С развитием технологий совершенствуются авиационные двигатели. Конструкторы создают новые силовые установки, которые мощнее, эффективнее и экологичнее своих предшественников. Чтобы показать уровень улучшений, двигатели делят на поколения – с первого до пятого. К 5-му поколению относится ПД-14. При этом конструкторы продолжают работу по созданию новых материалов и технологий, чтобы перейти на следующий уровень.
О том, чем отличаются двигатели разных поколений и какими будут силовые установки будущего в нашем материале.
Поколения авиационных двигателей
Россия входит в пятерку стран, обладающих технологиями полного цикла разработки и производства газотурбинных двигателей, в том числе пятого поколения. Сегодня это самые современные авиационные двигатели.
К пятому поколению относится серийный ПД-14 для среднемагистральных самолетов, перспективные двигатели ПД-8 и ПД-35.
Двигателестроители используют понятие «поколение», чтобы показать степень совершенства нового изделия. Поколения газотурбинных двигателей различаются между собой техническими и технологическими решениями, которые позволяют существенно повысить абсолютные и удельные показатели. Газотурбинные двигатели оценивают по нескольким основным критериям.
Прежде всего, это обеспечение высокого уровня безопасности конструкции, в том числе при внешних воздействиях. Например, при попадании посторонних предметов, таких как лед, птицы, вулканический пепел.
Также учитываются параметры рабочего цикла - максимальная температура газа перед турбиной и степень повышения полного давления в компрессоре, а также уровень КПД лопаточных машин. Эти параметры напрямую влияют на удельный расход топлива, что имеет большое значение при эксплуатации.
Другой показатель - удельная масса двигателя. Улучшить его массогабаритные характеристики позволяет сокращение количества ступеней компрессора и турбины. Это достигается, в том числе, за счет совершенствования расчетных методов, а также использования более прочных и легких материалов.
Ресурс двигателя тоже важный параметр авиадвигателя. Возможность длительной эксплуатации без демонтажа, снижение трудоемкости технического обслуживания и ремонта увеличивает экономический эффект при его эксплуатации.
Кроме того, обязательными условиями для авиационных двигателей является соблюдение экологических требований.
От первого поколения к пятому
Первые экспериментальные газотурбинные двигатели были созданы в конце 1930-х годов. Серийные двигатели первого поколения начали выпускать в 1940-1950-х годах. Они имели один вал, неохлаждаемую турбину, а традиционные для авиадвигателей тех лет материалы - сталь, алюминиевые и магниевые сплавы. Температура газа перед турбиной достигала 1000-1150 Кельвина, а центробежный или осевой компрессор позволял повышать давление в 3-5 раз.
Во втором поколении двигателей уже использовались жаропрочные сплавы. За счет этого удалось повысить уровень температур до 1250 градусов Кельвина, а степень повышения давления в компрессоре довести до 8-13. Двухкаскадная схема позволила создать компрессоры с высокой газодинамической устойчивостью.
За первые два десятилетия конструкторы разработали четкую теорию проектирования изделий. И для третьего поколения двигателей в 1960-х годах были созданы лопатки турбины с принудительным охлаждением. Благодаря этому температуры перед турбиной удалось повысить до 1300-1450 Кельвина. Кроме того, появились двухконтурные двигатели, которые имели более высокий КПД и сниженный уровень шума. Степень повышения давления в компрессоре достигла 20.
В четвертом поколении двигателей революцию произвело применение монокристаллических лопаток с высокоэффективной системой охлаждения. Благодаря этому температура перед турбиной повысилась до 1500-1650 градусов Кельвина. Что важно, был положен предел росту числа ступеней компрессора и турбины при степени повышения давления в 20-35 крат. Также компрессоры стали более компактными и в газогенераторах появились одноступенчатые турбины с высокой степенью перепада давления. Прорывным решением было внедрение трехвальной схемы.
Сегодня газотурбинные двигатели четвертого поколения находятся в активной эксплуатации, например, ПС-90А производства предприятия ОДК-Пермские моторы. Двигатель устанавливается на все модификации самолетов Ил-96 и Ту-204.
В начале 2000-х были отработаны решения, которые позволили приступить к созданию двигателей пятого поколения. В результате были заметно повышены основные показатели газотурбинных двигателей. Так, турбина стала «выдерживать» до 1850-1900 градусов Кельвина, двух- или трехвальный компрессор обеспечивал повышение давления на уровне 25-50 при умеренном количестве ступеней, а также увеличилась степень двухконтурности.
Еще одна особенность пятого поколения – унифицированные решения, которые позволяют быстрее и с минимальными затратами создавать семейства и подсемейства двигателей.
Двигатели пятого поколения
Отечественным двигателем, который относится к пятому поколению является ПД-14, созданный для самолета МС-21-310. Его серийно производят на предприятии ОДК-Пермские моторы.
ПД-14 – двухвальный двигатель с раздельными потоками воздуха и прямым приводом вентилятора. Двигатель состоит из 14 модулей, половину из которых можно заменять в эксплуатации, не снимая силовую установку с крыла. Унифицированный газогенератор получил восьмиступенчатый компрессор и двухступенчатую турбину.
Что важно, для создания двигателя были отработаны 16 критических технологий, обеспечивших двигателю конкурентоспособность и создано 20 новых материалов. К новациям, отличающим ПД-14 от предыдущих поколений двигателей, можно отнести применение широкохордных полых титановых лопаток. Это решение было применено впервые в российской практике, что позволило сократить массу лопатки на 30% в сравнении с традиционной технологией. При этом КПД вентилятора выше, чем в двигателе четвертого поколения ПС-90А.
В ПД-14 лопатки турбины высокого давления изготовлены из новых материалов с высокоэффективным охлаждением. В компрессоре высокого давления широко применяются диски типа «блиск» и новое поколение никелевого гранульного сплава.
В камере сгорания конструкторы ОДК использовали керамическое теплозащитное покрытие второго поколения, а детали зоны горения выполнены из жаростойкого интерметаллидного сплава. В турбине реализовано активное управление зазорами, существенно повышающее КПД, также используются керамические теплозащитные покрытия и новые сплавы.
Наконец, впервые двигателестроители вместе с силовой установкой разработали мотогондолу с реверсивным устройством. При ее изготовлении применены композиционные материалы, а реверс имеет электромеханический привод.
Одним из ключевых отличий проекта ПД-14 от разработок предыдущих десятилетий является создание целого семейства двигателей различного назначения на базе унифицированного газогенератора. Например, разработка газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа мощностью 12 МВт и 16 МВт.
К пятому поколению относится созданный ОДК двигатель ПД-8, а также двигатель-демонстратор технологий ПД-35, который сейчас разрабатывается. При этом по некоторым параметрам ПД-35 должен выйти за рамки, характерные для пятого поколения.
Так, корпус вентилятора ПД-35 и мотогондола с ламинарным обтеканием будут созданы с применением полимерных композиционных материалов. В высокоэффективном компрессоре высокого давления планируется применять деформируемые сплавы нового поколения для лопаток и дисков.
Кроме того, малоэмиссионная камера сгорания, которая будет отвечать перспективным экологическим требованиям, тоже из новых материалов. Это решение позволит повысить температуру газа перед турбиной примерно на 100 градусов.
Также будут достигнуты показатели степени двухконтурности 11 единиц и степени повышения давления в компрессоре свыше 50. Газогенератор разрабатывается с девятиступенчатым компрессором и двухступенчатой турбиной, компрессор низкого давления – с пятью ступенями, а турбина низкого давления – семиступенчатой.
Новое поколение на горизонте
Облик и технические характеристики двигателей шестого поколения пока разрабатываются. Акцент делается не только на росте параметров цикла, но и на использовании новых схем, таких как распределенные силовые установки, силовые установки изменяемого цикла, двигатели с «открытым ротором», гибридные и электрические силовые установки. Большой эффект должно принести объединение силовой установки с летательным аппаратом.
Среди перспективных технологий, над которыми также предстоит работать, чтобы прийти к шестому поколению – создание деталей из керамических композиционных материалов и армированной керамики, разработка новых керамических покрытий, позволяющих повысить рабочие температуры. Большие перспективы улучшения характеристик связаны с внедрением интерметаллидов титана.
В двигателях будущего будут широко применяться такие технологии как ротационная и линейная сварка трением, различные аддитивные технологии, в том числе и печать керамическими материалами.
Наконец, создание надежных подшипников, редукторов, способных передавать большую мощность, открывает путь к созданию нового поколения двигателей со сверхвысокой степенью двухконтурности, а применение регулируемых лопаток вентилятора обеспечит высокий КПД изделия в широком диапазоне эксплуатационных режимов.
Создавать двигатели – долго и дорого
Глядя на график изменения основных показателей авиационных двигателей, можно сложить ошибочное мнение, что движение от поколения к поколению – линейный процесс, где каждый шаг – рост показателей на 15-20% – дается с одинаковым усилием.
По оценкам, сделанным в США, на создание двигателя шестого поколения придется потратить примерно в 3,5 раза больше времени и в 15 раз больше средств, чем было потрачено на третье поколение. Что характерно, три четверти времени и средств придутся на этапы проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
В пятом поколении НИОКР занимали примерно 16 лет, в шестом – ориентировочно 20 лет. В этих оценках кроется ответ на вопрос, почему на создание нового авиационного двигателя требуется не год-два, а в среднем 10-15 лет.
Хотите первыми смотреть новые видео об авиационных двигателях и быть в курсе самых последних новостей ОДК?
Подписывайтесь на официальный телеграм-канал ОДК 👉 https://t.me/uecrus_official