Опубликовано: 03.08.2020, 15:26
 

Композитная лопатка большого двигателя началась с малого

Демонстратор технологии лопатки вентилятора из ПКМ опробован на ПД-14


[image]

Объединенная двигателестроительная корпорация на онлайн-пресс-конференции представила первые результаты работ по созданию лопатки вентилятора, изготовленной из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Заложенные в неё решения показали свою жизнеспособность, отмечают участники проекта: демонстратор вентилятора, выполненный в размерности двигателя ПД-14, уже начал стендовые испытания, а изолированная композитная лопатка прошла цикл тестов. Впереди - создание полноразмерной лопатки для ПД-35, а также освоение ещё 17 критических технологий, обеспечивающих достижение целевых параметров двигателей большой тяги.

Вопрос, стоящий на первом месте

Предваряя рассказ о композитной лопатке, управляющий директор - генеральный конструктор "ОДК-Авиадвигатель" Александр Иноземцев констатировал, что в магистральной авиации сегодня доминируют именно двухконтурные турбореактивные двигатели, и эта ситуация сохранится на многие десятилетия. При этом сохраняется тенденция роста степени двухконтурности двигателей, обеспечивающая улучшение удельных показателей по расходу топлива. Как следствие, с каждым поколением растут габаритные размеры силовых установок. "Поэтому в большом двигателе снижение массы - это вопрос, стоящий практически на первом месте", - заявил генеральный конструктор.

Согласно оценкам, сделанным специалистами Центрального института авиационного моторостроения, на вентилятор приходится примерно 20% массы двигателя в целом. Более того, габариты и, в значительной мере, масса двигателя определяются именно узлом вентилятора: широкохордные лопатки имеют немалый вес, для их удержания нужен массивный диск, нужен более прочный вал, корпус вентилятора также следует усиливать, чтобы в случае разрушения лопатки обломки не повредили планер и системы самолёта. Таким образом, снижая массу лопаток вентилятора на 1 килограмм, можно сэкономить до 2,5 килограмма массы узкофюзеляжного самолёта и более 3,5 кг - широкофюзеляжного. В пересчёте на размерность двигателя ПД-35, лопатка вентилятора которого имеет длину 1,1 метр, а диаметр которого достигает 3 метров, переход с металлической лопатки на углепластиковую дал бы экономию в сотни килограммов. Однако это только теория: создавать двигатель большой тяги даже с полой титановой лопаткой нецелесообразно, будущее именно за лопаткой из композиционных материалов.

Мировой опыт

Зарубежные двигателестроительные компании, столкнувшиеся с задачей снижения массы лопаток вентилятора, применили несколько технологических решений. Во второй половине 1960-х - первой половине 1970-х годов британская компания Rolls-Royce разработала технологию полой титановой лопатки с сотовым заполнителем, при этом её работы по созданию композитной лопатки, предпринятые в те же годы, успехом не увенчались. Двигатель RB.211 стал первым мотором, на котором были опробованы обе технологии, но на серийной продукции применялась только одна из них. Тем же путём - облегчения титановой лопатки - пошли в американской компании Pratt & Whitney при создании двигателей семейства PW4000. Пионером в создании серийной композитной лопатки вентилятора стала компания General Electric (США), создавшая в середине 1990-х самый мощный гражданский двигатель GE90. Ей удалось создать лопатку массой всего 14 килограммов при диаметре вентилятора 3,1 метра.

После того, как технология изготовления лопаток вентилятора из композиционных материалов подтвердила право на жизнь, количество двигателей, в которых она была применена, стало возрастать. Rolls-Royce реализовала технологию в двигателях Trent большой тяги, устанавливаемых на Boeing 787 и Airbus A350. Первенцем в использовании композитов в вентиляторах двигателей LEAP-1 для узкофюзеляжных среднемагистральных самолётов стала компания CFM International, альянс General Electric и SAFRAN. Правда, говорить о том, что американцы просто масштабировали своё решение, перенеся его на самый массовый двигатель, не приходится: оказалось, что полученные по освоенной технологии выкладки слоёв лопатки обладают избыточной жёсткостью, что не позволяет им справляться с ударными нагрузками при попадании посторонних предметов. Новое технологическое решение, связанное с использованием плетения из углеродной нити, позволило решить проблему.

Наконец, сегодня в США говорят о следующем поколении вентиляторных лопаток из композиционных материалов - они применяются на GE9X для новейших Boeing 777X.

А что у нас?

Было бы неверно предполагать, что Советский Союз, а затем и Россия сидели сложа руки, безучастно наблюдая за прогрессом у западных двигателестроителей. Стоит напомнить, что рабочие лопатки вентилятора из углепластика впервые были созданы для самого крупного отечественного двигателя Д-18, однако работы так и не вышли за этап доводочных испытаний. НПП "Мотор" (г. Уфа, ныне входит в "ОДК-УМПО") создало опытные лопатки вентилятора из борных волокон и алюминиевой матрицы. Затем на долгие годы темп работ был утрачен, что, впрочем, не удивительно - страна фактически перестала создавать новые гражданские авиадвигатели. Но говорить о полной "утрате полимеров" не приходится: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов работал над созданием волокон и наполнителей, технологий изготовления композитных деталей, Центральный институт авиационного моторостроения по разным перспективным технологиям создавал опытные композитные лопатки.

Ранее на специализированных выставках уже демонстрировались наработки по вентиляторной лопатке: был представлен образец пера рабочей лопатки, выполненный укладкой ленты, демонстрировался "чулок" - тканая заготовка под размер рабочей лопатки, после пропитки которой связующим должна получиться композитная лопатка. Наконец, внимание специалистов привлекал экспонат - прототип лопатки с защитой титановой накладкой на кромке и с обработанным замком для крепления в диске.

Созданного задела было достаточно, чтобы перейти к опытно-конструкторским работам, однако по состоянию на 2020 год до создания демонстратора вентилятора ПД-35 ещё далеко, а нарабатывать опыт применения композитов уже необходимо. В ОДК приняли решение создать демонстратор в размерности двигателя ПД-14, отработать новые технологии на самом современном отечественном двигателе. "Пока двигателя ПД-35 нет, вы знаете, он находится в стадии НИР, мы приняли решение набить шишки, накопить опыт на двигателе ПД-14", - отметил А. Иноземцев.

Собственно онлайн-пресс-конференция была посвящена представлению результатов первых испытаний вентилятора с композитными лопатками, установленного на двигатель ПД-14 вместо штатного узла. Опытное производство композитных лопаток было освоено на базе Пермского политехнического университета. А. Иноземцев охарактеризовал созданную лабораторию "мощным исследовательским и производственным центром", который располагает необходимыми кадрами и оборудованием. На сегодняшний день изготовлено более трёх десятков лопаток, выполнен обширный цикл испытаний изолированной лопатки: "мы их ломаем, рвём, трясём, обрываем - всё как обычно", пояснил А. Иноземцев. Демонстратор вентилятора в августе должен пройти разгонные испытания на стенде в ЦИАМ, на сегодня завершены испытания, позволившие снять дроссельные характеристики двигателя. Также впереди весь цикл испытаний на устойчивость к попаданию посторонних предметов: на заброс птицы, льда. По их окончании будет проведён ряд тестов на летающей лаборатории.

Параллельно с испытаниями создаётся производственная база. Выпуск лопаток из композиционных материалов будет освоен на рыбинском "ОДК-Сатурн", при этом титановая накладка находится в сфере ответственности "ОДК-УМПО".

Создание нового вентилятора для ПД-14 имеет и практический смысл. Заместитель генерального директора ОДК - руководитель приоритетного технологического направления "Технологии двигателестроения" Валерий Гейкин не исключил, что наработки по углепластиковой лопатке найдут применение в двигателях ОДК, серийно производимых в настоящее время. А. Иноземцев уточнил, что судьба нового вентилятора будет понятна по результатам испытаний. "Понятно, что выигрыш по масса будет гораздо меньшим, чем в ПД-35. Но, если мы сможем снизить массу килограммов на 20-30, я думаю, мы убедим авиакомпании покупать такие двигатели", - полагает он. При этом генеральный конструктор не исключает, что по согласованию с авиакомпаниями может быть выпущено некоторое количество модернизированных двигателей, эксплуатация которых поможет разработчику накопить необходимый опыт. "Может быть, сделаем несколько [двигателей с композитными лопатками вентилятора - "АвиаПорт"], по согласованию с авиакомпаниями, дав им какие-то преференции по цене, чтобы просто наработать налёт. Реальный налёт ничем не заменишь. Может быть, десятка два двигателей будут летать, пока мы создаём ПД-35, и все болячки, которые там будут выявляться, мы будем, соответственно, лечить", - поделился планами он.

18 критических технологий

В. Гейкин напомнил, что создание перспективного семейства двухконтурных турбореактивных двигателей в классе тяги 24-50 тонн - "грандиозная задача, которая по плечу только высокоразвитым странам". Для её решения нужно создать материалы нового поколения, разработать технологии их обработки, спроектировать и испытать конструкцию. Запуская работы по семейству двигателей ПД-35, ОДК совместно с отраслевыми институтами сформировала перечень критических технологий, которые необходимо освоить, прежде чем переходить к опытно-конструкторским работам. Всего выделено 18 позиций, по которым учёным в кратчайшие сроки требовалось совершить революционные открытия, подтвердить их жизнеспособность и передать в промышленность.

Задача усложняется тем, что отечественные производители не имеют доступа ни к самым современным материалам, созданным на Западе, ни к результатам проведённых иностранными коллегами исследований, ни к детальной информации о применяемых технологиях, ни к оборудованию для производства и испытаний авиационных изделий. "Помощи нам в этом плане заграница не окажет. Мы всё должны делать сами", - подчеркнул В. Гейкин.

Начало активных работ по ПД-35 относится к 2014 году. Был выбран лидер - головным разработчиком семейства двигателей ПД-35 стало пермское конструкторское бюро "ОДК-Авиадвигатель", подтвердившее наличие необходимых компетенций при создании ПД-14. Были определены масштабы финансирования проекта - 180 млрд рублей на НИОКР, до стадии сертификации двигателя. Были зафиксированы и сроки создания двигателя, сформирована дорожная карта, которой, по словам заместителя генерального директора ОДК, удаётся точно следовать.

Уточняя сроки создания ПД-35, А. Иноземцев напомнил, что по актуальным планам двигатель-демонстратор должен встать на лётные испытания в 2025 году. Базовый двигатель ориентирован на совместный российско-китайский широкофюзеляжный дальнемагистральный самолёт CR929, в то время как различные двигатели семейства ПД-35 могут использоваться и на пассажирских, и на транспортных самолётах различной размерности.

Из 18 критических технологий одна из самых сложных - создание лопатки вентилятора из композиционных материалов. Однако не менее значимыми являются задачи создания корпуса вентилятора с применением полимерных композиционных материалов, высокоэффективного и надёжного компрессора высокого давления, малоэмиссионной камеры сгорания, технологии изготовления рабочих лопаток турбины высокого давления из перспективных жаропрочных сплавов, создание деталей турбины их композиционных материалов на керамической матрице, создание мотогондолы с ламинарным обтеканием, перечислил В. Гейкин. Естественно, найдут применение в ПД-35 и детали, изготовленные с применением аддитивных технологий, и детали из интерметаллидных титановых сплавов, и другие решения, осваиваемые сегодня промышленностью.

А. Иноземцев заверил журналистов, что по мере получения практических результатов по новым технологиям он будет делиться сведениями о достигнутых успехах. И, кроме того, уточнил, что нынешний вариант "чёрной" вентиляторной лопатки едва ли станет серийным продуктом. "Я должен по секрету сказать, что эта лопатка недолго проживёт. ВИАМ подготовил нам следующее поколение полимерных материалов, которое позволит её сделать ещё тоньше и прочнее. Но этим я вам похвастаюсь чуть позже", - резюмировал он.

 
Ссылки по теме:
Материал «Композитная лопатка большого двигателя началась с малого» подготовлен сотрудниками агентства «АвиаПорт». Мы просим при цитировании указывать источник информации и ставить активную ссылку на главную страницу сайта или на цитируемый материал.
Связи: Новые Технологии (в процессе тестирования)

Комментарии к новости