Изготовление турбинных лопаток

Потребность в турбинных лопатках возникла в середине минувшего столетия в связи с разработкой газотурбинных двигателей для реактивных самолетов, которые совершили революционный прорыв в самолетостроении. В камеры сгорания газотурбинного двигателя подаются керосин и сжатый воздух (под давлением 6-7 атм.), поток образующихся раскаленных газов, вращает турбину и, выходя через сопло, создает реактивную движущую силу, при этом, чем выше температура сжигания топлива, тем выше мощность двигателя.
В процессе эксплуатации турбинные лопатки должны выдерживать механическое воздействие газов, вращающих турбину, не теряя механических свойств при длительном воздействии высоких температур. В настоящее время температура газов на входе в турбину составляет 1900К (1627°C), а теоретически возможная может достигать 2200 К (1927°C). Лопатки, работающие в условиях воздействия столь высоких температур, производят из никелевых сплавов, где основным носителем жаропрочности служат субмикроскопические частицы интерметаллической фазы на основе соединения Ni 3Al. В качестве легирующих элементов в состав сплава вводят: 6% алюминия, 6-10% вольфрама, тантала, рения и немного рутения. Для охлаждения лопаток, с целью продления их срока службы, было придумано размещать в них продольные каналы для подачи охлаждающего воздуха от компрессора. Для более эффективного охлаждения была разработана новая конструкция лопаток с каналами сложной конфигурации и выходными отверстиями, обеспечивающими возникновение тонкой воздушной пленки вокруг лопатки, исключая соприкосновение раскаленных газов с материалом лопатки, что исключает нагрев лопатки и остывание отходящих газов, и как результат, повышает КПД двигателя.

Изготовление лопаток осуществляют методом литья по выплавляемым моделям, существующие на сегодняшний день технологии позволяют получать литую заготовку, не требующую механической обработки, предусматривается только шлифовка и нанесение защитного покрытия. Это особо важно, т.к. никелевые сплавы для лопаток практически не поддаются механической обработке. Охлаждающие каналы формируют керамическими стержнями. Ранее для их производства использовали оксид кремния, сейчас отдают предпочтение оксиду алюминия (Al 2O 3), обладающему высокой температурой плавления — 2050°C.

Производство турбинных лопаток, не смотря почти на 75 летний опыт производства, активно развивается в наши дни. В частности, освоено и совершенствуется производство лопаток методом направленной кристаллизации когда кристаллизующийся металл образует длинные столбчатые кристаллы, вытянутые строго вдоль оси лопатки, которая с такой структурой станет очень хорошо сопротивляться излому; изготовление монокристаллической лопатки (из одного кристалла).

Вторым важным направлением применения турбинных лопаток является их использование в газотурбинных двигателях для газотранспортных магистралей, электроэнергетики, морских кораблей и судов. В данном случае лопатки работают при значительно более низких температурах, но к ним предъявляются высокие требования по ресурсу эксплуатации (порядка 20-50 тыс. ч). Крупнейшим производителем таких лопаток в Украине является ГП НПКГ«Зоря»-«Машпроект» , г. Николаев, их также производит ПАО «Криворожский турбинный завод «Констар» , г. Кривой Рог. Производство турбинных лопаток для авиастроения в Украине осуществляют АО «МОТОР СИЧ» , г. Запороье и ГП «Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс»имени академика А. Г. Ивченко» , г. Запорожье.