СКИФ — будущие эксперименты для неба и земли
28.09.2022
Современная авиация практически на 100% базируется на газотурбинных двигателях. Если говорить о «земной» роли таких установок, то без них невозможна перекачка природного газа. Как синхротронное излучение и СКИФ помогут повысить эффективность газотурбинных двигателей, рассказывает Камиль Рамазанов, президент Академии наук Республики Башкортостан, заведующий кафедрой технологии машиностроения Уфимского государственного авиационного технического университета, д.т.н., профессор.
- Чем выше температура воздуха в турбине, тем выше коэффициент ее полезного действия. Тренд на постепенное повышение температуры в турбине фиксируется уже не первое десятилетие. В 1965 году максимальная температура газа в турбине авиационных двигателей составляла примерно 1500°С, а в 2015 году – уже 2200°С. Для наземных двигателей изначально максимум составлял 1150°С, в начале 2000-х — около 1800°С.
Температура сказывается на лопатках турбины — самом массовом элементе в сборке таких двигателей (в каждом их около 2 тыс. штук).
Лопатки изготавливаются из сложного жаропрочного сплава, включающего многообразие легирующих элементов. Можно сказать, что в таких сплавах представлена вся таблица Менделеева. Но для защиты лопаток этого недостаточно: необходимо еще и многослойное покрытие.
Любые покрытия, какими бы уникальными они ни были, деградируют при длительной эксплуатации. Кислород все равно проникает сквозь поры, происходит постепенное разрушение. Губительны для покрытий и кратковременные резкие скачки температуры, которые возникают, например, в авиадвигателе в режиме форсажа.
Сейчас усилия ученых направлены на создание покрытий, которые будут сопротивляться износу при высоких температурах как можно дольше. Над этой задачей работает и наша лаборатория.
Современные покрытия для лопаток турбин вращаются вокруг керамических оксидов. Это, в основном, стабилизированный иттрием диоксид циркония. Их относят к покрытиям пятого поколения.
Для определения фазового состава, а также влияния конкретного элемента на эксплуатационные свойства покрытия не обойтись без высокоточных методов синхротронного излучения. Важно изучать и вопросы, связанные с толщиной таких покрытий. Ведь она напрямую влияет на эксплуатационную надежность, скорость деградации, стабильность, адгезию и другие параметры.
Особый интерес представляют исследования in situ, когда можно измерять необходимые параметры при заданных условиях в режиме реального времени. Например, изучать формирование покрытия в процессе роста.
Все эти исследования мы рассчитываем проводить на СКИФ.
Конечно, мы размышляем не только над настоящим, но и над будущим покрытий. При переборе разных вариантов мы пришли к выводу, что без композитных материалов невозможно дальнейшее развитие эффективных покрытий лопаток двигателей, а следовательно, и повышение температуры в турбине.
Так, мы провели большую работу с Институтом физики твердого тела РАН и Центральным институтом авиационного моторостроения. Использованный композитный материал с молибденовой матрицей, армированной волокном из оксида алюминия, показал высокую эффективность – стабильность при температуре 1500°С. Эксперименты с использованием синхротронного излучения проводились в Институте ядерной физики СО РАН, в партнерстве с Институтом катализа СО РАН.
Результаты нашей научной деятельности имеют прямое промышленное применение. Например, сейчас мы создаем совершенно новый состав покрытий для лопаток авиационных двигателей ПД-8, ПД-14. По направлению двигателей для газоперекачки мы отработали линию лопаток, которая уже проходит натурные испытания в "Газпром трансгаз Югорск".
Наши комплексные исследования, надеюсь, приведут нас к покрытиям, которые смогут выдерживать температуру 2000°С. Это будет шестое поколение покрытий, которых пока нет в мире.
Фото: Николай Малахин; оргкомитет "Технопром-2022"
