Деловая слава России


Новости



МЕЖОТРАСЛЕВОЙ АЛЬМАНАХ

Свежий номер альманаха, Архив номеров, Подписка на альманах, Реклама в альманахе, Контакты


АКТУАЛЬНАЯ ТЕМА



Опрос

Нужно ли стремиться вернуть в Россию учёных, уехавших жить и работать за границу?
Да, не стоит упускать умных и талантливых людей
Скорее да, но вряд ли наше государство сможет обеспечить им заграничный уровень жизни
Скорее нет, лучше обеспечить хорошие условия тем, что ещё не уехали
Нет, лучше вложить средства в воспитание и развитие молодых учёных
Другое








Деловая слава России » Промышленность » Проектирование авиационных двигателей

Промышленность: Проектирование авиационных двигателей - 21-07-2015, 16:06

Проектирование авиационных двигателей

 

Владимир Иванович БАБКИН

генеральный директор ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
Александр Игоревич ЛАНШИН

научный руководитель, заместитель генерального директора
Анатолий Сергеевич ПОЛЕВ

начальник отдела перспектив развития воздушно-реактивных двигателей

Владимир Николаевич ФЕДЯКИН начальник сектора

 

СОЗДАНИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 2025-2030 ГОДОВ.

ПРОБЛЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОРЫВНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И НОВЫХ КРИТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Авиационный двигатель — ключевое звено любого летательного аппарата, определяющее его летно-технические характеристики, безопасность, надежность, экономичность,  стоимость эксплуатации. Он создается в 1,5–2 раза дольше планера и авиационного оборудования, следовательно, требуется опережающая отработка критических технологий, чтобы двигатель и самолет пришли к «финишу» одновременно. Такой подход соответствует современной методологии создания и модернизации авиационных двигателей, направленной на существенное повышение роли научно-технического задела (НТЗ) по критическим технологиям, узлам и системам перспективных двигателей и на увеличение объемов их экспериментальной отработки на этапе научно-исследовательских и экспериментальных работ (НИЭР).

 

 

Разработка опережающего НТЗ играет ключевую роль в обеспечении конкурентоспособности выпускаемой авиационной техники. В целях достижения максимально возможного уровня технического совершенства, снижения сроков и стоимости разработки двигателей постоянно ведется опережающая отработка новых технологий и технических решений в рамках специальных программ. Во многом благодаря этим программам, проводимым при активной поддержке со стороны государства, и обеспечивается конкурентоспособность авиадвигателестроительных компаний на мировом рынке.

 

 

В обеспечении создания НТЗ в области авиадвигателестроения ведущая роль должна принадлежать государственному сектору науки в лице государственных научных центров – ГНЦ (ЦИАМ – головной институт двигателестроительной подотрасли, ЦАГИ, ГосНИИАС, СибНИИА, ВИАМ и другие). В настоящее время ГНЦ, обладающие высоким научным потенциалом, научными школами и уникальной экспериментальной базой, – единственная существующая система по созданию и переводу научных и инженерных достижений фундаментального и прикладного характера в конкурентоспособную инновационную продукцию при тесной кооперации с предприятиями отрасли.

 

Проектирование авиационных двигателей

 

С каждым новым поколением авиационных двигателей (рис. 1) возрастает роль и объем научных исследований при их создании. Так, при разработке двигателей четвертого поколения на опережающие научные исследования (по экспертной оценке) авиадвигателестроительными фирмами затрачивалось 15-20% от объема финансирования всего проекта. При создании двигателей пятого поколения эта цифра возросла до 50-60%. Прогноз для двигателей шестого поколения – более 70%. Причем каждое новое поколение ставит перед исследователями и разработчиками все более сложные задачи по повышению экономичности, снижению шума и эмиссии вредных веществ, повышению надежности, увеличению ресурса и снижению стоимости эксплуатации авиационных двигателей.

 

 

При создании двигателей четвертого поколения 1970-90-х годов (рис. 2, ПС-90А) остро встали проблемы повышения эффективности компрессоров и турбин, сокращения числа их ступеней, что потребовало интенсификации газодинамических процессов, решения проблем совершенствования материалов, методов прочностного проектирования с помощью численных методов и новых методов физического эксперимента. В эти годы значительно возросли требования к экологическим характеристикам авиадвигателей (шум, эмиссия) при общей тенденции роста параметров рабочего процесса турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД).  Создание целой гаммы ТРДД четвертого поколения показало, что отечественное авиадвигателестроение по своим научным, технологическим и производственным возможностям в 1970-1980 годах находилось на мировом уровне.

 

Проектирование авиационных двигателей

Для двигателей пятого поколения обязательным условием обеспечения конкурентоспособности стал переход на новую методологию создания авиационных двигателей, базирующуюся на опережающем создании НТЗ. При использовании разработок опережающего НТЗ существенно сокращается стоимость и продолжительность этапа ОКР двигателя. Такой подход (рис. 3) реализован при создании ТРДД пятого поколения ПД-14 (рис. 4) для пассажирского самолета МС-21 (рис. 5). Очевидно, что, не обладая необходимым уровнем технологической готовности к созданию современного авиационного двигателя, невозможно создать конкурентоспособные образцы. При высоком уровне технологической готовности разработанных перспективных технологий, ведущие производители авиационных двигателей в состоянии создать конкурентоспособный двигатель в относительно короткий промежуток времени.

 

Основные направления развития авиационных двигателей связаны с оптимизацией термодинамического цикла: повышением давления в цикле, температуры газа перед турбиной, коэффициентов полезного действия узлов, снижением потерь полного давления во входных и выходных устройствах. Актуальной тенденцией стало последовательное повышение степени двухконтурности двигателей. Важными резервами для улучшения топливной и весовой эффективности двигателей были и остаются улучшение свойств конструкционных материалов, совершенствование схем охлаждения, внедрение композиционных материалов. Перспективным направлением развития двигателей стало создание интеллектуальных узлов с активным управлением рабочим процессом.

 

Проектирование авиационных двигателей

Перспективный отечественный ТРДД отличается улучшением экономичности на 10-15%, уменьшенными уровнями шума и эмиссии по сравнению с ТРДД предыдущего поколения (ПС-90А). В обеспечение создания этого двигателя ЦИАМ совместно с предприятиями отрасли (в первую очередь, с ОАО «Авиадвигатель»), начиная с 2000-х годов, при крайне ограниченном финансировании создал НТЗ для широко хордного малошумного вентилятора с облегченными рабочими лопатками, малоступенчатого высоконапорного компрессора высокого давления с рабочими колесами типа «блиск», высокоэффективных турбин, шевронных сопел, звукопоглощающих конструкций нового поколения и другое. В основе этого лежат исследования ЦИАМ по определению облика и рациональным параметрам двигателей пятого поколения, которые позволили организовать программноцелевые разработки по накоплению в отрасли необходимого НТЗ по элементам двигателя, новым материалам, прогрессивным технологиям.

 

 

Создание отечественного двигателя пятого поколения ПД-14 является важнейшей задачей авиационной промышленности. В соответствии с техническим заданием, двигатель ПД-14 должен обеспечить высокие параметры экономичности, экологичности и надежности. Так удельный расход должен быть примерно на 15% ниже достигнутого в нашей стране уровня. Сокращение стоимости жизненного цикла в сравнении с современными зарубежными аналогами должно быть на уровне 11-24%. Проектом предусмотрено снижение шума и уровня эмиссии относительно норм ИКАО 2008 года более чем на 30%. Показатели, характеризующие надежность двигателя, заложены на уровне: наработка на выключение двигателя в полете – свыше 200 тысяч часов, надежность вылета воздушного судна (ВС), связанная с готовностью двигателя, – более 99,96%. Двигателями семейства ПД-14 планируется комплектовать ВС семейства МС-21, SSJ и перспективные транспортные самолёты, например, многоцелевые транспортные самолеты (МТС). Помимо этого возможно проведение ремоторизации существующего парка (Ил-76, Ту-204, Ил-96-400) с использованием двигателей семейства ПД-14. Общая заявленная цель создания ПД-14 состоит в выходе его на мировой рынок и завоевании до 2025 не менее 10% мирового рынка авиационных ТРДД в классе тяги 9...18 тс и 10% рынка промышленных газотурбинных установок (ГТУ) в классе мощности 6...30 МВт.

 

Проектирование авиационных двигателей

 

Для достижения высоких показателей, отвечающих пятому поколению авиационных двигателей, при создании ТРДД ПД-14 реализуются следующие современные технологии (рис. 6):

• широкохордные пустотелые титановые стреловидные рабочие лопатки вентилятора;компрессор высокого давления с высоконапорной 1-й ступенью, блисками 1-й и 2-й ступеней, сварным ротором и дисками 6-8-й ступеней из никелевого гранульного сплава нового поколения;
• малоэмиссионная камера сгорания с применением керамического теплозащитного покрытия и интерметаллидного сплава;
• турбовинтовой двигатель с рабочими лопатками из монокристаллического сплава нового поколения, сопловыми лопатками из интерметаллидного сплава, керамическими теплозащитными покрытиями 2-го поколения, дисками 1-2 ступеней из никелевого гранульного сплава нового поколения;
• корпус промежуточный двигателя – литой из титанового сплава (крупногабаритное литье);
• центральный привод с зубчатыми колесами конической передачи, изготавливаемыми с высокой степенью точности;
• коробка приводных агрегатов с корпусом коробки без разъема из алюминиевого сплава и зубчатыми колесами, изготавливаемыми с высокой степенью точности;
• турбины низкого давления с пустотелыми рабочими и сопловыми лопатками 1-4 ступеней;
• мотогондола для двигателя с широким применением полимерных композиционных материалов, реверсивным устройством решетчатого типа;
• САУ с применением датчиков интеллектуального типа (FADEC).
В 2011 году начались работы по формированию НТЗ для двигателей шестого поколения (2030-х годов) с учетом возможной реализации отдельных результатов при создании и модернизации двигателей ближне-средней перспективы 2020–2025 годов.

 

 

На основе анализа состояния и тенденций научно-технологического развития и разработанного прогноза научно-технического и конструкторскотехнологического развития авиационных двигателей 2030 годов определены основные направления создания необходимого экспериментально обоснованного НТЗ в обеспечение разработки конкурентоспособных перспективных авиационных газотурбинных двигателей гражданской авиации (ГА). Сформулированы требования к материалам, которые необходимы для обеспечения конкурентоспособности двигателей. Разработаны концепции перспективных двигателей и силовых установок.

 

Проектирование авиационных двигателей

 

На рис. 7 представлены перспективные критические технологии, реализуемые в разрабатываемых двигателях шестого поколения. Закономерности развития авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) носят непрерывно-шаговый характер, обусловленный последовательным накоплением объема знаний, осознания опыта разработок и эксплуатации, освоения новых технологий создания высокоэффективных узлов и элементов. Эти обстоятельства, наряду с факторами конкуренции и поддержания паритетности, формируют поколения двигателей. Поколение авиационных ГТД характеризуется типом и назначением двигателя, уровнем параметров цикла, принципиальной схемой узлов, конструкционными материалами и технологией изготовления узлов.

 

Проектирование авиационных двигателей

 

Проектирование авиационных двигателей

Проектирование авиационных двигателей

На рис. 8–10 показаны основные максимальные параметры рабочего процесса ГТД с взлетной тягой Rвзл = 6...53 тс для дозвуковой пассажирской авиации. Максимальная температура газа перед турбиной к началу XXI века выросла до уровня 1750…1850К (рис. 8). Максимальные значения степени повышения давления в компрессорах достигли уровня π*кΣ=40…50 (рис. 9). Развитие ТРДД ГА по степени двухконтурности, также носящее этапный характер, от ТРДД с большой m = 4,5…6 перешло к ТРДД со сверхбольшой m = 8…12 (рис. 10). Из анализа планов и программ работ в США и Европе по исследованиям и разработкам в области авиации на период до 2025-2030 годов следует, что для обеспечения доминирующего положения на мировом рынке ими составлены и при значительной государственной поддержке реализуются долгосрочные планы.

 

 

Двигателишестого поколения будут характеризоваться следующими достижениями (критериями) в обеспечение очень высоких целевых индикаторов:

 

• максимальная температура газа перед турбиной 1950...2200К;
• степень повышения давления в компрессоре до 70 (80);
• степень двухконтурности 15...20 (35...50);
• двигатели сложных схем;
• приведенный расход воздуха на выходе из компрессора < 1.0 кг/с;

• широкое применение композитных материалов.


Эксплуатационные показатели, характеризующие двигатели шестого поколения для магистральных самолетов как инновационные продукты, должны отвечать уровню:


• снижение СRкр на 20...30%, удельной массы – на 10% (к 2000 году);
• снижение шума на 40 EPN dB по сравнению с нормой Гл. 4 стандарта ИКАО;

снижение эмиссии NOx на 75...80% к Нормам 2008 года;
• наработка на выключение в полете – не менее 500 тысяч часов;
• ресурсы основных деталей «гор»/«хол» частей 25/50 тысяч полетных циклов (для ближне-средних магистральных самолетов);
• наработка на посещение цеха для ремонта – не менее 20 тысяч часов.

 

 

Проектирование авиационных двигателей

В институте в целях формирования НТЗ для определения облика различных концепций авиационных двигателей и силовых установок перспективных региональных и магистральных самолетов 2030 годов рассматриваются: ТРДД с повышенными параметрами цикла и сверхвысокой степенью двухконтурности; турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД) – открытый ротор; двигатели сложных циклов; распределенные силовые установки; гибридные ТРДД с дополнительным приводом вала вентилятора от электромотора и другие (рис. 11). Для того, чтобы наша авиастроительная промышленность осталась конкурентоспособной, необходимо уже сейчас думать о том, что и как будет ею производиться в 2030 годы, совершенствуя науку, технику, технологию, производственные процессы, вычислительную базу, готовить кадровый состав науки и производства.

 

Межотраслевой альманах №49/2014 год

 




 

Другие новости по теме:


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.


АКТУАЛЬНО:

Календарь событий:

«    Июнь 2019    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30