Детали из полимерных композитов в двигателе Sukhoi Superjet 100

ПАО «ОДК – Сатурн» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Госкорпорации Ростех) проводит испытания опытных образцов деталей полимерных композиционных материалов (ПКМ) в составе российско-французского двигателя SaM146, которым оснащаются авиалайнеры Sukhoi Superjet 100 (SSJ100).

Многокомпонентные композиционные материалы состоят из пластичной основы (матрицы) и армирующих наполнителей, обладающих высокой жесткостью и прочностью. Их сочетание обеспечивает создание новых материалов, а ориентация наполнителя (углеродного волокна) в материале – необходимые прочностные свойства.

SaM146 – интегрированная силовая установка, включающая двигатель и мотогондолу с реверсивным устройством. Поставки SaM146 и все услуги по послепродажному обслуживанию осуществляет компания PowerJet (совместное предприятие, основанное на принципах равноправного партнерства Safran Aircraft Engines и «ОДК – Сатурн»). Рыбинское предприятие «ОДК – Сатурн» отвечает за разработку и производство вентилятора и компрессора низкого давления, турбины низкого давления, общую сборку двигателя SaM146 и его испытания, а Safran Aircraft Engines – за компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, коробку агрегатов, САУ и интеграцию силовой установки.

«ОДК – Сатурн» работает над улучшением ресурсных и технических характеристик двигателя. Одним из направлений данных улучшений является замена существующих металлических деталей двигателя на конструкции, изготовленные из полимерных композиционных материалов.

«Мы активно работаем над созданием и внедрением деталей из полимерных композиционных материалов в состав авиационных двигателей, поскольку это позволяет существенно улучшить основные характеристики изделия, – говорит заместитель генерального конструктора «ОДК – Сатурн» по научно-исследовательской работе Дмитрий Карелин. – В частности, одной из задач является снижение веса двигателя SaM146 и других ГТД, выпускаемых предприятиями ОДК, а также создание научно-технического задела в области внедрения ПКМ. Целевыми показателями при этом являются снижение массы детали на 20-40% и стоимости изготовления на 10-50%».

В настоящее время первые опытные образцы, произведенные на «ОДК – Сатурн», проходят комплекс испытаний в составе двигателя SaM146. Разработанные технологии будут внедрены и в другие силовые установки ОДК.

Для успешного внедрения ПКМ специалистами предприятия была выбрана концепция «от простого к сложному», когда последовательность шагов начинается от замены материала в неответственных статорных деталях до ключевой задачи – разработки и создания модуля вентилятора из ПКМ.

Ключевые технологические направления, по которым ведется освоение данной технологии, – это ПКМ для статорных деталей на основе термопластичной (суперплатики типа ПЭЭК) матрицы и ПКМ для нагруженных деталей ГТД (в том числе рабочая лопатка вентилятора) с 3D-тканой армирующей структурой. Разработка технологий проводится в широкой кооперации с российскими и иностранными институтами и компаниями.

«Анализ мировых тенденций показал, что зарубежные компании-лидеры уже осуществляют переход от традиционных слоистых полимерных композитов к материалам нового поколения, – отмечает заместитель генерального конструктора «ОДК – Сатурн» по научно-исследовательской работе Дмитрий Карелин. – Это связано с повышением надежности деталей из новых материалов в сравнении со слоистыми ПКМ. Простое повторение опыта мировых компаний не позволит осуществить технологический скачок и, тем более, опередить их, поэтому внимание было сфокусировано на новых современных технологиях, имеющих максимальные перспективы применения. Серьезный прорыв можно осуществить с началом промышленного освоения и эксплуатации деталей из термопластичных ПКМ. Использование данных материалов позволяет проводить повторный расплав-отверждение, а, значит, существенно расширяет технологические возможности создания деталей из ПКМ, делает возможным использование технологий сварки, штамповки, литья, гибридных технологий формования, позволяет ремонтировать детали в условиях эксплуатации при появлении повреждений».

Технология создания сложных пространственно-армирующих структур из непрерывного углеволокна, которую также осваивают в «ОДК – Сатурн», позволяет управлять и контролировать распределение механических свойств внутри детали за счёт 3D-армирования и нивелирует самый главный недостаток традиционных ПКМ – склонность к межслойному расслоению.

Разработка критической базовой технологии применения в деталях авиационных газотурбинных двигателей керамических композиционных материалов (ККМ) начата рыбинским ПАО «ОДК – Сатурн» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Госкорпорации Ростех).

В «ОДК – Сатурн» осваиваются критические технологии, без внедрения которых невозможно производство высокотехнологичной, конкурентоспособной на глобальном рынке продукции. Это – аддитивные технологии, керамические и полимерные композиционные материалы, роботизированная лазерная сварка и перфорация, термо-барьерные покрытия.

Керамический композиционный материал это многокомпонентный материал, на основе керамической матрицы с армированным наполнителем, работоспособный при высоких температурах газов (более 1000 °C), обеспечивает длительную эксплуатацию деталей без дополнительного охлаждения. Керамический материал с присущим ему свойством хрупкого разрушения армируется непрерывными или дисперсными волокнами, обеспечивая высокую трещиностойкость.

«Анализ современного развития авиационных и промышленных ГТД показывает, что создание конкурентоспособных двигателей нового поколения невозможно без разработки и широкого применения керамических композиционных материалов, – говорит заместитель генерального конструктора «ОДК – Сатурн» по научно-исследовательской работе Дмитрий Карелин. – Только при использовании высокотемпературных ККМ можно решить задачи по снижению массы, повышению топливной экономичности двигателей. Создание надежных деталей горячей части ГТД на основе подобных материалов является сложной проблемой, над решением которой работают специалисты во многих странах мира. Нами ведутся в широкой кооперации работы по созданию критической базовой технологии, охватывающей весь цикл создания деталей авиационных двигателей из керамических композиционных материалов».

В составе Объединенной двигателестроительной корпорации «ОДК – Сатурн» принимает участие в проходящем в г. Жуковский Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2017.