Авиадвигатель безопасный и надежный: специалисты ЦИАМ решают задачи прочности лопаток турбин

Одна из тенденций развития авиационных двигателей, способствующая повышению их экономичности и удельных показателей, – рост параметров рабочего процесса: степени повышения давления и температуры газа перед турбиной. Достичь этого можно путем внедрения новых технологий, технических решений в системе охлаждения, новых конструкционных материалов и теплозащитных покрытий.

Работы в этой области активно ведут и специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), исследующие «поведение» новых конструкционных материалов и их структур, например, столбчатой керамики, в полетных условиях. В отличие от металла, она выдерживает температуры выше 1100°С и признана авиационными специалистами оптимальным материалом для защитных покрытий лопаток турбин – горячей части двигателя.

Керамические материалы позволили сделать шаг вперед в обеспечении повышения ресурса авиадвигателя. Наиболее эффективная защита материала детали от теплового потока происходит в случае использования керамических покрытий на основе диоксида циркония. Об этом свидетельствуют проведенные сотрудниками ЦИАМ расчетные исследования напряженного состояния теплозащитных керамических покрытий лопатки турбины авиадвигателя в поле действия центробежных сил.

При эксплуатации авиационного двигателя на теплозащитных покрытиях лопаток могут появляться трещины из-за воздействия переменных температур. Благодаря выдерживанию экстремальных тепловых нагрузок и низкой теплопроводности керамические покрытия способны снизить температуру поверхности металла на 70-100°С и тем самым увеличить срок службы рабочих лопаток. Достичь этого удается и за счет особой структуры покрытий – столбчатой.

При длительном воздействии переменных температур возникает деление структуры покрытия на блоки. Под действием центробежных сил находящиеся в блоках столбики-«сталагмиты», имеющие форму конуса, начинают изгибаться, и в их основаниях возникает напряжение. В ходе расчетного исследования определялись напряжения как в «блочных», так и в одиночных столбиках, происходящие под действием изгиба в поле центробежных сил.

Установлено, что одиночные столбики разрушаются при превышении предела прочности. «Блочные» же столбики, благодаря скреплению верхней и нижней частей, в основании имеют напряжения меньше этого предела и продолжают «работать» в условиях эксплуатации. Однако прочность столбиков в блоках напрямую зависит от их высоты (толщины керамического покрытия), делают вывод ученые, опираясь на данные эксперимента, подтверждающего расчетную часть.

О главных результатах исследования рассказывает сотрудник ЦИАМ, д.т.н., один из авторов доклада Александр Лепёшкин:
– В работе представлен новый механизм разрушения теплозащитного керамического покрытия рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя. Разработана методика численного расчета напряженного состояния столбиков, «работающих» в блоках. Исследовано влияние конусной формы на напряжения в их основании. Это позволяет сделать оценку допустимой толщины керамического покрытия лопаток турбины, чтобы обеспечить необходимую долговечность и, соответственно, надежную работу двигателя в условиях эксплуатации и безопасность полета.

Доклад на эту тему (авторы: А. Лепёшкин, Н. Бычков) был заслушан на XII Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, организованном Российской академией наук (РАН), Российским национальным комитетом по теоретической и прикладной механике, Институтом проблем сверхпластичности металлов РАН, и вызвал живое обсуждение.