Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Не секрет, что лопатки турбин реактивных двигателей работают в очень напряжённых условиях. Прежде всего — это высокая температура, а также механическое напряжение и поток газов, иной раз несущий с собой абразивные частицы — пыль и песок, попадающие в двигатель самолёта при взлёте с грунтовой полосы (особенно если дело происходит в пустыне).

Чего только ни придумывают учёные и инженеры, чтобы улучшить параметры турбин.

И жаропрочные сплавы, и особые покрытия для лопаток. Вот и Нитин Падтур (Nitin Padture), профессор материаловедения и инжиниринга университета Огайо (Ohio State University — OSU), вместе с сотрудниками своей группы (Padture’s Research Group) долго ломал голову: какое покрытие надёжно защитит турбину и от перегрева и от высокотемпературной коррозии?

Последняя особенно усиливается, если на лопатки попадает песок. Поскольку рабочая турбина реактивного движка нагрета очень сильно, летящие с большой скоростью песчинки сначала вгрызаются в поверхность лезвий, а потом плавятся, создавая кальциево-магниевое алюмосиликатное стекло. При этом «песок» частично растворяет в себе материал лопаток.

А после выключения двигателя всё остывает, и получаются стеклянные вкрапления и ненужные «покрытия». При следующем запуске они ещё больше разрушают лопатки, поскольку обладают иным коэффициентом теплового расширения.

Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Военный транспортник засасывает в двигатели целые потоки песка с пустынной полосы в удалённом «районе боевых действий» (фото US Department of Defense).

Словом, тот же песок и пыль могут быстро «съесть» сердце самолёта.

Падтур и его коллеги придумали, как перевернуть эту ситуацию с ног на голову. Нужно всего лишь сделать так, чтобы попадающий на лопатки песок сам переделывался бы в… материал лопаток, точнее — в их теплозащитный барьер.

Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Нитин Падтур занимается теплозащитными покрытиями далеко не один год (фото с сайта osu.edu).

В качестве отправной точки экспериментаторы взяли диоксид циркония. То самое вещество, которое (в одной из своих форм) составляет фианит — камень, имитирующий алмаз.

Про такое «алмазное» покрытие лопаток газовых турбин, конечно же, учёные и инженеры в разных странах думали и до Падтура. Весь вопрос был в деталях: как наносить покрытие, каков должен быть слой по толщине, в какой кристаллической форме, какие должны быть добавки… Многие группы в разных университетах и НИИ занимались этой проблемой (в том числе — в России). Вот и учёные из университета Огайо засучили рукава.

Кстати, надо отметить, что команда у Падтура подобралась интернациональная: турчанка Айсегюль Айгюн (Aysegul Aygun), она пишет на основе своей работы в OSU диссертацию, российский учёный Александр Васильев (в рамках данной конкретной темы он также работал вместе с Нитином в OSU), а ещё — китаец Ма Синьцин (Xinqing Ma) из американской корпорации Inframat.

А придумали они вот что: теплозащитное покрытие из диоксида циркония, для стабильности «усиленное» оксидом иттрия (Y2O3), в котором в виде твёрдого раствора имеются две важные добавки. Это оксид алюминия (Al2O3), в новом покрытии он составляет 20% (по молям), и диоксид титана (TiO2) с молярной долей в 5%.

Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Общая схема «циркониевого» защитного барьера. По вертикали на графике отмечена температура, по горизонтали — расстояние. Голубая стрелка — охлаждающий лопатки воздух, жёлтая — раскалённые газы (иллюстрация с сайта ohio-state.edu).

Последние два вещества играют необычную роль. Когда песчинки, атакующие лопатки турбины, разогреваются, они превращаются в стекло и «впитывают» материал покрытия лезвий, вбирая в себя и алюминий с титаном. После того как стекло накапливает достаточно этих элементов, оно меняет своё состояние. Из расплавленного материала получается стабильная кристаллическая структура.

«Стекло буквально становится новым керамическим покрытием, укладывающимся поверх старого. Потом, когда добавится новое стекло, то же самое произойдёт снова. Это будет постоянно обновляемое покрытие на поверхности турбины», — рассказывает Нитин.

Он и соавторы по исследованию пишут, что покрытие нового типа можно изготавливать при помощи плазменного распыления раствора прекурсора (SPPS process). Так получается состав с точно подобранной «химией».

О том, что удалось сделать экспериментаторам во главе с Падтуром, они рассказывает в своей статье в журнале Acta Materialia.

Падтур подчеркнул, что технология эта находится в зачаточном состоянии: до сих пор исследователи ещё не наносили своё чудо-покрытие на поверхности сложной формы. Да и стоимость (проистекающая из-за энергоёмкости процесса) покрытия получается пока высокой. Развивать этот метод дальше и продвигать его к коммерциализации намерена компания Inframat.

В будущем такое покрытие лопаток, способное самостоятельно зарастать под воздействием агрессивной среды, позволит поднять рабочую температуру перед турбиной, что повысит КПД двигателя, снизит его расход топлива и вредные выхлопы, а главное — повысит стойкость движка к воздействию поднятого в воздух песка.

Фальшивый алмаз в турбине превратит ущерб в пользу

Слева: обычное керамическое покрытие лопаток, разрушенное расплавленным стеклом (слой вверху). Справа: новое покрытие, сопротивляющееся такому разрушению путём включения переплавленного и изменённого чужеродного материала в свой состав. Поперечник каждого снимка — около половины миллиметра (фотографии Aysegul Aygun, Nitin Padture/Ohio State University).

Кстати, когда Нитин начинал своё исследование, он думал в первую очередь о военных самолётах. И неспроста исследования Падтура по самозаживляющим покрытиям турбин финансируют управление военно-морских исследований США (Office of Naval Research) и воздушное командование ВМФ Америки (Naval Air Systems Command).

Но в дальнейшем новая технология могла бы распространиться и на гражданскую авиатехнику, и на стационарные газовые турбины, работающие в качестве электростанций, и на автомобили. На последних газотурбинные турбовальные движки пытались ставить ещё в 1950-х, только толку от этого было мало — машины получались слишком прожорливыми.

Надо сказать, что изобретатели не раз придумывали различные материалы, способные заживлять сами себя после незначительных повреждений. Вспомним, к примеру, самовосстанавливающиеся бетон для домов и автомобильную краску. Только там необычный материал использовал для затягивания мелких царапин или трещинок свои «встроенные возможности», то есть — некие добавочные компоненты в исходном составе.

Красота же разработки Падтур заключается именно в том, что для наращивания свежего защитного слоя турбины будут использовать вещество, попадающее на них во время «песчаных атак».

А ещё, как утверждают авторы этого исследования, аналогичный метод можно применить и для защиты лопаток от других атакующих их компонентов — золы, соли и разных загрязнителей воздуха. Они будут сами компенсировать наносимый ими вред: взаимодействовать с покрытием турбины и залечивать его повреждения.

Другие статьи:
Интернет журнал НЛО МИР

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

*

code

Редакция рекомендует

close
x