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.

Статья опубликована в научно-техническом журнале «Станкоинструмент», 2023 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Именно газовая турбина обеспечивает основную тягу авиадвигателя и отвечает за движение и полет самолета. Ее работа заключается в том, что поток воздуха попадает в двигатель, сжимается с помощью компрессора, затем нагревается в камере сгорания, вращает лопатки турбины и на огромной скорости выбрасывается из сопла, толкая самолет вперед. В устройстве используется несколько видов лопаток. В каждом двигателе их примерно 2-3 тысячи.

Один из видов лопаток – сопловые. Они предназначены для правильного направления газового потока на рабочие лопатки турбины, чтобы создать необходимый крутящий момент и вращение ротора двигателя. Процесс обработки этих деталей трудоемкий и часто замедляется из-за их сложной геометрии и конструкции.

Традиционно сопловые лопатки турбин шлифуют на нескольких различных универсальных станках с применением шлифовальных кругов и часто без смазочно-охлаждающих жидкостей. На это уходит много времени, что сдерживает все производство. Кроме того, не достигаются нужные параметры точности лопаток и шероховатость поверхности – появляются деформации, может искажаться итоговая геометрия и форма лопаток. При последующей сборке соплового аппарата турбины это приводит к искажению размеров сечения для прохода газовых потоков, к изменению рабочих режимов двигателя, увеличению расхода топлива и снижению мощности.

Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали наиболее эффективный технологический процесс шлифования. Он заключается во внедрении новых передовых методов цифрового контроля лопаток и многоосевых шлифовальных станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Для управления техпроцессом разработано специальное ПО.

– В процессе выплавления лопаток их геометрия неизбежно искажается, что приводит к неправильному положению в турбине. Разработанная технология позволяет ее скорректировать. Для этого рассчитывается отклонение геометрии от требуемой и ее коррекция в процессе установки и глубинного шлифования на станке с ЧПУ по заданной программе. При этом все разносторонние поверхности лопатки шлифуются с высокой точностью, производительностью и требуемой шероховатостью. Такая технология обеспечивает ускоренное и более качественное производство сопловых лопаток, – рассказывает доктор технических наук, декан механико-технологического факультета ПНИПУ Михаил Песин.

Для шлифования ученые предлагают вместо импортных использовать отечественные керамические круги, которые по стойкости не уступают мировым аналогам и при этом в пять раз дешевле.

– Мы разработали специальное программное обеспечение, которое рассчитывает угол разворота и смещения лопатки. Когда деталь установлена на станке ЧПУ и развернута на нужный угол, начинается процесс шлифования ее базовых поверхностей, в ходе которого искажение профиля лопатки уменьшается. Тогда сборка соплового аппарата из обработанных по новой технологии сопловых лопаток турбины будет происходить быстрее и точнее, – объясняет доктор технических наук, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ Владимир Макаров.

Такой способ существенно повышает производительность изготовления сопловых лопаток и сборки сопловых аппаратов. При этом обеспечивает более высокое качество поверхностного слоя: шероховатость снизилась до 0,3-0,4 мкм, обеспечены благоприятные сжимающие остаточные напряжения, микротвердость в пределах нормы, отсутствуют прижоги и трещины.

Новая технология обработки лопаток газотурбинных двигателей на станке ЧПУ с глубинным шлифованием и коррекцией поверхности уже внедрена и активно применяется на АО «ОДК-Авиадвигатель».