#газотурбинные двигатели

Газотурбинные двигатели — это сердце современной авиации. Их надежность и долговечность во многом зависят от прочности ключевых компонентов, таких как турбинные диски, которые работают в экстремальных условиях: под действием высоких температур, механических воздействий и циклических нагрузок. Ученые Пермского Политеха предложили модель, которая позволит определять эффективную для эксплуатации зеренную структуру диска. Их исследование показывает, что градиентное распределение размера зерен в материале может значительно повысить прочность и устойчивость дисков к усталости и разрушению.

Во время эксплуатации ответственные детали газотурбинных двигателей, нефте- и газопроводов подвергаются высоким нагрузкам. Концентрация напряжений на поверхности приводит к образованию микротрещин и последующему разрушению изделий. Важнейшая задача промышленности заключается в повышении их долговечности и надежности, что во многом зависит от методов и качества металлообработки. Среди эффективных технологий выделяют лазерное ударное упрочнение, которое позволяет сдерживать развитие микротрещин, значительно продлевая ресурс детали. Ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН провели исследования и определили режим лазерной ударной обработки, при котором усталостная долговечность изделия увеличивается в шесть раз.

Детали в авиационных газотурбинных двигателях и установках во время работы подвергаются высоким температурам в диапазоне от 650 до 1600 градусов. Наиболее эффективный способ их защиты от перегрева и разрушения материала — применение теплозащитных покрытий. Слои наносят с помощью роботизированных комплексов с маленькой распыляющей ручкой, при этом робота программирует специалист пультом, из-за чего его на время выводят из строя, что сильно замедляет процесс производства. Ученые Пермского Политеха разработали ПО, которое позволяет автоматически писать коды для управления напыляющими установками. Это ускорит и удешевит процесс производства отечественных гражданских авиадвигателей и газотурбинных установок, а также повысит качество нанесения термозащитного слоя. Сегодня не существует аналогичных программных решений для таких роботизированных установок.

Почти для любого вида промышленности необходима обработка металлических изделий для придания им нужной формы. От этого зависит прочность и долговечность готовой конструкции. Особая сложность заключается в деталях со сложной геометрической формой, тонкими стенками или маленькими размерами, как, например, элементы авиационных двигателей и лопастей, медицинские имплантаты и хирургические инструменты. Чтобы не повредить такие изделия, требуется точная и аккуратная работа. В этом случае применяют технологию проволочной электроэрозионной обработки: лишний материал удаляется с поверхности серией электрических ударов тока, которые подаются с тонкой проволоки. Ученые Пермского Политеха исследовали точность этого метода и нашли способ повысить ее эффективность вдвое.

Лопатки газотурбинного двигателя в процессе эксплуатации подвергаются постоянному агрессивному воздействию, из-за чего на их поверхности образуются нагар, оксидная пленка и микротрещины. Для восстановления характеристик лопаток необходимо их качественно очищать. Существующие моющие средства справляются с поверхностными отложениями, но не убирают такие химически стойкие оксиды металлов, как оксиды алюминия, титана, вольфрама, хрома и никеля. Их очистка требует более тщательного изучения и подбора параметров. Ученые Пермского Политеха изучили процесс удаления таких устойчивых оксидов галогенидсодержащими составами и доказали их перспективность для восстановления поверхности лопаток газотурбинного двигателя.

Газотурбинные двигатели (ГТД) применяются в авиационной технике. Их конструкция постоянно совершенствуется, чтобы достичь максимальной эффективности, увеличивается число регулируемых параметров и режимов работы. Но вместе с тем ужесточаются и требования к системам управления этими параметрами. Ученые Пермского Политеха предложили новую логику работы ГТД с учетом изменяющихся условий их эксплуатации. Это позволит сделать работу отечественных двигателей во время взлета и посадки самолетов еще более стабильной.

В производстве авиадвигателей самая большая сложность — в изготовлении деталей газовых турбин. Особенно это касается дисков и лопаток, отвечающих за вращение турбины. Они соединены между собой с помощью елочных пазов — углублений в форме елочек. Сейчас они обрабатываются методом протягивания специальными блоками из быстрорежущих сталей, которые прорезают диски и формируют по окружности елочный профиль. Но в современных реалиях возникают трудности с зарубежными поставками заготовок для процесса протягивания. Это влечет за собой простои производства и серьезные финансовые затраты. Ученые Пермского Политеха предложили более эффективный способ прорезки елочных пазов в дисках газовых турбин. Он позволит почти в два раза сократить время и затраты на изготовление протяжек из дорогостоящих быстрорежущих сталей.

В России резко возросла потребность в замещении импортных магистральных пассажирских самолетов. Это требует от авиапредприятий ускоренного производства большого количества современных отечественных газотурбинных двигателей (ГТД), не уступающих по характеристикам мировым аналогам. Для этого необходимы новые технологии, которые обеспечат быстрое изготовление при стабильно высоких параметрах качества и конкурентоспособности. Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали новый способ обработки одной из главных деталей газовой турбины – сопловой лопатки. Технология обеспечивает повышение производительности и точности изготовления сопловых лопаток для более качественной сборки современных газотурбинных двигателей.

Для качественной и бесперебойной работы электростанций, авиации и нефтегазовой промышленности научное сообщество стремится модернизировать источники энергии, в том числе газотурбинные установки. Новое поколение турбин отличается улучшенными характеристиками двигателя, например, высокой температурой газа на выходе из камеры сгорания, что делает установки более мощными. Но это негативно отражается на деталях турбины, например, на рабочих лопатках, которые участвуют в преобразовании кинетической энергии газового потока в механическую работу на валу двигателя. В среде горячего газа рабочие лопатки подвергаются огромным нагрузкам, из-за чего снижается их прочность и долговечность. Ученые Пермского Политеха повысили эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины за счет модификации системы подвода воздуха.

В машиностроении для обработки ответственных изделий, например, газотурбинных двигателей, применяется метод электроэрозионной обработки. Под воздействием тока происходит изменение формы, размеров, шероховатости и свойств изделия. Эффективность такой технологии во многом зависит от качества электрода-инструмента. Один из способов его производства – метод послойного лазерного сплавления, когда деталь выращивают из металлического порошка под воздействием лазера. Однако этот метод недостаточно изучен, из-за чего страдает качество получаемого инструмента. Ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха доработали технологию изготовления электродов послойной наплавкой. Разработанные условия обеспечивают необходимую точность и прочность инструмента.

Чаще всего газотурбинные двигатели используют в авиации. Но и на земле им находят применение в газотурбинных установках на газоперекачивающих станциях. При их работе, из камеры сгорания в атмосферу выбрасываются продукты горения топлива, такие как оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды. Все это негативно сказывается на окружающей среде. Ученые Пермского Политеха предложили в новых, более экологичных двигателях с малоэмиссионными камерами сгорания использовать систему автоматического управления, которая будет осуществлять мониторинг процесса организации горения, что позволит избежать аварийных режимов работы двигателя и обеспечит экологическую безопасность. Алгоритм управления включает встроенную полуэмпирическую математическую модель камеры сгорания, разработанную на основе физического уравнения Зельдовича, которая выполняет функцию виртуального сенсора для контроля за выбросами вредных веществ.

Титан благодаря своей прочности и высокой коррозионной стойкости успешно завоевал передовые позиции в высокотехнологичных отраслях — в производстве военной техники, медицине, авиа- и ракетостроении. Тем не менее, повышение предела выносливости остается актуальной задачей при разработке и производстве высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, таких как лопатки и диски компрессора, которые испытывают значительные растягивающие нагрузки при повышенных температурах во время работы. Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Уфимского университета науки и технологий изучили свойства упрочненного титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) с ультрамелким зерном при рабочей температуре в 350 градусов Цельсия и его способность выдерживать циклические нагрузки без разрушения материала. Новые данные, полученные в ходе анализа материала, позволят производить более качественные титановые дентальные импланты и детали для высокотехнологичных отраслей промышленности, в том числе для авиационных газотурбинных двигателей.

Долговечность современных газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток турбины, поскольку эти детали получают самую большую нагрузку. Лопатки изготавливаются из жаропрочного никелевого сплава. Под воздействием динамических нагрузок и работе в агрессивной среде на поверхности лопаток образуются микротрещины, содержащие оксидные пленки разных металлов. Для ремонта отработанных лопаток необходимо очистить микротрещины и труднодоступные участки поверхности сопловых лопаток от оксидов металлов. Ученые Пермского Политеха провели анализ всех имеющихся способов очистки деталей от трудноудаляемых компонентов — оксидов алюминия, титана и хрома, и нашли более эффективные способы очистки. Технология будет полезна для разрабатываемой технологии ремонта лопаток газотурбинных двигателей.