logo


Композитными лопатками вентиляторов двигателей сегодня никого не удивишь. Но на одной из ведущих двигателестроительных компаний – Rolls-Royce – их введение в авиационные движки затянулось почти на полвека…

П

ервую попытку поставить композитные лопатки Rolls Royce предпринял еще во второй половине 1960-х. Тогда на фирме шли работы по RB211, предназначавшемуся для заокеанского Lockheed L-1011 TriStar, и лопатки ротора были сделаны из углеволоконного материала под названием Hyfil. И всем вроде был хорош материал, но увы – прочность его при равных со стальными изделиями толщине оказалась заметно хуже. В результате лопатки не прошли тест на птицестойкость, это потянуло за собой аннулирование работ по соответствующему корпусу вентилятора и прочим элементам, подогнанным под характеристики лопаток.

Надо сказать, что англичане в принципе были готовы к чему-то подобному, и как запасной вариант параллельно разрабатывали RB211-22, лопатки которого были выполнены из менее авангардного титана. Но это все же был запасной вариант, поэтому худший как в плане весовой экономии, так и в сроках разработки. Вдобавок тестовые RB211 недодавали тяги, были перетяжелены и чересчур прожорливы. Все это можно было вылечить, но требовались деньги. А тут еще общемировая экономическая обстановка как назло ухудшилась, и в 1971 компания была объявлена банкротом.

Потом, конечно, Rolls-Royce перешла под контроль государства, давшего деньги и на доводку двигателя, который в конце концов получился. RB211 разных модификаций до сих пор летают не только на немногочисленных ныне TriStar, но и на «Боингах» 747, 757 и 767, а также на некоторых Ту-204. Этот двигатель по сути сделал Rolls-Royce одним из ведущих игроков в секторе двигателей для пассажирских самолетов, но уроки, полученные в ходе его разработки, были выучены очень хорошо.

Например, долгие годы компания, как черт от ладана вздрагивала от упоминания о композитных лопатках вентиляторов, и выполняла эти детали исключительно из титана. Это, надо сказать, тоже хитрая задача: из-за технологических особенностей получения заготовок получается, что разные поверхности одной и той же заготовки имеют разные физические свойства, и нужных можно добиться только на одной стороне. Фирме пришлось разработать особый процесс, при котором две заготовки, обращенные наружу «правильными» сторонами, сваривались по краю, потом отправлялись в матрицу, где в атмосфере инертного газа подвергались нагреву, доводившему металл до пластичности. Далее газ под давлением нагнетался между титановыми листами, распирал их и вжимал в форму. Потом изнутри наваривался титановый же усиливающий каркас, и на выходе получается достаточно тонкостенная полая лопатка с нужными механическими свойствами.

Итак, освоив производство пустотелых лопаток, компания не уставала заявлять, что композиты – это в данном применении ерунда, и никаких преимуществ от них нет.

Правда, за океаном так не считали, и композитные лопатки вентиляторов появились на GE90 от General Electric еще в 1995 году. Двигатель оказался удачным, композитные лопатки работали как надо, и эта же технология применяется теперь при разработке двигателей семейства GEnx. Но англичане утверждали, что никакого выигрыша все равно в композитах нет: для придания изделиям из них необходимой прочности приходится делать их толще, и экономия на весе лопаток нивелируется худшими их аэродинамическими характеристиками. Так что титан – это лучшее решение по параметрам веса, сопротивления и прочности (как в отношении вибраций, так и в плане воздействия посторонних объектов – от птиц до частиц вулканического пепла.

Но, как водится, в рекламных буклетах писали одно, а в тиши лабораторий работали над другим. Там понимали, что со времен разработки RB211 изготовление композитных деталей вышло на новый уровень, и углепластики реально способны заменить в лопатках титан. И в конце 2011 года объявили, что в 2013 году начнутся летные испытания двигателя с новыми композитными лопатками, разработанными совместно с британской GKN Aerospace. И что такие лопатки будут стоять на перспективном двигателе, работа над которым начнется после доводки Trent XWB.

С

оздание композитных лопаток, превосходящих титановые, стало возможно только в самое последнее время с появлением новых материалов, и такие лопатки от Rolls-Royce уже прошли испытания на прочность, включая отрыв от вала и удар птицы. Летные испытания начнутся ориентировочно во втором квартале 2013 года на модифицированном Trent1000. Этот двигатель, который сейчас ставится на Боинг 787, выбран потому, что при его испытаниях накоплен огромный опыт по снятию большого количества данных с двигателя (давления, температуры, характер воздушного потока), что на испытаниях поможет более четко представить, что изменится при внедрении новых лопаток.

В настоящее время на фирме точно не могут сказать, насколько уменьшит вес двигателя применение новых лопаток, но там ожидают дополнительного уменьшения массы за счет разработки нового корпуса вентилятора, который также будет выполняться из композитов и выйдет на испытания одновременно с лопатками, до этого пройдя сходные тесты на прочность.

Это и неудивительно, поскольку корпус вентилятора и он сам представляют собой взаимосвязанные элементы, тесно подогнанные друг к другу. В буквальном смысле – зазор между лопатками и внутренней поверхностью корпуса должен быть минимальным, чтобы максимально использовать весть поток воздуха, проходящий через двигатель: не секрет, что до 90% тяги создает именно вентилятор. Правда, при вибрациях и в условиях турбулентности двигатель трясет так, что лопасти все же могут коснуться поверхности корпуса, и для уменьшения возможных повреждений приходится делать внутреннюю поверхность корпуса мягкой, так что лопасти ротора в крайнем случае поцарапали бы ее, но сами остались целы.

Корпус вентилятора похож на слоеный пирог: за мягким покрытием лежит «броня», предназначенная для удержания внутри корпуса лопаток двигателя в случае их отрыва и защиты от их ударов проводки и прочего. Наружный же слой обеспечивает дополнительную механическую прочность и используется для навески разнообразного оборудования и проводки.

Новые корпус и ротор станут частью ALPS – advanced low-pressure system, которая, при удачном исходе, появится на строевых двигателях к концу нынешнего десятилетия. И двигатели эти будут полностью новыми, поскольку адаптировать ALPS к, скажем, Trent XWB, невозможно, поскольку их ядра подогнаны именно под существующие вентиляторы. Что касается класса двигателей, в которых могут быть использованы новые лопатки, то их разработчики уверяют, что технология применима и для больших, и для узкофюзеляжных лайнеров класса A320 и B737, в то время как для бизнес-джетов продолжают быть актуальными титановые лопатки, поскольку они получаются при заданных размерах легче, чем композитные аналоги. Да и для двигателей узкофюзеляжных самолетов придется совершенствовать технологию. Например, пойти по пути Snecma.

Хотя это нигде не указано, Rolls-Royce, вероятно, при изготовлении лопаток использует сходный процесс, что и General Electric. При этом лопатка формируется из нескольких предварительно пропитанных «полотен» волокна. А вот французы в Laep-X начали использовать технологию 3D resintransfer moulding, которая подразумевает создание трехмерной единой структуры из волокна, которая позже пропитывается наполнителем и отправляется «дозревать» в автоклав. Объемная структура позволяет добиться большей прочности, нежели обычный «бутерброд».

Такая метода подразумевается и при дальнейшей работе на Rolls-Royce, компания в 2010 году инвестировала совместно с South of England Development Agency порядка 15 миллионов фунтов в создание опытного производства композитов на мощностях GKN в Коувс, остров Уайт. Основной упор здесь будет делаться на организацию и совершенствование производственных процессов – собственно для этого и была привлечена GKN. Предполагается, что в итоге удастся повысить автоматизацию процесса изготовления лопаток вентиляторов, который в настоящее время является во многом ручной работой.

О композитных лопатках в отечественных двигателях говорить не приходится, более того – с их внедрением заметно снизится потребление российского титана. Но будет это еще не скоро – договора на поставку уже заключены вплоть до 2015 года. Но технологическое отставание России в области двигателестроения продолжается.

Обновление: 24.10.2012

Комментировать

*

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.