Исследования возможности создания рабочих лопаток вентилятора из композиционных материалов ведутся во всём мире уже более 50 лет. Анализируя представленный уровень разработок можно утверждать, что сегодня разработки отечественной углепластиковой лопатки находятся на высоком уровне технологической готовности.
Зарубежные тенденции
История применения углеродных волокон в рабочих лопатках вентиляторов ТРД началась ещё в конце 60 х годов прошлого века, когда фирма Rolls Royce поставила на двигателе RB 211 22 (которые она разработала для Lockheed L 1011 TriStar) рабочие лопатки вентилятора из углепластика Hyfil. Тогда уже были созданы углеродные волокна, по своим характеристикам отвечающие требованиям к наполнителям для углепластиков такого назначения. Однако эксплуатационные характеристики полимерных материалов (эпоксидных смол), используемых в качестве связующих, и углепластиков на их основе не были глубоко изучены. При эксплуатации в условиях тропического дождя произошел унос связующего полимера с периферийного сечения лопаток. Высокая стоимость разработки в сочетании с неблагоприятными экономическими условиями привели к тому, что компания обанкротилась и была национализирована в 1971 г. С тех пор фирма Rolls Royce в своих разработках ориентировалась только на полые лопатки вентилятора из титанового сплава, производство которых постоянно совершенствовалось.
Неудача повергла всё мировое авиадвигателестроительное сообщество в смятение, и работы по внедрению углепластиков в двигатели во многих странах, в том числе в СССР, были свёрнуты. Следует заметить, что в СССР (ЗМКБ "Прогресс", ВИАМ, ЦИАМ, НИАТ и др.) был проведен громадный объём работ по созданию рабочей лопатки вентилятора ТРДД Д 18 из углепластика. Работа завершилась на этапе доводочных испытаний.
Несмотря на то, что в течение многих последующих лет основным материалом для рабочих лопаток вентиляторов оставались традиционно используемые титановые сплавы, уникальные свойства углепластиков (удельный вес в 3 раза меньше титановых сплавов, большая прочность и жесткость в направлении армирования, повышенная усталостная прочность и др.) не могли не привлекать внимание инженеров.
Фирма General Electric на протяжении почти 30 лет по таким государственным программам, как QCSEE, E3 и др. продолжала собственные работы по созданию лопаток вентиляторов ТРД из углепластиков. Эти работы увенчались успехом, и в 1995 г. фирмой был создан двигатель GE90 с лопатками вентилятора из углепластика. Это первая в мире и пока единственная рабочая лопатка вентилятора из углепластика серийного ТРД, успешно эксплуатируемого на различных типах самолетов гражданской авиации. Эта лопатка явилась демонстрацией для всего мира конструктивных, технологических и эксплуатационных преимуществ углепластика как конструкционного материала, а также эффективности применения композитных материалов в силовых деталях ротора ТРД. С тех пор конструкция углепластиковой лопатки неоднократно оптимизировалась, что привело не только к улучшению её тактико технических характеристик, но и позволило снизить её стоимость приблизительно на 20 %, что обеспечивало конкурентоспособность двигателя в целом.
Аналогичная конструкция лопатки применена фирмой General Electric и для нового семейства двигателей GEnx. Демонстрация фирмой General Electric возможности применения углепластика в ответственной детали ТРД, а также появление двигателей с повышенными степенями двухконтурности и лопаток с широкой хордой способствовали тому, что ведущие двигателестроительные фирмы мира стали работать в направлении создания лопаток вентилятора из углепластика. Фирма SNECMA в настоящее время активно ведет разработки по созданию вентилятора ТРДД LEAP X с лопатками из углепластика. Даже фирма Rolls Royce, несмотря на неудачу прошлого столетия и успехи в разработке, производстве и эксплуатации полой титановой лопатки, также начала вести работы по созданию лопатки вентилятора из углепластика. Сегодня фирма Rolls Royce старается нагнать упущенное время и приблизилась к её созданию вплотную. По заявлению её представителей, уже во втором квартале 2013 г. планируется начать испытания углепластиковых лопаток в составе двигателя Trent 1000, а к концу этого десятилетия углепластиковые лопатки могут быть уже поставлены на Trent XWB новый двигатель Rolls Royce.
Таким образом, в настоящее время все ведущие двигателестроительные фирмы мира (General Electric, Пратт Уитни, SNECMA и даже Rolls Royce) в своих новых разработках вентиляторов перспективных ТРДД ориентируются только на полимерные композитные материалы. При создании рабочих лопаток для роторов открытого типа лопатке из углепластика нет альтернативы.
Цели разработок и пути их решения
Целью разработок, проводимых в ЦИАМ, является довести технологическую готовность легких вентиляторов с рабочими лопатками из углепластика до VI уровня для внедрения в перспективные ТРДД с большой степенью двухконтурности. На протяжении более 10 ти лет во ФГУП ЦИАМ сотрудниками отдела композитных материалов ведутся работы в обеспечение создания лопатки вентилятора из углепластика для отечественных авиационных двигателей. Ниже описаны задачи, решение которых позволит достичь намеченной цели, и результаты, полученные в ходе решения этих задач.
В свете изложенного проблема является актуальной, а способы её решения распадаются на ряд технически взаимосвязанных сложных задач. Таковыми являются:
- разработка математических моделей и формирование на их основе технологии конструирования рабочих лопаток вентиляторов из армированных материалов;
развитие экспериментальной и испытательной базы, включая проведение испытаний, разработку и совершенствование методик испытаний с применением современных приборов, аппаратуры и программного обеспечения;
разработка технологии изготовления с формированием технологического оборудования, с созданием технологической оснастки, приборов и приспособлений;
изготовление опытных узлов и деталей авиационных двигателей;
формирование квалификационных испытаний как полимерного материала, так и лопатки.
Проектирование лопатки
Проектирование рабочей лопатки вентилятора, в том числе из углепластика, начинается с формирования его аэродинамического облика. Уже на этом этапе проектирования должны быть учтены особенности структуры, характерные свойства углепластиков и технологии изготовления лопаток из них. Наиболее общими требованиями к аэродинамическому проекту, по крайней мере, по представлениям сегодняшнего дня, являются:
- наименьшее число лопаток в ступени;
наиболее возможная толщина лопатки Смах;
в наиболее тонких кромках лопатки не менее 10 монослоёв материала лопатки.
Далее начинается прочностное проектирование лопатки. Оно начинается с выбора материала лопатки, который осуществляется с использованием методов механики сплошной среды и представления материала лопатки в виде однородного анизотропного тела, а также на известных свойствах существующих углепластиков и методах их переработки. Этап проектирования завершается установлением общего представления о возможности создания лопатки для требуемых условий эксплуатации из выбранного углепластика, анализом доступности исходных материалов (углеродных наполнителей их толщин, полимерных матриц и т.д) и технологии их переработки.
Следующим этапом проектирования является формирование внутренней структуры лопатки по известной геометрической характеристике монослоя углепластика. В результате устанавливаются число монослоёв, геометрическая конфигурация каждого слоя (форма и размеры), месторасположение монослоёв.
Далее начинается многокритериальная оптимизация структуры армирования материала лопатки. Она проводится на базе представления лопатки в виде конструкции слоистой структуры и различных критериев. Критериями оптимизации являются:
- характеристики общей (лопаточной) жесткости (продольной, поперечной, изгибной, крутильной);
характеристики как общей, так и локальной прочности, в том числе характеристики межслоевой прочности;
частотные характеристики.
В результате получена отвечающая требованиям нормативных материалов конструкция лопатки и её хвостовика, а также композитный материал лопаточной структуры армирования (число слоёв, характер армирования). Структура армирования является переменной из за разнотолщинности лопатки.
Окончательный проект лопатки включает как основное тело лопатки из углепластика, так и:
- металлическую накладку на передней кромке лопатки;
полиуретановую пленку определенной толщины на корытце лопатки;
полиуретановую краску на поверхности спинки лопатки;
фторопластовые накладки на хвостовике лопатки;
истираемое покрытие на периферийном сечении лопатки.
В настоящее время технология проектирования лопаток освоена и используется при конструировании лопаток из полимерных композитных материалов различного типоразмера и назначения.
Разработка технологического процесса изготовления
Современная широкохордная рабочая лопатка вентилятора представляет собой сложное конструктивное изделие, а технология её изготовления это многопрофильный и многоэтапный процесс. Общими требованиями к технологии изготовления лопаток являются следующие:
- обеспеченность сырьём требуемой номенклатуры, количества и качества,
обеспеченность необходимым технологическим оборудованием, технологической оснасткой и инструментом для контроля качества, в том числе и неразрушающего,
экология как процесса изготовления, так и эксплуатации,
геометрические, прочностные, частотные характеристики лопаток должны быть идентичными без отклонений от допустимых ограничений,
стоимость изготовления минимальная,
стоимость эксплуатации, в том числе ремонта, минимальная,
процесс должен быть контролируемым.
Удовлетворяя перечисленным требованиям и основываясь на анализе существующих методов изготовления с учетом предыдущего опыта разработок, была выбрана трансферная RTM (Resin Transfer Moulding) технология для изготовления лопаток. Она отличается от существующих методов (препреговой, автоклавной технологий) наименьшей стоимостью и достаточно высоким качеством получаемого изделия. В ЦИАМ в рамках программ, руководимых д.т.н. А.И. Ланшиным, создана инфраструктура, обеспечивающая изготовление крупноразмерных изделий, в том числе лопаток на основе RTM технологии.
Все экспериментальные широкохордные рабочие лопатки из углепластика выполнены на базе RTM технологии. Ниже кратко описаны отдельные этапы технологического процесса и их особенности.
Технология раскроя. В соответствии с проектом внутренней структуры лопатки проводится раскрой монослоёв углеродного наполнителя (сухой ткани, ленты) по заранее изготовленным шаблонам в автоматическом режиме. Принимаются меры по предотвращению разлохмачивания ткани в месте реза. Автоматический режим раскроя выполняется на специальных установках для раскроя монослоёв с программным управлением. Он обеспечивает идентичность раскроя всех слоёв. Роботизация процессов раскроя и выкладки монослоёв является одним из наиболее важных этапов обеспечения идентичности получаемых лопаток. В ЦИАМ разработана методика, позволяющая обеспечить идентичность выкладки монослоёв в пресс форме при ручном способе раскроя. Для реализации разработанной методики изготовлены и используются соответствующие приспособления.
Технология формования. При реализации RTM технологии возникают ряд научных и технических проблем. Так как лопатка имеет большие размеры и переменную толщину, то для обеспечения требуемой структуры материала лопатки возникает задача установления рациональных мест ввода (истока) и выхода (стока) полимерного связующего. По существу задача сводится к исследованию течения жидкости с определенной вязкостью в упруго пористой среде при заданном давлении и расположения входа (истока) и выхода. По критериям равномерного растекания жидкости, скорости протекания процесса при заданных температурных условиях, давлении и вязкости полимера определяется рациональная схема RTM технологии. На данном этапе технические проблемы решались опытным путём. Поэтому степень оптимальности принятых решений следует подтвердить аналитическими исследованиями.
В результате проведенных исследований отработаны:
- технология проектирования и изготовления технологической оснастки для изготовления лопаток по RTM технологии;
режимы и параметры технологического процесса для лопаток различной конфигурации и типоразмеров.
Технология изготовления металлической накладки. Особой проблемой оказалась технология изготовления защитных титановых накладок на кромки лопаток из углепластика. Сложность изготовления защитных накладок заключается в том, что накладка имеет не только пространственно изогнутую форму, но и неоднородное поперечное сечение, сочетающее тонкие стенки и усиленный массивный "носок". Кроме того, в соответствии с техническим заданием для обеспечения усталостных характеристик лопатки с металлической кромкой исключалось применение сварки - изделие должно быть выполнено из монолитной заготовки.
Проблема решалась применением эффекта низкотемпературной сверхпластичности. Эта технология позволяет получать из титановых сплавов изделия сложной формы при температурах около 600 град С. Снижение температуры изготовления защитных титановых накладок на кромки лопаток из углепластика до 600 град С является кардинальной особенностью разработанной технологии. Оно исключает необходимость применения защитной среды, позволяет использовать для изготовления штамповой оснастки относительно дешевые теплостойкие стали вместо жаропрочных никелевых сплавов. Эффект низкотемпературной сверхпластичности достигается путем формирования в заготовках титанового сплава ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерна до 0,4 мкм. Попутно это приводит к увеличению прочностных свойств сплава на 20...30 %. Первичная технология предполагает два этапа вытяжки заготовки, удаление технологических припусков и окончательную закрутку калибровку изделия. Технологические переходы выполняются сменными пуансонами и матричными вставками.
Для получения защитной накладки был спроектирован и изготовлен изотермический штамповочный блок, работающий при температуре 600…620 град С. Основные детали блока изготовлены из стали ДИ22. Испытания показали, что прочность и теплостойкость этой стали вполне достаточна для обработки сплава ВТ6 с УМЗ структурой.
Технология формирования наружной поверхности лопатки. Разработана технология последовательной приклейки к углепластиковой основе:
- полиуретановой пленки на корытце лопатки с выбором клеевого состава и подготовкой склеиваемых поверхностей;
нанесения полиуретанового покрытия на специально подготовленную спинку лопатки;
титановой накладки с кромкой лопатки с выбором клеевого состава, подготовкой склеиваемых поверхностей;
фторопластовых накладок на хвостовик лопатки с выбором клеевого состава, подготовкой склеиваемых поверхностей;
нанесения изнашиваемого покрытия на периферийное сечение лопатки.
Была разработана технология RTM для изготовления углепластиковых лопаток вентиляторов. Экспериментальными объектами стали: полноразмерная лопатка перспективного вентилятора, лопатки 1 й и 2 й ступеней модельного биротативного вентилятора.
Неразрушающий контроль
Неразрушающий контроль (НК) является составной частью технологии изготовления лопаток. Существуют две задачи НК:
- установление реальных недостатков в готовой лопатке (расслоения, поры, инородные включения, трещины, технологические несовершенства, снижение жесткости и т.д.);
установление критических размеров, опасных форм и мест расположения дефекта, недопустимых типов несовершенств.
НК должен обеспечить недопущение к эксплуатации лопаток с опасными недостатками и способствовать выявлению и устранению систематических пороков технологического процесса.
Технология сдачи и приёмки может включать широкий набор исследований, заключающийся в:
- изучении паспорта на лопатку и установлении соответствия его утвержденной технологической документации (технические требования (ТТ) на покупные материалы, соблюдение технологических инструкций (ТИ) и т.д.);
проведении визуального осмотра;
измерениях, подтверждающих соответствие геометрических размеров лопатки, её массы требованиям конструкторской документации;
подтверждении идентичности частот собственных колебаний проверяемой лопатки с собственными частотами других лопаток;
проведении ультразвукового контроля с целью обнаружения пор, расслоений, несовершенств в выкладке армирующего материала, определения динамических модулей упругости и т.д.;
применении рентгеновских методов контроля с целью установления соответствия характера выложенного в отдельных слоях материала требованиям, рекомендованным аналитическими методами;
использовании имеющихся в наличии других методов НК.
Для НК использован лазерный ультразвуковой дефектоскоп, отличающийся повышенной разрешающей способностью. С его помощью могут быть обнаружены расслоения, поры в материале матрицы, разрывы волокна размером от 100 мкм, а поры в покрытиях от 10 мкм.
Выполнены сравнительные оценки собственных частот двух изготовленных лопаток, полученных на основе спектрального анализа низкочастотных колебаний лопатки. Инструментом для получения характеристик собственных частот лопаток является MIC 100. Получено хорошее совпадение собственных частот лопаток (отличия не превышают 4%).
Все приведенные выше лопатки контролировались описанными методами, результаты контроля протоколируются и вводятся в паспорт лопатки.
Квалификация композитного материала лопатки и лопатки из углепластика
В обеспечение квалификации композитного материала, в том числе для материала лопатки, изучен отечественный и зарубежный опыт и, особенно, опыт фирмы General Electric. При разработке лопатки вентилятора авиационного двигателя из ПКМ используется методика "блочного" подхода, широко используемая зарубежными авиастроительными компаниями. Она может быть представлена в виде совокупности трех основных групп доказательных испытаний, каждая из которых состоит из отдельных блоков. Одной из задач нижестоящих групп является сокращение испытаний вышестоящей группы, ибо с возрастанием группы существенно удорожается проведение испытания. Условно эти группы и блоки можно представить в виде:
1. Группа А группа изучения свойств материала с блоками:
- "блок 1" блок подбора и выбора исходных материалов и компонентов полимерного композитного материала;
"блок 2" блок разработки материала лопаточной структуры армирования и исследования его механических и физических свойств;
"блок 3" блок формирования допустимых к созданию лопатки материалов и технологий их переработки.
2. Группа B группа изучения свойств конструктивных элементов лопатки и лопатки в лабораторных условиях с блоками:
- "блок 4" блок изучения свойств конструктивных элементов лопатки (например, хвостовиков), моделей лопатки в поле отдельных двигательных нагрузок или их совокупности, в том числе с учетом условий окружающей среды (температура, климатические воздействия, запыленность, удары посторонних предметов и т.д.);
"блок 5" блок доказательных испытаний полноразмерной лопатки на стендах и лабораторных установках в условиях, приближенных к эксплуатационным.
3. Группа C группа подтверждающих испытаний в составе двигателя с блоком:
- "блок 6" блок испытаний на стойкость удару птиц в соответствии с требованиями норм летной годности.
Блок 1 выполняется на основе данных разработчика материала. Данные разработчика материала составляют основу общей квалификации материала. Применительно к рабочим лопаткам вентилятора блоки 2 и 3 представляют собой специальную квалификацию материала лопатки, которая выполняется разработчиком конструкции. Выполнение блока 3 позволяет сформулировать требования к материалу, технологии, которые должны быть вставлены в обойму формирования рабочего проекта.
В обойму специальных испытаний входят испытания моделей элементов лопатки (блок 4), выполненных по той же технологии, которая используется для лопатки. Такими моделями являются, например, хвостовики, как наиболее нагруженные элементы лопаток. Исследования длительной прочности конструкции лопаток реализуются испытаниями хвостовиков, вырезанных из полноразмерной лопатки. Результаты этих исследований позволили выявить наиболее характерные типы разрушений при кратковременном (статическом), повторном и длительном нагружениях. При проектировании лопаток учитываются особенности деформирования и разрушения хвостовиков.
Блок 5 сегодня в ЦИАМ реализован испытаниями полноразмерных лопаток на:
- кратковременную прочность на разгонном стенде Т14 01;
усталостную прочность на вибростенде УВЭ 10/5000;
малоцикловую усталость на специализированной установке "Инстрон 8805";
стойкость удару посторонними предметами на пневмо пушке ПУН 40/100.
Для проведения испытаний экспериментальной полноразмерной лопатки спроектирована и изготовлена необходимая оснастка. Оснастка оказалась необычной. Например, впервые в России пришлось научиться формировать дисковые пазы под хвостовики лопатки серповидной формы. Была создана специальная конструкция захватов для проведения испытаний на малоцикловую усталость на установке "Инстрон 8805". В работе отрабатывалась технология проведения испытаний. Одновременно велись работы по прочностной и технологической доработке экспериментальной лопатки.
В результате комплексных экспериментальных исследований полноразмерных экспериментальных лопаток и проведенных в ходе выполнения работы доводочных мероприятий получено:
- разработанная лопатка из углепластика работоспособна на рабочих оборотах, что показано испытаниями на разгонном стенде;
усталостная прочность лопатки из углепластика выше усталостной прочности титановых лопаток;
первые результаты по малоцикловой усталости лопаток (исследования на малоцикловую усталость продолжаются),
обнадеживающие результаты на стойкость удару посторонними предметами.
Заключение
Проведенный объём расчётных и экспериментальных исследований, технологических и квалификационных изысканий подтверждает перспективность проводимых работ и эффективность принимаемых решений, защищенных патентами РФ. Анализируя представленный уровень разработок, можно утверждать, что сегодня отечественная углепластиковая лопатка находится на достаточно высоком уровне технологической готовности. Для того чтобы не отставать от наших зарубежных коллег, необходимо работы по созданию углепластиковой лопатки вентилятора включить в национальный план развития авиадвигателестроения с отдельным целевым финансированием.
По материалам публикации Тельмана Каримбаева, начальника отдела; Алексея Луппова, начальника сектора; Дмитрия Афанасьева, научного сотрудник ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова в журнале "Двигатель"
