Достижения металлургии на службе ресурса ГТУ

Владимир СЫЧЕВ
Начальник отделения турбин
ОАО «Авиадвигатель»

Ограничением ресурса промышленных газотурбинных двигателей чаще всего являются детали горячего газового тракта турбины. Повышение эффективности охлаждения лопаток и других деталей, формирующих проточную часть турбины, чаще всего связано с увеличением расхода охлаждающего воздуха. Существует другой путь повышения долговечности деталей турбины. Это правильное применение материалов, причем не только новых, но и проверенных временем.

Одной из наиболее нагруженных деталей двигателя является рабочая лопатка первой ступени турбины высокого давления. На нее действуют высокие центробежные и динамические нагрузки, и при этом она находится в окружении горячих газов.
При проектировании двигателей ПС-90ГП-1 и ПС-90ГП-2 для рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления был выбран материал ЧС70У-ВИ.  Этот сплав обладает хорошими антикоррозионными свойствами и особенно высокой стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии.
Однако опыт эксплуатации показал, что лопатка чаще всего работает при температуре 900...10000С, кото-рая значительно выше пика активности серы и ее соединений -  800...8500С. При 10000С опасность суль-фидно-оксидной коррозии практически исчезает, но проявляется обычное высокотемпературное окисление, и жаростойкости сплава ЧС70У-ВИ уже не хватает.   

Поэтому в 2006 году в серийном производстве ЧС70У-ВИ был заменен на более жаростойкий и хорошо зарекомендовавший себя в эксплуатации ЖС6У-ВИ. Его жаростойкость и жаропрочность значительно выше ЧС70У-ВИ.
Следующим этапом работы по повышению ресурса лопаток первой ступени турбины высокого давления стало внедрение еще более жаропрочного современного сплава ЖС32-ВИ.  Лопатки из этого сплава уже успешно прошли испытания как в составе авиационного двигателя ПС-90А, так и в составе его промышленной модификации.
В настоящее время уже четыре двигателя ПС-90ГП-2, отправленные в эксплуатацию, оснащены лопатками первой ступени турбины высокого давления из сплава ЖС32-ВИ. Сегодня этот сплав внедряется и на рабочие лопатки второй ступени.
Необходимо отметить, что некоторое удорожание лопаток, выполненных из высоколегированного сплава ЖС32-ВИ, компенсируется более чем двукратным ростом ресурса. Внедрение таких лопаток позволит преодолеть рубеж межремонтного ресурса двигателей ПС-90ГП-1 и ПС-90ГП-2, равного 25000  часов.
Особое внимание в современном газотурбинном двигателестроении уделяется покрытиям лопаток турбины, которые могут выполнять разные функции: защита от газовой коррозии, жаростойкость, теплозащита. своеобразный четырехслойный «пирог».

Внутренний слой - диффузионное алюминидное покрытие.  Оно имеет почти идеальное сцепление с основным материалом и защищает почти все поверхности лопаток, в том числе и внутренние.
Второй слой - жаростойкое многокомпонентное металлическое покрытие СДП-1, которое предназначено для защиты лопатки от высокотемпературного  окисления и от газовой коррозии.
Следующее покрытие - теплозащитное. Оно состоит из двух слоев. Металлический подслой обеспечивает защиту лопатки, аналогично СДП-1, и является связующим между металлом лопатки и собственно керамическим теплозащитным покрытием. Оно компенсирует разницу коэф-фициентов температурного расширения. Теплозащитное покрытие имеет низкий коэффициент теплопроводности и существенно уменьшает тепловой поток от газа к металлу  лопатки, снижая его температуру на 40...600С.  Кроме того, керамика обладает наиболее высокими ан-тикоррозионными свойствами, а также выполняет функцию защиты от эрозии.
В настоящее время «Пермским моторным заводом» уже освоено нанесение комплексного покрытия при серийном производстве лопаток, которые прошли проверку в составе авиадвигателя.
Сейчас комплексное покрытие внедрено как для производства, так и для ремонта сопловых лопаток второй ступени турбины высокого давления двигателей ПС-90ГП-1 и ПС-90ГП-2.
В данный момент в процессе заводских испытаний и опытной эксплуатации находятся рабочие и сопловые лопатки первой ступени.
Кроме лопаток, важными «горячими» деталями в турбине являются сектора, образующие кольцо над рабочими лопатками первой ступени и выполняющие роль уплотнения радиального зазора. Эта деталь испытывает высокие температурные нагрузки.  При этом из-за своих конст-руктивных и функциональных особенностей она практически не поддается эффективному охлаждению, так как ее поверхность велика и требует больших расходов охлаждающего воздуха.
Защита покрытиями также сложна, так как покрытие должно вступать в контакт с торцами рабочих лопаток, не повреждать их и не скалываться.
Решение проблемы - в применении новейшего материала - интерметаллида ВКНА.  Это сплав, совмещающий никелевую матрицу с большим процентом алюминия и обладающий уникальными свойствами.  От него не требуется высокой прочности, но его жаростойкость и сопро-тивление окислению намного превосходят все современные никелевые сплавы.
Рабочая температура ВКНА на 150...2000С превышает этот показатель применявшихся ранее материалов.