Научные, технологические и производственные проблемы в связи с конструктивными особенностями авиационных двигателей

Производство авиационных газотурбинных двигателей развивается в направлении повышения их мощности и экономичности путем увеличе­ния рабочих температур, эффективности аэродинамики турбин и ком­прессоров и использования более легких материалов. Основные особен­ности и параметры турбореактивных двигателей разных поколений и ди­намика развития авиадвигателестроения иллюстрирует табл. 1.1.

Современные авиационные двигатели должны отвечать таким требованиям, как надежность, минимальная масса, высокие эксплуатаци­онные качества, экономичность и ресурс. Для двигателей гражданской авиации дополнительным условием является снижение уровня шума и загрязнения атмосферы.

Важные задачи, решаемые при проектировании современных двига­телей, - снижение стоимости производства и эксплуатации, в том числе путем упрощения конструкции и снижения количества деталей и узлов, что в свою очередь требует создания новых материалов и технологий их обработки.

Современные двухконтурные форсированные двигатели вдвое эконо­мичнее, чем первые ТРД; многократно возросли удельная тяга, надежность и ресурс. Развитие авиадвигателей базируется на фундаментальных и при­кладных исследованиях в аэро- и термодинамике, материаловедении, тех­нологии производства и испытаний и многих других областях. В двухконтурных турбореактивных двигателях (ТРДД) четвертого поколения пара­метры термодинамического цикла достигли весьма высокого уровня: температура газа перед турбиной доходит до 1650 ... 1700 К, степень по­вышения давления в компрессоре - до 40. Еще более совершенны авиа­ционные двигатели нового, пятого, поколения, разработка которых ве­дется только в странах, обладающих необходимым научно-техническим и производственным потенциалом.

Таблица 1.1

В последние 25 - 30 лет на первый план вышел ряд факторов, оказы­вающих сильное влияние на состояние и перспективы мирового авиадвигателестроения. Среди них в первую очередь необходимо отметить рост трудоемкости, увеличение сроков разработки и цены авиадвигателей. Этот период связан с развитием двухконтурных авиадвигателей в качестве основных типов ГТД как для дозвуковой, так и для сверхзвуковой авиации. В результате их освоения существенно повысилась рентабель­ность воздушного транспорта, боевая эффективность военной авиации и улучшились экологические характеристики.

Высокий конструктивно-технологический уровень решений, реали­зуемых в двигателях для боевой авиации, определяет их авангардную роль в развитии авиационного двигателестроения в целом. Двигатели для маневренных самолетов-истребителей характеризуются наивысшим уровнем технического, прежде всего весового, совершенства. Само появ­ление авиационного ГТД в конце 30-х годов и его широкое распростра­нение в 40 - 50-х годах, начавшееся с истребительной авиации, связаны с большими возможностями ТРД по увеличению тяговой мощности в по­летных условиях. Например, развитие самолетов-истребителей характе­ризуется непрерывным ростом тяговооруженности (отношения тяги к весу) как средства обеспечения маневренных свойств и превосходства в воздухе. Это обстоятельство определяет и непрерывное ужесточение тре­бований к снижению массы двигателей маневренных машин. Взлетная тяговооруженность увеличилась с 0,3 у реактивных истребителей перво­го поколения до величины, превышающей 1, у современных истребите­лей четвертого поколения.

Освоение уже в 50-х годах сверхзвуковой области скоростей полета привело к необходимости обеспечения многорежимности силовых уста­новок самолетов, требования к которым еще более ужесточаются в связи с тенденцией создания многофункциональных современных боевых ма­шин. Результатом этого в истребительной авиации явилось более быстрое снижение удельного веса двигателя (отношения веса двигателя к весу самолета) по сравнению с ростом тяговооруженности.

Решение сложной научно-технической проблемы создания двигателя, сочетающего столь противоположные требования, как малый удельный вес и многорежимность, привело к необходимости освоить схему двухконтурного ТРД с форсажной камерой (ТРДДФ). Это в свою очередь потребовало решение научных проблем в области:

- новых конструкционных материалов с высокой удельной прочностью (титановые, жаропрочные порошковые и монокристаллические сплавы и др.);

- высокотемпературных кольцевых камер сгорания и высокоперепадных турбин;

- малоступенчатых регулируемых компрессоров;

- электронных цифровых систем управления, интегрированных с сис­темой технической диагностики;

- новых технологий производства деталей и узлов из новых материалов.

Крупным научно-техническим и производственным достижением отечественного авиадвигателестроения явилось создание базовых ТРДДФ чет­вертого поколения: РД-33 (ЛНПО им. В.Я. Климова), АЛ-31Ф (ОАО «Люлька-Сатурн»), Д-30Ф6 (ОАО «Авиадвигатель»). Исключительные качества этих двигателей (высокая удельная тяга, сниженное число сту­пеней лопаточных машин, широкий диапазон условий эксплуатации, ус­тойчивость компрессоров при полете с большими углами атаки, короткая широкодиапазонная форсажная камера с регулируемым соплом, высокие динамические характеристики) позволяют считать их наиболее удачными среди современных двигателей маневренных сверхзвуковых машин, о чем свидетельствует общепризнанный успех самолетов МиГ-29, Су-27, МиГ-31.

К многорежимным двигателям четвертого поколения относятся также ТРДДФ НК-25 и НК-32 (ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова) для самолетов дальней и стратегической авиации, которые являются самыми мощными в мире.

Далее рассматриваются конструктивно-технологические особенности современных ГТД четвертого поколения на примере двигателей АЛ-31Ф и ПС90.

В 1984 г. ММПП «Салют» начал выпуск двигателя АЛ-31. Последние модернизации этого двигателя благодаря совершенствованию конструкции приближают его по своим параметрам к двигателям пятого поколения. Выпускают эти двигатели и в настоящее время, в том числе и на ОАО УМПО (г.Уфа).

Двигатель - двухконтурный, двухвальный, со смешением потоков внутреннего и наружного контуров за турбиной, с общей для двух конту­ров форсажной камерой и регулируемым сверхзвуковым всережимным реактивным соплом - имеет модульную конструкцию, обеспечивающую высокую технологичность сборки и позволяющую производить замену модулей при минимальном объеме регулировок и проверок.

Двигатель (рис. 1.1) состоит из следующих основных узлов и систем:

компрессора;

основной камеры сгорания;

турбины;

наружного контура;

форсажной камеры сгорания со смесителем и реактивным соплом;

приводов вспомогательных устройств;

масляной системы;

топливной системы;

системы противообледенения;

системы управления охлаждением турбины;

системы запуска. Силовая схема двигателя изображена на рис. 1.2.

Компрессор двигателя - осевой, двухкаскадный, тринадцатиступенчатый. В его состав входят:

- четырехступенчатый компрессор низкого давления 1 (КНД) (рис. 1.1) с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА);

- девятиступенчатый компрессор высокого давления 4 (КВД) с тремя регулируемыми направляющими аппаратами - входным и первых двух ступеней;

- промежуточный корпус 3.

Рис. 1.1. Схема двигателя

1 – компрессор низкого давления; 2 – ЦКП; 3 – промежуточный корпус;

4 – компрессор высокого давления; 5 – наружный контур; 6 – основная камера сгорания; 7 – воздухо-воздушный теплообменник; 8 – турбина высокого давления; 9 – турбина низкого давления; 10 – смеситель;

11 – коллектор форсажной камеры; 12 – фронтовое устройство;

13 – форсажная камера; 14 – реактивное сопло; 15 – опора турбинывное сопло; 15 – опора турбины

Рис. 1.2. Силовая схема двигателя

1 – наружный контур; 2 – ротор низкого давления; 3 – внутренний корпус; 4 – ротор высокого давления; 5 – промежуточный корпус; 6 – узлы крепления к самолету

Основная камера сгорания (ОКС) - кольцевая. В состав ОКС входят корпус с диффузором и жаровая труба.

Топливо поступает в ОКС через двадцать восемь двухкаскадных фор­сунок. Воспламенение топливовоздушной смеси при запуске двигателя осуществляется электрической системой зажигания.

Турбина двигателя - осевая, двухступенчатая. В состав узла турбины входят: одноступенчатая турбина высокого давления (ТВД) с охлаждаемыми воздухом диском, сопловыми и рабочими лопатками, а также деталями наружного и внутреннего корпусов; одноступенчатая турбина низкого давления (ТНД) с охлаждаемыми воздухом диском и сопловыми лопатками.

ТНД состоит из ротора и статора, а опоры турбины - из корпуса опо­ры и корпуса подшипника.

Форсажная камера (ФК) сгорания 13 (рис. 1.1) - общая для двух кон­туров, со смешением потоков на входе во фронтовое устройство. В со­став форсажной камеры входят смеситель 10 и фронтовое устройство 12.

Регулируемое реактивное сопло 14 (PC) (рис. 1.1) с корпусом ФК -сверхзвуковое, всережимное, с внешними створками. В состав PC входят: створки сужающейся части; надстворки расширяющейся части; внешние створки; проставки; упругие элементы; стяжное устройство с пневмопри­водом.

PC смонтировано на корпусе ФК. Внешние створки обеспечивают плавное обтекание хвостовой части самолета, уменьшая ее сопротивление.

Воздухо-воздушный теплообменник 7 (рис. 1.1) предназначен для снижения температуры охлаждающего турбину воздуха. В его состав входят корпус, трубчатые теплообменные модули и аппарат отключения охлаждения. Наружный контур 5 (рис. 1.1) - это два корпуса - передний (разъемный) и задний.

Узел приводов вспомогательных устройств состоит из центральной конической передачи (ЦКП); коробки приводов двигательных агрегатов (КДА), зубчатые передачи которой приводятся во вращение ротором вы­сокого давления (РВД) через ЦКП; редуктора датчиков ротора низкого давления (РНД).

От КДА через гибкий вал осуществляется привод самолетных агрега­тов, установленных на выносной коробке агрегатов (ВКА).

Масляная система - автономная циркуляционная, с двумя топливо-масляными теплообменниками. Система обеспечивает подвод масла к узлам трения, его отвод и охлаждение, суфлирование масляных полостей и наддув предмасляных полостей.

Топливная система - гидромеханическая, с применением электронно­го комплексного регулятора двигателя (КРД).

Система противообледенения двигателя предназначена для обогрева поверхностей ВНА и кока компрессора горячим воздухом из КВД в усло­виях возможного обледенения.

Система управления охлаждением турбины служит для включения и выключения подачи дополнительного количества воздуха на охлаждение турбины при режимах, близких к максимальным.

Система запуска обеспечивает:

- запуск двигателя на земле и в полете;

- воспламенение топлива при включении ФК;

- прокрутку и ложный запуск двигателя.

Для запуска двигателя на земле служит газотурбинный двигатель (ГТДЭ), установленный на ВКА.

На двигателе установлены датчики и приемники систем контроля, предназначенные для получения информации о работе двигателя, пред­ставляемой визуально, и записи на носители информации бортовых и наземных регистрирующих систем.

Выносная коробка агрегатов с размещенными на ней газотурбинным двигателем, самолетным генератором и гидронасосами установлена в фюзеляже самолета и соединена с КДА гибким валом. ВКА служит для передачи вращательного движения на агрегаты самолета от КДА при ра­боте двигателя и РВД и на агрегаты самолета от ГТДЭ при запуске дви­гателя на земле.

Воздух из самолетного воздухозаборника поступает в КНД. В проме­жуточном корпусе (за КНД) воздух разделяется на два потока - внутрен­ний и наружный.

Поток воздуха во внутреннем контуре поступает из КВД в основную камеру сгорания, где смешивается с топливом, впрыскиваемым через двухкаскадные форсунки коллектора основной топливной системы. Смесь воспламеняется разрядом полупроводниковых свечей. Топливо, сгорая, повышает температуру смеси. Образовавшийся газ поступает на турбину (ТВД и ТНД), вращающую роторы высокого и низкого давления.

На форсированных режимах в форсажную камеру подается топливо, которое, сгорая, повышает энергию газа. Дополнительная энергия реали­зуется в регулируемом сопле, в результате чего увеличивается тяга дви­гателя.

В крупногабаритных двигателях, таких как двигатель ПС-90 (рис. 1.3 в приложении) наружный корпус вентилятора выпол­нен сварным из титанового сплава ВТ6, с наружной обмоткой из компози­ционного материала для обеспечения непробиваемости при обрыве лопат­ки. Рабочие лопатки вентилятора I и II ступеней компрессора высокого давления изготавливаются из сплава ВТ8М и имеют антивибрационные полки. Остальные лопатки - бесполочные, штампуются под вальцовку.

Корпус направляющих аппаратов I ... III ступеней имеет разъем по горизонтальной оси для обеспечения сборки поворотных лопаток. Передний и задний корпуса компрессора высокого давления выполнены жесткими, без продольных разъемов для обеспечения равномерности радиальных зазоров по лопаткам. Все лопатки доступны для осмотра.

Камера сгорания имеет цельноточенный кольцевой газосборник и 12 двухканальных топливных форсунок. Турбина двигателя - осевая, шестиступенчатая, двухвальная, состоит из двухступенчатой ТВД высокого давления и четырехступенчатой ТНД. Все рабочие лопатки бандажированы (кроме лопаток I ступени, перо которых имеет четырехслойное многокомпонентное теплозащитное покрытие). Рабочие лопатки I и III ступеней - охлаждаемые, изготавливаются из монокристаллических от­ливок, а также отливок, полученных методом высокоскоростной направ­ленной кристаллизации.

В наружных корпусах турбин, выполненных в виде цельнокатаных колец из жаропрочного сплава, предусмотрена активная регулировка за­зоров с лопатками за счет обдува наружной поверхности.

Двигатель ПС-90А не имеет форсажной камеры. Сопло - нерегули­руемое, дозвуковое, крепится к реверсивному устройству решетчатого типа, предназначенному для создания обратной тяги

путем выброса воз­духа из наружного контура. Изготавливается из листа, кольцевых и ли­тых заготовок из титановых сплавов, створки - из сплава ВЖЛ14.

На рис. 1.4. (см. приложение) показан общий вид принципиально нового двигателя – SaM146, для нового российского регионально-магистрального самолета SUKHOI SUPER JET 100 (SSJ).

Программу производства этого двигателя реализует НПО «Сатурн» и фирма «Snecma» (Франция). Двигатель создается в соответствии с требованием мирового рынка и рассчитан для сертификации по российским, европейским и американским авиационным нормам. Организационно этот проект – близкая копия с американо-французской программы двигателя CFM. «Сатурн» и «Snecma» делают двигатель пятьдесят на пятьдесят – по конструированию, разделению риска, по стоимости.

На рис. 1.5 (см. приложение) показан в разрезе современный двухконтурный газотурбинный двигатель фирмы Pratt&Whitney. Особенностью конструкции являются сложные по геометрии пустотелые лопатки вентилятора, дополнительные шесть ступеней компрессора низкого давления, девятиступенчатый компрессор высокого давления, двухступенчатая турбина высокого давления и шестиступенчатая турбина низкого давления (для привода вентилятора и компрессора низкого давления). Оригинальным является система поддержания равных температур ротора и статора турбины. Это позволяет удерживать постоянный оптимальный зазор между ротором и статором, что в конечном итоге повышает КПД турбины.

В ОАО «Люлька-Сатурн» были начаты работы над ТРДДФ пятого поколения АЛ-41Ф для нового многофункционального истребителя. Концепция и технический облик двигателя нового поколе­ния разработаны на основе поисковых исследований, выполненных со­вместно ЦИАМ и конструкторскими бюро.

Совершенствуются конструкции и технологии изготовления базовых уз­лов двигателей, развитие которых имеет следующие основные тенденции.

Компрессоры:

- уменьшение числа ступеней осевых компрессоров;

- уменьшение числа лопаток ротора и статора в каждой ступени;

- оптимизация формы лопаток. Использование ступеней с широкохордными стреловидными лопатками малого удлинения, которые обеспечи­вают повышение производительности на 7 ... 8 % и степени сжатия на 5 ...6%;

- снижение нестационарности течения путем оптимизации взаимного окружного расположения и формы статорных лопаток в системе венцов «статор-ротор-статор». Такая оптимизация позволяет до 1,5 % повысить КПД ступени при двухкратном снижении уровня пульсаций давления;

- снижение веса ротора компрессора за счет применения новых мате­риалов и замены традиционной конструкции диск-лопатка моноколесами (блисками) и подкрепленными кольцевыми элементами (блингами).

Эти тенденции обусловлены улучшением аэродинамических свойств и ростом эффективности компрессоров вследствие использования но­вейших исследований по оптимизации характеристик течения газового потока.

Турбины:

- упрощение конструкции и уменьшение числа ступеней и лопаток;

- повышение эффективности охлаждения лопаток. Решением этой про­блемы, которая исключительно важна для турбин перспективных двига­телей, работающих при температуре газового потока выше 2000 К, явля­ется разработка лопаток с эффузионным охлаждением и лопаток с двух­слойными стенками, в которых охлаждающий воздух из внутренней по­лости лопатки осуществляет интенсивное внутреннее охлаждение ее сте­нок и затем равномерно выпускается на внешнюю поверхность лопатки через отверстия перфорации, производя заградительное охлаждение. Та­кой способ «проникающего» охлаждения позволит уменьшить расход охлаждающего воздуха на 20 ... 25 % по сравнению с лопатками, приме­няемыми в настоящее время. Создание лопаток с «проникающим» охла­ждением возможно только на основе принципиально новых технологиче­ских решений.

Двигатели шестого поколения для боевой авиации, создание которых следует ожидать в 2010 - 2015 гг., должны обладать рядом характеристик, придающих качественно новый уровень боевому самолету. К ним относят­ся уменьшение удельного веса двигателя в 1,4 ... 2 раза, удельного расхода топлива - на 15 ... 30 %, повышение надежности на 60 ... 80 %, обеспече­ние ресурса двигателя, соответствующего 0,5 ... 1 ресурса планера, сни­жение в 2 ... 3 раза трудоемкости обслуживания и др.

Высокого уровня весового и эксплуатационного совершенства двигателя шестого поколения можно добиться за счет предельно высокой тем­пературы газа перед турбиной (2300 ... 2400 К), а также применяя компо­зиционные материалы для изготовления основных узлов двигателя, интегральную САУ на основе электропривода, «сухую» подвеску роторов, принципиально новые технологии изготовления деталей и узлов.

В перечень «критических» технологий входят:

- охлаждаемые лопатки турбины большого ресурса с температурой га­за, на 150 ... 300 К превышающей современный уровень;

- конструкции роторов компрессоров и турбин типа «блиск» и «блинг»;

- конструкции (в частности, двухстенные) и технологии изготовления высокотемпературных малоэмиссионных камер сгорания из жаропроч­ных сплавов, керамических и композиционных материалов;

- широкохордные лопатки малошумного вентилятора (полые металлические и сплошные из композиционных материалов);

- высокоэффективные легкие многослойные звукопоглощающие конст­рукции и др.

В настоящее время очевидной стала тенденция решать технологиче­ские задачи на стадии создания двигателя - при его проектировании и опытном производстве, ведь какими бы совершенными и смелыми ни были конструкторские решения и разработки, их реализация возможна лишь на основе опережающего развития технологии. Главное назначение технологии производства двигателей - обеспечение выпуска двигателей с заданными функциональными свойствами в требуемых количествах с учетом материальных и информационных воз­можностей.

Среди проблем технологии производства авиационных двигателей особое место занимает оценка технологичности двигателей на стадии проектирования. Она позволяет оптимизировать как конструкцию двига­теля, так и весь процесс производства и последующего ремонта, что дает большой экономический и временной эффект.

Для успешной реализации программы создания авиационных двигателей пятого поколения научные исследования и создание инновационных технологий должна вестись в следующих направлениях.

Заготовительные технологические процессы (ТП) -литье, обработка давлением должны обеспечивать требуемые геометрические параметры, внутреннюю структуру и физико-механические свойства заготовок, предотвращение появления потенциаль­ных очагов разрушения.

В литейном производстве прогрессивными являются ТП получения монокристал­лических рабочих лопаток турбины из жаропрочных сплавов и ТП получения тонкостенных отливок в условиях вакуума.

В кузнечно-штамповочном производстве прогрессивными ТП являются изотермическая штамповка лопаток и дисков, высокоскоростная штамповка точных заготовок, штамповка взрывом, раскатка кольцевых деталей, ротационная вытяжка заготовок обечаек, валов, дисков, корпусных деталей, электровысадка при фасонировании заготовок из жаропрочных материалов, глубокая вытяжка титана.

Общая тенденция развития ТП данной группы - разработка бесприпусковой и малоприпусковой технологий.

Изотермическая штамповка - наиболее значительное достижение в мировой практике горячей обработки металлов давлением. Процесс применяется при изготовлении точных заготовок ответственных высоконагруженных деталей усложненной формы из различных конструкционных материалов, в частности лопаток.

В сравнении с традиционными процессами изотермическая штамповка обеспечивает комплекс существенных технологических, экономических и качествен­ных преимуществ. Основные из них: снижение удельных усилий деформации и соответственно потребной мощности прессового оборудования в 5...10 раз; резкое увеличение технологической пластичности обрабатываемых материалов, что повышает возможность обработки новых малопластичных и труднодеформируемых сплавов и сокращает число штамповочных операций; достижение уровней точности и шероховатости поверхности заготовок, сопоставимых с уровнями этих параметров в чистовых операциях механической обработки. Это позволяет в 2...3 раза сократить расход металла и свести к минимуму черновую механическую обработку резанием. Появляется возможность полностью устранить механическую обработку несопрягаемых поверхностей.

Максимальная эффективность процесса достигается при изготовлении деталей сложных форм, содержащих тонкие полотна и ребра, она также прогрессивно растет с увеличением габаритных размеров деталей.

Изотермическая штамповка обеспечивает высокую степень однородности деформации и получение равномерной структуры материала требуемой дисперсности. В результате достигается увеличение уровня и стабильности механических свойств и надежности изделий.

Формообразующие технологические процессы, обеспечивая заданные размеры и шероховатость, не должны допускать остаточных напряжений растяжения и изменения фазового и структурного составов.

Одной из актуальных проблем в современном двигателестроении явля­ется повышение производительности процессов резания, так как вновь создаваемые жаропрочные стали и сплавы, в том числе титановые, имеют более высокие физико-механические характеристики и соответственно низкую обрабатываемость резанием. Кроме того, трудоемкость обработки резанием составляет 50 % от общей трудоемкости изготовления двигателя.

Внедрение процессов скоростного протягивания, высокоскоростного резания, вибрационного сверления и развертывания, резания титановых сплавов с насыщением поверхностного слоя обратимым водородом и глу­бинного шлифования позволяет повысить производительность в 3 ... 5 раз, улучшить качество обрабатываемой поверхности и повысить надежность деталей.

Для резания применяют инструмент из синтетических сверхтвердых материалов: киборита, многослойного белбора, нитридной керамики. При этом скорость резания повышается в 10 ... 20 раз, достигая 500 м/мин. Скорость протягивания составляет 30 ... 40 м/мин. Протягивание исполь­зуется для обработки хвостовиков компрессорных лопаток, пазов в дис­ках турбины и компрессора.

Глубинное шлифование, применяемое для обработки замков рабочих лопаток турбины, обеспечивает более высокую производительность, чем фрезерование, высокую стабильность по точности изготовления профиля замка, снижение шероховатости обрабатываемых поверхностей, устой­чивое формирование сжимающих остаточных напряжений и соответст­венно повышение предела выносливости на 30 %.

Технический уровень технологий в авиадвигателестроении во многом определяется электрофизическими методами обработки.

Электронно-лучевая, лазерная и электроэрозионная обработки приме­няются для перфорации лопаток и других деталей двигателей, каналов и отверстий различной формы. Лазерная технология используется также для раскроя листов из труднообрабатываемых сплавов, зачистки керамических стержней; электроэрозионная обработка - для перфорации обшивок звуко­поглощающих конструкций, в том числе обшивок двойной кривизны.

Методы электрохимической обработки используются для обработки пера лопаток из жаропрочных и титановых сплавов.

Технологические процессы модификации поверхности должны улуч­шить физико-химические свойства поверхностного слоя (усталостную прочность, износостойкость, эрозионную стойкость, жаростойкость), не ухудшая при этом свойств основного материала. К этой группе техноло­гических процессов относятся поверхностно-пластическая деформация, химико-термическая обработка, ионная имплантация, электроискровое легирование, плазменно-дуговое, детанационное нанесение покрытий, микродуговое оксидирование, вакуумно-плазменные покрытия и т.д.

Для защиты лопаток турбины от газовой коррозии используются алитирование, хромоалитирование и многокомпонентные покрытия, нано­симые методом вакуумного осаждения, а для защиты лопаток компрессо­ра от эрозии и коррозии - эмали.

Технологические процессы сварки и пайки деталей должны обеспечи­вать в соединении свойства, близкие к свойствам основного материала, а также геометрическую точность и герметичность. Этим требованиям от­вечают автоматическая аргонодуговая сварка, в том числе в обитаемой камере, электронно-лучевая, лазерная сварка, сварка с охлаждением шва, диффузионная сварка, пайка несвариваемых жаропрочных сплавов.

Электронно-лучевая сварка благодаря высокой плотности энергии в пятне нагрева и надежной вакуумной защите металла сварочной ванны обеспечивает малые размеры сварных швов, незначительные зоны тер­мического влияния, малое коробление деталей. Прочность шва при элек­тронно-лучевой сварке близка к прочности основного материала. Элек­тронно-лучевая сварка применяется при изготовлении монолитных колес компрессора, что снижает габаритные размеры и массу двигателя, а так­же при изготовлении корпусных узлов, гибких валов и т.д.

Паяные соединения более технологичны, имеют высокие прочност­ные характеристики. Пайка позволяет соединять коррозионно-стойкие стали, жаропрочные титановые и алюминиевые сплавы, металлы с кера­микой, графитом, а также термодинамически несовместимые материалы. Пайкой соединяются детали направляющих аппаратов компрессора, со­пловых аппаратов турбины, форсунок, сотовых уплотнений, трубопрово­дов. Кроме того, пайка применяется для крепления износостойких пла­стин на контактной поверхности бандажных полок лопаток турбин, что повышает их ресурс в 1,5 раза, а также для исправления таких дефектов, как поры, раковины, рыхлость и др.

Технологические процессы сборки призваны обеспечивать геометриче­скую точность, низкий уровень монтажных напряжений, техническую чистоту систем, низкий уровень вибраций. В связи с этим получили раз­витие такие процессы, как модульные сборки и балансировка, сборка резьбовых соединений с нормированным моментом затяжки, промывка полостей и каналов водными растворами и водой с высокой степенью очистки.

Контроль и испытания должны давать объективную оценку качества продукции и функционирования узлов и изделия в целом. С этой целью используются быстродействующие координатно-измерительные машины (КИМ), измерительные комплексы, системы диагностического контроля на базе микропроцессорной техники.

Необходимо также контролировать толщину защитных покрытий, в том числе многокомпонентных, наличие газовых включений в титановых дисках, толщину стенок охлаждаемых лопаток турбины, качество пайки сотовых уплотнений, вставок и т.д. Для этого используются токовихревые дефектоскопы, ультразвуковые толщиномеры, радиометры для кон­троля адгезии покрытий; разработаны ядерно-физические методы кон­троля покрытий, капиллярные методы контроля для выявления поверх­ностных дефектов и т.д.

Качество двигателей определяется при стендовых испытаниях. По­этому испытание двигателей, а также технический уровень контрольно-испытательного оборудования и датчиков имеют особо важное значение.

Современные ГТД, элементы и узлы которых являются сложными в конструктивном отношении изделиями, подвержены высоким темпера­турным и вибрационным нагрузкам. Поэтому в процессе стендовых ис­пытаний двигателя необходимо иметь полную объективную информацию от большого числа датчиков, расположенных в различных частях двига­теля и предназначенных для измерения температуры, давления, вибра­ции, усилий крутящего момента и т.д.

Важнейшим условием успешного проведения стендовых испытаний является применение новых средств контроля повышенной точности с улучшенными техническими характеристиками, а также автоматизация процессов испытаний на базе средств вычислительной техники, что обес­печивается:

- автоматическим измерением и регистрацией контролируемых пара­метров на установившихся и переходных режимах работы двигателя;

- математической обработкой результатов измерений и вычислением комплексных (расчетных) параметров;

- слежением в реальном масштабе времени за параметрами с автомати­ческой остановкой испытаний в случае выхода их значений за пределы допусков;

- предоставлением оператору стенда на видеотерминале, световом таб­ло, печатающем устройстве необходимой информации для контроля и ведения испытаний, выдачей протоколов и другой выходной информации по результатам испытаний двигателя на печатающем устройстве и на экране видеотерминала;

- сбором и хранением информации по результатам испытаний двигате­лей на внешних накопителях;

- автоматическим управлением режимами работы двигателя и стендо­выми системами в процессе испытаний;

- автоматической отладкой двигателя по параметрам;

- диагностикой состояния двигателя и стендового оборудования.

Правильный выбор технического уровня технологии обеспечивает не только качество авиадвигателя, но и минимальную трудоемкость, а также решает проблему ресурсосбережения и экологии.

Главным при технологической подготовке производства является комплектование технологических систем необходимым оборудованием. Этому уделяется особое внимание на всех уровнях, так как для производ­ства особо точных и особо ответственных деталей требуется оборудова­ние высокого технического уровня - обрабатывающие центры, зубообрабатывающее оборудование, многокоординатные измерительные машины и др. Большую долю в парке оборудования занимают специальные и спе­циализированные станки и машины, которые изготавливаются преиму­щественно на отечественных станкостроительных заводах авиационной промышленности. Например, кузнечно-прессовое оборудование для изо­термической штамповки крупногабаритных лопаток и дисков, для изо­термической раскатки дисков, валов и обечаек из жаропрочных сплавов, протяжные станки, станки для глубинного шлифования, агрегатные стан­ки для многоинструментальной обработки нежестких деталей (двухсто­роннего точения дисков компрессора, трехрезцового точения валов), обо­рудование для электрофизических и электрохимических методов обра­ботки, для плазменного и детонационного покрытия.

Важнейшим условием обеспечения надежности и стабильности тех­нологических систем и технологических процессов являются механиза­ция и автоматизация технологических операций обработки, сборки, кон­троля и испытаний, что позволяет существенно повысить вероятность выпуска годной продукции и получить объективную оценку ее качества при контроле и испытаниях. Автоматизация технологических процессов осуществляется на основе развития и внедрения встроенных средств ак­тивного контроля, средств диагностики состояния оборудования и режу­щего инструмента.

Статистический анализ точности обработки и статистическое ре­гулирование технологических процессов. В случаях, когда результаты обработки можно определить непосредственным измерением параметров продукции, оценка точности технологических систем может быть прове­дена на основе статистического анализа качества продукции.

При производстве двигателей особую роль играет оценка двигателя на технологичность. С этой целью по особой методике (методикам), начиная с эскизного проектирования, оцениваются и оптимизируются конструк­тивно-технологические решения.

На этапе составления документации и изготовления опытных образ­цов двигателя (этапе рабочего проектирования двигателя) обеспечивается технологичность конструкции двигателя и сборочных единиц по всем видам работ (литью, горячему и холодному деформированию, сварке, термообработке, механической обработке и т.д.); анализируется рацио­нальность выбранной схемы членения двигателя на сборочные единицы; выявляются прогрессивные технологические процессы, требующие тех­нологического оснащения, а также прогрессивные виды заготовок, кото­рые должны быть освоены в опытном производстве; составляется пере­чень специализированного оборудования и др.

Технологичность конструкции двигателя оценивается на ЭВМ в опре­деленной последовательности.

На первой стадии проводится конструктивно-технологический анализ двигателя с целью выявления деталей и сборочных единиц, характери­зующихся наибольшей трудоемкостью и металлоемкостью и оказываю­щих наибольшее влияние на показатели технологичности конструкции. При этом исследуется возможность замены применяемых материалов другими, с более выгодными физико-механическими свойствами. Одно­временно выбираются виды заготовок. Таким образом, на первой стадии формируются альтернативные варианты изготовления отобранных дета­лей и сборочных единиц двигателя. По результатам конструктивно-технологического анализа двигателя составляется матрица вариантов.

На второй стадии разрабатываются маршрутные технологические процессы и рассчитываются показатели технологичности двигателей. Для каждого альтернативного варианта деталей разрабатываются маршрут­ные технологические процессы и рассчитываются показатели техноло­гичности конструкции по всем видам работ. Даже если для детали опре­делены материал и вид заготовки, можно реализовать несколько мар­шрутных технологических процессов, которым соответствуют различные показатели технологичности конструкции. Результаты расчетов заносятся в матрицу вариантов.

На третьей стадии разрабатывается математическая модель и прово­дится критериальная оптимизация основных показателей технологично­сти конструкции двигателя. На этой же стадии для отображения вариант­ности изготовления двигателя разрабатывается математическая модель, представляющая собой ориентированный граф.

На четвертой стадии проводится анализ результатов и разработка ре­комендаций. В результате многокритериальной оптимизации определяет­ся множество вариантов двигателя и выделяется единственный, наиболее предпочтительный. С этой целью выявляется влияние характеристик ва­рианта двигателя на характеристики ЛА методом суммарных затрат или производится ранжирование характеристик с присвоением номера ранга по возрастающей степени значения одной из характеристик и суммиро­ванием затем номеров рангов характеристик одного и того же варианта двигателя. Наименьшая сумма рангов соответствует оптимальному вари­анту двигателя.

Развитие двигателей характеризуется комплексным совершенствова­нием их схем, параметров рабочего процесса, конструкционных материа­лов, конструкторских и технологических решений.

Разрабатываемые конструктивные решения и технологии должны обеспечивать минимальные затраты на создание двигателя и на поддер­жание его безопасной эксплуатации.

Конструкция двигателя должна быть модульной, ремонтопригодной, с минимально возможным числом деталей, что реализуется на основе ис­пользования прогрессивных технологических процессов.

Следует иметь ввиду целый ряд особенностей сегодняшнего состояния авиадвигателестроительной отрасли в России и в зарубежных высокотехнологичных корпорациях.

Двигателестроительная индустрия – одна из самых динамичных промышленных отраслей мировой экономики. Ее оборот составляет более 300 млрд. долларов. Ежегодный прирост более 6%. Основная доля этого рынка – трех компаний. Заметим, что в 70-е годы СССР и США имели примерно одинаковый технологический паритет и цикл создания нового двигателя составлял 10 лет. Сегодня благодаря революции в информационных и производственных технологиях срок сократился до трех лет.

Правительство уже принимало программу реструктуризации отрасли, которая должна была завершиться в 2006 году. Но ничего не было сделано. В результате Россия сегодня не имеет национальной компании в области авиационных двигателей, газовых турбин, которая была бы конкурентоспособной даже на внутреннем рынке, куда постепенно приходят транснациональные гиганты. Поэтому нужны не разговоры, а государственная стратегия в двигателестроении, причем продуманная. Необходимость в интеграции, безусловно, есть. Создание любого нового продукта в области двигателестроения, газовых турбин – это очень затратное дело. Настолько дорогостоящее, что сегодня практически ни одна компания в мире не берется за осуществление такого проекта самостоятельно. Создание нового конкурентоспособного двигателя или газовой турбины происходит в основном в альянсе компаний. Причем в альянс вступают только лидеры, первая тройка игроков мирового рынка.

Создание национальной авиадвигателестроительной компании (за счет реструктуризации отрасли) тормозится еще и тем, что компетенция людей, отвечающих за промышленную политику в стране, критически мала. А чиновники, не имеющие достаточной компетенции, не в состоянии разобраться, что на самом деле происходит в промышленности. Государство должно быть заинтересовано в том, чтобы у него была конкурентоспособная компания авиационных двигателей.

Во всех цивилизованных высокоразвитых странах обязательно есть одна или две национальные двигателестроительные корпорации, в США это General Electric и Pratt&Whitney, в Англии – Rolls-Royce, в Германии – Siemens, в Японии - Mitsubishi. В основном это частные компании. При этом все они поддерживаются, опекаются своими государствами всеми способами. В этом смысле очень показателен пример США. General Electric – компания номер один в мире. В течение ста лет она находится в индексе Доу-Джонса и имеет самую большую капитализацию за всю мировую историю. Она является мировым лидером по ряду технических направлений. Но почему-то там, в США, государству не принадлежит ни одного процента ее акций. И ничего. При этом президент компании может в любое время позвонить президенту США со своими вопросами или поиграть с ним в гольф.

В настоящее время слишком драматична картина в отрасли. Мы сегодня сообща «дожевываем», за редким исключением, те продукты, которые были созданы Советским Союзом. Советский Союз был технологической и технической империей, подобной США. Мы не говорим, хорошо это или плохо. Мы говорим: был. И это «дожевывание» в некие удачные годы экспорта самолетов мы воспринимаем как успешное достижение. А это просто подарок. Техническое эхо от Советского Союза, которым мы сегодня пользуемся. Но срок, пока это будет продолжаться, крайне небольшой, порядка пяти, максимум семи лет. Не больше. А дальше будет обвал.

К сожалению людей, которые понимают насколько сильно Россия отстала от ведущих двигателестроительных компаний и которые имеют интегральное понимание в двигателестроении, в нашей стране осталось, может быть человека три. Больше их нет. А ситуация такова. Запад уходит в очень серьезный отрыв, по сути беспрецедентный. Мы в стране почти двадцать лет ничего не делали. Где-то с 1985 года, когда было обрезано финансирование очень серьезных программ и по военным двигателям, и по гражданским. За это время, естественно, не было принято каких-то решений, не создано наработок. Была прекращена доводка многих двигателей.

Силовая установка – это дорогой продукт, примерно треть стоимости любого летательного аппарата. Но двадцать лет для техники – это очень много. Потому что, по сути дела, пропущено два поколения двигателей. И сегодня стоит задача, каким - то образом сократить этот разрыв, чтобы встать в один ряд с высокотехнологичными державами. Все-таки двигатели – это крайне чувствительная область, напрямую затрагивающая военное применение. Это и морские суда, и самолеты, и вертолеты, крылатые ракеты. Двигатель оказывает очень существенное влияние на всю систему вооружения.

Задача заключается в том, чтобы создавать относительно дешевые двигатели. Как известно, самолет – это очень дорогая система. Очень дорого его эксплуатировать. И для того, чтобы час полета минимизировать – неважно, гражданский это час или военный, - двигатели должны иметь очень серьезный ресурс. С другой стороны, технические решения, которые закладываются в конструкцию двигателя, должны быть реализованы таким способом, чтобы двигатель был дешев и при приобретении, и в эксплуатации. Это на самом деле глобальная задача, связанная с созданием новых материалов, с возможностью получения новых способов расчета двигателей, получения новых знаний в области аэродинамики, прочности и так далее. Над этим бьются все передовые государства, чтобы создавать совершенный продукт, которым будет пользоваться человечество.

Мы видим очень серьезный – после спада, связанного с событиями 11 сентября, - бум в гражданской авиации. С большой скоростью развивается бизнес – авиация в развитых странах. Можно сказать, что происходит революция. Сегодня стоят очереди из тысяч покупателей на новое поколение бизнес-джетов, которые будут очень дешевы. И будут массовыми самолетами. Мы сегодня видим, что больше летают, безусловно, в развитых странах. Существует также бум полетов в странах, которые развиваются ускоренными темпами. Это Китай, Индия. Но, к сожалению, Россия находится в стороне от этого процесса, на обочине. Если не считать проекта SuperJet 100, который реализует «Сухой».

В первую очередь, речь, безусловно, должна идти о новом гражданском двигателе. И, двигателе, для того самолета, у которого есть шанс продаваться на международном рынке. Это двигатель SaM146. Организационно этот проект – слепок с американо - французской программы двигателя CFM.

Безусловно, России необходимо срочно наладить производство собственных вертолетных двигателей. Сегодня она этого не имеет. Это абсурд. Разговоры о производстве этих двигателей ведутся более десяти лет. Но нет внятных решений о производстве в России даже двигателей класса ТВ3-117, ВК-2500, чтобы обеспечить те вертолеты, которые уже эксплуатируются или создаются. В масштабах страны организовать такое производство не очень дорого. Тем более что вся документация принадлежит России, поскольку это разработка российского КБ имени Климова. Нужно немедленно это делать. Нужно загружать российские заводы, которые пока имеют очень малую загрузку.

России нужно создавать новый двигатель для фронтовой авиации. Имеется в виду двигатель для ПАК ФА (истребителя пятого поколения). Двигатель первого этапа, на котором он начнет летать создан. Прототипы нового двигателя установлены сегодня на летающих лабораториях. Получены очень неплохие результаты.

Но со стороны государства необходим совершенно другой уровень участия в проекте даже не двигателя, а самого комплекса, то есть ПАК ФА. Нужно, чтобы этот проект был одним из основных в стране.

Кроме того, важнейшим трендом, если мы говорим о военной авиации, должно стать резкое увеличение роли ВВС. Все последние войны – в Афганистане, в Югославии, в Ираке и в Ливане – показали, что авиация играет невиданную доселе роль в решении всех военных проблем. Поэтому все страны уделяют большое внимание развитию своих ВВС. Сегодня, наверное, семьдесят-восемьдесят процентов военных задач решается ВВС. Сухопутные силы решают не более пяти-десяти процентов военных задач. Все остальное - уничтожение сопротивления, оружия, энергетики, всей транспортной инфраструктуры – достигается авиацией.

Для того, чтобы в России успешно развивалась авиационная отрасль нужны не только деньги, но и, что не менее важно, политическая поддержка. Но сегодня у нас на самом верху бытует мнение, что предприятия должны сами участвовать в подобных разработках и финансировать отрасль. Это абсурд в чистом виде. Почему? Потому что сегодня российское предприятие – любое, неважно, «Сатурн» или другая компания, занимающаяся самолетами или двигателями, - должно решить четыре основных вопроса.

Первый – создавать новую продукцию. Второй – модернизировать свое производство, производственную базу. Третий – модернизировать всю свою инфраструктуру. И, наконец, четвертый – готовить кадры на качественно ином уровне. Не может предприятие все четыре вопроса решить за свои деньги. Поэтому государство сегодня должно участвовать в решении этих вопросов принципиально на другом уровне! Безусловно, подвижки есть, но они все еще не адекватны тем вызовам, которые стоят перед страной. Есть улучшение с финансированием. Но изменения пока слишком малы, чтобы Россия могла иметь конкурентную промышленность, чтобы обеспечивать армию современными системами вооружения. В том числе силовыми установками.

Следует отметить, что сегодня авиационные двигатели необходимы не только для летательных аппаратов, но и для энергетики. Двигателестроение – это особый кластер. Потому что сложен сам предмет. Двигатель – одна из самых сложных систем механики, если не самая сложная. Это высокие температуры. Высокие скорости вращения. Это сложное материаловедение, сложные расчеты. Это очень серьезные технологические проблемы при производстве новых двигателей. Это важная отрасль, которая интегрирует усилия многих подотраслей: металловедение, металлургия, электроника, производство топливных систем, заготовок, компонентов. И назначение этой отрасли сверхважное. Это перевозка людей, грузов, что особенно актуально для такой огромной страны, как Россия. Это обеспечение безопасности государства и проблема выработки электроэнергии. Очень много электроэнергии вырабатывается с помощью газовых турбин, которые исторически в нашей стране тесно связаны с авиадвигателями.

Сегодня мир переживает этап очень высоких цен на углеводороды, в том числе на природный газ, поэтому очень важно, чтобы резко возрастал КПД механизмов, вырабатывающих электрическую энергию из того же газа. США поставили перед собой задачу в течение пятнадцати лет увеличить КПД турбин примерно в два раза. Это беспрецедентно сложная задача, решение которой позволит вдвое снизить энергоемкость. Сегодня энергоемкость в валовом продукте России в четыре раза больше, чем в среднем в развитых странах мира. Если не решать задачу увеличения КПД выработки электроэнергии, то мы еще больше отстанем от Запада. Поэтому у нас есть вызов – создать совершенные газовые турбины.

Если мы возьмем металлургию, нефтяную промышленность, еще какую-то отрасль, то там на результат работают факторы на порядок, на два порядка меньшей сложности. Поэтому у нас самое главное – уровень компетенции всех людей по всей цепочке. Нужно собрать в одном месте мобилизованных, обученных, интеллектуально развитых людей в одно и то же время. Это очень сложно. Людей, преданных своему делу и одновременно имеющих необходимые знания. Причем очень серьезные знания. Невозможно создать конкурентоспособный двигатель, если знать о нем меньше, чем знают в Германии, США, Франции, Англии. Инженер должен знать как минимум столько же. А это непросто. Потому что там знают очень много. Поэтому технолога цеха надо готовить семь лет, конструктора – пять-десять лет.

Много можно говорить о том, что у нас развалились целые школы. Можно говорить о серьезном кризисе вузовского технического образования, потому что многие специальности десятилетиями не востребованы, потому что и сегодня престиж промышленности и авиации как таковой стремится к нулю.

Мы говорим, что США – это авиационная держава, но там существует целая авиационная национальная культура, которая нам, к сожалению, еще неизвестна. У нас она была когда-то, в эпоху ДОСААФ и аэроклубов, повального увлечения авиацией, поддерживаемого государством, тогда это было престижно. Но все закончилось.

Для того чтобы в России было создано современное авиадвигателестроительное производство, необходимо сотрудничество с теми странами и фирмами, которые могут дать нам или знания, или технологи, или ресурсы, или выход на мировые рынки. Такое сотрудничество активно развивается компанией «Сатурн» (г.Рыбинск).

Сегодня главная задача – создать двигатель для нового самолета «Сухого» SuperJet 100. Это сверхзадача: техническая, экономическая, организационная. Это один из нарождающихся международных мегапроектов, в нем участвуют Франция, Италия, Россия и другие страны, которые постепенно подключаются. Проект очень серьезный. И самолет, и двигатель здесь, в России, создается, будет производиться и сертифицироваться по международным стандартам. Русские люди получат работу. Русские инженеры получат уникальный опыт. Молодые люди, участвующие в проекте, потом смогут участвовать в любых программах любого уровня, получив необходимый опыт.

Ведь в процессе совместной работы мы узнаем, как на самом деле функционирует, по каким законам существует высокотехнологичная западная промышленность. Мы имеем западных партнеров по созданию этого двигателя и во Франции, и в США, и в других странах. Это очень сложная логистика, сложная кооперация. Это сотни людей, которые участвуют в реализации проекта.

Но это, как говорится задачи сегодняшнего и завтрашнего дня. А что на будущее? Известно, например, что передовые страны активно занимаются детонационными двигателями, пульсирующими двигателями. Они работают по другим принципам и на других видах топлива. Если мир перейдет к пульсирующим двигателям, то это будет такая же революция, которая имела место при переходе от поршневых моторов к реактивным. И сегодня в мире идет монополизация этих процессов. Страны подбирают будущее под себя. А Россия, к сожалению, к этому не стремится. На «Сатурне» создали прототип пульсирующего двигателя. Построили специальный стенд, показали, что это возможно. Этот двигатель, в самом деле существует, работает. Привозили всех, показывали. Собрали ученых, военных с большими звездами на погонах. Все кивают, да, говорят, ребята, прекрасно. Похлопывают по плечу. Продолжайте в том же духе. Но нужно переходить к следующему этапу. Сегодня американцы испытывают пульсирующий двигатель применительно к истребителям F-16. Сначала он будет военного применения. Потом может перейти в гражданский сектор. Мы, к сожалению, из этого процесса исключены. Потому что принять решение на самом деле некому. Те, кто может принять решение, не знают предмета. А те, кто знают, не могут принять решения.

Конечно, президент не специалист по двигателям. Ему и не надо всегда принимать решения. Но мы стали сегодня капиталистической страной. Есть законы, по которым живет капиталистический мир. Например, чтобы быть конкурентоспособными в высокотехнологичных отраслях, компании должны быть мощными и большими. Иначе в рынке делать нечего. Но и для того, чтобы компании стали мощными и большими – они сами по себе таковыми не станут, - в их выращивании должно участвовать государство. Неважно, какие это компании: частные, смешанные или государственные. Это вторично.

P.S. на заседании Технического совета генеральных конструкторов и технических директоров организаций, разработчиков перспективного изделия (двигателя пятого поколения) создана кооперация предприятий, в которую от Уфы вошли ОАО «УМПО» и ФГПУ «НПП Мотор». Кооперация призвана обеспечить сохранение и развитие потенциала российского авиадвигателестроения, а также консолидировать интеллектуальные, материальные, конструкторские и технологические ресурсы страны. Лидирующая роль в кооперации признана за НПО «Сатурн». При этом была отмечена архисложная задача «головника» при решении вопросов по обеспечению своевременного финансирования, распределению финансов, увязке технических и конструкторских вопросов. Успешное решение этой сверхзадачи зависит от максимальной государственной поддержки. Впервые на постсоветском пространстве осуществлено объединение крупнейших авиадвигателестроительных центров России для реализации «прорывного» проекта по созданию двигателя пятого поколения.