Молодая наука в ЦИАМ

Старший научный сотрудник отделения «Прочности и динамики авиадвигателей» ЦИАМ Борис Васильев: «Работы – непочатый край. И если не отсиживаться, то придет успех».

С 26 по 28 мая 2015 г. в ЦИАМ прошла традиционная Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении». О конференции нам рассказал её участник, старший научный сотрудник отделения «Прочности и динамики авиадвигателей» ЦИАМ Борис Евгеньевич Васильев, представивший на пленарном заседании доклад «Совершенствование методов прогнозирования долговечности лопаток турбин».

- Борис, расскажите, пожалуйста, о конференции! Насколько это мероприятие интересно и полезно?

- У молодого учёного иногда наблюдается страх выступления, опасение того, что его тему не поймут и не поддержат. На молодежной конференции эти страхи преодолеть легче в силу её особой атмосферы. При этом вопросов к докладчику возникает, может быть, даже больше, но это хорошо. Чем больше ты получаешь откликов на свою работу, тем легче тебе её улучшить. Любая конференция хороша не только тем, что ты делаешь на ней доклад, а тем, что ты видишь, что делают другие. В ходе конференции можно обменяться мнениями в неформальной обстановке. Именно в такой атмосфере и возникают новые идеи. Именно в этом польза подобных мероприятий.

- О чем Вы будете докладывать на конференции?

- Я приготовил два доклада. Начну с того, который был включен в программу пленарного заседания: «Совершенствование методов прогнозирования долговечности лопаток турбин». У этой работы уже есть реализация в виде программы. Это одна из работ по совершенствованию расчёта монокристаллических лопаток. Авторское свидетельство выдано на программу для ЭВМ, которая является реализацией модели ползучести для монокристаллических сплавов. Сейчас не существует общепринятого подхода к расчёту монокристаллических лопаток, между тем для монокристаллов характерна кубическая анизотропия, то есть их свойства в разных направлениях могут существенно отличаться. В расчете необходимо это учитывать. Моя модель позволяет достаточно просто, имея сравнительно небольшое количество экспериментальных данных, провести расчет напряженно-деформированного состояния монокристаллических лопаток турбин. 
Рассматривается в моём докладе и другая тема. Сейчас термин «аддитивные технологии» произносится чаще, чем раньше произносился термин «нанотехнологии». Чтобы полностью реализовать возможности 3D-печати, как часто называют эту технологию, необходимо выходить за рамки имеющегося опыта, то есть применять абсолютно другие подходы к проектированию деталей, в том числе – лопаток. И часть моей работы посвящена передовым технологиям в этой области. Работы по институту в этом направлении возглавляет мой непосредственный начальник Любовь Александровна Магеррамова. Также планируется НИР, соруководителем которой я был назначен. Мы будем прорабатывать адаптацию аддитивных технологий применительно к деталям перспективных двигателей. Это многообещающее направление, но в России оно только начинает развиваться. На некоторых предприятиях уже есть установки, как правило, западного производства, использующие импортные порошки. Работа по созданию собственных аддитивных технологий у нас пока в зачаточном состоянии, и сейчас важно не упустить момент, чтобы ЦИАМ и в этом направлении занял лидирующие позиции.

- Насколько Ваша работа актуальна с точки зрения современных тенденций в проектировании лопаток? В чем Вы видите эти тенденции?

- Одна из основных тенденций – увеличение сложности как твердотельных, так и конечно-элементных моделей, поскольку сейчас применяются всё более и более сложные системы охлаждения лопаток. Сегодня лопатка турбины работает при температурах на 250 – 300 градусов выше температуры плавления. Это всё равно что кубик льда поместить в духовку и обеспечить, чтобы он не только не растаял, но и выдержал продолжительную нагрузку. На охлаждение лопаток турбин высокого давления перспективных двигателей тратится очень много воздуха; она, лопатка, обладает очень сложной системой каналов и перфорирована большим числом отверстий. Чтобы всё это учесть, надо использовать большое число конечных элементов в модели. Особенность метода конечных элементов (МКЭ) такова, что результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния очень чувствительны к качеству сетки. Студентам, которым я читаю лекции в МГТУ им. Баумана в рамках знакомства с предметом, я задаю одну и ту же задачу, и два человека, которые сидят рядом на лабораторной работе, получают результаты, на порядок отличающиеся друг от друга. Результат сильно зависит от качества конечно-элементной модели. Но, это, конечно, специфический пример. Обычно влияние сетки ниже. Во-вторых – использование собственных кодов. Я уже говорил, что по теме моего доклада у меня есть авторское свидетельство. Комплекс расчетных программ МКЭ – это универсальный коммерческий продукт, но чтобы его адаптировать под конкретные задачи, надо разрабатывать модель поведения материалов и, если требуется, создавать свои конечные элементы, которые эту модель описывают. Например, учет кубической асимметрии для монокристаллических лопаток. Третья тенденция – это применение новых методов проектирования, то есть выход за рамки имеющегося опыта, о чем я тоже уже упоминал применительно к аддитивным технологиям. 

- Почему прежний опыт проектирования лопаток не подходит для новой технологии?

- Раньше при проектировании лопатки существовали технологические ограничения: например, толщина стенок при литье. Сейчас считается, что аддитивные технологии если и не дают полную свободу, поскольку в процессе 3D-печати необходимо предусмотреть определенные «поддержки» (если говорить о послойной печати), но свободы гораздо больше, и чтобы реализовать эти возможности, надо по-другому проектировать. Для этого существует так называемая топологическая оптимизация, то есть лопатка описывается как единое целое, а «оптимизатор» на основе определенных ограничений и целевых функций «выедает» из этого целого материал. Получается изделие достаточно необычной формы. Для топологической оптимизации есть более популярное и красивое название – бионический дизайн. Посмотрите на кость: она легкая, но прочная, поскольку внутри пористая. Это тоже достаточно новое направление в двигателестроении, которое требует изменение к подходам проектирования.

- Вы перечислили три современных направления применительно к лопаткам турбин, над которыми Вы работаете: повышение достоверности моделей, разработка собственных кодов для МКЭ и бионический дизайн под аддитивные технологии. Есть что-нибудь еще новое в этой области?

- Да, четвёртое направление – освоение робастного проектирования. Этому посвящен мой секционный доклад «Исследование влияния рассеяния размеров элементов замкового соединения рабочего колеса турбины на его прочностные характеристики». В нем рассказывается об учете разброса геометрических размеров применительно к хвостовым соединениям лопаток. Можно сделать конструкцию, которая по номинальным значениям окажется чуть хуже, но будет более устойчива к разбросу реальных параметров. Мы можем разработать конструкцию с КПД 95%, но при небольшом изменении какого-то размера КПД будет падать до 30%. Суть робастного проектирования – создание конструкции, которая наименее чувствительна к таким отклонениям. Этому и будет посвящен мой секционный доклад. Рассматривается замковое соединение типа ёлочка. Допустимое отклонение при её изготовлении – 8 микрон (мы говорим о реальном изделии для примера). Казалось бы, совсем небольшая величина, но предварительные результаты показывают, что из-за этих отклонений запас по циклической долговечности может изменяться в несколько раз. Номинальный размер остается прежним, но при учёте отклонений прочностные характеристики могут меняться очень сильно. Надеюсь, эта тема может вылиться в новую НИР в ЦИАМ.

- Вам приходилось принимать участие в международных конференциях?

- Да, не раз. Так, например, я дважды выступал на конгрессах Международного совета по аэронавтическим наукам (ICAS), в Санкт-Петербурге и в Австралии. В Санкт-Петербурге мой доклад был посвящён учёту истории нагружения при определении циклической наработки. Лопатка, как и любая деталь авиационного двигателя, работает в нестационарных условиях. Значения нагрузок меняются в течение полёта. Поэтому при расчете надо учитывать историю нагружения. Бывает, что максимальный режим работы двигателя – это не самое худшее сочетание температур в лопатке. У неё есть тепловая инерционность, и худшее сочетание условий для неё может возникнуть на переходных режимах. Это тоже работа, которую надо развивать.

- На конгрессах вы знакомились с докладами иностранных коллег. Оцените состояние дел в ЦИАМ в тех областях, которыми вы занимаетесь, по сравнению с мировым уровнем?

- В данном случае уместно сравнивать не с конгрессом ICAS, а с конференцией Turbo Expo Американского общества инженеров-механиков (ASME), в которой я также принимал участие. Это специализированное и более престижное среди двигателистов мероприятие. В 2014 году она проходила в Дюссельдорфе, присутствовало более 3000 специалистов, сделано около 1230 докладов, это очень большое представительство. Докладов было очень много, но из России – не больше 2% от общего числа. Это не отражает, конечно, истинного уровня российской науки и её вклада в двигателестроение, но говорит, быть может, о неприятной тенденции. Очень много выступало докладчиков из Китая и Индии. Раньше к китайцам было отношение скептическое, но сейчас среди докладов представителей этой страны попадались действительно уникальные работы. Представители западных фирм, таких как Rolls-Royce и General Electric, делали по 100-200 докладов. От России же было около 16 устных докладов. Я не хочу выглядеть паникёром, но, на мой взгляд, это действительно печально. Тенденции в мировом двигателестроении те же самые, по которым идут работы и в ЦИАМе. Ничего принципиально отличного не делается, но одно дело понимать, что надо делать, а другое – делать это. Нам надо догонять. Но, по крайней мере, понятно, куда двигаться. 

- Давайте немного поговорим о Вас лично, как о представителе молодого поколения ученых ЦИАМ. Вы окончили МГТУ им. Баумана по специальности ГТД. Почему выбрали авиационную науку?

- Я учился в лицее при МГТУ им. Баумана, так что выбор института, в принципе, уже не стоял. Мне действительно нравится техника, инженерные науки. Кафедру Э3 «газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» выбрал, поскольку решил, что по перспективности это наиболее интересное направление. 

- Как вы попали в ЦИАМ?

- Более десятка сотрудников ЦИАМ преподают на нашей кафедре, многие ведущие специалисты читают лекции – Ведешкин, Солонин, Ножницкий. Лично мне очень понравились лекции Юрия Александровича Ножницкого, ведущего специалиста по проблемам прочности в ЦИАМ. Я поговорил с заведующим нашей кафедры, попросил содействия в трудоустройстве. Не в маркетинг же идти? Он позвонил Ножницкому. Так я оказался в отделении прочности. Прочность – это лишь часть того, чему меня учили. Но мне понравилось этим заниматься, и вот я работаю здесь уже 10 лет.

- Вы сказали: «не в маркетинг же идти». А ведь в недалёком прошлом почти никто из выпускников технических вузов не работал по специальности. Какова ситуация сейчас?

- Очень много моих однокашников работает не просто по специальности, но именно в ЦИАМ. Если судить по студентам моей родной кафедры, где я уже и сам 8 лет преподаю, то с каждым годом процент людей, которые приходят в ЦИАМ, увеличивается. Иногда я даже путаюсь, вспоминая: это мой студент или не мой студент? Сейчас, к примеру, учится очень сильная группа – такой группы я ещё не видел. Я хотел пригласить нескольких человек в отделение прочности, но оказалось, что 10 человек уже в ЦИАМ – это на 4-м курсе! С одной стороны, хорошо, с другой – расстроило. Первым, кто у них читал лекции из сотрудников ЦИАМ, был Георгий Константинович Ведешкин, ведущий в институте работы по стационарным ГТУ, и все люди пошли к нему. На прочность никого не осталось.

- Переход от студенческой жизни к работе во взрослом коллективе – нелёгкий процесс. Как этот этап прошли Вы? Какой совет можете дать начинающим специалистам?

- Давать советы – дело неблагодарное. Единственное, могу сказать о своём, 200-м подразделении. Это одно из самых молодых отделений. Наверное, половина сотрудников в нём – это люди до 30 лет. В этот коллектив я влился достаточно просто, да и старшие коллеги поддерживали на первых порах, начиная с моего непосредственного руководителя Любови Александровны. Всегда можно было подойти, задать вопрос, всегда ответят, подскажут: почитай то, давай мы с тобой вместе разберемся. Такого ощущения, что меня кинули в воду – и сам учись барахтаться, не было. А трудности преодолеть помогает то же самое, что и везде, не только в ЦИАМ: пахать надо, никого не подводить. Взял работу – делай. А если человек инициативный, то в ЦИАМ всегда найдется много работы, которую можно и самому делать, и даже возглавить. Работы – непочатый край. И если не отсиживаться, то придет успех.
- Над чем именно Вы работаете в институте?
Надо разделять: «работаю над» и «веду тему». Работаю в основном над прочностью лопаток турбин, это статическая прочность и малоцикловая усталость. Что касается ведения тем, то я являюсь помощником руководителя по прочности двигателя ПД-14. Планируется новая НИР, о которой я также рассказывал. Я уже говорил, что если человек инициативный, то ему будет поручен очень большой объем работ.

- Насколько в Вашей работе сбалансированы творчество и рутина?

- Работа у меня очень творческая. Иногда приходится заниматься вещами, которые никогда раньше не делал. Это заставляет развиваться, даёт новый опыт. Приходится и с коллегами общаться, и литературу смотреть. Такого, как во многих КБ, где считают по методичке, у нас нет. Рутина, правда, тоже присутствует. Приходится оформлять ужасно много бумаг. Это, конечно, очень надоедает. По работе мне приходится взаимодействовать с предприятиями отрасли. Частенько езжу в Уфу, но, в основном, в Пермь. Был недавно на сборке 6-го экземпляра ПД-14. Там работа кипит! Приятно, когда видишь гигантское предприятие, цеха переоборудованы самой современной техникой, везде чистота, люди ходят в халатах. Даже какая-то зависть есть, потому что у нас более бумажная работа, а там человек, который, например, проектировал лопатку вентилятора, может взять в руки результат своего труда. Для ПД-14 спроектирована и изготовлена первая пустотелая лопатка вентилятора в истории российского двигателестроения. Это действительно нечто уникальное.

- А на композитные лопатки когда перейдем?

На композитные лопатки как раз мы, ЦИАМ, должны помочь перейти. У нас есть центр компетенции в этой области, который возглавляет Тельман Джамалдинович Каримбаев. У него уже есть прототипы лопаток в размере ПД-14. Здесь ЦИАМ как раз является лидером.

Для справки.

ФГУП «ЦИАМ имени П.И. Баранова» – единственная в стране научно-исследовательская организация, осуществляющая комплексные научные исследования и научное сопровождение разработок в области авиадвигателестроения от фундаментальных исследований физических процессов до совместной работы с ОКБ по созданию, доводке и сертификации новых двигателей, в том числе наземных газотурбинных установок. Все отечественные авиационные двигатели создавались при непосредственном участии института и проходили доводку на его стендах. 
Пресс-служба: +7 (495)- 361-45-97 
press@ciam.ru