Современные газотурбинные двигатели для гражданской авиации — это воплощение всего того, что называется хай-теком. Постоянная борьба за топливную эффективность, экологичность и малошумность заставляет конструкторов искать решения на основе самых передовых технологий из области газодинамики, материаловедения, металлобработки. Еще недавно российское двигателестроение сильно отставало от мировых грандов, но, похоже, ситуация меняется.
В помещении цеха точного литья АО «ОДК-Пермские моторы» журналистов просят взвесить в руках два блока турбинных лопаток — один от двигателя ПС-90А, другой от перспективной силовой установки ПД-14, которая создана для среднемагистрального лайнера МС-21. Разница ощутима: лопатки от нового двигателя примерно в 2−3 раза легче. Это простейший способ оценить тот огромный прогресс, которого добились пермские конструкторы и производственники.
Пермский прорыв
До недавнего времени нашим новейшим двигателем для гражданской авиации (если не считать проблемную российско-французскую силовую установку SaM 146 для «Суперджета») оставался тот самый ПС-90. Он и поныне производится и обслуживается на «Пермских моторах», но в коммерческой авиации уже практически не применяется: эксплуатационные показатели не соответствуют современным требованиям (двигатель получил сертификат в 1992-м). Его устанавливают на фактически штучно производимые среднемагистральники Ту-204/214, модифицированную версию Ил-76, дальнемагистральные Ил-96, входящие также в Специальный летный отряд, который обслуживает первых лиц государства. ПД-14 — это прыжок в элиту мирового двигателестроения. На МС-21 он будет предлагаться на выбор в паре с PW1400G, то есть его эксплуатационные параметры должны быть как минимум не хуже показателей изделия Pratt & Whitney — одного из четырех (наряду с GE, Safran и Rolls-Royce) грандов отрасли.
Новый российский двигатель создается в широкой кооперации предприятий из разных городов нашей страны, но его головным разработчиком стало входящее в Объединенную двигателестроительную корпорацию конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель». Серийно ПД-14 будет производиться на «Пермских моторах», систему автоматического управления двигателем (САУ-14) создает еще одно пермское предприятие — «ОДК-СТАР». К настоящему моменту произведено полтора десятка двигателей ПД-14, и два из них проходят испытания на летающей лаборатории в подмосковном Жуковском. В первой половине следующего года ПД-14 будут установлены на МС-21 для продолжения испытаний.
Металл, керамика и воск
Чтобы приблизиться к техническому уровню силовых установок, выпускаемых ведущими мировыми производителями, пермским двигателестроителям пришлось освоить с нуля 16 критических промышленных технологий, связанных с новыми материалами и их обработкой. Выдающийся прогресс, как уже говорилось, был достигнут в производстве лопаток, работающих в «горячей» части двигателя. Это лопатки турбин, обдуваемых мощным потоком раскаленных газов, которые выходят из камеры сгорания. Чем выше температура в камере сгорания, тем лучше топливная эффективность двигателя, однако температуру можно повышать лишь до таких значений, которые смогут выдержать лопатки. Важное значение имеет и вес: чем легче лопатки, тем меньше мощности отбирается у реактивной струи на вращение турбины и тем меньше вес самой силовой установки. Легкая, супержаропрочная, с оптимальными газодинамическими характеристиками лопатка — это то, без чего современные эксплуатационные характеристики двигателя недостижимы.
Газодинамика лопатки рассчитывается математически, но для воплощения расчетов в металл требуется несколько сложных производственных технологий. Для турбины высокого давления в лопатках ПД-14 применяется сплав ВЖМ4 на основе никеля. Деталь создается с помощью технологии монокристаллического литья, то есть во время отливки формируется в течение нескольких часов в виде единого кристалла определенной направленности. Это достигается особым режимом охлаждения и так называемых затравок. Но, прежде чем начнется отливка, рождение лопатки проходит ряд предварительных стадий.
В одном из помещений цеха точного литья можно увидеть металлические короба, наполненные каким-то сыпучим материалом вроде крупного серого песка или мелкого щебня. Это материал для создания керамических стержней. Керамическое сырье на основе корунда расплавляется, а после прессуется в металлических формах. На выходе получается что-то ребристое, наподобие рыбьего скелетика. На ощупь деталь мягкая, гибкая. Но это до того момента, пока ее не прокалят в печи. Теперь стержень обрел конструктивную прочность и жесткость. На следующем этапе он оказывается внутри модели из темно-зеленого воска. Восковая модель точно соответствует форме будущей лопатки. Из воска же создаются элементы литниковой системы — горловина, каналы, которые объединяются с моделями нескольких лопаток в литейный блок.
Изделия цеха точного литья подвергаются сразу нескольким процедурам неразрушающего контроля. одна из них — просмотр структуры металла в ультрафиолетовом свечении.
Конструкция попадает в оранжевую руку робота: она окунает блок в суспензию, затем отправляет его на обсыпку электрокорундом, потом сушка, затем снова суспензия, снова обсыпка. В несколько слоев формируется внешняя оболочка. Ей предстоят еще серьезные испытания: пар под давлением вытапливает воск, затем следует обжиг в печи, в процессе которого выгорают остатки воска, испаряется влага, суспензия и электрокорунд окончательно затвердевают. И наконец литье. Лить металл в холодную керамику нельзя: расплав мгновенно застынет, и точной отливки не получится. К примеру, для изготовления лопаток турбины низкого давления в печи форма предварительно нагревается выше 1000 градусов и отправляется в вакуумную заливочную установку. Если лопатка изготавливается по технологии равноосной кристаллизации (застывание в виде множества кристаллов-зерен), заливка металла длится всего минуты полторы, однако монокристаллическая металлургия требует часов высокотемпературного воздействия на форму, поэтому к материалам, из которых она создается, предъявляются особые требования.
Технологии точного литья позволяют производить высокопрочные детали со сверхмалыми толщинами отдельных элементов, что требует лишь небольших объемов механической обработки. Одно из важнейших преимуществ современного точного литья — это возможность создавать большие машины с применением литых прецизионных деталей, прямо как в швейцарских часах. В таких конструкциях минимизируются нежелательные протечки газа, что опять же повышает эффективность двигателя.
Но что же с керамическими стержнями, о которых мы почти забыли? Они остаются внутри лопатки до тех пор, пока с помощью выщелачивания керамику не удалят из металлической детали, оставив вместо нее систему отверстий, полостей и каналов. При работе двигателя воздух, отбираемый из компрессора, будет продуваться сквозь полости лопаток, охлаждая их. Это, наряду со свойствами металла, еще один способ обеспечить жаропрочность и выносливость турбины. Керамическая роса
Лопатка турбины высокого давления — крошечная деталь, выполненная по самым высоким технологиям, — должна выдерживать огромные температуры, охлаждаться через полую структуру и сохранять свою прецизионную форму.
Керамическая роса
А третий способ — это нанесение покрытий. Цех жаропрочных покрытий работает с лопатками, которые уже прошли мехобработку. Кроме того, на них обычно нанесены предварительные покрытия из алюминия (алитирование), которые могут дополняться подслоями ВСДП-3 или ВСДП-16. В цеху стоят установки для создания финишного жаропрочного покрытия плазменным или электронно-лучевым методом. Теоретически оба метода применяются для решения одинаковых задач, однако плазменная технология «вбивания» жаропрочного порошка в металл создает на поверхности детали структуру, отдаленно напоминающую используемую в хозяйстве металлическую губку. Электронно-лучевая технология формирует своего рода регулярную сетку из столбикообразных кристаллов размером 100 мкм.
"На фото ниже хорошо видно, как керамические стержни встроены внутрь восковых моделей будущих лопаток. Модель будет покрыта керамической внешней оболочкой, затем воск вытапливают и на его место заливают металлический сплав. На последнем этапе внутренний керамический стержень выщелачивают, а после него остаются полости и каналы для охлаждения."
На предприятиях ОДК в Перми делают не только авиадвигатели, но и наземные газотурбинные установки для электрогенерации и газоперекачивающих станций. Наземная ГТУ один раз включается и дальше работает долгие часы в стабильном режиме. Авиадвигатель запускается, переходит во взлетный режим, потом долго работает в крейсерском режиме, снижает обороты и наконец выключается после посадки. Все это приводит к частым циклам теплового расширения-сжатия, результатом чего становится усталость металла и разрушение покрытий. Так вот сетка кристаллов, создаваемых электронно-лучевым способом, «дышит» вместе с лопаткой, не разрушаясь, и именно эта технология принята для обработки лопаток высокого давления для авиадвигателей. Плазменной обработке подвергаются детали для ГТУ. Интересен принцип электронно-лучевого покрытия: здесь нет никакого «вбивания». Под воздействием потока электронов из электронно-лучевой пушки слитки диоксида циркония испаряются, а потом этот пар конденсируется на более холодных лопатках.
Все эти новшества, новые материалы и новые технологии, конечно же, стоят значительных денег. Если лопатка турбины ПС-90A весит в несколько раз больше аналогичной детали для ПД-14, то она и стоит в несколько раз дешевле. На разработку ПД-14 уже потрачено несколько десятков миллиардов рублей, на создание ПД-35 — тоже разрабатываемого в Перми перспективного двигателя для дальнемагистральных лайнеров — выделена сумма, эквивалентная 3 млрд долл. Остается надеяться, что деньги, потраченные на технологический прорыв на земле, однажды окупятся в воздухе.
