Объединенная двигателестроительная корпорация «Ростеха» сообщила, что на ее предприятиях освоена уникальная технология изготовления лопаток авиационных двигателей. В мире есть всего лишь шесть государств, которые имеют полные технологии проектирования и производства лопаток – и теперь Россия упрочила свое лидерство в этой отрасли. Чтобы объяснить исключительную важность этого события, придется углубиться в техническую часть вопроса.
Современный турбореактивный или турбовентиляторный двигатель невозможно представить без множества лопаток. Поднимаясь по трапу пассажирского самолета, мы видим их «частокол» в фронтальной проекции авиадвигателя – но это лишь первый ряд лопаток. Эта открытая невооруженному глазу часть двигателя называется компрессор, и в ней происходит сжатие набегающего потока воздуха во время работы авиадвигателя.
Лопатки компрессора направляют набегающий поток, позволяя ему сжиматься максимально плавно. Это нужно для того, чтобы во входном канале компрессора не было ненужных и разрушительных скачков давления, а сам двигатель оказывал минимальное лобовое сопротивление. Именно для этих целей лопаткам придают сложную, изогнутую форму, максимально повторяющую направление набегающего потока, который заставляют пройти внутри авиадвигателя по сложной, сжимающейся спирали.
Чтобы эта спираль и, как следствие, путь воздуха в компрессоре был максимально длинным, а рост давления – постепенным, компрессор делают многоступенчатым, выстраивая лопатки в десяток последовательных рядов. Поэтому, если разрезать турбореактивный или турбовентиляторный двигатель, внутри его мы увидим в основном два главных блока – компрессор и турбину, между которыми находится компактная камера сгорания.
В камере сгорания сжатый и нагретый воздух смешивается с авиационным керосином – и происходит горение топлива. Воздух резко нагревается, после чего попадает на второй лопаточный агрегат – турбину. На турбине часть энергии реактивной струи отбирают, тоже лопатками. Эта энергия позволяет вращать компрессор, обеспечивая сжатие новых порций воздуха.
Большая часть энергии нагретого воздуха уходит за пределы двигателя, создавая реактивную тягу, движущую самолет вперед. Турбину авиадвигателя тоже делают многоступенчатой, а лопатки в ней, опять-таки, имеют сложную криволинейную форму, чтобы обеспечить максимально плавное расширение реактивной струи.
При своей работе лопатки компрессора и турбины испытывают сильные и разнонаправленные механические воздействия: центробежные силы, сопротивление набегающего потока воздуха. Кроме того, лопатки турбины работают в условиях высоких температур – реактивная струя на первых ступенях турбины имеет температуру более 1000 ºС. Поэтому для изготовления лопаток нужен надежный, легкий и жаропрочный материал.
Как следствие, лопатка газотурбинного двигателя является одной из наиболее сложных и наукоемких в проектировании и изготовлении деталей авиадвигателя. При ее производстве используются редкие металлы и уникальные сплавы, а также композиционные материалы, гарантирующие легкость и прочность заготовки.
Алюминий, из которого состоит корпус самолета, для лопаток малопригоден, а жаропрочная сталь все же слишком тяжела. Идеальным материалом для лопатки является титан – легкий, прочный и жаростойкий металл. Из титана можно сделать даже композит: для этого в слитке можно создать двухфазный вариант титана, где одна из фаз будет отвечать за прочность и твердость наружного, поверхностного слоя лопатки, а внутренняя часть, с другой фазой, обеспечит общую гибкость детали.
Однако в обработке титана есть свои особенности. Поскольку лопатка имеет сложную криволинейную форму, ее очень накладно изготавливать с помощью механической обработки. Ведь если ее вытачивать из цельной заготовки, то расход материала и инструмента будет просто непозволительным. Не так просто использовать и сварку – титан капризный материал при сварочных операциях, а любой сварочный шов в такой ответственной детали, как лопатка, будет слабым местом.
В итоге наиболее экономной и качественной технологией изготовления лопаток компрессора и турбины авиадвигателя в мире стала штамповка, когда профиль лопатки получается пластической деформацией исходной заготовки. В таком варианте механическая обработка минимальна и служит лишь для придания готовому изделию точных обводов, в основном созданных в результате штамповки. Нет и сварочных швов – лопатка представляет собой монолит, полученный из одной-единственной заготовки.
Штамповка титановых изделий – исключительно трудная технологическая операция. Многие титановые сплавы имеют очень узкое «температурное окно» для эффективной штамповки. Нагрел деталь выше нормы – будут утрачены свойства титанового композита, подал ее на пресс слишком холодной – штамповка внесет в структуру металла механические повреждения и разрывы. Кроме того, выбранная технология управляемого сгиба заготовки в готовую лопатку позволяет делать штамповку максимально «мягко», оставляя в готовой лопатке все преимущества двухфазного титанового композита.
Поэтому освоение в России технологии высокоточной штамповки титановых лопаток – это не просто небольшое технологическое «улучшение», но и целый пласт научных, конструкторских и производственных исследований, который позволил создать инновационный техпроцесс по самой ответственной и важной части любого авиадвигателя.
Описанные технологии теперь будут применяться Объединенной двигателестроительной корпорацией «Ростеха» при создании и производстве линейки гражданских авиадвигателей ПД-8 для самолета «Сухой Суперджет» SSJ-NEW, в двигателе ПД-14 для среднемагистрального лайнера МС-21 и в новой разработке – авиадвигателе ПД-35 для перспективных широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов.
Таким образом, существующие и перспективные российские самолеты смогут получить полную и разнообразную линейку отечественных авиадвигателей, которые будут находиться по своему технологическому уровню либо наравне, либо даже выше лучших мировых образцов. Ведь использование композитного сплава на основе титана – это безусловный шаг вперед в конструкции авиадвигателя. Он обеспечивает меньший вес изделия, больший ресурс лопатки и, как следствие, более длительные межремонтные периоды и сниженную стоимость обслуживания.
Кроме того, технологические санкции, которыми сейчас пугают российский авиапром, становятся бесполезными. Снова и снова «Россия делает сама», показывая, что в нашей стране живет и развивается научная и производственная школа, работающая на самом переднем крае мировой научно-технической мысли.