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

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

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.

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

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.

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

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

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.

Кандидат технических наук И. ДЕМОНИС, заместитель генерального директора ВИАМа

Лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) являются наиболее массовыми деталями в производстве данных силовых установок.

Общее количество лопаток в роторе и статоре ГТД в зависимости от его конструкции может достигать нескольких тысяч штук при номенклатуре в два-три десятка наименований, при этом по типоразмерам они могут составлять от нескольких десятков миллиметров до одного – полутора метров. Лопатки турбин наиболее сложны в изготовлении и наиболее ответственны в эксплуатации. Трудоёмкость изготовления данных деталей в общих трудозатратах по производству ГТД составляет не менее 70 – 80 %.

Совершенствование технологических процессов изготовления лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) должно решать прежде всего задачу повышения экономических показателей процесса, а именно: увеличения коэффициента использования материала; снижения трудоемкости изготовления; сокращения технологического цикла изготовления деталей и затрат на технологическую подготовку производства.

Основой решения этой задачи является разработка групповых технологий изготовления главных деталей ГТД, определяющих его себестоимость. К таким деталям, в первую очередь, относятся лопатки турбины и компрессора, открытые и полузакрытые крыльчатки. Выбор той или иной технологии их изготовления зависит от конструктивных особенностей деталей. Однако для одной и той же конструкции лопатки могут быть использованы различные технологические процессы, выбор наиболее оптимального из которых определен экономической целесообразностью его использования в рамках той или иной программы выпуска, т.е. при изготовлении одной и той же детали на разных стадиях развития производства – от единичного к серийному – используются различные технологии, при этом переход от одной технологии к другой может быть существенно сокращен при соблюдении некоторых общих принципов.

Эти принципы должны отвечать условиям автоматизированного производства, где достижение требуемой геометрической точности и качества поверхностного слоя гарантировано соблюдением той или иной групповой технологии, реализуемой на многоцелевых станках, и использованием специальных процессов.

Одним из выдающихся советских ученых и конструкторов был Михаил Миль . Этот уникальный человек работал главным конструктором по вертолётостроению. Используя его выдающиеся знания были созданы вертолёты Ми-1, Ми-2, Ми-4, Ми-6, Ми-8, Ми-10, Ми-12, Ми-24 и др.

Групповая технология опирается на типовые конструкции деталей. Классификация последних на различные типы осуществляется с учетом сходства их конструктивных признаков и функционального назначения. Это позволяет при обработке деталей той или иной группы применять сходные технологии. Базой формирования групп сходных деталей является множество разнообразных деталей, используемых в газотурбинных двигателях (ГТД).

На основе единообразных признаков сходства и различия деталей можно сформировать следующие группы с характерными признаками: рабочие лопатки турбины; сопловые лопатки; компрессорные лопатки; кольца; диски; валы; дефлекторы; опоры и т.д. Так, приведена группа деталей – компрессорные лопатки ГТД, которые должны изготовляться в рамках одной типовой технологии.

Использование групповой технологии в качестве одного из этапов производства требует ее обязательного кодирования, основанного на системе классификации деталей. Эта система строится по принципу распределения деталей по группам конструктором изделия. Геометрическое сходство деталей играет при этом решающее значение. Это сходство определяет другую общность – сходство способов обработки, т.е. одинаковую последовательность выполнения операций, методов обработки резанием и, соответственно, одинаковое технологическое оборудование для их изготовления.

Следующим этапом классификации является использование кодов (номеров) операций групповой технологии. Код операции должен предполагать конкретную технологическую операцию, определяющую тот или иной этап групповой технологии.

Например, операция 005 – изготовление технологических баз для механической обработки от литейных баз; операция 095 – обработка поверхностей, сопрягаемых с другой деталью от технологической базы, и т.д. Таким образом, при составлении новой технологии для изготовления детали, входящей в ту или иную группу, номер (код) операции используется для интеграции данной детали в технологические мощности, задействованные для этой операции.

Однако существующие производства уже включают в себя большое число технологий, созданных в предыдущий период, которые также должны быть объединены в рамках групповой технологии, сохранив при этом имеющуюся у них систему классификации деталей, технологических процессов, оснастки и т.д.

Кроме того, в пределах одной группы могут встречаться детали с конструктивными отличиями, влекущими за собой введение в технологию дополнительных операций. Эти операции кардинально не изменяют групповую технологию, осуществляются в ее рамках. Однако они существенно изменяют технологию конкретной детали, входящей в данную группу. Вследствие этих конструктивных отличий для выполнения того или иного этапа групповой технологии для конкретной детали может быть использовано различное число технологических операций и, соответственно, приспособлений, режущего и измерительного инструмента и т.д.

Таким образом, технологическая система групповых технологий призвана с одной стороны обобщить опыт предшествующих этапов развития предприятия, с другой создать упорядоченную систему технологической подготовки производства для последующего развития предприятия.

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.

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-10-1-1

УДК 621.74:629.7.03-226.2

ОТ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК К ЛОПАТКАМ ТУРБИН С ПРОНИКАЮЩИМ (ТРАНСПИРАЦИОННЫМ) ОХЛАЖДЕНИЕМ, ИЗГОТОВЛЕННЫМ ПО АДДИТИВНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ (обзор по технологии литья монокристаллических лопаток ГТД)

Приведены этапы становления и развития процесса монокристаллического литья лопаток из жаропрочных, интерметаллидных сплавов, сплавов с композиционной структурой типа ВКЛС, создания опытно-промышленного и промышленного оборудования для осуществления процесса направленной кристаллизации, а также развития систем охлаждения лопаток путем создания сложных внутренних полостей. Рассмотрены проблемы, связанные с получением лопаток с проникающей системой охлаждения. Обсуждается прогноз получения лопаток с проникающей системой охлаждения без применения керамических форм и стержней, т. е. по аддитивной технологии.

Введение

Многочисленные исследования и статистические данные по поломке авиатехники в связи с отказом двигателя показали, что основной причиной разрушения лопаток ГТД (наиболее нагруженных деталей двигателя) является их разрыв по границам зерен, ориентированным перпендикулярно основным растягивающим напряжениям от центробежных сил. Это послужило толчком для развития технологии направленной кристаллизации, обеспечивающей получение лопаток со столбчатой структурой, границы зерен в которой ориентированы параллельно главной оси лопатки (рис. 1).

Рис. 1. Лопатки с равноосной (а ), направленной (б ) и монокристаллической (в ) структурой

Лопатки со столбчатой структурой имеют более высокий ресурс работы на двигателе в отличие от лопаток с равноосной структурой. Дальнейшие исследования показали, что границы зерен, расположенные параллельно оси лопатки, имеют неблагоприятно ориентированные относительно действующих напряжений участки. Таким образом, появилась идея создать лопатки, в структуре которых межзеренные границы отсутствуют, т. е. сделать их монокристаллическими. Исследовательские центры всего мира были мобилизованы на решение этой задачи. Перед ВИАМ также была поставлена задача разработать технологию монокристаллического литья, создать оборудование для ее осуществления, усовершенствовать сплавы, предназначенные для направленной кристаллизации, и внедрить в промышленность.

В 1968 г. молодыми специалистами (В.В. Герасимов, В.Н. Толораия, А.В. Яковлева, А.В. Рогов, Е.Р. Черкасова, Л.Б. Василенок) под руководством профессора, д.т.н. Дмитрия Андреевича Петрова были начаты экспериментальные работы по получению монокристаллов жаропрочных сплавов. Эксперименты проводили на модернизированной установке «Редмет-4». Для расширения экспериментальных возможностей Конструкторский отделВИАМ спроектировал специализированные установки (проекты 1591, 1604, 1790), которые были изготовлены и сданы в эксплуатацию. По предложению Д.А. Петрова вокруг оснований моделей образцов и неохлаждаемых лопаток были изготовлены так называемые «стартовые козырьки» переменного сечения, которые позволили получить первые монокристаллические отливки (рис. 2). Нетехнологичность «стартовых козырьков» приводила к малому выходу годных по монокристаллической структуре отливок.

В дальнейшем были предложены стартовые основания в виде конусов - для круглых образцов или конических законцовок пера для лопаток (рис. 3). Это резко повысило выход годных по монокристаллической структуре отливок. Для управления кристаллографической ориентацией (КГО) получаемых отливок (очень важная характеристика для монокристаллов) в вершину стартовых оснований предложено устанавливать затравки с заранее заданной КГО. Опробованы два варианта затравок: из того же сплава, что и материал лопаток, и из тугоплавкого сплава типа Ni-W (рис. 3, д ). В дальнейшем более широкое промышленное внедрение получили затравки из сплава системы Ni-W. Это открыло путь к промышленному производству монокристаллических лопаток, основным преимуществом которых являлось отсутствие границ зерен, по которым в основном происходило разрушение деталей при эксплуатации. Одновременно с разработкой процесса направленной кристаллизации решался вопрос о повышении его производительности, чтобы приблизиться к производительности равноосного литья, но с более высоким качеством получаемых деталей. Повысить производительность можно было только путем увеличения скорости охлаждения отливки при направленной кристаллизации. Этого удалось добиться благодаря применению жидкометаллических охлаждающих сред, конвективное охлаждение в которых дает существенно больший эффект, чем охлаждение формы с отливкой путем излучения в вакууме. Влияние повышения скорости охлаждения на структурные изменения в отливках, а также схемы направленной кристаллизации приведены на рис. 4.

Рис. 2. Внешний вид первых монокристаллических лопаток (а ) и прямоугольных образцов (б ), выращенных с помощью стартовых козырьков

Рис. 3. Стартовые устройства (схема и общий вид) для получения монокристаллических образцов и лопаток:

а , б - для лопаток с бандажной полкой; в - для лопаток без бандажной полки; г - для цилиндрических образцов; д - два варианта затравок; 1 , 2 - оптимальный и допустимый вариант профиля стартового устройства соответственно; 3 - профиль пера лопатки; R 1 и R 2 - радиусы, образующие профиль

Рис. 4. Схемы установок для направленной кристаллизации с применением водоохлаждаемого медного (а б ) и микроструктура образцов:

I - в поперечном направлении (×100); II - в продольном направлении (×100); III - междендритные области (×500); IV - морфология упрочняющей γʹ-фазы (×10000); микроструктуры образцов, полученных по технологии направленной кристаллизации с применением водоохлаждаемого (а ) и жидкометаллического кристаллизаторов (б )

Повышение степени дисперсности структурных составляющих положительно сказывается на всех эксплуатационных свойствах деталей из жаропрочных сплавов, поэтому разработанный и опробованный в ВИАМ процесс направленной кристаллизации с применением жидкометаллических охлаждающих сред положен в основу технического задания на разработку промышленного оборудования.

В ВИАМ разработаны техническое задание и конструкторские чертежи (ведущий конструктор А.С. Шалимов) на промышленную установку УВНК-8, серийное производство которой поручено РПО «Электромеханика». При обсуждении проекта установки УВНК-8 с заводскими работниками было предложено снабдить установку дополнительной шлюзовой камерой для повышения ее производительности. Шлюзовая камера была спроектирована на РПО «Электромеханика», а установка стала называться УВНК-8П. В это время в ВИАМ по заданию ММПО им. В.В. Чернышева для двигателя РД-33 на установке В-1790 отлито три тысячи лопаток, из которых изготовлено три комплекта деталей для государственных испытаний. Успешное испытание лопаток в составе изделия инициировало серийное изготовление установок УВНК-8П и оснащение ими моторостроительных заводов отрасли. В зависимости от требуемой производительности создавались участки, оборудованные установками УВНК-8П: от 2 (на опытных заводах) до 12 (на серийных предприятиях). Одновременно в ВИАМ проводились работы по созданию сплавов для направленной кристаллизации. Разработаны и впоследствии внедрены в промышленность сплавы ЖС26, ЖС26У, ЖС32, ЖС36 (безуглеродистый) и ЖС40, длительная прочность которых существенно превышает аналогичные показатели сплава ЖС6У, применявшегося ранее. Первый участок в России из восьми установок создан на ММПО им. В.В. Чернышева, основным направлением работ на котором было повышение выхода годного при литье лопаток и коэффициента загрузки оборудования. За первые три года работы участка выход годного увеличен с 30 до 60% (табл. 1).

Таблица 1

Выход годного за первые три года серийного производства лопаток первой ступени

для изделия «88» на ММПО им. В.В. Чернышева на установках УВНК-8П

Продолжение

		Сентябрь					Примечание
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%
							Залито, шт.
							Предъявлено, шт.
							Сдано, шт./%

Таким образом, комплексный подход (разработка технологии, создание специальных сплавов и промышленного оборудования для направленной кристаллизации) к решению проблемы получения монокристаллических лопаток в короткие сроки дал положительные результаты и помог решить важнейшую государственную задачу по повышению ресурса двигателей РД-33 и АЛ-31,применяемых всовременных истребителях.

В дальнейшем комплексный подход к решению сложных проблем, объединяющий усилия технологов, разработчиков сплавов, оборудования и конструкторов, неоднократно давал положительные результаты. Так, с привлечением сотрудников ВИАМ, ЦИАМ им. П.И. Баранова, ОКБ ПАО «НПО «Сатурн» была решена проблема получения эвтектических сплавов.

Формирование композиционной структуры в эвтектических сплавах

ВКЛС-10, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р при получении лопаток ГТД

Эвтектические сплавы системы γ/γʹ-МеС, к которым относятся сплавы ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р, получаемые методом направленной кристаллизации, считались перспективными материалами для лопаток ГТД. Высокий уровень жаропрочности и сопротивления усталости эвтектических сплавов с композиционной структурой обеспечивается путем одновременного действия двух основных механизмов упрочнения: дисперсионного (как в обычных жаропрочных сплавах типа ЖС) и композиционного (благодаря армированию матрицы сплава нитевидными кристаллами NbC, выращиваемыми в процессе направленной кристаллизации).

Эвтектическое превращение характеризуется одновременным диффузионным разделением жидкости на две кристаллизующиеся фазы при постоянной температуре.

Известно, что необходимым условием формирования композиционной структуры эвтектик является создание и поддержание в процессе всего цикла кристаллизации микроскопически плоской поверхности раздела между жидкой и твердой фазами. По аналогии с критерием концентрационного переохлаждения (G /R ≥ΔT /D ) для однофазных сплавов , если используя диаграмму состояния заменить DТ эквивалентными величинами, то получают уравнения сохранения устойчивости плоского фронта при кристаллизации двухкомпонентных доэвтектических и заэвтектических сплавов:

где m - наклон линии ликвидус; k - коэффициент распределения легирующего элемента в твердой и жидкой фазах; G - температурный градиент в жидкости на фронте кристаллизации; R - скорость кристаллизации;C - состав сплава; C e - состав эвтектики; D - коэффициент диффузии элементов в жидкости.

Для каждого сплава существует определенное критическое значение соотношения G /R , выше которого плоский фронт кристаллизации является стабильным, а ниже его - становится ячеистым или дендритным, получение композиционной структуры при котором становится невозможно .

Химические составы разработанных в ВИАМ высокожаропрочных эвтектических сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р (а. с. 1111500, 1358425) и некоторых зарубежных аналогов представлены в табл. 2 .

Таблица 2

Химический состав эвтектических сплавов

										Длительная прочность	Источник

При направленной кристаллизации с плоским фронтом роста в сплавах типа ВКЛС формируется структура естественного композита (рис. 5), состоящая из γ/γ `-матрицы, армированной каркасом из высокопрочных волокон карбида ниобия. Содержание волокон NbC составляет 4-6% (объемн.), поперечное сечение волокна - в среднем 2×2 мкм. Между кристаллической решеткой γ/γ` -матрицы и волокнами существует определенное кристаллографическое соответствие. Устойчивое формирование регулярной композиционной структуры сплава, отливаемого в алундовых тиглях с внутренним диаметром 16-18 мм и толщиной стенок 2 мм, происходило при скорости погружения тигля 6-7 мм/ч и температурном градиенте 100-150°С/см. Такой градиент достигался при температуре верхней поверхности теплового экрана >1345°С, что соответствовало температуре в средней части цилиндрического нагревателя (1750°С) и стенок тигля (1680°С).

Рис. 5. Распределение температур (а ) в однозонной печи сопротивления при получении эвтектических сплавов в алундовых тиглях, макро- (б ) и микроструктуры (в ) слитков (б , в - продольное и поперечное сечение соответственно, ×100; г - поперечное сечение, ×10000)

В связи с технологическими трудностями получения лопаток из композиционных сплавов (высокие градиенты температур на фронте роста, низкие скорости роста, высокие температуры нагревателей и формы) рассмотрены и практически реализованы несколько путей производства деталей:

Получение слитков большого диаметра, из которых методами последующей механической обработки предполагалось изготавливать неохлаждаемые лопатки малоразмерных двигателей;

Изготовление методами направленной кристаллизации раздельных заготовок лопаток (отдельно спинки, отдельно корыто), соединение которых осуществляется пайкой по входной и выходной кромкам;

Изготовление цельнолитых охлаждаемых лопаток со сложной внутренней полостью.

При использовании двухзонного нагревателя, жидкометаллического охлаждения и экранов, на установке В-1790 отработана технология получения различных по конструкции лопаток из сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р. Во всех лопатках имелись три структурные зоны (как и на образцах): стартовая зона протяженностью 20-40 мм с крупными равноосными карбидами; композиционная зона с регулярными волокнами карбидов ниобия; зона с дендритной морфологией карбидов в верхней части отливок. Размер стартовой зоны выбирали так, чтобы в рабочую часть лопатки прорастала только композиционная структура. Установлено, что композиционная структура легче прорастает из замкового (толстого) сечения в тонкое, чем из тонкого пера в замок (на модельных лопатках). Таким образом, с помощью конструкторско-технологических приемов удалось снизить рабочую температуру нагревателей с 1750 до 1550°С. Такая температура на нагревателе не влияет на устойчивость керамических форм и стержней. Кроме того, резко увеличилась работоспособность нагревателей. Стабильная работа нагревателей наряду с эффективным экранированием позволили получить образцы и лопатки с необходимой (годной) композиционной структурой.

На основании анализа критерия устойчивости плоского фронта роста при кристаллизации эвтектик и большого количества проведенных экспериментов установлено, что жаропрочные сплавы типа ВКЛС имеют композиционную структуру в отливках толщиной до 10-15 мм при минимальном значении G /R =100-120°С·ч/см 2 .

Показано, что стартовая зона, в микроструктуре которой наблюдается большое количество неориентированных карбидов, содержит ³1% (по массе) С; композиционная зона на большой длине содержит 0,4-0,5% (по массе) С; дендритная зона в головной части отливки содержит £0,3% (по массе) С при исходной концентрации углерода в сплаве 0,38-0,55% (по массе).

Изучены механизмы образования поверхностных карбидов, ростовых дефектов различной морфологии при получении деталей из эвтектических сплавов типа ВКЛС.

При исследовании влияния термообработки на характеристики паяных соединений сплава ВКЛС-10 обнаружено явление эвтектоидного превращения карбидов с ориентированным выстраиванием их в поперечном к паяному шву направлении, что положительно сказывается на свойствах паяных соединений.

Разработана технология получения образцов с композиционной структурой и проведена паспортизация сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20 и ВКЛС-20Р .

Впервые по разработанной технологии получены лопатки с композиционной структурой в пере и замке следующих наименований:

Опытные лопатки Д-30 с простой геометрической формой внутренней полости;

Лопатки ТС-2-09 со сложной внутренней полостью, оформляемой стержнем;

Составные лопатки для изделия «79» с внутренним оребрением, оформленным керамикой формы;

Составные лопатки для изделия «20»;

Цельнолитые лопатки ВТ-60-02-047 с простой геометрической формой внутренней полости;

Цельнолитые охлаждаемые лопатки для изделия «99» и изделия «20» со сложной геометрической формой полости.

Впервые в заводских условиях на установке УВНК-8П с модернизированным приводом вертикального перемещения форм получены лопатки из сплава ВКЛС-20 с композиционной структурой пера и дендритно-композиционной структурой замка. Подтверждена пригодность установки УВНК-8П для получения лопаток ГТД из эвтектических сплавов типа ВКЛС.

Аналогичным образом решалась и проблема интерметаллидных сплавов.

Исследования в области взаимодействия металлов между собой и с другими элементами Периодической системы Д.И. Менделеева привели к открытию большого числа химических соединений, обладающих уникальными свойствами .

Металлиды (интерметаллиды) - химические соединения двух или нескольких металлов, образующиеся при взаимодействии компонентов в процессе нагрева, в результате обменных реакций, при распаде пересыщенных растворов одного металла в другом и т. д.

В кристаллической решетке металлидов атомы каждого из металлов занимают строго определенное положение, создавая как бы несколько вставленных одна в другую подрешеток. Интерметаллиды, как правило, существуют в определенной области концентраций компонентов (так называемой области гомогенности). Состав интерметаллидов обычно не отвечает формальной валентности компонентов. Диаграмма «состав-свойство» в области гомогенности может иметь сингулярную точку, соответствующую постоянному отношению атомов компонентов (дальтониды) или не иметь ее (бертоллиды) .

К наиболее важным химическим свойствам металлидов относятся стойкость к окислению и коррозионная стойкость в агрессивных средах. Стойкость к окислению объясняется высокой прочностью химической связи, малой диффузионной подвижностью атомов в их решетке, а также тем, что на их поверхности образуются стойкие оксидные пленки.

В ВИАМ разработана серия сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni 3 Al: ВКНА-4, ВКНА-4У, ВКНА-1В, ВКНА-25, ВИН2, ВИН3, ВИН4 . Все они паспортизованы и прошли промышленное опробование. Температурный уровень их работоспособности представлен графически на рис. 6, а .

Применение Ta, Re, Ru - элементов, которые ранее не применялись в системе легирования сплавов типа ЖС, привело к существенному повышению свойств сплавов и отодвинуло эвтектические сплавы типа ВКЛС на задний план. К этому времени в ВИАМ был разработан компьютерный метод конструирования жаропрочных сплавов, который заменил традиционный трудоемкий способ легирования методом «проб и ошибок» . С использованием метода компьютерного конструирования создано новое поколение жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), механические свойства которых представлены в табл. 3.

Тем не менее применение сплавов на никелевой основе не обеспечивает существенного повышения рабочих температур, необходимого для создания современных двигателей следующего поколения. В связи с этим проводятся исследовательские работы по поиску иной основы жаропрочных сплавов. В ВИАМ в этом направлении активно проводятся работы по созданию сплавов на основе системы Nb-Si (рис. 6, б ) .

Помимо повышения жаропрочности сплавов, позволяющего увеличить температуру газов перед турбиной, гораздо больший эффект в настоящее время обеспечивают системы внутреннего охлаждения материала лопаток.

Рис. 6. Температурный уровень работоспособности литейных интерметаллидных сплавов (а ) и жаропрочных сплавов (б )

Стремление к созданию высокотемпературных двигателей диктуется природой тепловых машин. При рассмотрении цикла Карно, лежащего в основе создания тепловых машин, в частности ГТД, видно, что коэффициент полезного действия (КПД) машины определяется только интервалом температур, в котором совершается работа:

где η - КПД тепловой машины; Т 1 - температура горячего источника, от которого рабочее тело (газ для ГТД) получает тепло для совершения работы; Т 2 - температура охлаждающей среды (для ГТД: Т 2 =Т атмосферы =300 К).

Следовательно η→1 при Т 1 →∞, т. е. высокотемпературные циклы обладают значительно более высоким КПД.

Цикл Карно является основным термодинамическим циклом. Он устанавливает предел превращения теплоты в работу при заданном температурном перепаде. Реальный КПД двигателя естественно будет меньше КПД цикла Карно при равных температурных перепадах.

Повышение КПД - это еще и рост экономических показателей двигателей, которые оцениваются удельным расходом топлива. Первые ГТД имели удельный расход топлива при работе на земле 1,3-1,5 кг топлива на 1 кг тяги в час, современные ТРД 0,7-0,9 кг топлива на 1 кг тяги в час, а ТРДД 0,5-0,7 кг топлива на 1 кг тяги в час.

Между конструкторами всего мира развернулась жесткая конкуренция по освоению предельно высоких температур газа перед турбиной, по снижению весовых характеристик машин, повышению их ресурса и надежности, технологичности конструкций и снижению при этом стоимости.

Таблица 3

Механические свойства литейных жаропрочных сплавов

	d , кг/м 3				МнЦУ: , МПа (при N =2·10 7 циклов)

Продолжение

							Область применения
							Рабочие и сопловые лопатки с равноосной структурой
							Рабочие и сопловые лопатки с направленной и монокристаллической структурой
							Рабочие лопатки с монокристаллической структурой
							Рабочие лопатки с направленной и монокристаллической структурой для стационарной ГТУ длительного ресурса

Экономический фактор, ранее не считавшийся главным при создании военной авиационной техники, теперь является доминирующим. Так, стоимость одного самолета-истребителя превысила 10 млн долларов, создание стратегического бомбардировщика оценивается суммой более 21 млн долларов, один самолет Е-3А с системой AWACS стоит 111 млн долларов.

Освоение высоких температур газа перед турбиной идет в двух направлениях: конструктивные проработки систем внутреннего охлаждения лопаток и применение новых жаропрочных сплавов. Отсюда следует, что применение неохлаждаемых лопаток возможно лишь на малогабаритных или вспомогательных силовых установках или на установках наземного базирования. Авиационные перспективные двигатели будут иметь все более сложные системы охлаждения внутренних полостей лопаток вследствие высоких температур газа перед турбиной, уже сейчас превышающих температуру плавления сплава лопаток. Развитие систем охлаждения лопаток наглядно представлено на рис. 7, приведены поколения авиационных двигателей и соответствующие им температуры газов перед турбиной, внешний вид и сечения лопаток, рост температуры газов вследствие проведения конструктивных мероприятий и благодаря повышению работоспособности материалов лопаток .

Рис. 7. Развитие систем охлаждения лопаток (рост температуры газа перед турбиной и усложнение систем внутреннего охлаждения лопаток): 1 - температура газа; 2 - температура металла

На смену неохлаждаемым лопаткам, эксплуатирующимся при температурах ниже 1000°С, пришли лопатки с воздушным охлаждением, воздух для которых отбирается из последних ступеней компрессора. Эффективность охлаждения наглядно показана на рис. 8. При одинаковой температуре на входной кромке лопаток (950°С) температура газа перед турбиной в случае охлаждаемой лопатки повышена на 350°С.

Внутренние полости первых охлаждаемых лопаток были сформированы кварцевыми трубками подходящего диаметра. Затем появились лопатки с вставным дефлектором. В дальнейших разработках внутренние охлаждаемые полости лопаток формировались керамическими стержнями очень сложной геометрической формы. Внешний вид стержней, используемых для формирования охлаждаемых полостей, показан на рис. 9. Усложнение внутренних полостей лопаток позволяло снижать температуру материала лопаток и повышать температуру газов перед турбиной. Рост температуры газов перед турбиной при усложнении внутренних полостей охлаждения показан на рис. 7.

Рис. 8. Охлаждаемая (а ) и неохлаждаемая (б ) лопатки турбины

Рис. 9. Внешний вид керамических стержней для формирования внутренних полостей охлаждаемых лопаток

Рассмотрим более подробно технологию получения лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением, поскольку в ней сконцентрированы лучшие достижения в области создания керамических стержней особо сложной конструкции, разработки сплавов и технологии получения монокристаллов, а также в конструктивных особенностях самих лопаток. Для решения всего комплекса проблем потребовалось привлечение специалистов из многих лабораторий ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова, а также заводских работников.

Формирование монокристаллической структуры в лопатках газовых турбин,

изготовленных из безуглеродистых жаропрочных сплавов,

Известно несколько схем проникающего (транспирационного) охлаждения: Lamilloy (фирма Allison Transmission, США), Transplay (фирма Rolls-Royce, Великобритания), Supercooling (фирма Pratt & Whitney, США).

Использование жаропрочных материалов с проникающей (транспирационной) системой охлаждения для изготовления деталей горячего тракта ГТД и ГТУ позволит создать стехиометрический двигатель, в котором температура газа в камере сгорания достигнет теоретической температуры горения топлива, а на входе в турбину 2200-2300 К. При одинаковой рабочей температуре для работы деталей с проникающей системой охлаждения (в силу ее эффективности) требуется меньшее (на 30-50%) количество охлаждающего воздуха, чем для работы деталей с традиционными видами охлаждения. Если же для охлаждения использовать одинаковое количество охлаждающего воздуха, то детали с проникающей системой охлаждения будут работать при более низкой температуре, что позволит увеличить (в 2-4 раза) их ресурс по сравнению с ресурсом деталей с другими системами охлаждения.

Разработаны деформируемые и литые жаропрочные материалы с проникающей системой охлаждения. Из деформируемых жаропрочных материалов изготовляют камеры сгорания и жаровые трубы, а из литых - сопловые и рабочие лопатки. По мнению зарубежных экспертов, именно материалы с проникающей системой охлаждения будут определять облик ГТД нового поколения.

В настоящее время существуют разнообразные конструкции систем проникающего охлаждения. Первая система, получившая название «Ламеллой», была разработана фирмой Allison Transmission и запатентована. Сначала материал с системой охлаждения «Ламеллой» изготавливали в виде листов (деформированный вариант), а в конце 1980-х гг. фирма разработала вариант литого монокристаллического материала с такой же системой охлаждения.

Необходимо отметить, что в новом литом материале с проникающей системой охлаждения успешно используются последние достижения в области:

Разработки конструкций эффективной проникающей системы охлаждения;

Создания сверхжаропрочных литейных сплавов;

Разработки технологии монокристаллического литья.

В ВИАМ работы по созданию материалов и деталей с проникающей системой охлаждения начаты в 1993 г. Первая оригинальная разработка была выполнена совместно с МГТУ им. Н.Э. Бауманаи получила название «Вихрепор» .

Для отработки технологии изготовления каналов и отверстий в тонких стенках с криволинейными поверхностями в ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова создана конструкция имитационного трубчатого образца с системой аксиальных каналов прямоугольного сечения, а также входных и выходных отверстий (рис. 10).

Рис. 10. Имитационные трубчатые образцы с проникающей системой охлаждения:

а , б - образцы после литья и после механической обработки соответственно; в - закладной керамический элемент

Толщина стенок трубчатого образца переменная и изменяется в тех же пределах, что и в модельной лопатке газогенератора ВТ-68 конструкции ЦИАМ им. П.И. Баранова (от 3 (в корневом сечении) до 1,5 мм (в верхней части)). Разработана технология отливки такого образца с применением закладных керамических элементов, для изготовления которых, а также для модели трубчатого образца, спроектированы и изготовлены соответствующие пресс-формы.

Испытания образцов, проведенные в ЦИАМ им. П.И. Баранова, подтвердили эффективность проникающего охлаждения и перспективность его применения в лопатках двигателей следующего поколения.

Проникающая система охлаждения предполагает наличие в пере лопатки системы двух взаимосвязанных полостей:

Центральной - имеющей относительно простую форму;

Периферийной - представляющей собой разветвленные охлаждающие каналы в стенках лопатки, которые сообщаются с внутренней (центральной) полостью и имеют выход за пределы тела лопатки.

Для формирования каналов в стенках лопатки необходимы тонкие сложнопрофильные керамические стержни, изготовленные с высокой точностью. Использование такого стержня при литье лопаток должно обеспечить проникающую систему охлаждения лопатки - движение охлаждающего воздуха из центральной внутренней полости лопатки через отверстия в разветвленные, насыщенные штырьками каналы в стенках лопатки и далее через отверстия за пределы лопатки.

Требования, предъявляемые к конструкции лопатки:

Средняя толщина стенки

Диаметр отверстий подвода и выпуска воздуха 0,4-0,6 мм (шаг отверстий 4-6 мм);

Диаметр штырьков 0,6-0,8 мм (шаг штырьков 4-6 мм).

На основании этих данных можно сформулировать требования к керамическому стержню:

Толщина стержня 0,4-0,8 мм;

Диаметр штырьков 0,4-0,6 мм (формируют отверстия подвода и выпуска воздуха), шаг штырьков 4-6 мм;

Диаметр отверстий 0,6-0,8 мм (формируют штырьки), шаг отверстий 4-6 мм;

Длина стержня 50-100 мм;

Стержень должен быть химически инертным к металлическому расплаву.

Требования к прочности стержня, качеству поверхности, величине усадки, допусков и степени коробления такие же, как и для стандартных стержней.

Из ряда возможных схем охлаждения выбрана комбинированная схема, сочетающая струйный и проникающий способы охлаждения. Сущность предложенной схемы заключается в том, что охлаждающий воздух подается во внутреннюю полость лопатки и поступает в радиальные отверстия, соединенные с аксиальными каналами в профильной стенке лопатки. Столкновение воздушных струй с внутренней поверхностью горячей стенки обеспечивает струйное охлаждение. Затем воздух проникает через выходные отверстия на внешнюю горячую поверхность стенки, образуя защитную воздушную пленку (проникающее охлаждение). Струйное охлаждение зависит от скорости воздушных струй: чем выше скорость, тем эффективнее теплопередача между горячей стенкой и охлаждающим воздухом. Напротив, проникающее охлаждение тем эффективнее, чем ниже скорость просачивания воздуха через выходные отверстия. Эффективность проникающего охлаждения зависит от перепада давления воздуха и является функцией отношения суммарных площадей входных и выходных отверстий. По этой причине входные отверстия имеют меньший диаметр, чем выходные. Кроме того, чем тоньше горячая стенка, тем эффективнее проникающее охлаждение. Толщина горячей стенки составляет £0,5 мм.

Сочетание струйного и проникающего способов охлаждения является более эффективным по сравнению с применяемым в настоящее время пленочным охлаждением.

Практическая реализация предложенной схемы комбинированного охлаждения зависит от конструкции керамического стержня, оформляющего при литье радиальные входные и выходные отверстия, а также аксиальные каналы.

Предлагаемый составной керамический стержень состоит из основного стержня, оформляющего внутреннюю полость будущего изделия, и соединенных с ним специальным образом мини-стержней. Конструкция основного стержня определяется конструктивными особенностями внутренней полости изделия, а мини-стержни представляют собой керамические рамки прямоугольной или трапецеидальной формы. Внутри каждой рамки расположена тонкая продольная перегородка, которая с обеих сторон соединена перемычками с продольными стенками рамки, при этом оси перемычек смещены относительно друг друга. При кристаллизации изделия перегородка формирует канал в стенке будущего полого изделия, а перемычки - систему отверстий для подвода и выпуска охлаждающего воздуха. Геометрические размеры мини-стержней (диаметр и длина перемычек), расстояние между ними, площадь поперечного сечения центральной перегородки, толщина стенок рамки определяются габаритами отливаемого изделия, прежде всего, толщиной стенки полого изделия.

Экспериментальная рабочая лопатка высокотемпературного газогенератора,

изготовленная из монокристаллических сплавов ЖС32 или ЖС40,

с проникающей системой охлаждения

Экспериментальная рабочая лопатка с проникающим охлаждением разработана применительно к турбине газогенератора ВТ-68. Лопатка относительно небольших размеров: высота пера 46 мм, хорда 32 мм. Конструктивный облик лопатки определялся технологическими возможностями ее изготовления.

Специалистами ВИАМ и ЦИАМ им. П.И. Баранова предложено использовать составной керамический стержень, формирующий сложную систему каналов и отверстий в отливке лопатки после ее направленной кристаллизации. На центральный стержень устанавливают дополнительные стержни (закладные элементы) по количеству радиальных каналов, определяемому тепловым и гидравлическим расчетом. Закладные элементы позволяют получать отливку с радиальными каналами в стенке и отверстиями входа/выхода воздуха в эти каналы. Технология применения закладных элементов отрабатывалась при изготовлении полых цилиндрических образцов. Закладные элементы выполнены минимально возможного размера. При использовании этой технологии удалось расположить в лопатке только 6 радиальных каналов размером 2×0,5 мм и шагом ~5 мм. Рамочная конструкция обеспечивает жесткость и формоустойчивость мини-стержней при обжиге и литье, поэтому сводятся к минимуму такие дефекты, как коробление при обжиге, обламывание тонких перемычек при заливке расплава и его направленной кристаллизации. Таким образом, конструкция составного стержня обеспечивает в процессе литья формирование в стенке лопатки тонких каналов и связанных с ними входных и выходных отверстий для циркуляции воздуха, создавая тем самым высокоэффективную систему охлаждения .

Разработаны технологические режимы, по которым получена опытная партия лопаток (рис. 11).

Рис. 11. Температурные параметры процесса получения лопаток с проникающей системой охлаждения: ─ температура кристаллизатора (Al); ─ температура расплава в тигле; ─ , ─ печь подогрева форм (верх и низ)

Десять полученных лопаток подвергали тепловым испытаниям в ЦИАМ им. П.И. Баранова на установке У-276 . Лопатка спроектирована применительно к турбине высокотемпературного газогенератора ВТ-68. Внешний вид лопатки и часть ее поперечного сечения показаны на рис. 12. Микроструктура данной лопатки представлена на рис. 13.

Характерное значение расстояния между осями дендритов первого порядка составляет 120 мкм. Результаты испытаний показали, что средняя часть лопатки охлаждается очень эффективно. Достигнут коэффициент охлаждения (θ), равный 0,78-0,8. Коэффициент охлаждения связывает температуры газа перед турбиной (Т г), материала лопатки (Т л) и охлаждающего воздуха от компрессора (Т в) .

Рис. 12. Лопатка (спинка и корыто) (а ) и часть ее сечения (б ), на котором видны каналы проникающего охлаждения

Рис. 13. Микроструктура (×100) пера лопатки в поперечном сечении (характерное значение междендритного расстояния между осями первого порядка λ =120 мкм):

а - у входной кромки (верх); б -со стороны спинки (середина); в - у выходной кромки (низ)

Для оценки свойств двустенных лопаток разработаны специальные двустенные образцы, к которым после прожига отверстий (диаметром 0,5 мм) электроискровым способом и механической обработки припаивались захваты, позволяющие провести испытания на термостойкость. Жаропрочный сплав для отливки тонкостенных образцов, имитирующих двойную стенку лопатки с проникающим охлаждением, должен удовлетворять ряду требований:

Обладать высокими физико-механическими свойствами, в частности высоким сопротивлением термической усталости;

Быть склонен к формированию монокристаллической структуры в тонких (0,5 мм) сечениях;

Быть паспортизован и иметь невысокую стоимость.

С учетом этих требований проанализированы три жаропрочных никелевых сплава: ЖС32, ЖС36 и ЖС40, химический состав которых приведен в табл. 3.

В состав сплава ЖС32 входит углерод, который образует монокарбиды Ti, Ta, Nb. Известно, что карбиды являются очагами зарождения трещин, поэтому сплав ЖС32 обладает пониженным сопротивлением усталости, а также является дорогостоящим из-за высокого содержания рения.

Сплав ЖС36 не содержит углерода, хорошо формирует монокристаллическую структуру в тонких сечениях, более дешевый по сравнению со сплавом ЖС32.

Безуглеродистый сплав ЖС40 обладает высоким сопротивлением термоусталостному разрушению, относительно недорогой, однако требует сложной термической обработки.

Исходя из рассмотренных особенностей сплавов, для изготовления образцов выбран сплав ЖС36.

Для отливки двустенных монокристаллических образцов (рис. 14) использовали тугоплавкие затравки с кристаллографической ориентацией . Отливка образцов осуществлена на установках В-1790 и УВНК-9 с компьютерным управлением. В зависимости от установки, на которой проводили направленную кристаллизацию пластин, разработаны различные варианты сборки моделей в литейные блоки. Плоские пластины собирали по 6 шт. в блоке для установки В-1790 и по 9 шт. - для УВНК-9.

Рис. 14. Блоки двустенных монокристаллических образцов, имитирующих стенку лопатки с проникающим охлаждением

Керамический стержень из полученных образцов удаляли в бифториде калия. Растрав внутренней поверхности после операции удаления стержней не превышал
30 мкм.

В ЦИАМ им. П.И. Баранова проведены испытания на термическую усталость охлаждаемых образцов с перфорацией и без нее при следующих параметрах цикла: 1000⇄400°С, при растягивающем напряжении 196,2 и 98,1 МПа соответственно.

Испытания носили сравнительный характер с целью выяснения влияния перфорации образцов, имитирующих двойную стенку лопатки с проникающим охлаждением, на их термоусталостную прочность.

Долговечность двух перфорированных образцов составила 960 и 1157 циклов, тогда как образец без перфорации выдержал 3056 циклов. По расчетам ЦИАМ им. П.И. Баранова циклическая долговечность образца с отверстиями (коэффициент концентрации напряжений равен 2) при данном «жестком» цикле составляет 999 циклов и совпадает с экспериментальными значениями. Расчетная циклическая долговечность образцов без перфорации равна 12000 циклов, что в 4 раза превышает экспериментальные значения. Причина такого расхождения неизвестна.

Установлено, что термоусталостные трещины зарождаются на концентраторах напряжений на внутренней стенке образцов. В перфорированных образцах таковыми являются острые кромки отверстий и шероховатость, образовавшаяся в результате растрава. Кромки отверстий - более сильные концентраторы напряжений, поэтому они являются первичными очагами зарождения микротрещин, тогда как шероховатость внутренней поверхности служит источником множества вторичных очагов. В дальнейшем распространение микротрещин происходит с возрастанием скорости по мере приближения к месту долома. В сплошных образцах происходит многоочаговое зарождение микротрещин на шероховатостях внутренней поверхности, образовавшихся в результате растрава.

Конструктивная и технологическая проработка экспериментальной рабочей лопатки с использованием жестких стержней для организации системы проникающего охлаждения показала, что в лопатке относительно небольшого размера эффективность этого способа охлаждения не реализуется в полной мере, так как поместить нужное количество мини-стержней в объеме лопатки технически невозможно.

Разрабатываемое в ВИАМ второе направление технологии отливки лопаток на базе «гибких» керамических лент позволит качественно улучшить характеристики рабочих лопаток с проникающим охлаждением и является более перспективным.

Составной керамический стержень в случае применения «гибких» керамических лент также состоит из основного стержня, изготовленного по традиционной технологии, и дополнительного стержня в форме тонкой пластины с поверхностным рельефом и системой отверстий, эквидистантно огибающей профиль основного стержня. Основной и дополнительный стержни соединены клеящей суспензией . Процесс изготовления сложного керамического стержня включает следующие операции:

Изготовление основного керамического стержня из смеси огнеупорных порошков (заданного гранулометрического состава) и термопластификатора, прессование расплавленной стержневой массы и обжиг в засыпке адсорбента или керамическом драйере;

Прокатка гладкой ленты из смеси огнеупорных порошков (определенного гранулометрического состава) и полимерного связующего (толщина и ширина ленты зависят от геометрических размеров основного стержня);

Нанесение на поверхность ленты необходимого рельефа методом штамповки или прокатки в фигурных валках. Изготовленная таким образом рельефная лента в необожженном состоянии обладает достаточно хорошей гибкостью благодаря присутствию в ней полимерного связующего. Минимальный радиус кривизны при изгибе ленты без появления трещин и надрывов определяется ее толщиной, плотностью нанесения элементов рельефа, объемным наполнением огнеупорных порошков и типом полимерного связующего. Поскольку при прокатке площадь контакта валков с поверхностью ленты мала, то адгезионное сцепление в этом случае незначительно и можно получить ленту большой длины и ширины без повреждения элементов поверхностного рельефа;

Раскрой рельефной ленты на отдельные заготовки необходимых форм и размеров, которые и используются как дополнительные «гибкие» стержни;

Изготовление промежуточной модели на основном стержне;

Профилирование необожженного дополнительного стержня по контуру промежуточной модели с обеспечением плотного контакта и соединения элементов рельефа с криволинейной поверхностью основного стержня. Эта операция осуществляется в обжимном штампе либо по всей поверхности основного стержня, либо в определенных местах. Во избежание повреждения выступающих элементов рельефа при изгибе дополнительного стержня, предусмотрено изготовление специальных пазов на профильных поверхностях штампа. Этим достигается постоянство зазора (0,5-0,8 мм) между основным и дополнительным стержнем, что гарантирует получение необходимой геометрической формы составного стержня с заданной точностью;

Удаление промежуточной модели;

Совместный высокотемпературный обжиг основного и соединенного с ним дополнительного стержня. В процессе обжига происходит выгорание связующего, спекание порошковых частиц и превращение заготовки в сложный единый стержень. При обжиге происходит спекание дополнительного стержня в местах контакта элементов рельефа с поверхностью основного стержня. Точное соединение возможно только в том случае, если температурные коэффициенты линейного расширения и усадка обоих элементов составного стержня близки. Обжиг составного стержня для обеспечения стабильности размеров следует производить в керамическом драйере.

Для практической отработки технологии получения монокристаллических лопаток с проникающей системой охлаждения с использованием гибких керамических пленок была выбрана лопатка первой ступени энергетической турбины ГТЭ-25.

Основной стержень изготавливали по серийной технологии из смеси огнеупорных порошков Al 2 O 3 . Дополнительный стержень изготавливали в две стадии:

Прокаткой получали гладкую ленту из смеси порошков Аl 2 О 3 заданного гранулометрического состава и полимерного связующего;

Методом прессования наносили двухсторонний рельеф. В данном случае элементы рельефа имели вид штырьков высотой 0,9 мм и диаметром 0,8 мм; толщина ленты
0,7 мм; диаметр отверстий 0,9 мм. Далее вырезали заготовку размером 50×50 мм.

Из-за отсутствия необходимой оснастки разработчики вынуждены были осуществить профилирование и соединение плоской заготовки с основным стержнем вручную. Склеивание основного стержня и заготовки осуществлено с помощью клеящей суспензии на основе ЭТС-40. Профилирование проводили только вокруг входной кромки основного стержня в его верхней части. Далее проводили высокотемпературный обжиг составного стержня при 1300-1350°С.

Прокаленный составной стержень устанавливали в модельную пресс-форму и по стандартной технологии изготавливали восковую модель. Торцы штырьков полностью очищали от модельной массы. Затем по промышленной технологии изготавливали керамическую оболочковую форму, которую после прокалки заливали на установке В-1790 жаропрочным сплавом ЖС40. Плавку, заливку и направленную кристаллизацию жаропрочного сплава проводили по режимам, обеспечивающим заполнение тонких каналов и получение монокристаллической структуры в отливке. Из полученной отливки по заводской технологии в бифториде калия удаляли стержень. Отлита опытная партия лопаток, три лопатки из которой отправлены в соответствии с контрактом №150-96-191-840 на фирму HOWMET. В верхней части со стороны входной кромки лопатки имели двойные стенки (рис. 15). На фирме HOWMET лопатки подробно исследованы визуально, с помощью методов компьютерной томографии и металлографии. Установлено, что лопатки имеют макро- и микроструктуру (рис. 15, в ), типичную для монокристаллов с КГО . Взаимодействие между металлом и формой, а также между металлом и стержнем отсутствует. Отмечен значительный разброс значений толщины стенки, что вызвано применением временной оснастки и ручной сборки составного стержня. В местах контакта дополнительного стержня с основным стержнем заусенцев не обнаружено, т. е. в местах контакта нет трещин. Таким образом, в ВИАМ разработаны и успешно опробованы технологии двойного стержня и монокристаллического литья, несмотря на необходимость дальнейших исследований по достижению равномерной толщины стенок профиля .

Рис. 15. Лопатка ГТЭ-25 с дополнительной охлаждающей полостью в верхней части входной кромки, сформированной по технологии с применением «гибкого» стержня:

а - общий вид; б , в - сечения (×5 и ×32 соответственно)

В ЦИАМ им. П.И. Баранова лопатки с дополнительными полостями охлаждения, сформированными по технологии «гибких» стержней, не испытывали, однако на основании испытаний лопаток с закладными элементами в работе сделан вывод о еще большей перспективности (в смысле улучшения охлаждения) лопаток, получаемых с использованием технологии «гибких» стержней.

Выводы

На основании анализа научных направлений развития авиационных двигателей сделан вывод о перспективности применения лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением, которые определят облик двигателя нового поколения.

Разработаны научные подходы к созданию лопаток с транспирационным охлаждением: организация охлаждения с помощью «закладных» элементов и применения «гибких» стержней.

Создана уникальная опытно-промышленная технологии получения охлаждаемых лопаток принципиально новой конструкции, которая включает достижения трех основных направлений развития высокотемпературных материалов в области:

Создания безуглеродистых ренийсодержащих сплавов;

Технологии монокристаллического литья с заданными кристаллографической ориентацией и размером структурных составляющих;

Создания конструктивных схем охлаждения, обеспечивающих коэффициенты охлаждения ≥0,8.

Отработаны основные температурно-скоростные параметры получения монокристаллических трубчатых, а также полых прямоугольных образцов, лопаток для изделия «88» с закладными элементами, лопаток типа ГТН-25 с «гибкими» стержнями на входной кромке и модельных лопаток с дополнительными охлаждающими полостями на корыте и спинке для перспективных изделий. Получена опытная партия деталей всех вышеперечисленных наименований.

Лопатки с закладными элементами прошли испытания в ЦИАМ им. П.И. Баранова на установке У-276. Достигнута величина коэффициента охлаждения 0,78-0,8, что позволит создать стехиометрическийдвигатель с температурой газа перед турбиной, приближающейся к теоретически возможной температуре сгорания топлива.

Исследованы структура и КГО полученных деталей с транспирационным охлаждением. Отклонение кристаллографической ориентации всех деталей находится в пределах 10 град от КГО . Расстояние между осями дендритов первого порядка в сечении пера составляет 120-150 мкм. Монокристаллическая структура формируется во всех конструктивных элементах лопаток.

Получение монокристаллических лопаток с проникающим (транспирационным) охлаждением является уникальным достижением литейной технологии.

В настоящее время идет бурное развитие высоких технологий, в частности развитие аддитивных технологий производства разнообразных деталей, которое может в корне изменить всю существующую систему производственных отношений.

Аддитивные технологии - комплекс принципиально новых производственных процессов, в которых изготовление изделия происходит путем добавления (англ. Add - добавлять) материала, в отличие от традиционных технологий, где деталь создается методом удаления лишнего.

Аддитивные технологии открывают фантастические возможности для получения лопаток, в том числе с проникающим (транспирационным) охлаждением. При этом не требуется использования керамических форм и ажурных стержней со сложной технологией производства, а также литейного оборудования с высоким энергопотреблением. Академик Е.Н. Каблов в одной из своих статей , затрагивая тему аддитивных технологий, пишет, что хотел бы «напечатать» целый самолет (с помощью 3D-принтера).

В ВИАМ по аддитивной технологии уже изготавливают детали сложной геометрической формы (например, завихритель топлива камеры сгорания современного двигателя).

Применительно к лопаткам ГТД целесообразно использовать часть (например, замок) монокристаллической лопатки и, используя ее как затравку, эпитаксиальным наращиванием слоев жаропрочного сплава (путем нанесения по заданной программе капель или порошков) получать детали с заданными полостями и каналами внутренней полости без использования керамических форм и стержней.

В ВИАМ эта задача еще не решена. Однако в США имеется патент , согласно которому получают лопатки с проникающей системой охлаждения (рис. 16) из интерметаллидного сплава.

Рис. 16. Схема лопатки из интерметаллидного сплава, полученной по аддитивной технологии согласно пат. 5312584 US

Большое количество молодых талантливых специалистов, пришедших работать в ВИАМ, и то внимание, которое уделяется развитию аддитивных технологий, позволяют надеяться на успешное решение задачи получения лопаток ГТД (в том числе с проникающим охлаждением).

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 9.5. «Направленная кристаллизация (с переменным управляемым градиентом) высокотемпературных жаропрочных сплавов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») .

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия / под общ. ред. Е.Н. Каблова. 2-е изд. М.: Наука, 2006. 632 с.
2. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
3. Курц В., Зам П.Р. Направленная кристаллизация эвтектических материалов. М.: Металлургия, 1980. С. 91–96.
4. Эвтектический сплав на основе никеля: а. с. 1111500; опубл. 09.06.83.
5. Сплав на основе никеля: а. с. 1358425; опубл. 08.08.87.
6. Кишкин С.Т., Петрушин Н.В., Светлов И.Л. Эвтектические жаропрочные сплавы // Авиационные материалы на рубеже ХХ–ХХI веков: науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 1994. С. 252–258.
7. Bibring H. Conception et etude d eutectiques orientes fortement solicites en temperature et en contraite // Ann. Chim. 1980. V. 5. №2–3. P. 111–138.

9. СР. 1.2.010–84. Сертификат на сплав ВКЛС20. М.: ВИАМ, 1984.
10. Герасимов В.В., Демонис И.М. Формирование композиционной структуры в эвтектических сплавах при получении лопаток ГТД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №6. Ст. 01. URL: http://www..02.2014).
11. Вестбрук Д. Исследования и перспективы применения интерметаллических соединений // Металловедение и термическая обработка. 1971. №4. С. 74–80.
12. Корнилов И.И. Металлиды – материалы с уникальными свойствами // Вестник АН СССР. 1970. №12. С. 30–33.
13. Химический энциклопедический словарь / под ред. И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1983. 792с.
14. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33
15. Каблов Е.Н., Бунтушкин В.П., Базылева О.А. Литые лопатки из интерметаллидов никеля (Ni3Al) для высокотемпературных газовых турбин // Конверсия в машиностроении. 2004. №4. С. 57–59.
16. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. C. 19–36.
17. Герасимов В.В., Петрушин Н.В., Висик Е.М. Усовершенствование состава и технология литья монокристаллических лопаток из жаропрочного интерметаллидного сплава // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 01. URL: http://www..04.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-1-1.
18. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения // Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
19. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов // Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина. М.: Наука, 2006. С. 56–78.
20. Полая лопатка «Вихрепор»: пат. 2078946 Рос. Федерация; опубл. 13.05.96.

22. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Демонис И.М., Фоломейкин Ю.И. Монокристаллические лопатки с транспирационным охлаждением для высокотемпературных газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии: науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2003. Вып. Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства. С. 24–33.
23. Скибин В.А., Солонин В.И., Дульнев А.А. Перспективы развития газотурбинных двигателей // Газотурбинные технологии. 2000. №2. С. 4–14.
24. Герасимов В.В., Висик Е.М., Колядов Е.В. О неиспользованных резервах направленной кристаллизации в повышении эксплуатационных характеристик деталей ГТД и ГТУ // Литейное производство. 2013. №9. С. 30–32.
25. Составной керамический стержень: пат. 2094163 Рос. Федерация; опубл. 27.10.97.

27. Каблов Е.Н. Чтобы собрать самолет по атомам // Индустрия. Инженерная газета. 2015. №12. С. 1–2.

1. Litye lopatki gazoturbinnyh dvigatelej: splavy, tehnologii, pokrytiya / pod obshh. red. E.N. Kablova. 2-e izd. . M.: Nauka, 2006. 632 s.
2. Kablov E.N., Golubovskij E.R. Zharoprochnost nikelevyh splavov: ucheb. posobie . M.: Mashinostroenie, 1998. 464 s.
3. Kurc V., Zam P.R. Napravlennaya kristallizaciya evtekticheskih materialov . M.: Metallurgiya, 1980. S. 91–96.
4. Evtekticheskij splav na osnove nikelya: a. s. 1111500 ; opubl. 09.06.83.
5. Splav na osnove nikelya: a. s. 1358425 ; opubl. 08.08.87.
6. Kishkin S.T., Petrushin N.V., Svetlov I.L. Evtekticheskie zharoprochnye splavy // Aviacionnye materialy na rubezhe XX–XXI vekov: nauch.-tehnich. sb. M.: VIAM, 1994. S. 252–258.
7. Bibring H. Conception et etude d" eutectiques orientes fortement solicites en temperature et en contraite // Ann. Chim. 1980. V. 5. №2–3. P. 111–138.
8. Khan T. Further Assessment and Improvement of High Strength y/y`-NbC. Composites for Advanced Turbine Blades // Proc. Conf. On in Situ Composites III. 1979. P. 378–389.
9. SR. 1.2.010–84. Sertifikat na splav VKLS20 . M.: VIAM, 1984.
10. Gerasimov V.V., Demonis I.M. Formirovanie kompozicionnoj struktury v evtekticheskih splavah pri poluchenii lopatok GTD // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №6. St. 01. Available at: http://www..
11. Vestbruk D. Issledovaniya i perspektivy primeneniya intermetallicheskih soedinenij // Metallovedenie i termicheskaya obrabotka. 1971. №4. S. 74–80.
12. Kornilov I.I. Metallidy – materialy s unikal"nymi svojstvami // Vestnik AN SSSR. 1970. №12. S. 30–33.
13. Himicheskij enciklopedicheskij slovar / pod red. I.L. Knunyanc . M.: Sovetskaya enciklopediya, 1983. 792s.
14. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
15. Kablov E.N., Buntushkin V.P., Bazyleva O.A. Litye lopatki iz intermetallidov nikelya (Ni3Al) dlya vysokotemperaturnyh gazovyh turbin // Konversiya v mashinostroenii. 2004. №4. S. 57–59.
16. Ospennikova O.G. Strategiya razvitiya zharoprochnyh splavov i stalej specialnogo naznacheniya, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–36.
17. Gerasimov V.V., Petrushin N.V., Visik E.M. Usovershenstvovanie sostava i tehnologiya lit"ya monokristallicheskih lopatok iz zharoprochnogo intermetallidnogo splava // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №3. St. 01. Available at: http://www.. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-1-1.
18. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh materialov i tehnologij ih proizvodstva dlya aviacionnogo dvigatelestroeniya // Krylya Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
19. Kablov E.N., Petrushin N.V. Kompyuternyj metod konstruirovaniya litejnyh zharoprochnyh nikelevyh splavov // Litejnye zharoprochnye splavy. Effekt S.T. Kishkina. M.: Nauka, 2006. S. 56–78.
20. Polaya lopatka «Vihrepor»: pat. 2078946 Ros. Federaciya ; opubl. 13.05.96.
21. Single-cast high-temperature, thin wall structure and method of making the same: pat. 5295530 US; publ. 22.03.94.
22. Kablov E.N., Svetlov I.L., Demonis I.M., Folomejkin Yu.I. Monokristallicheskie lopatki s transpiracionnym ohlazhdeniem dlya vysokotemperaturnyh gazoturbinnyh dvigatelej // Aviacionnye materialy i tehnologii: nauch.-tehnich. sb. M.: VIAM, 2003. Vyp. Vysokozharoprochnye materialy dlya sovremennyh i perspektivnyh gazoturbinnyh dvigatelej i progressivnye tehnologii ih proizvodstva. S. 24–33.
23. Skibin V.A., Solonin V.I., Dulnev A.A. Perspektivy razvitiya gazoturbinnyh dvigatelej // Gazoturbinnye tehnologii. 2000. №2. S. 4–14.
24. Gerasimov V.V., Visik E.M., Kolyadov E.V. O neispolzovannyh rezervah napravlennoj kristallizacii v povyshenii ekspluatacionnyh harakteristik detalej GTD i GTU // Litejnoe proizvodstvo. 2013. №9. S. 30–32.
25. Sostavnoj keramicheskij sterzhen: pat. 2094163 Ros. Federaciya ; opubl. 27.10.97.
26. Bouse G.K. and Sikkenga B. Characterization of Double Walled Single Crystal Turbine Blades From Russian VIAM Institute // Technical Report №1058/A. Howmet Corporation. 1997. 11 p.
27. Kablov E.N. Chtoby sobrat samolet po atomam // Industriya. Inzhenernaya gazeta. 2015. №12. S. 1–2.
28. Moldless/coreless single crystal castings of nickel-aluminide: pat. 5312584 US; publ. 17.05.94.
29. Veys J.M., Mevrel R. Influence of Protective Coatings on the Mechanical Properties of CMSX-2 and Cotac 784 // Materials Science and Engineering. 1987. №88. P. 253–260.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.

«Турбинная» тема настолько же сложна, насколько и обширна. Поэтому о полном ее раскрытии говорить, конечно, не приходится. Займемся, как всегда, «общим знакомством» и «отдельными интересными моментами»…

При этом история турбины авиационной совсем коротка по сравнению с историей турбины вообще. Значит не обойтись без некоего теоретически-исторического экскурса, содержание которого по большей части к авиации не относится, но является базой для рассказа об использования газовой турбины в авиационных двигателях.

Про гул и грохот…

Начнем несколько нетрадиционно и вспомним о « ». Это довольно распространенное словосочетание, используемое обычно неискушенными авторами в СМИ при описании работы мощной авиационной техники. Сюда же можно присоединить «грохот, свист» и прочие громкие определения для все тех же «самолетных турбин».

Достаточно привычные слова для многих. Однако, людям понимающим хорошо известно, что на самом деле все эти «звуковые» эпитеты чаще всего характеризуют работу реактивных двигателей в целом или его частей, имеющих к турбинам, как таковым, крайне малое отношение (за исключением, конечно, взаимовлияния при их совместной работе в общем цикле ТРД).

Более того, в турбореактивном двигателе (как раз такие являются объектом восторженных отзывов), как двигателе прямой реакции, создающем тягу путем использования реакции газовой струи, турбина всего лишь его часть и к «грохочущего реву» имеет скорее косвенное отношение.

А на тех двигателях, где она, как узел, играет, в некотором роде, главенствующую роль (это двигатели непрямой реакции, и они не зря зовутся газотурбинными ), уже нет столь впечатляющего звука, или он создается совсем иными частями силовой установки летательного аппарата, например, воздушным винтом.

То есть ни гул, ни грохот, как таковые, к авиационной турбине на самом деле не относятся. Однако, несмотря на такую звуковую неэффектность, она является сложным и очень важным агрегатом современного ТРД (ГТД), зачастую определяющим его главные эксплуатационные характеристики. Ни один ГТД без турбины просто по определению обойтись не может.

Поэтому и разговор, конечно, не о впечатляющих звуках и некорректном использовании определений русского языка, а об интересном агрегате и его отношении к авиации, хотя это и далеко не единственная область его применения. Как техническое устройство турбина появилась задолго до возникновения самого понятия «летательный аппарат» (или аэроплан) и уж тем более газотурбинного двигателя для него.

История + немного теории…

И даже очень задолго. С тех самых пор, когда были изобретены механизмы, преобразующие энергию сил природы в полезное действие. Наиболее простыми в этом плане и поэтому одними из первых появившихся стали так называемые ротационные двигатели.

Само это определение, конечно, появилось только в наши дни. Однако, смысл его как раз и определяет простоту двигателя. Природная энергия непосредственно, без каких-либо промежуточных устройств превращается в механическую мощность вращательного движения основного силового элемента такого двигателя – вала.

Турбина – типичный представитель ротационного двигателя. Забегая вперед, можно сказать, что, например, в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) основной элемент – это поршень. Он совершает возвратно-поступательное движение, и для получения вращения выходного вала нужно иметь дополнительный кривошипно-шатунный механизм, что, естественно, усложняет и утяжеляет конструкцию. Турбина в этом плане значительно выгодней.

Для ДВС ротационного типа, как теплового двигателя, коим, кстати, является и двигатель турбореактивный, употребляется обычно название «роторный ».

Турбинное колесо водяной мельницы

Одними из самых известных и самых древних применений турбины являются большие механические мельницы, используемые человеком с незапамятных времен для различных хозяйственных нужд (не только для помола зерна). К ним относятся как водяные , так и ветряные механизмы.

На протяжении длительного периода древней истории (первые упоминания примерно со 2-го века до н.э.) и истории средних веков это были фактически единственные механизмы, используемые человеком для практических целей. Возможность их применения при всей примитивности технических обстоятельств заключалась в простоте трансформации энергии используемого рабочего тела (воды, воздуха).

Ветряная мельница - пример турбинного колеса.

В этих, по сути дела, настоящих ротационных двигателях энергия водяного или воздушного потока превращается в мощность на валу и, в конечном итоге, полезную работу. Происходит это при взаимодействии потока с рабочими же поверхностями, коими являются лопатки водяного колеса или крылья ветряной мельницы . И то и другое, по сути дела – прообраз лопаток современных лопаточных машин , которыми и являются используемые ныне турбины (и компрессоры, кстати, тоже).

Известен еще один тип турбины, впервые документально упомянутый (по-видимому и изобретенный) древнегреческим ученым, механиком, математиком и естествоиспытателем Героном Александрийским (Heron ho Alexandreus, 1 -ый век н.э.) в его трактате «Пневматика». Описанное им изобретение получило название эолипил , что в переводе с греческого означает «шар Эола» (бог ветра, Αἴολος – Эол (греч.), pila – шар (лат.)).

Эолипил Герона.

В нем шар был снабжен двумя противоположно направленными трубками-соплами. Из сопел выходил пар, поступавший в шар по трубам из расположенного ниже котла и заставлявший тем самым шар вращаться. Действие понятно из приведенного рисунка. Это была так называемая обращенная турбина, вращающаяся в сторону, обратную стороне выхода пара. Турбины такого типа имеют специальное название – реактивные (подробнее – ниже).

Интересно, что сам Герон вряд ли представлял себе, что является рабочим телом в его машине. В ту эпоху пар отождествляли с воздухом, об этом свидетельствует даже название, ведь Эол повелевает ветром, то есть воздухом.

Эолипил представлял из себя, в общем-то, полноценную тепловую машину , превращавшую энергию сжигаемого топлива в механическую энергию вращения на валу. Возможно это была одна из первых в истории тепловых машин. Правда полноценность ее была все же «не полной», так как полезной работы изобретение не совершало.

Эолипил в числе других известных в то время механизмов входил в комплект так называемого «театра автоматов», имевшего большую популярность в последующие века, и был фактически просто интересной игрушкой с непонятным будущим.

От момента его создания и вообще от той эпохи, когда люди в своих первых механизмах использовали только «явно проявляющие себя» силы природы (сила ветра или сила тяжести падающей воды) до начала уверенного использования тепловой энергии топлива во вновь созданных тепловых машинах прошла не одна сотня лет.

Первыми такими агрегатами стали паровые машины . Настоящие действующие экземпляры были изобретены и построены в Англии только к концу 17-го века и использовались для откачки воды из угольных копей. Позже появились паровые машины с поршневым механизмом.

В дальнейшем, по мере развития технических знаний, «на сцену вышли» поршневые двигатели внутреннего сгорания различных конструкций, более совершенные и обладающие более высоким КПД механизмы. Они уже использовали в качестве рабочего тела газ (продукты сгорания) и не требовали для его подогрева громоздких паровых котлов.

Турбины в качестве главных узлов тепловых машин, также прошли в своем развитии похожий путь. И хотя отдельные упоминания о некоторых экземплярах имеются в истории, но заслуживающие внимания и к тому же документально отмеченные, в том числе и запатентованные, агрегаты появились только во второй половине 19-го века.

Началось все с пара…

Именно с использованием этого рабочего тела были отработаны практически все базовые принципы устройства турбины (в дальнейшем и газовой), как важной части тепловой машины.

Реактивная турбина, запатентованная Лавалем.

Достаточно характерными в этом плане стали разработки талантливого шведского инженера и изобретателя Густава де Лаваля (Karl Gustaf Patrik de Laval). Его тогдашние исследования были связаны с идеей разработки нового молочного сепаратора с повышенными оборотами привода, что позволяло значительно повысить производительность.

Получить большую частоту вращения (обороты) путем использования уже традиционного тогда (впрочем и единственно существовавшего) поршневого парового двигателя не представлялось возможным из-за большой инерционности самого главного элемента – поршня. Понимая это, Лаваль решил попробовать отказаться от использования поршня.

Рассказывают, что сама идея возникла у него при наблюдении за работой пескоструйных аппаратов. В 1883 году он получил свой первый патент (английский патент №1622) в этой области. Запатентованное устройство носило название «Турбина, работающая паром и водой ».

Оно представляло из себя S-образную трубку, на концах которой были выполнены сужающиеся сопла. Трубка была насажена на полый вал, через который к соплам подавался пар. Принципиально все это ничем не отличалось от эолипила Герона Александрийского.

Изготовленное устройство работало достаточно надежно с большими для техники того времени оборотами – 42000 об/мин. Скорость вращения достигала 200 м/с. Но при столь хороших параметрах турбина обладала чрезвычайно низким КПД . И попытки его увеличения при существовавшем уровне техники ни к чему не привели. Почему же так получилось?

——————-

Немного теории… Чуть подробней об особенностях….

Упомянутый КПД (для современных авиационных турбин это так называемый мощностной или эффективный КПД) характеризует эффективность использования затраченной энергии (располагаемой) для приведения в движение вала турбины. То есть какая часть этой энергии была потрачена полезно на вращение вала, а какая «вылетела в трубу ».

Именно вылетела. Для описанного типа турбины, называемого реактивным , это выражение как раз подходит. Такое устройство получает вращательное движение на валу под действием силы реакции выходящей струи газа (или в данном случае пара).

Турбина, как динамическая расширительная машина, в отличие от объемных машин (поршневых) требует для своей работы не только сжатия и нагрева рабочего тела (газа, пара), но и его разгона. Здесь расширение (увеличение удельного объема) и падение давления происходит вследствие разгона, в частности в сопле. В поршневом двигателе это имеет место из-за увеличения объема камеры цилиндра.

В итоге, та большая потенциальная энергия рабочего тела, которая образовалась в результате подвода к нему тепловой энергии сгоревшего топлива, превращается в кинетическую (минус различные потери, конечно). А кинетическая (в реактивной турбине) посредством сил реакции – в механическую работу на валу.

И вот о том, насколько полно кинетическая энергия переходит в механическую в данной ситуации и говорит нам КПД. Чем он выше, тем меньшей кинетической энергией обладает поток, выходящий из сопла в окружающую среду. Эта оставшаяся энергия называется «потерями с выходной скоростью », и она прямо пропорциональна квадрату скорости выходящего потока (все наверняка помнят mС 2 /2).

Принцип работы реактивной турбины.

Здесь речь идет о так называемой абсолютной скорости С. Ведь выходящий поток, точнее говоря каждая его частица, участвует в сложном движении: прямолинейное плюс вращательное. Таким образом, абсолютная скорость С (относительно неподвижной системы координат) равна сумме скорости вращения турбины U и относительной скорости потока W (скорость относительно сопла). Сумма конечно векторная, показана на рисунке.

Сегнерово колесо.

Минимальные потери (и максимальный КПД) соответствуют минимальной скорости С, в идеале, она должна быть равна нулю. А это возможно только в случае равенства W и U (видно из рисунка). Окружная скорость (U) в этом случае называется оптимальной .

Такое равенство несложно было бы обеспечить на гидравлических турбинах (типа сегнерова колеса ), так как скорость истечения жидкости из сопел для них (аналогичная скорости W) относительно невелика.

Но эта же самая скорость W для газа или пара из-за большой разницы плотностей жидкости и газа значительно больше. Так, при относительно небольшом давлении всего 5 атм. гидравлическая турбина может дать скорость истечения всего 31 м/с, а паровая — 455 м/с. То есть получается, что уже при достаточно низких давлениях (всего-то 5 атм.) реактивная турбина Лаваля должна была из соображений обеспечения высокого КПД иметь окружную скорость выше 450 м/с.

Для тогдашнего уровня развития техники это было просто невозможно. Нельзя было сделать надежную конструкцию с такими параметрами. Уменьшать же оптимальную окружную скорость путем уменьшения относительной (W) тоже смысла не имело, так как это можно сделать лишь уменьшая температуру и давление, а значит и общую эффективность.

Активная турбина Лаваля…

Дальнейшему совершенствованию реактивная турбина Лаваля не поддавалась. Несмотря на предпринятые попытки, дела зашли в тупик. Тогда инженер пошел по другому пути. В 1889 году им была запатентована турбина другого типа, получившая впоследствии название активной . За рубежом (в английском) она сейчас носит название impulse turbine , то есть импульсная.

Заявленное в патенте устройство состояло из одного или нескольких неподвижных сопел, подводящих пар к ковшеобразным лопаткам, укрепленным на ободе подвижного рабочего турбинного колеса (или диска).

Активная одноступенчатая паровая турбина, запатентованная Лавалем.

Рабочий процесс в такой турбине имеет следующий вид. Пар разгоняется в соплах с ростом кинетической энергии и падением давления и попадает на рабочие лопатки, на их вогнутую часть. В результате воздействия на лопатки рабочего колеса оно начинает вращаться. Или еще можно сказать, что вращение возникает из-за импульсного воздействия струи. Отсюда и английское название impulse turbine.

При этом в межлопаточных каналах, имеющих практически постоянное поперечное сечение, поток свою скорость (W) и давление не меняет, но меняет направление, то есть разворачивается на большие углы (вплоть до 180°). То есть имеем при выходе из сопла и на входе в межлопаточный канал: абсолютная скорость С 1 , относительная W 1 , окружная скорость U.

На выходе соответственно С 2 , W 2 , и такая же U. При этом W 1 = W 2 , С 2 < С 1 – из-за того, что часть кинетической энергии входящего потока превращается в механическую на валу турбины (импульсное воздействие) и абсолютная скорость падает.

Принципиально этот процесс показан на упрощенном рисунке. Также для упрощения объяснения процесса здесь принято, что вектора абсолютных и окружных скоростей практически параллельны, поток меняет направление в рабочем колесе на 180°.

Течение пара (газа) в ступени активной турбины.

Если рассматривать скорости в абсолютных величинах, то видно, что W 1 = С 1 – U, а C 2 = W 2 — U. Таким образом, исходя из сказанного, для оптимального режима, когда КПД принимает максимальные значения, и потери с выходной скорости стремятся к минимуму (то есть С 2 =0) имеем С 1 =2U или U=C 1 /2.

Получаем, что для активной турбины оптимальная окружная скорость вдвое меньше скорости истечения из сопла, то есть такая турбина по сравнению с реактивной вдвое менее нагружена и задача получения более высокого КПД облегчается.

Поэтому в дальнейшем Лаваль продолжал развивать именно такой тип турбины. Однако, несмотря на снижение требуемой окружной скорости, она все же оставалась достаточно большой, что повлекло за собой столь же большие центробежные и вибрационные нагрузки.

Принцип работы активной турбины.

Следствием этого стали конструктивные и прочностные проблемы, а также проблемы устранения дисбаланса, решаемые часто с большим трудом. Кроме того оставались и другие нерешенные и нерешаемые в тогдашних условиях факторы, в итоге снизившие КПД этой турбины.

К ним относились, например, несовершенство аэродинамики лопаток, вызывающее увеличенные гидравлические потери , а так же пульсационное воздействие отдельных струй пара. Фактически активными лопатками, воспринимающими действие этих струй (или струи) одномоментно могли быть только несколько или даже одна лопатка. Остальные при этом двигались вхолостую, создавая дополнительное сопротивление (в паровой атмосфере).

У такой турбины не было возможностей к увеличению мощности за счет роста температуры и давления пара, так как это привело бы к росту окружной скорости, что было абсолютно неприемлемо из-за все тех же конструктивных проблем.

Кроме того, рост мощности (с ростом окружной скорости) был нецелесообразен еще и по другой причине. Потребителями энергии турбины были малооборотистые по сравнению с ней устройства (планировались к этому электрогенераторы). Поэтому Лавалю пришлось разрабатывать специальные редукторы для кинематического соединения вала турбины с валом потребителя.

Соотношение масс и размеров активной турбины Лаваля и редуктора к ней.

Из-за большой разницы в оборотах этих валов редукторы были крайне громоздки и по размерам и массе зачастую значительно превосходили саму турбину. Увеличение же ее мощности повлекло бы за собой еще больший рост размеров таких устройств.

В итоге активная турбина Лаваля представляла из себя относительно маломощный агрегат (работающие экземпляры до 350 л.с.), к тому же дорогой (из-за большого комплекса усовершенствований), а в комплекте с редуктором еще и достаточно громоздкий. Все это делало его неконкурентноспособным и исключало массовое применение.

Любопытен факт того, что конструктивный принцип активной турбины Лаваля на самом деле был изобретен не им. Еще за 250 лет до появления его исследований в Риме в 1629 году была опубликована книга итальянского инженера и архитектора Джованни Бранка (Giovanni Branca) под названием «Le Machine » («Машины»).

В ней среди прочих механизмов было помещено описание «парового колеса», содержавшее все основные узлы, построенные Лавалем: паровой котел, трубка для подачи пара (сопло), рабочее колесо активной турбины и даже редуктор. Таким образом задолго до Лаваля все эти элементы уже были известны, и его заслуга заключалась в том, что он заставил их всех вместе реально работать и занимался крайне сложными вопросами совершенствования механизма в целом.

Паровая активная турбина Джованни Бранка.

Интересно, что одной из наиболее известных особенностей его турбины стала конструкция сопла (она отдельно упоминалась в том же патенте), подающего пар на рабочие лопатки. Здесь сопло из обычного сужающегося, как было в реактивной турбине, стало сужающе-расширяющимся . Впоследствии такого типа сопла стали называться соплами Лаваля . Они позволяют разогнать поток газа (пара) до сверхзвука с достаточно малыми потерями. О них .

Таким образом, главной проблемой, с которой боролся Лаваль, разрабатывая свои турбины, и с которой так и не смог справиться, была большая окружная скорость. Однако, достаточно действенное решение этой проблемы было уже предложено и даже, как это ни странно, самим Лавалем.

Многоступенчатость….

В том же году (1889 г.), когда была запатентована вышеописанная активная турбина, инженером была разработана активная турбина с двумя параллельными рядами рабочих лопаток, укрепленных на одном рабочем колесе (диске). Это была так называемая двухступенчатая турбина .

На рабочие лопатки так же, как и в одноступенчатой, через сопло подавался пар. Между двумя рядами рабочих лопаток был установлен ряд лопаток неподвижных, которые перенаправляли поток, выходящий из лопаток первой ступени на рабочие лопатки второй.

Если использовать предложенный выше упрощенный принцип определения окружной скорости для одноступенчатой реактивной турбины (Лаваля), то выяснится, что для двухступенчатой турбины скорость вращения меньше скорости истечения из сопла уже не в два, а в четыре раза.

Принцип колеса Кертиса и изменение параметров в нем.

Это и есть то самое действенное решение проблемы низкой оптимальной окружной скорости, которое предложил, но не использовал Лаваль и которое активно применяется в современных турбинах, как паровых, так и газовых. Многоступенчатость…

Она означает, что большая располагаемая энергия, приходящаяся на всю турбину может быть некоторым образом поделена на части по числу ступеней, и каждая такая часть срабатывается в отдельной ступени. Чем меньше эта энергия, тем меньше скорость рабочего тела (пара, газа) поступающего на рабочие лопатки и, следовательно, меньше оптимальная окружная скорость.

То есть, изменяя количество ступеней турбины, можно изменять частоту вращения ее вала и, соответственно, менять нагрузку на него. Кроме того многоступенчатость позволяет срабатывать на турбине большие перепады энергии, то есть увеличивать ее мощность, и при этом сохранять высокие показатели КПД.

Лаваль свою двухступенчатую турбину не запатентовал, хотя опытный экземпляр и был изготовлен, поэтому она носит имя американского инженера Ч.Кертиса (колесо (или диск) Кертиса), который в 1896 году получил патент на аналогичное устройство.

Однако, уже гораздо раньше, в 1884 году, английский инженер Чарлз Парсонс (Charles Algernon Parsons) разработал и запатентовал первую настоящую многоступенчатую паровую турбину . Высказываний различных ученых и инженеров по поводу полезности разделения располагаемой энергии по ступеням было много и до него, но он первый воплотил идею в «железо».

Многоступенчатая активно-реактивная турбина Парсонса (разобрана).

При этом его турбина имела особенность, приближавшую ее к современным устройствам. В ней пар расширялся и разгонялся не только в соплах, образованных неподвижными лопатками, но и частично в каналах, образованных специально спрофилированными рабочими лопатками.

Такого типа турбину принято называть реактивной, хотя название это достаточно условно. На самом деле она занимает промежуточное положение между чисто реактивной турбиной Герона-Лаваля и чисто активной Лаваля-Бранка. Рабочие лопатки благодаря своей конструкции совмещают активный и реактивный принципы в общем процессе. Поэтому такую турбину правильней было бы называть активно-реактивной , что часто и делается.

Схема многоступенчатой турбины Парсонса.

Парсонс работал над различными типами многоступенчатых турбин. Среди его конструкций были не только вышеописанные осевые (рабочее тело перемещается вдоль оси вращения), но и радиальные (пар перемещается в радиальном направлении). Достаточно хорошо известна его трехступенчатая чисто активная турбина «Герон», в которой применены так называемые колеса Герона (суть та же, что и у эолипила).

Реактивная турбина "Герон".

В дальнейшем, с начала 1900-х годов паровое турбостроение быстро набирало темпы и Парсонс был в его авангарде. Его многоступенчатыми турбинами оснащались морские суда, сначала опытные (судно «Турбиния», 1896 год, водоизмещение 44 т, скорость 60км/ч – невиданная для того времени), потом военные (пример – броненосец «Дредноут», 18000 т, скорость 40 км/ч, мощность турбоустановки 24700 л.с.) и пассажирские (пример – однотипные «Мавритания» и «Лузитания», 40000 т, скорость 48 км/ч, мощность турбоустановки 70000 л.с.). Одновременно с этим началось и стационарное турбостроение, например путем установки турбин в качестве приводов на электростанциях («Компания Эдисона» в Чикаго).

О газовых турбинах…

Однако, вернемся к нашей основной теме – авиационной и отметим одну достаточно очевидную вещь: столь явно обозначившийся успех в эксплуатации паровых турбин мог иметь для авиации, быстро прогрессирующей своем развитии как раз в то же время, только конструктивно-принципиальное значение.

Применение паровой турбины в качестве силовой установки на летательных аппаратах по понятным причинам было крайне сомнительным. Авиационной турбиной могла стать только принципиально аналогичная, но гораздо более выгодная турбина газовая. Однако, не все было так просто…

По словам Льва Гумилевского, автора популярной в 60-х книги «Создатели двигателей», однажды, в 1902 году, в период начала бурного развития парового турбостроения, Чарлзу Парсонсу, фактически одному из главных тогдашних идеологов этого дела, был задан, в общем-то, шутливый вопрос: «Можно ли «парсонизировать» газовую машину? » (подразумевалась турбина).

Ответ был высказан в абсолютно решительной форме: «Я думаю, что газовую турбину никогда создать не удастся. Об этом не может быть двух мнений .» Пророком инженеру стать не удалось, но основания так говорить у него несомненно были.

Использование газовой турбины , особенно если иметь в виду применение ее в авиации вместо паровой, конечно было соблазнительным, потому что положительные стороны ее очевидны. При всех своих мощностных возможностях она для работы не нуждается в огромных, громоздких устройствах создания пара – котлах и также не менее больших устройствах и системах его охлаждения –конденсаторах, градирнях, прудах охлаждения и т.п.

Нагревателем для газотурбинного двигателя служит небольшая, компактная , расположенная внутри двигателя и сжигающая топливо прямо в потоке воздуха. А холодильника у него просто нет. Или вернее сказать, что он есть, но существует как бы виртуально, потому что отработанный газ отводится в атмосферу, которая и является холодильником. То есть имеется все необходимое для тепловой машины, но при этом все компактно и просто.

Правда, паротурбинная установка тоже может обойтись без «реального холодильника» (без конденсатора) и выпускать пар прямо в атмосферу, но тогда об экономичности можно забыть. Пример тому паровоз – реальный КПД около 6%, 90% энергии у него вылетает в трубу.

Но при таких ощутимых плюсах есть и существенные недостатки, которые, в целом, и стали почвой для категорического ответа Парсонса.

Сжатие рабочего тела для последующего осуществления рабочего цикла в т.ч. и в турбине…

В рабочем цикле паротурбинной установки (цикл Ренкина) работа сжатия воды невелика и требования к осуществляющему эту функцию насосу и его экономичности поэтому также небольшие. В цикле же ГТД, где сжимается воздух, эта работа наоборот очень внушительна, и на нее расходуется больша́я часть располагаемой энергии турбины.

Это уменьшает долю полезной работы, для которой может быть предназначена турбина. Поэтому требования к агрегату сжатия воздуха в плане его эффективности и экономичности очень высоки. Компрессоры в современных авиационных ГТД (в основном осевые) также, как и в стационарных агрегатах наряду с турбинами представляют из себя сложные и дорогие устройства. О них .

Температура…

Это главная беда для газовой турбины, в том числе авиационной. Дело в том, что если в паротурбинной установке температура рабочего тела после процесса расширения близка к температуре охлаждающей воды, то в газовой турбине она достигает величины нескольких сотен градусов.

Это значит, что в атмосферу (как в холодильник) выбрасывается большое количество энергии, что, конечно, отрицательно сказывается на эффективности всего рабочего цикла, который характеризуется термическим КПД : η т = Q 1 – Q 2 / Q 1 . Здесь Q 2 – та самая отводимая в атмосферу энергия. Q 1 – энергия подводимая в процесс от нагревателя (в камере сгорания).

Для того, чтобы этот КПД повысить, нужно увеличить Q 1 , что равносильно увеличению температуры перед турбиной (то есть в камере сгорания). Но в том-то и дело, что поднять эту температуру можно далеко не всегда. Максимальная величина ее лимитируется самой турбиной и главным условием здесь становится прочность. Турбина работает в очень тяжелых условиях, когда высокая температура сочетается с большими центробежными нагрузками.

Именно этот фактор всегда ограничивал мощностные и тяговые возможности газотурбинных двигателей (во многом зависящие от температуры) и часто становился причиной усложнения и удорожания турбин. Такая ситуация сохранилась и в наше время.

А во времена Парсонса ни металлургическая промышленность, ни аэродинамическая наука пока еще не могли обеспечить решение проблем создания эффективного и экономичного компрессора и высокотемпературной турбины. Не было как соответствующей теории, так и необходимых жаропрочных и жаростойких материалов.

И все-таки попытки были…

Тем не менее, как обычно это бывает, нашлись люди, не боящиеся (или может быть не понимающие:-)) возможных трудностей. Попытки создания газовой турбины не прекращались.

Причем интересно, что и сам Парсонс на заре своей «турбинной» деятельности в своем первом патенте на многоступенчатую турбину отметил возможность ее работы кроме пара также и на продуктах сгорания топлива. Там же рассматривался возможный вариант газотурбинного двигателя, работающего на жидком топливе с компрессором, камерой сгорания и турбиной.

Дымовой вертел.

Примеры использования газовых турбин без подведения под это какой-либо теории известны давно. По-видимому, еще Герон в «театре автоматов» использовал принцип воздушной реактивной турбины. Достаточно широко известны так называемые «дымовые вертелы ».

А в уже упомянутой книге итальянца (инженер, архитектор, Giovanni Branca, Le Machine) Джованни Бранка есть рисунок «Oгненного колеса ». В нем турбинное колесо вращается продуктами сгорания от костра (или очага). Интересно, что сам Бранка бо́льшую часть своих машин не строил, а только высказывал идеи их создания.

"Огненное колесо" Джованни Бранка.

Во всех этих «дымовых и огненных колесах» не было стадии сжатия воздуха (газа), и компрессор, как таковой, отсутствовал. Превращение потенциальной энергии, то есть подведенной тепловой энергии сгорания топлива, в кинетическую (разгон) для вращения газовой турбины происходил только за счет действия силы тяжести, когда теплые массы поднимались вверх. То есть использовалось явление конвекции .

Конечно, такие «агрегаты» для реальных машин, например, для привода транспортных средств использованы быть не могли. Однако в 1791 году англичанин Джон Барбер (John Barber) запатентовал «машину для безлошадных перевозок», одним их важнейших узлов которой стала газовая турбина. Это был первый в истории официально зарегистрированный патент на газовую турбину.

Двигатель Джона Барбера с газовой турбиной.

Машина использовала газ, получаемый из древесины, угля или нефти, нагреваемых в специальных газогенераторах (ретортах), который после охлаждения поступал в поршневой компрессор, где сжимался вместе с воздухом. Далее смесь подавалась в камеру сгорания, и после уже продукты сгорания вращали турбину . Для охлаждения камер сгорания использовалась вода, и пар, получавшийся в результате, также направлялся на турбину.

Уровень развития тогдашних технологий не позволил воплотить идею в жизнь. Действующая модель машины Барбера с газовой турбиной была построена только в 1972 году фирмой «Kraftwerk-Union AG» для Ганноверской промышленной выставки.

В течение всего 19-го века развитие концепции газовой турбины по вышеописанным причинам продвигалось крайне медленно. Образцов, заслуживающих внимания было мало. Компрессор и высокая температура оставались непреодолимым камнем преткновения. Были попытки использования вентилятора для сжатия воздуха, а также применения воды и воздуха для охлаждения элементов конструкции.

Двигатель Ф.Штольце. 1 - осевой компрессор, 2 - осевая турбина, 3 - теплообменник.

Известен пример газотурбинного двигателя немецкого инженера Франца Штольце, запатентованный в 1872 году и очень похожего по схеме на современные ГТД. В нем многоступенчатый осевой компрессор и многоступенчатая осевая турбина располагались на одном валу.

Воздух после прохождения регенеративного теплообменника делился на две части. Одна поступала в камеру сгорания, вторая подмешивалась к продуктам сгорания перед поступлением их в турбину, снижая их температуру. Это так называемый вторичный воздух , и его использование – прием, широко применяемый в современный ГТД.

Двигатель Штольце испытывался в 1900-1904 годах, однако оказался крайне неэффективен из-за низкого качества компрессора и невысокой температуры перед турбиной.

Бо́льшую часть первой половины 20-го века газовая турбина так и не смогла активно конкурировать с паровой или стать частью ГТД, который бы смог достойно заменить поршневой ДВС. Применение ее на двигателях было в основном вспомогательным. Например, в качестве агрегатов наддува в поршневых двигателях, в том числе и авиационных.

Но с начала 40-х положение стало быстро меняться. Наконец-то были созданы новые жаропрочные сплавы, позволившие радикально поднять температуру газа перед турбиной (до 800˚С и выше), появились достаточно экономичные с высоким КПД.

Это не только позволило строить эффективные газотурбинные двигатели, но и, благодаря сочетанию их мощности с относительной легкостью и компактностью, применять их на летательных аппаратах. Началась эпоха реактивной авиации и авиационных газотурбинных двигателей.

Турбины в авиационных ГТД…

Итак… Основная область применения турбин в авиации – это ГТД. Турбина здесь совершает тяжелую работу — вращает компрессор. При этом в ГТД, как и во всяком тепловом двигателе, работа расширения больше работы сжатия.

А турбина как раз и есть расширительная машина, и на компрессор она расходует только часть располагаемой энергии газового потока. Оставшаяся часть (иногда ее называют свободной энергией ) может быть использована в полезных целях в зависимости от типа и конструкции двигателя.

Схема ТвАД Мakila 1a1 со свободной турбиной.

Турбовальный двигатель AMAKILA 1A1.

Для двигателей непрямой реакции, таких, как (вертолетный ГТД) она расходуется на вращение воздушного винта. В этом случае турбина чаще всего разделена на две части. Первая – это турбина компрессора . Вторая, приводящая винт,- это так называемая свободная турбина . Она вращается самостоятельно и с турбиной компрессора связана только газодинамически.

В двигателях прямой реакции (реактивные двигатели или ВРД) турбина используется только для привода компрессора. Оставшаяся свободная энергия, которая в ТвАД вращает свободную турбину, срабатывается в сопле, превращаясь в кинетическую энергию для получения реактивной тяги .

Посередине между этими крайностями располагаются . У них часть свободной энергии расходуется для привода воздушного винта, и некоторая часть формирует реактивную тягу в выходном устройстве (сопле). Правда доля ее в общей тяге двигателя невелика.

Схема одновального ТВД DART RDa6. Турбина на общем валу двигателя.

Турбовинтовой одновальный двигатель Rolls-Royce DART RDa6.

По конструкции ТВД могут быть одновальными , в которых свободная турбина не выделена конструктивно и, являясь одним агрегатом, приводит сразу и компрессор и воздушный винт. Пример ТВД Rolls-Royce DART RDa6, а также наш известный ТВД АИ-20.

Могут быть также ТВД с отдельной свободной турбиной, приводящей винт и механически не связанной с остальными узлами двигателя (газодинамическая связь). Пример – двигатель PW127 различных модификаций (самолеты ), или ТВД Pratt & Whitney Canada PT6A.

Схема ТВД Pratt & Whitney Canada PT6A сосвободной турбиной.

Двигатель Pratt & Whitney Canada PT6A .

Схема ТВД PW127 со свободной турбиной.

Конечно же, во всех типах ГТД к полезной нагрузке относятся и агрегаты, обеспечивающие работу двигателя и самолетных систем. Это обычно насосы, топливные и гидро-, электрогенераторы и т.п. Все эти устройства приводятся чаще всего от вала турбокомпрессора.

О типах турбин.

Типов на самом деле немало. Только для примера некоторые названия: осевые, радиальные, диагональные, радиально-осевые, поворотно-лопастные и др. В авиации используются только первые две, причем радиальная – достаточно редко. Обе эти турбины получили названия в соответствии с характером движения газового потока в них.

Радиальная.

В радиальной он течет по радиусу. Причем в радиальной авиационной турбине используется центростремительное направление потока, обеспечивающее более высокий КПД (в неавиационной практике есть и центробежное).

Ступень радиальной турбины состоит из рабочего колеса и неподвижных лопаток, формирующих поток на входе в него. Лопатки спрофилированы так, чтобы межлопаточные каналы имели сужающуюся конфигурацию, то есть представляли из себя сопла. Все эти лопатки вместе с элементами корпуса, на которых они смонтированы называются сопловым аппаратом .

Схема радиальной центростремительной турбины (с пояснениями).

Рабочее колесо представляет из себя крыльчатку со специально спрофилированными лопатками. Раскрутка рабочего колеса происходит при прохождении газа в сужающихся каналах между лопатками и воздействии на лопатки.

Рабочее колесо радиальной центростремительной турбины.

Радиальные турбины достаточно просты, их рабочие колеса имеют малое количество лопаток. Возможные окружные скорости радиальной турбины при одинаковых напряжениях в рабочем колесе, больше, чем у осевой, поэтому на ней могут срабатываться бо́льшие количества энергии (теплоперепады).

Однако, эти турбины имеют малое проходное сечение и не обеспечивают достаточный расход газа при одинаковых размерах по сравнению с осевыми турбинами. Другими словами, они обладают слишком большими относительными диаметральными размерами, что усложняет их компоновку в едином двигателе.

Кроме того затруднено создание многоступенчатых радиальных турбин из-за больших гидравлических потерь, что ограничивает степень расширения газа в них. Также затруднено осуществление охлаждения таких турбин, что снижает величину возможных максимальных температур газа.

Поэтому применение радиальных турбин в авиации ограничено. Они, в основном, используются в маломощных агрегатах с небольшим расходом газа, чаще всего во вспомогательных механизмах и системах или в двигателях авиамоделей и небольших беспилотных самолетов.

Первый реактивный самолет Heinkel He 178.

ТРД Heinkel HeS3 с радиальной турбиной.

Один из немногих примеров использования радиальной турбины в качестве узла маршевого авиационного ВРД — это двигатель первого настоящего реактивного самолета Heinkel He 178 турбореактивный Heinkel HeS 3 . На фото хорошо просматриваются элементы ступени такой турбины. Параметры этого двигателя вполне соответствовали возможности ее использования.

Осевая авиационная турбина .

Это единственный тип турбины, применяемый сейчас в маршевых авиационных ГТД. Главным источником механической работы на валу, получаемой от такой турбины в двигателе являются рабочие колеса или точнее рабочие лопатки (РЛ), установленные на этих колесах и взаимодействующие с энергетически заряженным газовым потоком (сжатым и нагретым).

Венцы неподвижных лопаток, установленных перед рабочими, организуют правильное направление потока и участвуют в превращении потенциальной энергии газа в кинетическую, то есть разгоняют его в процессе расширения с падением давления.

Эти лопатки в комплекте с элементами корпуса, на которых они смонтированы, называются сопловым аппаратом (СА). Сопловой аппарат в комплекте с рабочими лопатками составляет ступень турбины .

Суть процесса… Обобщение сказанного…

В процессе вышеупомянутого взаимодействия с рабочими лопатками происходит превращение кинетической энергии потока в механическую, вращающую вал двигателя.Такое превращение в осевой турбине может происходить двумя способами:

Пример одноступенчатой активной турбины. Показано изменение параметров по тракту.

1. Без изменения давления, а значит и величины относительной скорости потока (ощутимо меняется только ее направление – поворот потока) в ступени турбины; 2. С падением давления, ростом относительной скорости потока и некоторым изменением ее направления в ступени.

Турбины, работающие по первому способу называются активными . Газовый поток активно (импульсно) воздействует на лопатки из-за изменения своего направления при их обтекании. При втором способе – реактивные турбины . Здесь помимо импульсного воздействия поток воздействует на рабочие лопатки еще и опосредованно (упрощенно говоря), при помощи реактивной силы, что увеличивает мощность турбины. Дополнительное реактивное воздействие достигается за счет специальной профилировки рабочих лопаток.

О понятиях активности и реактивности в общем, для всех турбин (не только авиационных) упоминалось выше. Однако, в современных авиационных ГТД используются только осевые реактивные турбины.

Изменение параметров в ступени осевой газовой турбины.

Так как силовое воздействие на РЛ двойное, то такие осевые турбины еще называют активно-реактивными , что пожалуй более правильно. Такого типа турбина более выгодны в аэродинамическом плане.

Входящие в состав ступени такой турбины неподвижные лопатки соплового аппарата имеют большую кривизну, благодаря чему поперечное сечение межлопаточного канала уменьшается от входа к выходу, то есть сечение f 1 меньше сечения f 0 . Получается профиль сужающегося реактивного сопла.

Следующие за ними рабочие лопатки также имеют большую кривизну. Кроме того по отношению к набегающему потоку (вектор W 1) они расположены так, чтобы избежать его срыва и обеспечить правильное обтекание лопатки. На определенных радиусах РЛ также образуют сужающиеся межлопаточные каналы.

Работа ступени авиационной турбины .

Газ подходит к сопловому аппарату с направлением движения, близким к осевому и скоростью С 0 (дозвуковая). Давление в потоке Р 0 , температура Т 0 . Проходя межлопаточный канал поток разгоняется до скорости С 1 с поворотом до угла α 1 = 20°- 30°. При этом давление и температура падают до величин Р 1 и Т 1 соответственно. Часть потенциальной энергии потока превращается в кинетическую.

Картина движения газового потока в ступени осевой турбины.

Так как рабочие лопатки перемещаются с окружной скоростью U, то в межлопаточный канал РЛ поток входит уже с относительной скоростью W 1 , которая определяется разностью С 1 и U (векторно). Проходя по каналу, поток взаимодействует с лопатками, создавая на них аэродинамические силы Р, окружная составляющая которой Р u и заставляет турбину вращаться.

Из-за сужения канала между лопатками поток разгоняется до скорости W 2 (реактивный принцип), при этом также происходит ее поворот (активный принцип). Абсолютная скорость потока С 1 уменьшается до С 2 — кинетическая энергия потока превращается в механическую на валу турбины. Давление и температура падают до величин Р 2 и Т 2 соответственно.

Абсолютная скорость потока при прохождении ступени несколько увеличивается от С 0 до осевой проекции скорости С 2 . В современных турбинах эта проекция имеет величину 200 — 360 м/с для ступени.

Ступень профилируется так, чтобы угол α 2 был близок к 90°. Отличие обычно составляет 5-10°. Это делается для того, чтобы величина С 2 была минимальной. Особенно это важно для последней ступени турбины (на первой или средних ступенях допускается отклонение от прямого угла до 25°). Причина тому – потери с выходной скоростью , которые как раз и зависят от величины скорости С 2 .

Это те самые потери, которые в свое время так и не дали Лавалю возможности поднять КПД своей первой турбины. Если двигатель реактивный, то оставшаяся энергия может быть сработана в сопле. А вот, например, для вертолетного двигателя, который не использует реактивную тягу, важно, чтобы скорость потока за последней ступенью турбины была как можно меньше.

Таким образом в ступени активно-реактивной турбины расширение газа (снижение давления и температуры), превращение и срабатывание энергии (теплоперепада) происходит не только в СА, но и в рабочем колесе. Распределение этих функций между РК и СА характеризует параметр теории двигателей, называемый степенью реактивности ρ.

Он равен отношению теплоперепада в рабочем колесе к теплоперепаду во всей ступени. Если ρ = 0, то ступень (или вся турбина) – активная. Если же ρ > 0, то ступень реактивная или точнее для нашего случая активно-реактивная. Так как профилировка рабочих лопаток меняется по радиусу, то параметр этот (как впрочем и некоторые другие) вычисляется по среднему радиусу (сечение В-В на рисунке изменения параметров в ступени).

Конфигурация пера рабочей лопатки активно-реактивной турбины.

Изменение давления по длине пера РЛ активно-реактивной турбины.

Для современных ГТД степень реактивности турбин находится в пределах 0,3-0,4. Это значит, что только 30-40% общего теплоперепада ступени (или турбины) срабатывается в рабочем колесе. 60-70% срабатывается в сопловом аппарате.

Кое-что о потерях.

Как уже было сказано, любая турбина (или ее ступень) превращает подведенную к ней энергию потока в механическую работу. Однако, в реальном агрегате этот процесс может обладать различной эффективностью. Часть располагаемой энергии обязательно расходуется «впустую», то есть превращается в потери , которые надо учитывать и принимать меры к их минимизации для повышения эффективности работы турбины, то есть увеличения ее КПД.

Потери складываются из гидравлических и потерь с выходной скоростью . Гидравлические потери включают в себя профильные и концевые. Профильные — это, по сути дела, потери на трение, так как газ, обладая определенной вязкостью, взаимодействует с поверхностями турбины.

Обычно такие потери в рабочем колесе составляют около 2-3%, а в сопловом аппарате — 3-4%. Меры по уменьшению потерь заключаются в «облагораживании» проточной части расчетным и экспериментальным путем, а также корректного расчета треугольников скоростей для потока в ступени турбины, точнее говоря выбора наивыгоднейшей окружной скорости U при заданной скорости С 1 . Эти действия обычно характеризуются параметром U/C 1 . Окружная скорость на среднем радиусе в ТРД равна 270 – 370 м/с.

Гидравлическое совершенство проточной части ступени турбины учитывает такой параметр, как адиабатический КПД . Иногда его еще называют лопаточным, потому что он учитывает потери на трение в лопатках ступени (СА и РЛ). Есть еще один КПД для турбины, характеризующий ее именно как агрегат для получения мощности, то есть степень использования располагаемой энергии для создания работы на валу.

Это так называемый мощностной (или эффективный) КПД . Он равен отношению работы на валу к располагаемому теплоперепаду. Этот КПД учитывает потери с выходной скоростью. Они обычно составляют для ТРД около 10-12% (в современных ТРД С 0 = 100 -180 м/с, С 1 = 500-600 м/с, С 2 = 200-360 м/с).

Для турбин современных ГТД величина адиабатического КПД составляет около 0,9 — 0,92 для неохлаждаемых турбин. В случае, если турбина охлаждаемая, то этот КПД может быть ниже на 3-4%. Мощностной КПД равен обычно 0,78 — 0,83. Он меньше адиабатического на величину потерь с выходной скоростью.

Что касается концевых потерь, то это так называемые «потери на перетекание ». Проточную часть невозможно абсолютно изолировать от остальных частей двигателя из-за присутствия вращающихся узлов в комплексе с неподвижными (корпуса + ротор). Поэтому газ из областей с повышенным давлением стремится перетечь в области с пониженным давлением. В частности, например, из области перед рабочей лопаткой в область за ней через радиальный зазор между пером лопатки и корпусом турбины.

Такой газ не участвует в процессе преобразования энергии потока в механическую, потому что не взаимодействует с лопатками в этом плане, то есть возникают концевые потери (или потери в радиальном зазоре ). Они составляют около 2-3% и отрицательно влияют как на адиабатический, так и на мощностной КПД, уменьшают экономичность ГТД, причем довольно ощутимо.

Известно, например, что увеличение радиального зазора с 1 мм до 5 мм в турбине диаметром 1 м, может привести к увеличению удельного расхода топлива в двигателе более, чем на 10%.

Понятно, что совсем избавиться от радиального зазора невозможно, но его стараются минимизировать. Это достаточно трудно, потому что авиационная турбина – агрегат сильно нагруженный. Точный учет всех факторов, влияющих на величину зазора достаточно труден.

Режимы работы двигателя часто меняются, а значит меняется величина деформаций рабочих лопаток, дисков, на которых они закреплены, корпусов турбины в результате изменения величин температуры, давления и центробежных сил.

Лабиринтное уплотнение.

Здесь же необходимо учитывать величину остаточной деформации при длительной эксплуатации двигателя. Плюс к этому эволюции, выполняемые самолетом, влияют на деформацию ротора, что тоже меняет величину зазоров.

Обычно зазор оценивается после останова прогретого двигателя. В этом случае тонкий внешний корпус остывает быстрее массивных дисков и вала и, уменьшаясь в диаметре, задевает за лопатки. Иногда величина радиального зазора просто выбирается в пределах 1,5-3% от от длины пера лопатки.

Принцип сотового уплотнения.

Для того, чтобы избежать повреждения лопаток, в случае касания их о корпус турбины, в нем часто размещают специальные вставки из материала более мягкого, нежели материал лопаток (например, металлокерамика ). Кроме того используются бесконтактные уплотнения. Обычно это лабиринтные или сотовые лабиринтные уплотнения.

В этом случае рабочие лопатки бандажируются на концах пера и на бандажных полках уже размещаются уплотнения или клинья (для сот). В сотовых уплотнениях из-за тонких стенок сот площадь контакта очень мала (в 10 раз меньше обычного лабиринта), поэтому сборка узла ведется без зазора. После приработки величина зазора обеспечивается около 0,2 мм.

Применение сотового уплотнения. Сравнение потерь при использовании сот (1) и гладкого кольца (2).

Аналогичные способы уплотнений зазоров используются для уменьшения утечки газа из проточной части (например, в междисковое пространство).

САУРЗ…

Это так называемые пассивные методы управления радиальным зазором. Кроме этого на многих ГТД, разработанных (и разрабатываемых) с конца 80-х годов, устанавливаются так называемые «системы активного регулирования радиальных зазоров » (САУРЗ — активный метод). Это автоматические системы, и суть их работы заключается в управлении тепловой инерционностью корпуса (статора) авиационной турбины.

Ротор и статор (внешний корпус) турбины отличаются друг от друга по материалу и по «массивности». Поэтому на переходных режимах они расширяются по разному. Например, при переходе двигателя с пониженного режима работы на повышенный, высокотемпературный, тонкостенный корпус быстрее (чем массивный ротор с дисками)) прогревается и расширяется, увеличивая радиальный зазор между собой и лопатками. Плюс к этому перемены давления в тракте и эволюции самолета.

Чтобы этого избежать, автоматическая система (обычно главный регулятор типа FADEC ) организует подачу охлаждающего воздуха на корпус турбины в необходимых количествах. Нагрев корпуса, таким образом, стабилизируется в необходимых пределах, а значит меняется величина его линейного расширения и, соответственно, величина радиальных зазоров.

Все это позволяет экономить топливо, что очень важно для современной гражданской авиации. Наиболее эффективно системы САУРЗ применяются в турбинах низкого давления на ТВРД типа GE90, Trent 900, и некоторых других.

Значительно реже, однако достаточно эффективно для синхронизации темпов прогрева ротора и статора применяется принудительный обдув дисков турбины (а не корпуса). Такие системы применяются на двигателях CF6-80 и PW4000.

———————-

В турбине регламентируются также и осевые зазоры . Например между выходными кромками СА и входными РЛ обычно зазор в пределах 0,1-0,4 от хорды РЛ на среднем радиусе лопаток. Чем меньше этот зазор, тем меньше потери энергии потока за СА (на трение и выравнивание поля скоростей за СА). Но при этом растет вибрация РЛ из-за попеременного попадания из областей за корпусами лопаток СА в межлопаточные области.

Немного общего о конструкции…

Осевые авиационные турбины современных ГТД в конструктивном плане могут иметь различную форму проточной части.

Dср = (Dвн+Dн) /2

1. Форма с постоянным диаметром корпуса (Dн). Здесь внутренний и средний диаметры по тракту уменьшаются.

Постоянный наружный диаметр.

Такая схема хорошо вписывается в габариты двигателя (и фюзеляжа самолета). Обладает хорошим распределением работы по ступеням, особенно для двухвальных ТРД.

Однако, в этой схеме велик так называемый угол раструба, что чревато отрывом потока от внутренних стенок корпуса и, следовательно, гидравлическими потерями.

Постоянный внутренний диаметр.

При проектировании стараются не допускать величину угла раструба более 20°.

2. Форма с постоянным внутренним диаметром(Dв).

Средний диаметр и диаметр корпуса увеличиваются по тракту. Такая схема плохо вписывается в габариты двигателя. В ТРД из-за «разбежки» потока от внутреннего корпуса, необходимо его доворачивать на СА, что влечет за собой гидравлические потери.

Постоянный средний диаметр.

Схема более целесообразна к применению в ТРДД.

3. Форма с постоянным средним диаметром(Dср). Диаметр корпуса увеличивается, внутренний – уменьшается.

Схема обладает недостатками двух предыдущих. Но при этом расчет такой турбины достаточно прост.

Современные авиационные турбины чаще всего многоступенчаты. Главная причина тому (как уже говорилось выше) – большая располагаемая энергия турбины в целом. Для обеспечения оптимальной сочетания окружной скорости U и скорости С 1 (U/C 1 – оптимальное), а значит высокого общего КПД и хорошей экономичности необходимо распределение всей имеющейся энергии по ступеням.

Пример трехступенчатой турбины ТРД.

При этом, правда, сама турбина конструктивно усложняется и утяжеляется. Из-за небольшого температурного перепада на каждой ступени (он распределен на все ступени) бо́льшее количество первых ступеней подвергается действию высоких температур и часто требует дополнительного охлаждения .

Четырехступенчатая осевая турбина ТВД.

В зависимости от типа двигателя количество ступеней может быть разным. Для ТРД обычно до трех, для двухконтурных двигателей до 5-8 ступеней. Обычно, если двигатель многовальный , то турбина имеет несколько (по числу валов) каскадов , каждый из которых приводит свой агрегат и сам может быть многоступенчатым (в зависимости от степени двухконтурности).

Двухвальная осевая авиационная турбина.

Например в трехвальном двигателе Rolls-Royce Trent 900 турбина имеет три каскада: одноступенчатый для привода компрессора высокого давления, одноступенчатый для привода промежуточного компрессора и пятиступенчатый для привода вентилятора. Совместная работа каскадов и определение необходимого числа ступеней в каскадах описывается в «теории двигателей» отдельно.

Сама авиационная турбина , упрощенно говоря, представляет собой конструкцию, состоящую из ротора, статора и различных вспомогательных элементов конструкции. Статор состоит из внешнего корпуса, корпусов сопловых аппаратов и корпусов подшипников ротора. Ротор обычно представляет из себя дисковую конструкцию в котором диски соединены с ротором и между собой с использованием различных дополнительных элементов и способов крепления.

Пример одноступенчатой турбины ТРД. 1 - вал, 2 - лопатки СА, 3 - диск рабочего колеса, 4 - рабочие лопатки.

На каждом диске, как основе рабочего колеса расположены рабочие лопатки . При конструировании лопатки стараются выполнять с меньшей хордой из соображения меньшей ширины обода диска, на котором они установлены, что уменьшает его массу. Но при этом для сохранения параметров турбины приходится увеличивать длину пера, что может повлечь за собой бандажирование лопаток для увеличения прочности.

Возможные типы замков крепления рабочих лопаток в диске турбины.

Лопатка крепится в диске с помощью замкового соединения . Такое соединение – это одно из самых нагруженных элементов конструкции в ГТД. Все нагрузки, воспринимаемые лопаткой, передаются на диск через замок и достигают очень больших значений, тем более, что из-за разности материалов, диск и лопатки обладают различными коэффициентами линейного расширения, да к тому же из-за неравномерности поля температур нагреваются по разному.

С целью оценки возможности уменьшения нагрузки в замковом соединении и увеличения, тем самым, надежности и срока службы турбины, проводятся исследовательские работы, среди которых достаточно перспективными считаются эксперименты по биметаллическим лопаткам или применению в турбинах рабочих колес-блисков.

При использовании биметаллических лопаток уменьшаются нагрузки в замках их крепления на диске за счет изготовления замковой части лопатки из материала, аналогичного материалу диска (или близкого по параметрам). Перо лопатки изготавливается из другого металла, после чего они соединяются с применением спецтехнологий (получается биметалл).

Блиски , то есть рабочие колеса, в которых лопатки выполнены за одно целое с диском, вообще исключают наличие замкового соединения, а значит и лишних напряжений в материале рабочего колеса. Такого типа узлы уже применяются в компрессорах современных ТРДД. Однако, для них значительно усложняется вопрос ремонта и уменьшаются возможности высокотемпературного использования и охлаждения в авиационной турбине .

Пример крепления рабочих лопаток в диске с помощью замков "елочка".

Наиболее распространенный способ крепления лопаток в тяжело нагруженных дисках турбин – это так называемая «елочка» . Если же нагрузки умеренные, то могут быть применены и другие типы замков, которые более просты в конструктивном отношении, например цилиндрические или Т-образные.

Контроль…

Так как условия работы авиационной турбины крайне тяжелые, а вопрос надежности, как важнейшего узла летательного аппарата имеет первостепенный приоритет, то проблема контроля состояния элементов конструкции стоит в наземной эксплуатации на первом месте. В особенности это касается контроля внутренних полостей турбины, где как раз и располагаются наиболее нагруженные элементы.

Осмотр этих полостей конечно невозможен без использования современной аппаратуры дистанционного визуального контроля . Для авиационных газотурбинных двигателей в этом качестве выступают различного вида эндоскопы (бороскопы). Современные устройства такого типа достаточно совершенны и обладают большими возможностями.

Осмотр газовоздушного тракта ТВРД с помощью эндоскопа Vucam XO.

Ярким примером может служить портативный измерительный видеоэндоскоп Vucam XO немецкой компании ViZaar AG . Обладая небольшими размерами и массой (менее 1,5 кг), этот аппарат тем не менее очень функционален и располагает внушительными возможностями как осмотра, так и обработки получаемой информации.

Vucam XO абсолютно мобилен. Весь его комплект располагается в небольшом пластмассовом кейсе. Видеозонд с большим количеством легкосменяемых оптических адаптеров обладает полноценной артикуляцией в 360°, диаметром 6,0 мми может иметь различную длину (2,2м; 3,3м; 6,6м).

Бороскопический осмотр двигателя вертолета с помощью эндоскопа Vucam XO.

Бороскопические проверки с использованием подобных эндоскопов предусмотрены в регламентных правилах для всех современных авиадвигателей. В турбинах обычно осматривается проточная часть. Зонд эндоскопа проникает во внутренние полости авиационной турбины через специальные контрольные порты .

Порты бороскопического контроля на корпусе турбины ТВРД CFM56.

Они представляют из себя отверстия в корпусе турбины, закрытые герметичными пробками (обычно резьбовыми, иногда подпружиненными). В зависимости от возможностей эндоскопа (длина зонда) может понадобиться проворачивание вала двигателя. Лопатки (СА и РЛ) первой ступени турбины могут осматриваться через окна на корпусе камеры сгорания, а последней ступени — через сопло двигателя.

Что позволит поднять температуру…

Одно из генеральных направлений развития ГТД всех схем – увеличение температуры газа перед турбиной. Это позволяет ощутимо увеличивать тягу без увеличения расхода воздуха, что может привести к уменьшению лобовой площади двигателя и росту удельной лобовой тяги.

В современных двигателях температура газа (после факела) на выходе из камеры сгорания может достигать 1650°С (с тенденцией к росту), поэтому для нормальной работы турбины при столь больших термических нагрузках необходимо принятие специальных, часто предохранительных мер.

Первое (и самое простоев этой ситуации) – использование жаропрочных и жаростойких материалов , как металлических сплавов, так и (в перспективе) специальных композитных и керамических материалов, которые используются для изготовления самых нагруженных деталей турбины – сопловых и рабочих лопаток, а также дисков. Самые нагруженные из них – это, пожалуй, рабочие лопатки.

Металлические сплавы – это в основном сплавы на основе никеля (температура плавления — 1455°С) с различными легирующими добавками. В современные жаропрочные и жаростойкие сплавы для получения максимальных высокотемпературных характеристик добавляют до 16-ти наименований различных легирующих элементов.

Химическая экзотика…

В их числе, например, хром, марганец, кобальт, вольфрам, алюминий, титан, тантал, висмут и даже рений или вместо него рутений и другие. Особенно перспективен в этом плане рений (Re – рений, применяется в России), используемый сейчас вместо карбидов, но он чрезвычайно дорог и запасы его невелики. Также перспективным считается использование силицида ниобия.

Кроме того поверхность лопатки часто покрывается нанесенным по особой технологии специальным теплозащитным слоем (антитермальное покрытие — thermal-barrier coating или ТВС ) , значительно уменьшающим величину теплопотока в тело лопатки (термобарьерные функции) и предохраняющим ее от газовой коррозии (жаростойкие функции).

Пример термозащитного покрытия. Показан характер изменения температуры по сечению лопатки.

На рисунке (микрофото) показан теплозащитный слой на лопатке турбины высокого давления современного ТРДД. Здесь TGO (Thermally Grown Oxide) – термически растущий оксид; Substrate – основной материал лопатки; Bond coat – переходный слой. В состав ТВС сейчас входят никель, хром, алюминий, иттрий и др. Также проводятся опытные работы по использованию керамических покрытий на основе оксида циркония, стабилизированного оксидом циркония (разработки ВИАМ).

Для примера…

Достаточно широкой известностью в двигателестроении, начиная с послевоенного периода и в настоящее время пользуются жаропрочные никелевые сплавы компании Special Metals Corporation – США, содержащие не менее 50% никеля и 20% хрома, а также титан, алюминий и немало других составляющих, добавляемых в небольших количествах.

В зависимости от профильного предназначения (РЛ, СА, диски турбин, элементы проточной части, сопла, компрессора и др., а также неавиационные области применения), своего состава и свойств они объединены в группы, каждая из которых включает различные варианты сплавов.

Лопатки турбины двигателя Rolls-Royce Nene, изготовленные из сплава Nimonic 80A.

Некоторые из этих групп: Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel и другие. Например, сплав Nimonic 90 , разработанный еще в 1945 году и применявшийся для изготовления элементов авиационных турбин (в основном лопатки), сопел и частей летательных аппаратов, имеет состав: никель – 54%минимум, хром – 18-21%, кобальт – 15-21%, титан – 2-3%, алюминий – 1-2%, марганец – 1%, цирконий -0,15% и другие легирующие элементы (в малых количества). Этот сплав производится и по сей день.

В России (СССР) разработкой такого типа сплавов и других важных материалов для ГТД занимался и успешно занимается ВИАМ (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов). В послевоенное время институт разрабатывал деформируемые сплавы (типа ЭИ437Б), с начала 60-х создал целую серию высококачественных литьевых сплавов (об этом ниже).

Однако, практически все жаропрочные металлические материалы выдерживают без охлаждения температуры примерно до ≈ 1050°С.

Поэтому:

Вторая, широко используемая мера, это применение различных систем охлаждения лопаток и других конструктивных элементов авиационных турбин . Без охлаждения в современных ГТД обойтись пока нельзя, несмотря на применение новых высокотемпературных жаропрочных сплавов и специальных способов изготовления элементов.

Среди систем охлаждения выделяют два направления: системы открытые и замкнутые . Замкнутые системы могут использовать принудительную циркуляцию жидкого теплоносителя в системе лопатки — радиатор или же использовать принцип «термосифонного эффекта».

В последнем способе движение теплоносителя происходит под действием гравитационных сил, когда более теплые слои вытесняют более холодные. В качестве теплоносителя здесь может быть использован, например, натрий или сплав натрия и калия.

Однако, замкнутые системы из-за большого количества трудно решаемых проблем в авиационной практике не применяются и находятся в стадии экспериментальных исследований.

Примерная схема охлаждения многоступенчатой турбины ТРД. Показаны уплотнения между СА и ротором. А - решетка профилей для закрутки воздуха с целью его предварительного охлаждения.

Зато в широком практическом применении находятся открытые системы охлаждения . Хладагентом здесь служит воздух, подаваемый обычно под различным давлением из-за различных же ступеней компрессора внутрь лопаток турбины. В зависимости от максимальной величины температуры газа, при которой целесообразно применение этих систем, их можно разделить на три вида: конвективный , конвективно-пленочный (или заградительный) и пористый .

При конвективном охлаждении воздух подается внутрь лопатки по специальным каналам и, омывая внутри нее наиболее нагретые участки, выходит наружу в поток в области с более низким давлением. При этом могут быть использованы различные схемы организации течения воздуха в лопатках зависимости от формы каналов для него: продольная, поперечная или петлеобразная (смешанная или усложненная).

Типы охлаждения: 1 - конвективный с дефлектором, 2 - конвективно-пленочный, 3 - пористый. Лопатка 4 - теплозащитное покрытие.

Наиболее простая схема с продольными каналами вдоль пера. Здесь выход воздуха организуется обычно в верхней части лопатки через бандажную полку. В такой схеме имеет место довольно большая неравномерность температуры вдоль пера лопатки – до 150-250˚, что неблагоприятно влияет на прочностные свойства лопатки. Схема используется на двигателях с температурой газа до ≈ 1130ºС.

Еще один способ конвективного охлаждения (1) подразумевает наличие внутри пера специального дефлектора (тонкостенная оболочка – вставляется внутрь пера), который способствует подводу охлаждающего воздуха сначала на наиболее нагретые участки. Дефлектор образует своего рода сопло, выдувающее воздух в переднюю часть лопатки. Получается струйное охлаждение наиболее нагретой части. Далее воздух, омывая остальные поверхности выходит через продольные узкие отверстия в пере.

Рабочая лопатка турбины двигателя CFM56.

В такой схеме температурная неравномерность значительно ниже, кроме того сам дефлектор, который вставляется в лопатку под натягом по нескольким центрирующим поперечным пояскам, благодаря своей упругости, служит в роли демпфера и гасит колебания лопаток. Такая схема используется при максимальной температуре газа ≈ 1230°С.

Так называемая полупетлевая схема позволяет добиться относительно равномерного поля температур в лопатке. Это достигается экспериментальным подбором расположения различных ребер и штырьков, направляющих потоки воздуха, внутри тела лопатки. Эта схема допускает максимальную температуру газа до 1330°С.

Сопловые лопатки конвективно охлаждаются аналогично рабочим. Они обычно выполняются двухполостными с дополнительными ребрами и штырьками для интенсификации процесса охлаждения. В переднюю полость у передней кромки подается воздух более высокого давления, чем в заднюю (из-за разных ступеней компрессора) и выпускается в различные зоны тракта с целью поддержания минимально необходимой разности давлений для обеспечения требуемой скорости движения воздуха в каналах охлаждения.

Примеры возможных способов охлаждения рабочих лопаток. 1 - конвективное, 2 - конвективно-пленочное, 3 конвективно-пленочное с усложненными петлевыми каналами в лопатке.

Конвективно-пленочное охлаждение (2) применяется при еще более высокой температуре газа – до 1380°С. При этом способе часть охлаждающего воздуха через специальные отверстия в лопатке выпускается на ее наружную поверхность, создавая тем самым своего рода заградительную пленку , которая защищает лопатку от соприкосновения с горячим потоком газа. Этот способ используется как для рабочих, так и для сопловых лопаток.

Третий способ – пористое охлаждение (3). В этом случае силовой стержень лопатки с продольными каналами покрывается специальным пористым материалом, который позволяет осуществить равномерный и дозированный выпуск охладителя на всю поверхность лопатки, омываемую газовым потоком.

Это пока перспективный способ, в массовой практике использования ГТД не применяющийся из-за сложностей с подбором пористого материала и большой вероятностью достаточно быстрого засорения пор. Однако, в случае решения этих проблем предположительно возможная температура газа при таком типе охлаждения может достигать 1650°С.

Диски турбины и корпуса СА также охлаждаются воздухом из-за различных ступеней компрессора при его прохождении по внутренним полостям двигателя с омыванием охлаждаемых деталей и последующим выпуском в проточную часть.

Из-за достаточно большой степени повышения давления в компрессорах современных двигателей сам охлаждающий воздух может иметь довольно высокую температуру. Поэтому для повышения эффективности охлаждения применяют мероприятия по предварительному снижению этой температуры.

Для этого воздух перед подачей в турбину на лопатки и диски может пропускаться через специальные решетки профилей, аналогичные СА турбины, где воздух подкручивается в направлении вращения рабочего колеса, расширяясь и охлаждаясь при этом. Величина охлаждения может составить 90-160°.

Для такого же охлаждения могут быть использованы воздухо-воздушные радиаторы, охлаждаемые воздухом второго контура. На двигателе АЛ-31Ф такой радиатор дает понижение температуры до 220° в полете и 150° на земле.

На нужды охлаждения авиационной турбины от компрессора забирается достаточно большое количество воздуха. На различных двигателях – до 15-20%. Это существенно увеличивает потери, которые учитываются при термогазодинамическом расчете двигателя. На некоторых двигателях установлены системы, снижающие подачу воздуха на охлаждение (или вообще ее закрывающие) при пониженных режимах работы двигателя, что положительно влияет на экономичность.

Схема охлаждения 1-й ступени турбины ТРДД НК-56. Показаны также сотовые уплотнения и лента отключения охлаждения на пониженных режимах работы двигателя.

При оценке эффективности системы охлаждения обычно учитывается и дополнительные гидравлические потери на лопатках вследствие изменения их формы при выпуске охлаждающего воздуха. КПД реальной охлаждаемой турбины примерно на 3-4% ниже, чем неохлаждаемой.

Кое-что об изготовлении лопаток…

На реактивных двигателях первого поколения турбинные лопатки в основном изготавливались методом штамповки с последующей длительной обработкой. Однако, в 50-х годах специалисты ВИАМ убедительно доказали, что перспективу повышения уровня жаропрочности лопаток открывают именно литейные а не деформируемые сплавы. Постепенно был осуществлен переход на это новое направление (в том числе и на Западе).

В настоящее время в производстве используется технология точного безотходного литья, что позволяет выполнять лопатки со специально профилированными внутренними полостями, которые используются для работы системы охлаждения (так называемая технология литья по выплавляемым моделям ).

Это, по сути дела единственный сейчас способ получения охлаждаемых лопаток. Он тоже совершенствовался с течением времени. На первых этапах при литьевой технологии изготавливали лопатки с разноразмерными зернами кристаллизации , которые ненадежно сцеплялись между собой, что значительно уменьшало прочность и ресурс изделия.

В дальнейшем, с применением специальных модификаторов, начали изготавливать литые охлаждаемые лопатки с однородными, равноосными, мелкими структурными зернами. Для этого ВИАМ в 60-х годах разработал первые серийные отечественные жаропрочные сплавы для литья ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У.

Их рабочая температура была на 200° выше, чем у рапространенного тогда деформируемого (штамповка) сплава ЭИ437А/Б (ХН77ТЮ/ЮР). Лопатки, изготавливаемые из этих материалов работали минимум по 500 часов без визуально видимых признаком разрушения. Такого типа технология изготовления используется и сейчас. Тем не менее межзеренные границы остаются слабым местом структуры лопатки, и именно по ним начинается ее разрушение.

Поэтому с ростом нагрузочных характеристик работы современных авиационных турбин (давление, температура, центробежные нагрузки) появилась необходимость разработки новых технологий изготовления лопаток, потому что многозеренная структура уже во многом не удовлетворяла утяжеленным условиям эксплуатации.

Примеры структуры жаропрочного материала рабочих лопаток. 1 - равноосная зернистость, 2 - направленная кристаллизация, 3 - монокристалл.

Так появился «метод направленной кристаллизации ». При таком методе в застывающей отливке лопатки образуются не отдельные равноосные зерна металла, а длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки. Подобного рода структура значительно увеличивает сопротивление лопатки излому. Это похоже на веник, который сломать очень трудно, хотя каждый из составляющих его прутиков ломается без проблем.

Такая технология была впоследствии доработана до еще более прогрессивного «метода монокристаллического литья », когда одна лопатка представляет из себя практически один целый кристалл. Этого типа лопатки сейчас также устанавливаются в современных авиационных турбинах . Для их изготовления используются специальные, в том числе так называемые ренийсодержащие сплавы.

В 70-х и 80-х годах в ВИАМе были разработаны сплавы для литья турбинных лопаток с направленной кристаллизацией: ЖС26, ЖС30, ЖС32, ЖС36, ЖС40, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р; а в 90-х – коррозионно-стойкие сплавы длительного ресурса: ЖСКС1 и ЖСКС2.

Далее, работая в этом направлении, ВИАМ с начала 2000 года по настоящее время создал высокорениевые жаропрочные сплавы третьего поколения: ВЖМ1 (9,3%Re), ВЖМ2 (12%Re), ЖС55 (9%Re) и ВЖМ5 (4%Re). Для еще большего совершенствования характеристик за последние 10 лет были проведены экспериментальные исследования, результатом которых стали рений-рутенийсодержащие сплавы четвертого – ВЖМ4 и пятого поколений ВЖМ6.

В качестве помощников…

Как уже говорилось ранее, в ГТД применяются только реактивные (или активно-реактивные) турбины. Однако, в заключении стоит вспомнить, что среди используемых авиационных турбин есть и активные. Они, в основном, выполняют второстепенные задачи и в работе маршевых двигателей участия не принимают.

И тем не менее роль их часто бывает очень важна. В этом случае речь о воздушных стартерах , используемых для запуска . Существуют различные виды стартерных устройств, применяемых для раскрутки роторов газотурбинных двигателей. Воздушный стартер занимает среди них, пожалуй, самое видное место.

Воздушный стартер ТРДД.

Агрегат этот, на самом деле, несмотря на важность функций, принципиально достаточно прост. Основным узлом здесь является одно- или двухступенчатая активная турбина, которая вращает через редуктор и коробку приводов ротор двигателя (в ТРДД обычно ротор низкого давления).

Расположение воздушного стартера и его рабочей магистрали на ТРДД,

Сама турбина раскручивается потоком воздуха, поступающего от наземного источника, либо бортовой ВСУ, либо от другого, уже запущенного двигателя самолета. На определенном этапе цикла запуска, стартер автоматически отключается.

В подобного рода агрегатах в зависимости от требуемых выходных параметров могут также использоваться и радиальные турбины . Они же могут применяться в системах кондиционирования воздуха в салонах самолетов в качестве элемента турбохолодильника, в котором эффект расширения и снижения температуры воздуха на турбине используется для охлаждения воздуха, поступающего в салоны.

Кроме того, как активные осевые, так и радиальные турбины применяются в системах турбонаддува поршневых авиационных двигателей. Такая практика началась еще до превращения турбины в важнейший узел ГТД и продолжается по сей день.

Пример использования радиальной и осевой турбин во вспомогательных устройствах.

Аналогичные системы с использованием турбокомпрессоров находят применение в автомобилях и вообще в различных системах подачи сжатого воздуха.

Таким образом авиационная турбина и во вспомогательном смысле отлично служит людям.

———————————

Ну вот, пожалуй, и все на сегодня. На самом деле здесь еще много о чем можно написать и в плане дополнительных сведений, и в плане более полного описания уже сказанного. Тема ведь очень обширная. Однако, нельзя объять необъятное:-). Для общего ознакомления, пожалуй, достаточно. Спасибо, что дочитали до конца.

До новых встреч…

В завершение картинки, » невместившиеся» в текст.

Пример одноступенчатой турбины ТРД.

Модель эолипила Герона в Калужском музее космонавтики.

Артикуляция видеозонда эндоскопа Vucam XO.

Экран многофункционального эндоскопа Vucam XO.

Эндоскоп Vucam XO.

Пример термозащитного покрытия на лопатках СА двигателя GP7200.

Сотовые пластины, используемые для уплотнений.

Возможные варианты элементов лабиринтного уплотнения.

Лабиринтное сотовое уплотнение.