Яндекс.Метрика

Люди практической науки

10.04.2017

Композиционные материалы в авиадвигателестроении

Интервью с профессором, доктором технических наук Тельманом Джамалдиновичем Каримбаевым, начальником отдела прочности неметаллов ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова».

Переход от металла к композиционным материалам (КМ) в авиации вполне допустимо сравнить с революцией, которая произошла когда-то при переходе самолетостроения от дерева к металлу. А какова ситуация с использованием КМ в авиационном двигателестроении? Об этом рассказывает один из самых авторитетных специалистов в данной области, профессор, доктор технических наук Тельман Джамалдинович Каримбаев, начальник отдела прочности неметаллов ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

Какие преимущества дает использование КМ в авиадвигателе? Где это использование наиболее целесообразно?

Есть общие физические принципы, определяющие эффективность двигателя. Согласно термодинамическому циклу Карно, освоенная температура газа определяет уровень совершенства авиационного двигателя. В настоящее время материалы, которые используются в турбинах, работоспособны при температурах 1100°С максимум. Чтобы они продолжали работать при более высоких температурах газа, их необходимо охлаждать. Это усложняет конструкцию и требует отбора воздуха от компрессора, из-за чего существенно снижается экономичность двигателя. Современные композиционные материалы (КМ) способны обеспечить более высокие рабочие температуры деталей турбины с существенно меньшими потерями на охлаждение или даже вовсе без него. Мы пытаемся применить для этих целей высокотемпературные КМ, в основном – керамические (ККМ). Если металлические материалы, которые сегодня применяются в турбинах, имеют удельный вес порядка 7,5–8 г/см3, то у ККМ удельный вес – 3–3,4 г/см3, то есть масса изделия снижается в два раза. А любое снижение массы – это уменьшение расхода топлива, повышение надежности.
Не меньше эффект от применения КМ в холодной части ГТД. В настоящее время тенденция такова, что эффективность двигателя повышается с увеличением степени двухконтурности, и в этом случае вентилятор приобретает все большие размеры. А ведь вес вентилятора – это порядка 30-40% веса всего двигателя. Лопатки вентилятора ПД-35, например, имеют длину около 1,1 м, диаметр вентилятора на входе – 3 м, и в этом случае применение металлов приводит к недопустимому росту массы.
Даже если гораздо меньшую лопатку для вентилятора двигателя размерности ПД-14 изготовить из сплошного титана, она будет весить 11 кг. Масса нынешней полой титановой лопатки – 8 кг, а углепластиковой – 5,5 кг. А ведь это не только экономия в 2,5 кг на каждой лопатке, которых в вентиляторе около 20. Поскольку это вращающиеся массы, то в результате их снижения уменьшается нагрузка на диск, на вал, снижается ударное воздействие на корпус при обрыве лопатки, турбину можно сделать менее мощной. Подсчитано, что каждый килограмм экономии массы вентилятора приводит к снижению на 3,75 кг массы всего двигателя. А если двигатель легче, то снижается нагрузка на крыло и его тоже можно облегчить.
В целом же при замене металлов на КМ масса отдельных деталей снижается на 10–50%, долговечность улов увеличивается на 5–25%, а экономичность двигателя возрастает на 3–8%.

Вы стояли у истоков работ по использованию КМ в авиадвигателестроении. Есть ли в отечественной истории какие-то достижения в этой области? Причастен ли к ним ЦИАМ?

Как раз 50 лет назад, в 1967 году, меня назначили начальником сектора, состоявшего тогда из 5 человек. В это время появились первые КМ, и началось создание двигателей 4-го поколения. Мы работали в основном с Запорожьем, где создавались Д-36 и Д-18Т.
На Д-36 тонкий титановый корпус разрушался из-за вибрации. Поскольку у углепластика высокие демпфирующие свойства, он был намотан на титан, и это мероприятие исключило разрушение от вибраций. Он до сих пор эксплуатируется в таком виде. На Д-18Т стоят лопатки направляющего аппарата из углепластика, а корпус вентилятора усилен кевларовым волокном, вернее его отечественным аналогом – арамидом. Двигатель до сих пор эксплуатируется без проблем.
В связи с необходимостью научиться делать корпуса из неметалла, у нас была создана так называемая энергетическая модель расчета непробиваемости корпусов, которая до сих пор используется, хотя сегодня уже выглядит достаточно консервативной. В 1971 году мной была создана так называемая двухкомпонентная теория композиционных материалов.
Уже в те годы, как раз в период начала работы над двигателями 4-го поколения, мы пытались сделать углепластиковые рабочие лопатки. Но технология их изготовления еще была слабо разработана, материалы были недостаточно хороши. А после того как в 1971 году обанкротилась компания Rolls-Royce, потерпев неудачу с углепластиковыми лопатками вентилятора для двигателя RB211-06, наши работы в этом направлении были остановлены министерством. Все твердили: «Это бесперспективно». И даже такой выдающийся конструктор-самолетчик, как Ильюшин, говорил о композиционных материалах: «Я никогда на этой тряпке не полечу». Тогда он правильно говорил. Но технологии развиваются, и сейчас из этих «тряпок» делают лонжерон крыла, а в двигателестроении качественный скачок произошел в 1995 году, когда компания General Electric внедрила в своем двигателе 5-го поколения GE90 лопатки вентилятора из углепластика.
В конце 1970-х – начале 1980-х годов в Уфе под руководством генерального конструктора УКБМ «Мотор» Алексея Андреевича Рыжова началась работа по внедрению в двигатели КМ. Была создана большая рабочая группа. Туда входили работники ЦИАМ, ВИАМ, НИИД, самого УКБМ «Мотор», ряда других организаций. Сложился хорошо работающий слаженный коллектив. Мы до сих пор встречаемся друг с другом, вспоминаем те годы. Мы тогда разрабатывали рабочие лопатки вентилятора и лопатки направляющего аппарата из боралюминия. ЦИАМ провел широкие исследования свойств этого материала, результаты их до сих пор актуальны. Впервые в мировой практике использовались бесполочные широкохордные лопатки вентилятора, созданные по аэродинамическому проекту сотрудника ЦИАМ Ю.Н. Васильева. Многие даже не понимали, что это за лопатка такая, почти квадратная.
Из боралюминия были созданы лопатки вентилятора и направляющего аппарата 2-й ступени. На 2-й ступени температуры достигали уже 350 градусов, и лопатки направляющего аппарата из боралюминия там не пошли. Боралюминий работал лишь до 300 градусов. Эти лопатки были испытаны в двигателе, но судьба самого двигателя оказалась неудачной. Его так и не довели. Были изготовлены несколько экземпляров, из которых на четырех, по-моему, испытывались лопатки направляющего аппарата 1-й ступени. После этого наступил определенный застой, и лишь с конца 1990-х годов потихонечку ситуация начала меняться.

На каком уровне, в сравнении с мировым, в настоящее время находится внедрение КМ в отечественном авиадвигателестроении?

В 1970-80-х годах мы шли вровень с исследованиями западных коллег, но в 1990-е годы существенно отстали. Тем не менее, в последнее десятилетие наметилась положительная тенденция. В результате новых разработок, таких как ПД-14 и ПД-35, появляется спрос на научные исследования, в том числе и по КМ.
На сегодняшний день на российских двигателях, например на ПС-90, из КМ изготовлены лишь небольшие несиловые элементы. На ПД-14 из КМ изготовлены мотогондола и передний корпус, однако силовых элементов из КМ по-прежнему нет, хотя почти все современные западные двигатели-конкуренты разрабатываются с углепластиковыми лопатками вентилятора.
Наше преимущество заключается в том, что мы знаем из зарубежного, да и из своего собственного опыта, что и как надо делать. Другое дело, что полноценной возможности реализовать эти знания нет. ЦИАМ работает над созданием научно-технического задела (НТЗ) по деталям из КМ для новых двигателей, но существенным препятствием на этом пути является отсутствие отечественных материалов с необходимыми свойствами, например по стойкости к удару посторонними предметами.
Зарубежные углепластики имеют предел прочности на сжатие после удара 350 МПа, а у плетеных КМ – до 385. У отечественных материалов этот параметр не превышал 240 МПа. После значительных трат и усилий в прошлом году мы достигли гарантированных 290 МПа, а есть образцы, которые показывают 310–350 МПа. В этом направлении мы сейчас и работаем. Приближаемся к тем характеристикам, которые нужны для изготовления лопаток из углепластика.
Мы обязаны создать конкурентоспособные изделия в существующих условиях и, безусловно, мы ищем пути, как это сделать. Я могу показать это на примере углепластиковой рабочей лопатки вентилятора. Мы проанализировали все плюсы и минусы имеющихся в мире технологий, и в результате у нас родилась своя, гибридная технология, с помощью которой мы получаем конкурентоспособное изделие по очень низкой стоимости. Мы к этому пришли буквально в 2016 году.

Расскажите о разработанной в ЦИАМ технологии изготовления углепластиковых широкохордных лопаток.

Мы разработали гибридную инфузионно-автоклавную технологию, которая позволяет использовать углепластиковую оснастку. Также нами придуман способ, позволяющий при ручной выкладке сухой ткани все уложить точно.

Известно, что работа с КМ требует совершенно другого подхода в сравнении с разработкой деталей из металла. Какова роль ЦИАМ в создании методов проектирования изделий из КМ?

В нашем отделе три группы специалистов: одну группу можно условно назвать расчетчиками, хотя они занимаются не только расчетами. Они проектируют изделия из КМ, рассчитывают его напряженно-деформированное состояние (НДС), создают расчетные модели. Вторая группа – технологическая. В ней изготавливаются спроектированные опытные детали, образцы. При этом для изготовления деталей разрабатывается соответствующая технологическая оснастка. Третья группа – испытатели. Здесь проводится общая и специальная квалификация используемых материалов, а также работы по прочностной доводке разработанных деталей.
На стадии проектирования у нас используются математические модели разного иерархического уровня. Первый уровень – однородное изотропное тело с приведенными упругими и прочностными характеристиками. Поскольку в реальности мы имеем дело с существенно анизотропным телом, то характеристик становится больше. Если для металла независимых характеристик упругости два – модуль упругости и коэффициент Пуассона плюс соответствующие значения прочности, то у нас, даже если рассматривать ортотропное тело, получается 9 характеристик упругости плюс соответствующие критерии прочности.
Вторая модель более высокого уровня, которая используется на следующем этапе проектирования, это модель слоистого тела. В этом случае мы рассчитываем каждый слой в отдельности, а их может быть до 300 в хвостовике. И в каждом слое отдельно рассчитывается его НДС. Для такой модели нужны достаточно мощные вычислительные машины. Особенно если мы решаем не статику, а динамическую задачу, да еще и с ударом.
Но в местах перехода от хвостовика к перу, где градиенты напряжения очень большие, уже и модели слоистого тела недостаточно. Нужно рассматривать модель двухкомпонентной среды: отдельно считать НДС волокна и отдельно связующего. Такие двухкомпонентные модели мы создаем для ограниченных, самых опасных с точки зрения прочности областей.
Разный иерархический уровень расчетов используется для того, чтобы спроектировать лопатку. Причем лопатка считается не только на статику, но и на динамику, на собственные частоты и формы колебаний, оценивается стойкость к удару и автоколебаниям.

Можно ли считать, что этот расчетный комплекс готов для того, чтобы его восприняла промышленность?

Мы сами для себя наметили, что в 2018 году напишем полное руководство по проектированию лопаток из КМ, но сейчас у нас еще есть трудности в предсказании длительной прочности и ресурса. Неоткуда взять данные для проверки. Опыта эксплуатации подобных изделий у нас нет. Гарантировать, что эта лопатка будет стоять 30 тыс. часов, без испытаний невозможно. Ну а в целом уровень наших матмоделей не только соответствует мировому, но, мне кажется, даже превосходит его, особенно в части использования двухкомпонентных моделей.

Каков порядок работ после того, как лопатка спроектирована?

В результате проектирования создается укладка, то есть схема того, каким образом уложить слои в лопатке, чтобы они наилучшим образом воспринимали нагрузки, которые возникают в изделии: а кроме центробежной нагрузки из-за закрученности возникает раскрутка, надо учесть колебания, ударные нагрузки, рациональный расход материала и т.д. Оптимальный вариант укладки получается в результате компромисса.
У каждого изделия – своя укладка, а это значит, что у каждой лопатки – свой материал с уникальными характеристиками. А новый материал нужно квалифицировать в соответствии с существующими нормами. В случае с металлом достаточно общей квалификации материала: модули упругости, влияние температуры и прочее. Все это записано в паспорте на материал. Но для КМ есть данные только для простейших случаев армирования. На эти данные смотрят лишь в самом начале проектирования, определяя, годится ли этот материал в принципе для данного изделия.
Но при проектировании углы армирования существенно меняются – это уже новый материал, который создается одновременно с конкретным изделием. Нужна специальная квалификация материала лопатки. То есть число испытаний значительно увеличивается. Использование КМ в конструкции Boeing 787 привело к уменьшению массы самолета на 50%, но число испытаний свойств материалов увеличилось с 5000 до 100 000.
Одновременно идет отработка самой конструкции на конструктивно подобных элементах. Например, у нас в ЦИАМ созданы двухзамковые образцы, которые моделируют хвостовик. Мы исследуем их на длительную прочность, подвергаем циклическим испытаниям. Проводим испытания и самой лопатки на усталость, то есть идет прочностная и технологическая доводка изделия. При этом отрабатываются и методы неразрушающего контроля. Проводятся испытания на разгонном стенде. Весь комплекс испытаний рабочих лопаток у нас уже отработан.

Какое оборудование есть в ЦИАМ для изготовления углепластиковых широкохордных лопаток?

В результате длительных усилий нам удалось собрать все необходимое оборудование для производства углепластиковых лопаток. Таким образом, создан участок, который позволяет по нашей технологии создавать качественные лопатки различных типоразмеров. В среднем на изготовление одной лопатки уходит несколько дней, так что в принципе мы можем организовать в ЦИАМ мелкосерийное производство.
Что касается измерений, то у нас есть лаборатория, аккредитованная АР МАК, то есть мы имеем право проводить квалификационные испытания механических свойств и характеристик материалов и изделий, в том числе после выдержки во влажной среде, с учетом нагрева и т.д.
Так что ЦИАМ является лидером по внедрению КМ в авиадвигатели во всех отношениях: и в расчетах, и в производстве, и в испытаниях.

Производство углепластиковых лопаток будет дешевле, чем полых титановых?

По нашим расчетам, стоимость углепластиковых лопаток будет составлять 50–70% от стоимости полых титановых. Как делаются полые титановые лопатки? В печи при температуре 1000ºС заготовки распирают внутренним давлением в оснастку. Изготавливать оснастку, которая выдерживала бы эти температуры, – это уже немалые затраты. У нас все гораздо дешевле. Пресс-форма неметаллическая. Ее можно множить в большом количестве, если мы имеем мастер-модель. При массовом производстве это будет намного дешевле.

До какого уровня технологической готовности (УТГ) доведена углепластиковая лопатка вентилятора?

Наша цель – 6-й УТГ, после чего можно передавать технологию промышленности. Сейчас мы находимся на 4-м УТГ. Для перехода на 5-й УТГ нам нужно просто провести больше проверочных испытаний. А вот 6-й уровень – это испытания в двигателе. Технология есть, но нужны испытания, испытания и испытания.

Расскажите о разработках ЦИАМ в области использования КМ в малоразмерных ГТД (МГТД).

Программа по отработке технологии изготовления отдельных деталей и узлов малоразмерных двигателей из КМ стартовала в 2005 году, но работа над ней прерывалась, и выполнили мы ее лишь в 2016 году. В результате нами созданы из КМ все детали ротора: центробежное колесо, колесо турбины, колесо осевого компрессора низкого давления. Кроме этого, изготовлены неохлаждаемая жаровая труба, а также сопловой аппарат, который стоит в турбине высокого давления. Это самая теплонапряженная конструкция в двигателе.

Неизменный интерес посетителей всевозможных экспозиций на стенде ЦИАМ привлекает компрессор с внешним валом.

Идея в том, что керамика лучше работает на сжатие, чем на растяжение. И в компрессоре с внешним валом лопатка как бы упирается в наружный вал и работает именно на сжатие. Нас пока останавливает лишь отсутствие магнитных опор. Обычные подшипники в таком изделии применить нельзя. Вал должен висеть на магнитных подшипниках.

Эти изделия уже можно использовать в реальных двигателях?

В отношении соплового аппарата для МГТД мы гарантируем ресурс 25 часов и считаем, что изделие готово для эксплуатации в малоресурсных двигателях. Но для выхода на ресурс в 10 тыс. часов надо проводить дополнительные испытания.
С рабочим колесом турбины ситуация сложнее. Сейчас у нас сделано несколько вариантов. Испытания на разгонном стенде прошли успешно, изделия стояли до 60 тыс. оборотов в минуту и лопатки сломались при расчетных нагрузках. Необходимо проводить испытания при высокой температуре. С компрессорами из КМ для МГТД у нас нет проблем – можно внедрять. Для короткоресурсного двигателя горячую часть мы уже готовы сделать из КМ, но для применения в ресурсоемких двигателях нужны дополнительные испытания.

А как идут работы над подшипниками из КМ, которые не требуют смазки?

Мы сделали сепараторы из углерод-углеродного КМ для этих подшипников и шарики из материала, который называется «скелетон». Но необходимо эти шарики обработать, довести до очень высокой чистоты поверхности и сферичности, которая достигается в стальных шарах. Однако этот материал с трудом поддается обработке. С помощью лазера оказалось возможным довести шарики до нужной кондиции. Но эта технология очень дорогая, и конкурентоспособное изделие таким образом не сделаешь.
Между тем, за рубежом такие подшипники уже стоят на малоразмерных двигателях. Дело опять же в материалах. За рубежом шарики в основном делают из нитрида кремния, который легко обрабатывается. Мы также пытаемся использовать этот материал, но в России порошки для нитрида кремния нужной чистоты и зернистости не производят. Мы изготовили шары из зарубежных порошков, их успешно обработали, и теперь они будут нами испытываться.

Неметаллы дают дополнительную свободу конструктору?

У КМ большие возможности в этом плане, поскольку мы можем регулировать их свойства. Ну, например, оказалось, что металлическая лопатка по какой-то частоте попадает в резонанс с потоком. Приходится менять всю геометрию изделия, зачастую с падением КПД. При использовании углепластика мы меняем не геометрию, а внутреннюю структуру материала и уходим от резонансных частот. Или, например, на самом кончике лопатки часто возникает срывной флаттер. На металлической лопатке обрезают этот кончик, теряют в КПД, зато обеспечивают работоспособность изделия. При использовании КМ мы меняем структуру армирования в этом месте и добиваемся того, что кромка будет держать.

Есть ли изделия, которые можно сделать только из неметаллов?

Если речь идет о мощных двигателях с большой степенью двухконтурности, то бессмысленно говорить о металлической лопатке. Что говорить, если компания Rolls-Royce, которая обожглась на КМ и все последующие годы ориентировалась на полые титановые лопатки, сейчас начинает делать эти изделия из углепластика. Не потому, что она их любит, а потому что они экономичнее и надежнее. Наработка первых экземпляров лопаток из углепластика превысила 30 млн. часов. Планируется достижение 150 млн. летных часов. У металла 30 млн. часов – это предел.

Есть ли в отрасли понимание необходимости интенсифицировать работу по использованию КМ?

Сейчас совершенно другое отношение к проблеме, даже по сравнению с началом 2000-х годов. Если раньше говорили: «Обойдемся без этого», то сейчас, по крайней мере на высоком уровне, так не говорят. Использование композитов – область наибольшего прогресса в авиации. Именно сюда надо вкладывать средства для получения максимальной отдачи.