Все мы являемся потребителями транспортных и энергетических услуг, предоставляемых нам, как клиентам, транспортными и энергетическими компаниями. И, естественно, что мы заинтересованы в том, чтобы эти услуги имели низкие цены и большое разнообразие выбора. При этом общий цивилизационный интерес состоит в том, чтобы и транспорт, и энергетика были по возможности как можно более чистыми в смысле экологии и оказывали наименьшее техногенное давление на окружающую среду.
Все эти и частные, и общие интересы зависят от уровня развития науки, техники и технологий, благодаря которым создаются средства транспорта и энергетики, а также их инфраструктуры. Естественно, что мы, как потребители, готовы сегодня платить за то, чтобы завтра эти интересы были удовлетворены наилучшим образом. А это, в основе своей, зависит от решения проблем современных двигателей – самых сложных технических объектов, составляющих фундамент, на котором построены все виды транспорта и энергетики.
Одним из видов широко востребованного транспорта сегодня является авиация. Ее основу составляют газотурбинные двигатели. При этом они же составляют основу многих энергетических объектов. Высокие цены современных авиационных и энергетических услуг обусловлены высокой стоимостью этих двигателей и низкой их экономичностью в эксплуатации. И то, и другое вызвано отсутствием решения ряда проблем современного авиационного двигателестроения.
Первой проблемой современного авиационного двигателестроения является недостаточно высокий уровень технического совершенства современных газотурбинных двигателей из-за высокой сложности конструкции их турбин, обусловленной чрезмерным числом ее деталей. Именно этот недостаток является причиной:
• их недостаточно высокой надежности;
• чрезмерного потребления природных ресурсов при производстве турбин;
• чрезмерных производственных и эксплуатационных издержек;
и как следствие:
• высоких цен средств авиационного транспорта и энергетики;
• высоких цен транспортных и энергетических услуг.
Эта проблема может быть решена путем упрощения конструкции турбины за счет сокращения числа ее деталей. Это основной путь современного авиационного двигателестроения.
Второй проблемой современного авиационного двигателестроения являются недостаточно высокие свойства жаропрочности и жаростойкости хромоникелевых сплавов, применяемые в качестве материалов рабочих лопаток и силовых дисков турбин газотурбинных двигателей и невозможность из-за этого увеличить температуру газов перед ними. Именно этот недостаток является причиной низкой тепловой эффективности современных газотурбинных двигателей и приводит к чрезмерному сжиганию ими топлива и недопустимому загрязнению продуктами сгорания окружающей среды.
Для преодоления этого недостатка применили:
легирование этих сплавов различными химическими элементами, вплоть до рения и рутения, химическим способом для повышения их свойств жаропрочности и жаростойкости;
охлаждение рабочих лопаток и силовых дисков турбин конструкторским способом для снижения их температур до уровня рабочих.
На сегодня оба эти варианта исчерпаны по своим возможностям как способам решения описанной проблемы. Эта проблема может быть решена путем применения материалов с более высокими свойствами жаропрочности и жаростойкости.
Третьей проблемой современного авиационного двигателестроения является высокая плотность хромоникелевых сплавов. Этот недостаток предопределяет чрезмерный вес турбин и соответственно, чрезмерный вес газотурбинных двигателей.
Этот недостаток является естественный и потому непреодолим. Поэтому эта проблема может быть решена только путем замены хромоникелевых сплавов материалами меньшей плотности.
Четвертой проблемой современного авиационного двигателестроения является высокая цена хромоникелевых сплавов, которая обусловлена высокой ценой легирующих элементов, мало распространенных в природе и требующих для своей добычи использования большого количества природных ресурсов и больших усилий по их переработке. Этот недостаток предопределяет чрезмерную стоимость рабочих лопаток и силовых дисков, в частности и, соответственно, турбин и современных газотурбинных двигателей в целом.
Этот недостаток является также естественный и потому непреодолим. Поэтому эта проблема может быть решена только путем замены хромоникелевых сплавов материалом меньшей цены.
Пятой проблемой современного авиационного двигателестроения является высокая сложность технологий изготовления рабочих лопаток и силовых дисков турбин и высокая степень загрязнения окружающей среды их производством. Это обуславливает большую длительность и высокую себестоимость их изготовления.
Эту проблему сегодня частично решают при помощи разработки новых технологий уменьшенной сложности, ресурсоемкости, стоимости и повышенной экологической чистоты. К таковым сегодня в частности относятся аддитивные технологии.
С цивилизационной точки зрения наличие таких проблем в конечном итоге обуславливает чрезмерное техногенное давление на окружающую среду при недостаточной транспортной и энергетической обеспеченности потребителей.
Наличие описанных выше проблем и отсутствие эффективных решений по ним стало сегодня причиной малого круга потребителей авиационных транспортных и энергетических услуг, что, в свою очередь, является причиной малой массы прибыли производственных компаний авиационного двигателестроения и авиастроения, а также транспортных и энергетических компаний, предоставляющих эти услуги.
Большинство из перечисленных проблем могли бы быть решены устранением первопричины путем замены современных хромоникелевых сплавов материалами с:
• высокими свойствами жаропрочности и жаростойкости;
• уменьшенной плотности и цены.
Материаловеды создали такие материалы в 70-е годы прошлого столетия. Ими стали конструкционные композитные керамики. Они:
• отличаются высокими показателями жаропрочности и жаростойкости;
• ориентировочно, в 3 и более раз легче хромоникелевых сплавов;
• состоят из широко распространенных и легкодоступных химических элементов.
Вместе с тем технологии их получения просты, малозатратны, а экологически достаточно чисты.
Однако применению конструкционных композитных керамик в качестве материалов рабочих лопаток турбин воспрепятствовали две проблемы, обусловленные их свойствами:
• хрупкость, которая проявляется в условиях приложения к рабочим лопаткам нагрузок растяжения, которые в них неизбежно возникают при вращении;
• низкая трещиностойкость, которая проявляется в условиях жесткого механического контакта прилегающих поверхностей хвостовиков керамических рабочих лопаток и пазов силовых дисков при частых термоударах.
Для решения этих проблем, по информации информированного источника из Массачусетского технологического института, только США за многие десятилетия исследований потратили более 13-ти миллиардов долларов. Однако безуспешно. Аналогичными исследованиями занимались конструкторские проектные подразделения всех европейских и азиатских компаний. И также безуспешно.
Идея впервые в мире предоставляет возможность решить все описанные выше проблемы.
Первую проблему идея позволяет решить путем упрощения конструкции турбины за счет отказа от силовых дисков.
Вместе с тем идея позволяет решить также и проблемы применения конструкционных композитных керамик в качестве материалов рабочих лопаток турбин конструкторским способом. Он состоит в изменении:
• количества основных элементов конструкции турбины;
• количества функций, исполняемых этими элементами конструкции турбины;
• способов взаимодействия между этими элементами конструкции турбины.
Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно констатировать, что после реализации идеи «в материале» цивилизация обретет технологию изготовления турбины без силовых дисков с керамическими рабочими лопатками с уникальными техническими, экономическими и экологическими свойствами.
Перспективные газотурбинные двигатели с такими турбинами станут значительно мощнее, меньше, проще, легче и дешевле в производстве, а также экономичнее и экологически чище в эксплуатации. Аналогичные положительные преобразования коснутся и всех авиационных и энергетических средств, что приведет к резкому удешевлению предоставляемых транспортных и энергетических услуг, расширению круга потребителей и повышению массы прибыли всех участников описанной выше цепочки, от производителей, до эксплуатационников. Потребитель же получит транспортные и энергетические услуги по сниженным ценам расширенного предложения. Техногенное давление цивилизации на окружающую среду при этом будет снижено.
Единственными пострадавшими после реализации идеи «в материале» станут металлурги и вся производственная цепочка до них, начиная с геологов, которые заняты разведкой руд, содержащих необходимые химические элементы. Для них технология изготовления турбин без силовых дисков и керамическими рабочими лопатками станет закрывающей.
По этим причинам данная идея будет столь востребована почти всеми.