу, при этом ее внутренняя поверхность образует наружную границу газовоздушного тракта.

В площадке 5а пятки 5 выполняют (за счет конфигурации литейной формы) первую ванночку 12. Эта первая ванночка 12 является полостью, образованной периферическими поверхностями 13, образующими бортик, которые выполнены начиная от наружной поверхности площадки 5а и соединяются с поверхностью 14, образуя дно 14 ванночки 12. Периферические поверхности 13 расположены по существу радиально и в данном случае являются изогнутыми с внутренней стороны, образуя сопряжение между наружной поверхностью площадки 5а и поверхностью дна 14 ванночки 12. Эти изогнутые радиальные поверхности 15 в основном расположены параллельно боковым краям 8, 9 и поперечным краям 6, 7 площадки 5а пятки 5, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1). Некоторые зоны пятки 5 могут не содержать таких радиальных поверхностей 13, и в этом случае поверхность дна 14 ванночки 12 выходит непосредственно на боковой край (см. край 9а на фиг. 2) (следует отметить, что на фиг. 4 эти зоны не находятся в этом же месте).

Ванночка 12 такого типа уже использовалась в известных лопатках. Ее функцией является облегчение пятки 5 при сохранении ее механических свойств: толщина площадки 5а пятки 5 является значительной вблизи боковых краев 8, 9, боковые поверхности которых, находящиеся в контакте со смежными лопатками, подвергаются сильным напряжениям во время вращения лопатки 1, тогда как центральная часть площадки 5а пятки 5, которая подвергается меньшим напряжениям, выполнена с углублением, образующим первую ванночку 12.

Кроме того, пятка содержит ванночку 16 в первой ванночке 12, в дальнейшем называемую второй ванночкой 16. Вторая ванночка 16 выполнена на уровне зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. В частности, вторая ванночка выполнена по главной оси А лопатки 1 напротив зоны 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4.

Вторая ванночка 16 представляет собой полость, образованную периферическими поверхностями 17, образующими бортик, которые соединяют поверхность дна 14 первой ванночки 12 с поверхностью 18, образующей дно второй ванночки 16 (и находящейся с внутренней стороны по отношению к поверхности дна 14 первой ванночки 12). Периферические поверхности 17 расположены по существу радиально, в данном случае являются изогнутыми с наружной и внутренней сторон, образуя сопряжение между поверхностью дна 14 первой ванночки 14 и поверхностью дна 18 второй ванночки 16. Эти изогнутые радиальные поверхности 17 являются по существу параллельными поверхностями пера 4, следуя их форме, если смотреть сверху (по главной оси А лопатки 1) (см. фиг. 4).

Вторую ванночку 16 выполняют во время формования литьем (иначе говоря, конфигурации оболочковой формы, позволяющая формовать лопатку 1, адаптирована для формования такой ванночки 16). Лопатку выполняют путем литья по выплавляемым восковым моделям, как было указано выше в описании.

Наличие второй ванночки 16 позволяет избежать чрезмерной толщины в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. За счет этого во время заливки металла в оболочковую форму металл распределяется более равномерно, что позволяет избежать образования пористости, даже если металл заливают только в одной точке заливки.

Таким образом, лопатку 1 можно выполнить при помощи способа литья по выплавляемым моделям с единственным входом для заливки жидкого металла для каждой оболочковой формы, и такой способ является более простым и дешевым. Если формы объединены в блоки, способ оказывается еще более простым. Кроме того, за счет заливки в оболочковую форму через единственный вход заливки изготовленная лопатка содержит только один остаточный нарост, который удаляют путем механической обработки. Механическая обработка такой детали является более простой.

Кроме того, масса и, следовательно, стоимость лопатки 1 уменьшаются за счет наличия второй ванночки 16, тогда как напряжения на пятку 5, а также напряжения на перо 4 лучше распределяются и, следовательно, лучше воспринимаются лопаткой 1.

В данном случае перо 4 выполнено в виде сплошной стенки, то есть без охлаждения при помощи рубашки или полости, выполненной в толщине ее стенки. Предпочтительно, чтобы периферические поверхности 17 и поверхность дна 18 второй ванночки 16 выполнялись таким образом, чтобы толщина лопатки 1 была по существу постоянной в зоне 15 сопряжения между пяткой 5 и пером 4. Этот отличительный признак хорошо виден на фиг. 3. В частности, если обозначить 15а, 15b изогнутые поверхности пера 4 на уровне зоны 15 сопряжения между пером 4 и пяткой 5, то на фиг. 3 видно, что изогнутые радиальные поверхности 17 второй ванночки 16 выполнены по существу параллельно изогнутым поверхностям 15а, 15b пера 4, напротив которых она находятся. В представленном варианте выполнения радиус изогнутых радиальных поверхностей 17 второй ванночки 16 не идентичен радиусу находящихся напротив изогнутых поверхностей 15а, 15b пера 4, но тем не менее эти поверхности по существу являются параллельными.

Часть второй ванночки 16, находящаяся на фиг. 3 слева, отличается непрерывностью криволинейной формы без какого-либо плоского участка между изогнутой радиальной поверхностью 13 первой ванночки 12, дном 14 первой ванночки 12 и изогнутой радиальной поверхностью 17 второй ванночки 16. Вместе с тем, на части второй ванночки 16, находящейся на фиг. 3 справа, четко просматривается каждый из этих участков. Выполнение между ними разных участков в рассматриваемой зоне (в разрезе) зависит от положения поверхностей пятки 5 по отношению к поверхностям пера 4.

Изобретение описано для подвижной лопатки турбины. Вместе с тем, по сути оно может применяться для любой лопатки, выполняемой путем литья и содержащей перо, на конце которого выполняют пятку в виде единой детали с пером.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Лопатка газотурбинного двигателя, выполненная литьем, содержащая перо, на конце которого находится пятка, выполненная в виде единой детали с пером, с которым она соединяется на уровне зоны сопряжения, при этом пятка содержит площадку, на которой выполнена, по меньшей мере, одна уплотнительная пластинка, и в площадке выполнена первая ванночка, отличающаяся тем, что в первой ванночке на уровне зоны сопряжения между пером и пяткой выполнена вторая ванночка.

2. Лопатка по п.1, в которой первая ванночка ограничена радиальными поверхностями и дном, и вторая ванночка выполнена в дне первой ванночки.

3. Лопатка по п.1, в которой вторая ванночка выполнена по главной оси (А) лопатки напротив зоны сопряжения между пяткой и пером.

4. Лопатка по п.3, в которой перо образовано сплошной стенкой и содержит в зоне сопряжения изогнутые поверхности, и вторая ванночка содержит изогнутые радиальные поверхности и поверхность дна, при этом изогнутые радиальные поверхности второй ванночки расположены, по существу, параллельно изогнутым поверхностям пера в зоне сопряжения, что обеспечивает, по существу, постоянную толщину лопатки в зоне сопряжения.

5. Турбина, содержащая, по меньшей мере, одну лопатку по п.1.

6. Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну турбину по п.5.

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа.

Реактивная авиация, которая начала создаваться с 1940-х годов, потребовала разработки нового типа двигателя. Получившие наиболее широкое применение газотурбинные реактивные двигатели произвели революцию в авиационной технике.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Лопатки газовой турбины реактивного двигателя работают в очень тяжелых условиях: их обтекает поток раскаленных газов из камер сгорания.

Охлаждающий воздух, поданный со стороны оси турбины в каналы лопатки, выходит из ее торца.

Стержни-закладки, которые помещают в форму для отливки лопатки газовой турбины. После охлаждения заготовки стержни растворяют и в готовой лопатке остаются каналы для пропускания охлаждающего воздуха.

Воздух, выходящий из отверстий в боковой части лопаток, создает тонкую воздушную пленку, которая изолирует лопатку от горячих газов (слева). Каналы, ведущие к отверстиям, имеют довольно сложную геометрию (справа).

Металл отлитой лопатки застывает в виде кристаллов разного размера, сцепленных недостаточно надежно (слева). После введения в металл модификатора кристаллы стали мелкими и однородными, прочность изделия повысилась (справа).

Так производят направленную кристаллизацию материала лопатки.

Усовершенствовав технологию направленной кристаллизации, удалось вырастить лопатку в виде единого монокристалла.

В монокристаллических лопатках создается охлаждающая полость сложной формы. Новейшие разработки ее конфигурации позволили в полтора раза повысить эффективность охлаждения лопаток.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае реактивного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Чем выше температура газа, тем мощнее двигатель, тем больше его тяга, тем выше экономичность и лучше весовые характеристики. В газотурбин ном двигателе имеется воздушный компрессор. Его приводит во вращение газовая турбина, сидящая с ним на одном валу. Компрессор сжимает атмосферный воздух до 6-7 атмосфер и направляет его в камеры сгорания, куда впрыскивается топливо - керосин. Поток вытекающего из камер раскаленного газа - продуктов сгорания керосина - вращает турбину и, вылетая через сопло, создает реактивную тягу, движет самолет. Высокие температуры, возникающие в камерах сгорания, потребовали создания новых технологий и применения новых материалов для конструирования одного из наиболее ответственных элементов двигателя - статорных и роторных лопаток газовой турбины. Они должны в течение многих часов, не теряя механической прочности, выдерживать огромную температуру, при которой многие стали и сплавы уже плавятся. В первую очередь это относится к лопаткам турбины - они воспринимают поток раскаленных газов, нагретых до температур выше 1600 К. Теоретически температура газа перед турбиной может достигать 2200 К (1927 о C). В момент зарождения реактивной авиации - сразу после войны - материалов, из которых можно было изготовить лопатки, способные длительно выдерживать высокие механические нагрузки, в нашей стране не существовало.

Вскоре после окончания Великой Отечественной войны работу по созданию сплавов для изготовле ния турбинных лопаток начала специальная лаборатория в ВИАМе. Ее возглавил Сергей Тимофеевич Кишкин.

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

Было установлено, что основным носителем жаропрочности таких сплавов служат субмикроскопичес кие частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3 Al. Лопатки из первых жаропрочных никелевых сплавов могли длительно работать, если температура газа перед турбиной не превышала 900-1000 К.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.

Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

Стали конструировать лопатки с несколькими сквозными охлаждающими каналами, расположенны ми вдоль оси лопатки. Однако скоро выяснилось, что такая конструкция малоэффективна: воздух сквозь канал протекает слишком быстро, площадь охлаждаемой поверхности мала, тепло отводится недостаточно. Пытались изменить конфигурацию внутренней полости лопатки, вставив туда дефлектор, который отклоняет и задерживает поток воздуха, или сделать каналы более сложной формы. В какой-то момент специалистами по авиационным двигателям овладела заманчивая идея - создать целиком керамическую лопатку: керамика выдерживает очень высокую температуру, и охлаждать ее не нужно. С тех пор прошло почти пятьдесят лет, но пока никто в мире двигателя с керамическими лопатками так и не сделал, хотя попытки продолжаются.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды. Наша лаборатория занималась изготовлением стержней, а сам я начал изучать технологию литья, материалы для керамических форм, сплавы и защитные покрытия готовых изделий и теперь возглавляю это направление исследований.

В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.

Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.

Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.

Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии. Но об этом подробнее см. стр. 54.

Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.

Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X -Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки. Кстати, первая публикация об этой технологии появилась в журнале "Наука и жизнь" еще в 1971 году, в № 1.

Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.

В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов (см. "Наука и жизнь" № ). Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Казнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Монокристаллическая лопатка вырастает не сплошной - внутри у нее имеется полость сложной формы для охлаждения. Совместно с ЦИАМом мы разработали конфигурацию полости, которая обеспечивает коэффициент эффективности охлаждения (отношение температур металла лопатки и рабочего газа), равный 0,8, почти в полтора раза выше, чем у серийных изделий.

Вот эти лопатки мы и предлагаем для двигателей нового поколения. Сейчас температура газа перед турбиной едва дотягивает до 1950 К, а в новых двигателях она дойдет до 2000-2200 К. Для них мы уже разработали высокожаропрочные сплавы, содержащие до пятнадцати элементов таблицы Менделеева, в том числе рений и рутений, и теплозащитные покрытия, в которые входят никель, хром, алюминий и иттрий, а в перспективе - керамические из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.

В сплавах первого поколения присутствовало небольшое количество углерода в виде карбидов титана или тантала. Карбиды располагаются по границам кристаллов и понижают прочность сплава. От карбида мы избавились и заменили рением, повысив его концентрацию от 3% в первых образцах до 12% в последних. Запасов рения у нас в стране мало; есть месторождения в Казахстане, но после развала Советского Союза его полностью скупили американцы; остается остров Итуруп, на который претендуют японцы. Зато рутения у нас много, и в новых сплавах мы успешно заменили им рений.

Уникальность ВИАМа заключается в том, что мы умеем разрабатывать и сплавы, и технологию их получения, и методику отливки готового изделия. Во все лопатки вложен огромный труд и знания всех работников ВИАМа.

См. в номере на ту же тему

ПАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» (УМПО) запустило на участке перспективного литья лопаток самую крупную в Европе плавильно-заливочную установку лопаточного литья. Размеры оборудования — 9 метров в ширину, 12 — в длину и 8,5 в высоту. Установка предназначена для изготовления заготовок в ходе производства деталей двигателя перспективного гражданского самолета МС-21. Новое оборудование позволяет плавить от 20 до 150 кг специального сплава, что даёт возможности для заливки большого количества лопаток всего за один цикл.

Новая ПЗУ будет активно задействована в реализации совместного проекта УМПО и Московского института стали и сплавов (НИТУ «МИСиС») по разработке и внедрению ресурсоэффективной технологии изготовления пустотелых литых турбинных лопаток. Она будет применяться в производстве не только авиационных газотурбинных двигателей, но и станций перекачки нефти и газа, — рассказал куратор перспективной программы, заместитель начальника управления технического развития и перевооружения Павел Алинкин.

В начале ноября 2015 года, данный проект выиграл субсидию в конкурсе Министерства образования РФ по Постановлению № 218 Правительства РФ. Грант поможет УМПО сократить сроки внедрения инновации в опытное и серийное производство.

Объединение имеет богатый опыт сотрудничества с вузами России по 218-му Постановлению. В настоящее время предприятие работает над еще двумя технологиями: по производству тонкостенных крупногабаритных титановых отливок (с МИСиС и УГАТУ) и деталей из жаропрочного алюминия (с УГАТУ и другими вузами). Два проекта — также с МИСиС и УГАТУ — успешно завершены, их результаты в настоящее время внедрены в производство. Это технология изготовления опоры турбины вертолетного двигателя ВК-2500 и производство моноколес и блисков методом линейной сварки трением.

Впервые в России удалось отлить (метод называется литье по выплавляемым моделям) из сплава алюминида титана инновационные лопатки, которые вдвое легче, чем их аналоги на основе никеля. Технология изготовления новых лопаток уже запущена в производство на Уфимском моторостроительном производственном объединении (ПАО «УМПО»). Ожидается, что лопатки из интерметаллида титана будут использоваться в новом российском двигателе ПД-14 для российского ближне-среднемагистрального пассажирского самолета МС-21. Снижая массу воздушного судна, новая разработка позволит перевозить больше пассажиров с меньшим расходом топлива.

«Сегодня изготовление изделий из алюминида титана очень востребовано в гражданской авиации. Наша разработка не уступает мировым аналогам из Европы и США. Очень важно, что это полностью отечественная разработка: лопатки могут производиться на отечественном оборудовании и из отечественных материалов», — рассказал в интервью руководитель исследовательской группы, заведующий кафедрой «Технологии литейных процессов и художественной обработки материалов» НИТУ «МИСиС», профессор Владимир Белов. Переход на новую технологию позволит заметно снизить массу двигателя, в результате станет возможным перевозить больше пассажиров или грузов на длительные расстояния. Кроме того, новая технология изготовления лопаток значительно уменьшит действующее центробежное напряжение в компрессоре и турбинах авиадвигателей, снизит инерцию турбин и компрессоров, а тем самым позволит уменьшить расход топлива, выбросы в атмосферу парниковых газов.

Для новых поколений газотурбинных двигателей (ГТД) характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколёса - блиски (blisk от сокращения английских слов bladed disk) и аналогичные бездисковые кольцевые конструкции - блинги (bling от сокращения английских слов bladed ring).

Для повышения жёсткости, прочности и дополнительного облегчения конструкций типа блинг разработаны технологии кольцевых вставок из металлокомпозитов, например Ti-SiC.

Моноколёса и крыльчатки давно используются в производстве малых ГТД (для вертолётов, бизнес-авиации, наземной техники). Но только в последние годы их начали применять для двигателей военной и гражданской авиации, что обусловлено рядом причин.

Моноколёса позволяют существенно уменьшить размеры обода диска за счёт устранения замковых соединений и снизить массу конструкций типа «блиск» на 30 %, а конструкции «блинг» - на 70 %.
Для создания компактных конструкций ГТД с повышенными удельными параметрами у компрессоров несколько осевых ступеней заменяют одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволяет увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50 — 80 тыс. об/мин) и напорность ступеней.
Для малых диаметров колёс размещение лопаток с хвостовиками на ободе диска становится проблематичным.

Применяемые в отечественных ГТД моноколёса, несмотря на относительно небольшую номенклатуру, значительно отличаются друг от друга конструктивным исполнением. Для изготовления моноколёс в основном применяются титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ-6, ВТ-8, ВТ-25, а также алюминиевые сплавы АК4-1, АК-6, ВД-17.

Размеры монолитных колёс находятся в диапазоне 170 — 700 мм по наружному диаметру и 25 — 175 мм по ширине. Количество лопаток, даже на колёсах примерно одного диаметра, различно. Высота лопаток составляет 0 — 200 мм, причём для осевых колёс она значительно выше, чем для центробежных.

Толщина лопаток составляет от 0,9 до 3,0 мм, что в значительной степени влияет на жёсткость технологической системы и требует продуманного выбора технологических переходов при обработке, а в некоторых случаях применения промежуточной заливки межлопаточного пространства перед фрезерованием.

Точность изготовления профилей лопаток моноколёс должна соответствовать ОСТ 102571-86 «Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера», а шероховатость трактовых поверхностей - Ra = 0,32 — 0,63 мкм.

Почти во всех конструкциях монолитных колёс профиль межлопаточного пространства строится с использованием простых образующих, что облегчает составление управляющих программ обработки. Отечественные 5-координатные фрезерные станки типа ДФ-224Р, ДФ-966, МА 55С5Н, имеющие угол поворота инструмента ±22,5°, позволяют обрабатывать моноколёса с простой формой межлопаточных каналов по 3-4 координатам. Фрезерование лопаток моноколёс, имеющих сложные поверхности, на таких станках с достаточной технологической точностью невозможно, так как обработка должна производиться одновременно по 5 координатам.

Увеличение центробежных сил и, следовательно, контактных давлений и вибраций в замковых соединениях лопаток с диском приводит к фреттинг-коррозии, вызывающей снижение усталостной прочности и ускоряющей появление усталостных трещин, что, в свою очередь, способствует отрыву лопаток и выходу двигателя из строя. Снизить напряжения в соединении лопатки с диском можно благодаря применению высоконапорных моноколёс.

Это связано также с успехами, полученными в области технологии обработки межлопаточных каналов, появлением прогрессивного оборудования и современным проектированием лопаточных машин.

Таким образом, несмотря на высокую трудоёмкость изготовления, моноколёса имеют ряд преимуществ, которые на современном этапе позволяют им успешно конкурировать с осевыми сборными колёсами компрессоров ГТД.

У двигателя пятого поколения EJ-200 ротор компрессора состоит из семи блисков, включая вентиляторный блиск с широкохордными лопатками. Несколько ступеней блисков имеет двигатель серии BRR 700. По мнению специалистов, отработанная технология изготовления моноколёс в итоге оказывается экономически более выгодной, чем традиционное производство дисков и лопаток.

Западные производители газотурбинных двигателей используют для изготовления дисков три базовые технологии:

фрезерование лопаток в монолитной заготовке;
электрохимическая прошивка межлопаточных каналов после предварительного фрезерования или в монолитной заготовке;
сварка лопаток с диском методом линейной сварки трением.

Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от сложности формы лопаток, материала и габаритов.

Фрезерование блисков является традиционным способом. Он особенно эффективен при опытном производстве. В серийном производстве этот метод может быть экономически выгоден при изготовлении титановых блисков сравнительно небольших размеров. Блиски из высокопрочных сталей и никелевых сплавов получать фрезерованием неэффективно вследствие низкой обрабатываемости этих материалов. Фрезерованием невозможно получить очень тонкие лопатки. При изготовлении блиска из титанового сплава диаметром 500 мм, имеющего 85 лопаток с хордой 33 мм, одна лопатка фрезеруется в течение -15 мин. Скорость резания при черновой обработке составляет -100 м/мин, а при чистовой — 300 м/мин. Такие высокие скорости резания, полученные путём оптимизации условий обработки, позволили увеличить производительность фрезерования на 50 %. Шероховатость рабочих поверхностей лопаток после фрезерования составляет Ra =1,5 мкм. После фрезерования ручные доводочные работы не выполняются. В качестве финишной обработки используется виброполирование, а для предварительного прорезания пазов - абразивная струйная резка.

Электрохимическая обработка (ЭХО) является эффективным способом серийного производства блисков средних и малых размеров. К достоинствам ЭХО можно отнести высокую стабильность, производительность, отсутствие износа электродов. При использовании ЭХО не требуется ручная доработка поверхностей. Современное технологическое оборудование позволяет эффективно автоматически контролировать параметры процесса. В то же время, возникает ряд сложностей при подготовке производства. Это касается, в первую очередь, оптимизации формы электрода, выполняемой опытным путём в несколько итераций (до настоящего времени отсутствуют эффективные методики расчёта формы электрода для таких сложных поверхностей, как лопатки). Требуется квалифицированный опытный персонал. Перед чистовой ЭХО пазы между лопатками могут быть предварительно получены фрезерованием или струйно-абразивной резкой.

В настоящее время налажено серийное производство моноколёс диаметром 650 мм, имеющих 40 лопаток с хордой 72 мм и высотой 100 мм, из титанового сплава Ti-6Al-4V. ЭХО выполняется после предварительного чернового фрезерования с припуском 2 мм при плотности тока 0,5 А/мм 2 и подаче 1 мм/мин. Шероховатость поверхности после обработки составляет Rz = 5 — 10 мкм, время обработки одной лопатки - 5 мин.

Линейная сварка трением первоначально была разработана для ремонта повреждённых лопаток, которые нельзя было ремонтировать обычной сваркой. Сегодня этот метод применяется для получения блисков с лопатками большого размера. Каждая лопатка приваривается отдельно.

Моноколёса относятся к наиболее ответственным деталям двигателя. Надёжность и себестоимость их изготовления неразрывно связана с уровнем технологии производства. Разработанный на ММПО «Салют» технологический процесс изготовления моноколёс включает следующие основные операции:

заготовка - непрофилированная поковка (шайба);
предварительная и окончательная обточка поковок выполняется на токарных станках MDW-20S ;
предварительная и окончательная обработка поковок при наличии внецентренных крепёжных отверстий осуществляется на токарно-фрезерных центрах INTEGREX 1060 фирмы «MAZAK» (Япония). При больших габаритах и массе используют станки с вертикальной осью вращения заготовки типа «MORISEIKI» (Япония).
предварительное и окончательное фрезерование межло- паточных каналов выполняется на многоцелевых станках с ЧПУ фирмы «STARRAG» (Германия);
окончательная обработка межлопаточных каналов (полирование, скругление кромок пера лопаток на пневмомашинах типа СМ21-3-18000 борфрезами и войлочными кругами с накатанным абразивом);
контроль геометрии межлопаточных каналов, выполняемый непосредственно на фрезерном станке с ЧПУ, на котором вместо обрабатывающего инструмента устанавливается контрольная измерительная головка, выдающая информацию в системе ЧПУ станка на экран дисплея или распечатку отклонений. Контроль геометрии межлопаточных каналов может выполняться также на контрольно-измерительной машине.

С целью автоматизации процесса подготовки управляющих программ, выбора параметров режущего инструмента для предварительного и окончательного фрезерования и оценки формообразования используются математические модели межлопаточных каналов. Фрезерование межлопаточных каналов на станках фирмы «STARRAG» выполняется с достаточной точностью и шероховатостью поверхностей под окончательную безразмерную обработку.

Технология окончательной безразмерной обработки межлопаточных каналов отрабатывается на вибро-гидравлических машинах в среде свободного абразива, где лопатки получают требуемую шероховатость поверхностей и сохраняют заданный профиль входной и выходной кромок.

В современных ГТД часто используются осевые компрессоры. Центробежные компрессоры встречаются значительно реже. Основной деталью центробежного компрессора является крыльчатка. По конструктивным признакам различают следующие виды крыльчаток: открытые (заборники), полузакрытые и закрытые. Полузакрытые и закрытые бывают односторонними и двухсторонними.

Открытая крыльчатка представляет собой ступицу с лопатками (лопастями) без торцевой стенки. Полузакрытая крыльчатка имеет ступицу и диск, к которым примыкают лопатки. Последние бывают прямыми и криволинейными трапецеидального сечения и с постепенным утолщением к ступице.

У небольших крыльчаток лопатки могут иметь заборные части. В большинстве современных ГТД применяют полузакрытые крыльчатки.

Закрытые крыльчатки (литые) и сборные (паяные) в авиационных газотурбинных двигателях применяются редко, что обусловлено трудностью их изготовления и недостаточной прочностью.

Соединение компрессора с валом и передача крутящего момента от вала турбины к крыльчатке осуществляются:

креплением вала к крыльчатке с помощью фланцев и шпилек;
соединением эвольвентными шлицами;
креплением крыльчатки с цапфой штифтами; цапфа имеет торцевые шлицы для передачи крутящего момента.

Точность обработки отдельных поверхностей и их взаимного расположения характеризуется следующими величинами:

посадочные поверхности (поверхности А) и лабиринтные пояски (Д) - 6 — 10-Й квалитеты;
наружный диаметр (поверхность Б) - 8 — 10-й квалитеты;
остальные поверхности - 11 — 12-й квалитеты;
биения наружного диаметра (Б) и торцов (Б, Г) относительно посадочных поверхностей (А) - 0,02 — 0,05 мм;
шероховатость лопаток полузакрытых и открытых крыльчаток Ra = 0,16 — 0,08 мкм.

Большинство открытых и полузакрытых крыльчаток выполняют из алюминиевых деформируемых сплавов АК4-1, АК6-1, БД-17. Если температура крыльчаток в условиях эксплуатации выше 200 °С, то крыльчатки изготавливают из титановых сплавов ВТ-10, ВТ-25У. Для закрытых цельных крыльчаток применяют литейные алюминиевые сплавы, а для сборно-паяных - стали 30ХГСА, 12Х18Н9Т и др.

Заготовки открытых и полузакрытых крыльчаток обычно получают в закрытых штампах. Заготовки крыльчаток из алюминиевых сплавов отливают в земляные формы, металлические кокили и оболочковые формы.

Механическая обработка крыльчаток делится на три этапа. При черновом этапе обрабатываются все поверхности крыльчатки и снимается до 70 % всего припуска. Обработка ведётся с большими подачами и глубинами резания. На чистовом этапе снимаются оставшиеся 30 % припуска. Точность и шероховатость поверхности на этом этапе, в основном, соответствует требованиям чертежа. На окончательном этапе полируются лопатки и полки.

Технологическими базами при обработке открытых и полузакрытых крыльчаток служат наружные поверхности Б, отверстия А и торцы В и Г.

Основные этапы технологического процесса изготовления полузакрытой крыльчатки:

штамповка;
точение наружного контура и подрезка торца;
ультразвуковой контроль материала заготовки;
растачивание отверстия и подрезка другого торца;
сверление отверстий под шпильки и развёртывание двух из них;
черновое и чистовое точение наружного контура крыльчатки (раздельно правую и левую стороны);
координатно-расточная;
фрезерование лопаток (предварительное);
термообработка (стабилизация);
фрезерование лопаток (окончательное);
обработка шлицев;
окончательное точение наружного контура крыльчатки;
балансировка;
технический контроль.

Обработка цилиндрических поверхностей и торцов крыльчаток выполняется на токарных станках с ЧПУ, токарно-револьверных и токарно-фрезерных многоцелевых станках.

Более всего для изготовления турбинных моноколёс подходит 5-координатный обрабатывающий центр. Диапазон наклона поворотного стола от -60 до +150°. Фрезерование выполняется со спиральным и боковым входом инструмента.

На ММПП «Салют», освоена и внедрена высокоточная размерная обработка межлопаточных каналов моноколёс компрессоров на швейцарских станках фирмы «Shtarrag», для чего организован специализированный участок, на котором размещены фрезерные станки с ЧПУ, оборудование для перезаточки и контроля режущего инструмента, контрольные приборы.

Отличительной особенностью этого оборудования является:

одновременная обработка четырёх моноколёс;
автоматическое бесступенчатое регулирование подачи с помощью системы «адаптивного контроля», специально разработанной для черновой и чистовой обработки;
температурная стабилизация (опоры шпинделя, меж- центровое расстояние и т.п.) посредством охлаждения компрессором позволяет добиться максимальной частоты вращения шпинделя и улучшения точности обработки при многошпиндельном, многоместном длительном режиме работы.

Наверное, всем известно, что как китайцы не стараются, скопировать современные реактивные двигатели они не могут. Все. что могли - скопировали и получили свою СУшку, а вот двигатель все равно приходится покупать в РФ. Вот только что прочитал статью на ВиМе:http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/74298/ "Китаю до сих пор не удается скопироватьсовременный реактивный двигатель". Причем, я понимаю, что там имеют место ультрасовеременные технологии, наработки, математика и прочее, прочее, прочее... Но для того, чтобы понимать более детально в чем тут собственно дело рекомендую прочитать следующую статью.

ДВИГАТЕЛИ И МАТЕРИАЛЫ

В АНГЛИЮ ЗА МЕТАЛЛОМ

Первую отечественную конструкцию турбореактивного двигателя еще до войны создал в Ленинграде конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька. В конце 1930-х годов он был репрессиро ван, но, вероятно, предвидя арест, чертежи двигателя успел закопать во дворе института. Во время войны руководство страны узнало, что немцы уже создали реактивную авиацию (первым самолетом с турбореак тивным двигателем был немецкий "хейнкель" He-178, сконструированный в 1939 году в качестве летающей лаборатории; первым серийным боевым самолетом стал двухмоторный "мессершмит" Me-262. Тогда Сталин вызвал Л. П. Берия, который курировал новые военные разработки, и потребовал найти тех, кто у нас в стране занимается реактивными двигателями. А. М. Люльку быстро освободили и дали ему в Москве на улице Галушкина помещение под первое конструкторское бюро реактивных двигателей. Свои чертежи Архип Михайлович нашел и выкопал, но двигатель по его проекту сразу не получился. Тогда просто взяли купленный у англичан турбореактивный двигатель и повторили его один к одному. Но дело уперлось в материалы, которые отсутствовали в Советском Союзе, однако имелись в Англии, и состав их, конечно, был засекречен. И все-таки расшифровать его удалось.
Приехав в Англию для ознакомления с производством двигателей, С. Т. Кишкин всюду появлялся в ботинках на толстой микропористой подошве. И, посетив с экскурсией завод, где обрабатывали турбинные лопатки, он возле станка, как бы невзначай, наступил на стружку, упавшую с детали. Кусочек металла врезался в мягкую резину, застрял в ней, а потом был вынут и уже в Москве подвергнут тщательному анализу. Результаты анализа английского металла и большие собственные исследования, проведенные в ВИАМе, позволили создать первые жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток и, самое главное, разработать основы теории их строения и получения.

ЛИТЬЕ ВМЕСТО ШТАМПОВКИ

Лопатки первых двигателей штамповали из сплава, отлитого в пруток, до формы, отдаленно напоминающей готовое изделие, а затем долго и тщательно обрабатывали на станках. Но здесь возникла неожиданная сложность: чтобы повысить рабочую температуру материала, в него добавили легирующие элементы - вольфрам, молибден, ниобий. Но они сделали сплав настолько твердым, что штамповать его стало невозможно - формовке методами горячей деформации он не поддавался.
Тогда Кишкин предложил лопатки отливать. Конструкторы-мотористы возмутились: во-первых, после литья лопатку все равно придется обрабатывать на станках, а главное - как можно литую лопатку ставить в двигатель? Металл штампованных лопаток очень плотен, прочность его высока, а литой металл остается более рыхлым и заведомо менее прочным, чем отштампованный. Но Кишкин сумел убедить скептиков, и в ВИАМе создали специальные литейные жаропрочные сплавы и технологию литья лопаток. Были проведены испытания, после чего практически все авиационные турбореактивные двигатели стали выпускать с литыми турбинными лопатками.
Первые лопатки были сплошными и долго выдерживать высокую температуру не могли. Требовалось создать систему их охлаждения. Для этого решили делать в лопатках продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Идея эта была не ахти: чем больше воздуха из компрессора уйдет на охлаждение, тем меньше его пойдет в камеры сгорания. Но деваться было некуда - ресурс турбины необходимо увеличить во что бы то ни стало.

КАК ДЕЛАЮТ ЛИТУЮ ЛОПАТКУ

Технология изготовления турбинных лопаток называется литьем по выплавляемым моделям. Сначала делают восковую модель будущей лопатки, отливая ее в пресс-форме, в которую предварительно вкладывают кварцевые цилиндрики на место будущих каналов охлаждения (потом стали использовать другие материалы). Модель покрывают жидкой керамической массой. После ее высыхания воск вытапливают горячей водой, а керамическую массу обжигают. Получается форма, выдерживающая температуру расплавленного металла от 1450 до 1500 о С в зависимости от марки сплава. В форму заливают металл, который застывает в виде готовой лопатки, но с кварцевыми стержнями вместо каналов внутри. Стержни удаляют, растворяя в плавиковой кислоте. Эту операцию проводит в герметически закрытом помещении работник в скафандре со шлангом для подачи воздуха. Технология неудобная, опасная и вредная.
Чтобы исключить эту операцию, в ВИАМе начали делать стержни из оксида алюминия с добавкой 10-15% оксида кремния, который растворяется в щелочи. Материал лопаток со щелочью не реагирует, а остатки оксида алюминия удаляют сильной струей воды.
В повседневной жизни мы привыкли считать литые изделия очень грубыми и шероховатыми. Но нам удалось подобрать такие керамические составы, что форма из них получается совершенно гладкой и отливка механической обработки почти не требуется. Это намного упрощает работу: лопатки имеют очень сложную форму, и обрабатывать их нелегко.
Новые материалы потребовали новых технологий. Какими бы удобными ни были добавки оксида кремния в материал стержней, от него пришлось отказаться. Температура плавления оксида алюминия Al 2 O 3 - 2050 о С, а оксида кремния SiO 2 - только около 1700 о С, и новые жаропрочные сплавы разрушали стержни уже в процессе заливки.
Чтобы форма из оксида алюминия сохраняла прочность, ее обжигают при температуре более высокой, чем температура жидкого металла, который в нее заливают. Кроме того, внутренняя геометрия формы при заливке не должна меняться: стенки лопаток очень тонкие, и размеры должны точно соответствовать расчетным. Поэтому допустимая величина усадки формы не должна превышать 1%.

ПОЧЕМУ ОТКАЗАЛИСЬ ОТ ШТАМПОВАННЫХ ЛОПАТОК

Как уже говорилось, после штамповки лопатку приходилось обрабатывать на станках. При этом 90% металла уходило в стружку. Была поставлена задача: создать такую технологию точного литья, чтобы сразу получался заданный профиль лопатки, а готовое изделие оставалось бы только отполировать и нанести на него теплозащитное покрытие. Не менее важна и конструкция, которая образуется в теле лопатки и выполняет задачу ее охлаждения.
Таким образом, весьма важно сделать лопатку, которая эффективно охлаждается, не снижая температуру рабочего газа, и обладает высокой длительной прочностью. Эту задачу удалось решить, скомпоновав каналы в теле лопатки и выходные отверстия из нее так, чтобы вокруг лопатки возникала тонкая воздушная пленка. При этом разом убивают двух зайцев: раскаленные газы с материалом лопатки не соприкасаются, а следовательно, и не нагревают ее и сами не охлаждаются.
Здесь возникает некоторая аналогия с тепловой защитой космической ракеты. Когда ракета на большой скорости входит в плотные слои атмосферы, начинает испаряться и сгорать так называемое жертвенное покрытие, закрывающее головную часть. Оно берет на себя основной тепловой поток, а продукты его сгорания образуют своего рода защитную подушку. В конструкции турбинной лопатки заложен такой же принцип, только вместо жертвенного покрытия используется воздух. Правда, лопатки нужно защищать еще и от эрозии и от коррозии.

Порядок изготовления лопатки таков. Сначала создается никелевый сплав с заданными параметрами по механической прочности и жаропрочности, для чего в никель вводятся легирующие добавки: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Они позволяют добиться максимальных высокотемпературных характеристик для литых сплавов на основе никеля (есть соблазн еще повысить их, используя больше рения, но он безумно дорог). Перспективным направлением считается использование силицида ниобия, но это - дело далекого будущего.
Но вот сплав залит в форму при температуре 1450 о С и вместе с ней охлаждается. Остывающий металл кристаллизуется, образуя отдельные равноосные, то есть примерно одинакового размера по всем направлениям, зерна. Сами же зерна могут получаться и крупными и мелкими. Сцепляются они ненадежно, и работающие лопатки разрушались по границам зерен и разлетались вдребезги. Ни одна лопатка не могла проработать дольше 50 часов. Тогда мы предложили ввести в материал формы для литья модификатор - кристаллики алюмината кобальта. Они служат центрами, зародышами кристаллизации, ускоряющими процесс образования зерен. Зерна получаются однородными и мелкими. Новые лопатки стали работать по 500 часов. Эта технология, которую разработал Е. Н. Каблов, работает до сих пор, и работает хорошо. А мы в ВИАМе нарабатываем алюминат кобальта тоннами и поставляем его на заводы.
Мощность реактивных двигателей росла, температура и давление газовой струи повышались. И стало ясно, что многозеренная структура металла лопатки в новых условиях работать не сможет. Нужны были другие идеи. Они нашлись, были доведены до стадии технологической разработки и стали называться направленной кристаллизацией. Это значит, что металл, застывая, образовыва ет не равноосные зерна, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Лопатка с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому. Сразу вспоминается старая притча про веник, который переломить не удается, хотя все его прутики по отдельности ломаются без труда.

КАК ПРОИЗВОДЯТ НАПРАВЛЕННУЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ

Чтобы кристаллы, образующие лопатку, росли должным образом, форму с расплавленным металлом медленно вынимают из зоны нагрева. При этом форма с жидким металлом стоит на массивном медном диске, охлаждаемом водой. Рост кристаллов начинается снизу и идет вверх со скоростью, практически равной скорости выхода формы из нагревателя. Создавая технологию направленной кристаллизации, пришлось измерить и рассчитать множество параметров - скорость кристаллизации, температуру нагревателя, градиент температуры между нагревателем и холодильником и др. Требовалось подобрать такую скорость движения формы, чтобы столбчатые кристаллы прорастали на всю длину лопатки. При соблюдении всех этих условий вырастают 5-7 длинных столбчатых кристаллов на каждый квадратный сантиметр сечения лопатки. Эта технология позволила создать новое поколение авиационных двигателей. Но мы пошли еще дальше.
Изучив рентгенографическими методами выращенные столбчатые кристаллы, мы поняли, что всю лопатку целиком можно сделать из одного кристалла, который не будет иметь межзёренных границ - наиболее слабых элементов структуры, по которым начинается разрушение. Для этого сделали затравку, которая позволяла только одному кристаллу расти в заданном направлении (кристаллографическая формула такой затравки 0-0-1; это означает, что в направлении оси Z кристалл растет, а в направлении X-Y - нет). Затравку поставили в нижнюю часть формы и залили металл, интенсивно охлаждая его снизу. Вырастающий монокристалл приобретал форму лопатки.
Американские инженеры применяли для охлаждения медный водоохлаждаемый кристаллизатор. А мы после нескольких экспериментов заменили его ванной с расплавленным оловом при температуре 600-700 К. Это позволило точнее подбирать необходимый градиент температуры и получать изделия высокого качества. В ВИАМе построили установки с ваннами для выращивания монокристалличес ких лопаток - очень совершенные машины с компьютерным управлением.
В 1990-х годах, когда распался СССР, на территории Восточной Германии остались советские самолеты, в основном истребители МиГ. У них в двигателях стояли лопатки нашего производства. Металл лопаток исследовали американцы, после чего довольно скоро их специалисты приехали в ВИАМ и попросили показать, кто и как его создал. Оказалось, что им была поставлена задача сделать монокристаллические лопатки метровой длины, которую они решить не могли. Мы же сконструировали установку для высокоградиентного литья крупногабаритных лопаток для энергетических турбин и попытались предложить свою технологию Газпрому и РАО "ЕЭС России", но они интереса не проявили. Тем не менее у нас уже практически готова промышленная установка для литья метровых лопаток, и мы постараемся убедить руководство этих компаний в необходимости ее внедрения.

Кстати, турбины для энергетики - это еще одна интересная задача, которую решал ВИАМ. Самолетные двигатели, выработавшие ресурс, стали использовать на компрессорных станциях газопроводов и в электростанциях, питающих насосы нефтепроводов. Сейчас стала актуальной задача создать для этих нужд специальные двигатели, которые работали бы при гораздо меньших температурах и давлении рабочего газа, но гораздо дольше. Если ресурс авиационного двигателя порядка 500 часов, то турбины на нефтегазопроводе должны работать 20-50 тыс. часов. Одним из первых ими начало заниматься самарское конструкторское бюро под руководством Николая Дмитриевича Кузнецова.

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ