Когда мы говорим о современных авиадвигателях разработки и производства ОДК, мы используем понятие «поколение авиадвигателей». На сегодняшний день их пять. Чем определяются поколения авиадвигателей? Во-первых, комплексом материалов, которые используются в их конструкции, во-вторых, комплексом технологий, применение которых возможно благодаря использованию этих материалов.
Авиадвигатели первого, второго и третьего поколений
В конструкции двигателей первого поколения использовали сталь, сплавы алюминия и магния. Степень повышения полного давления в компрессоре, то есть отношение давления на выходе из компрессора к давлению на входе, составляла 3 – 5,5. Температура газа перед турбиной – 950-1150 кельвинов. Первое поколение авиадвигателей появилось в 1940-е – 1950-е годы.
В авиадвигателях второго поколения начали применять титан и жаропрочные сплавы. В компрессорах появились два каскада: низкого и высокого давления. Это увеличило степень повышения полного давления до 7 – 13. Температура перед турбиной повысилась до 1150 – 1250 кельвинов. Второе поколение относится к 1960-м годам.
Новшеством авиадвигателей третьего поколения стала технология двухконтурности. Два каскада компрессора давали степень повышения полного давления 15 – 20. Лопатки турбины впервые стали охлаждать с помощью воздуха. Это позволило увеличить температуру газа перед турбиной до 1300 – 1450 кельвинов. Авиадвигатели третьего поколения созданы в 1960-е – 1970-е годы.
Первый отечественный авиадвигатель третьего поколения для пассажирских самолетов – Д-20П со степенью двухконтурности 1. Двигатель разработали под руководством конструктора Павла Соловьева в пермском ОКБ-19, сегодня ОДК-Авиадвигатель.
Вершиной развития двухконтурных реактивных двигателей третьего поколения стал авиадвигатель Д-30КП. Двигатель предназначается для транспортных самолетов и производится на рыбинском предприятии ОДК-Сатурн. Его степень двухконтурности составляет более 2.
Авиадвигатели четвертого поколения
При создании авиадвигателей четвертого поколения в 1970-е – 1990-е годы были значительно повышены параметры цикла, которые обеспечили улучшение технических характеристик:
– температура газа перед турбиной - до 1600…1700 К;
– степень сжатия - до 30 – 35;
– степень двухконтурности - до 4 – 6.
Для обеспечения работоспособности «горячей части» двигателя (камеры сгорания, турбины) при повышенных параметрах были внедрены более эффективные системы охлаждения, применены инновационные технологии литья лопаток турбины с направленной кристаллизацией и монокристаллических лопаток, разработаны и внедрены термозащитные покрытия деталей, работающих в газовом тракте. Для обеспечения конкурентной массы двигателя с увеличенной степенью двухконтурности (с увеличенным диаметром вентилятора) начали применяться композиционные полимерные материалы (ПКМ) для деталей наружного контура и мотогондолы.
Мощный технологический рывок в российском гражданском авиадвигателестроении был сделан при разработке отечественного двигателя 4-го поколения ПС-90А в пермском МКБ (сегодня «ОДК-Авиадвигатель») под руководством Генерального конструктора Павла Александровича Соловьева. По сравнению с двигателями 3 поколения Д-30КУ/КП параметры цикла ПС-90А были кардинально увеличены: степень двухконтурности практически в 2 раза, суммарная степень сжатия в компрессоре в 1,9 раза, температура газа перед турбиной повышена на 200 К. Это позволило снизить крейсерский удельный расход топлива на 15 %.
Параметрический «рывок» и значительное повышение топливной эффективности достигнуто применением комплекса передовых для того времени технологий и материалов: высоконапорного 13-ступенчатого компрессора высокого давления; высокотемпературной турбины высокого давления с лопатками с направленной кристаллизацией; дисков, полученных методом порошковой металлургии; высокоэффективного смесителя потоков наружного и внутреннего контуров; композиционных материалов в наружных деталях реверса и сопла; сотовых шумопоглощающих панелей; электронно-цифровой системы автоматического управления.
В двигателе ПС-90А были реализованы новейшие для своего времени принципы контроля, ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности в целом за счет развития принципа модульности конструкции, обеспечено выполнение с запасом действующих норм эмиссии вредных веществ и требований ИКАО по шуму в составе самолетов Ил-96-300 и Ту-204. Использование передовых для своего времени конструктивно-схемных решений и технологий позволили создать двигатель, по техническому уровню соответствующий лучшим двигателям-аналогам конца 20 века. Двигатель ПС-90А сертифицирован в 1992 г. по нормам НЛГС-3.
Авиадвигатели пятого поколения
Разработка авиадвигателей следующего, пятого поколения производится в 2000-2010-е годы, основные параметры цикла характеризуются их дальнейшим значительным ростом:
– температуры газа перед турбиной – до 1800-1900 К;
– степени сжатия – до 40-50;
– степени двухконтурности – до 8-10,
основанным на дальнейшем технологическом рывке.
Первый отечественный гражданский авиадвигатель пятого поколения ПД-14 для ближне- и среднемагистральных самолетов разработан в АО «ОДК-Авиадвигатель» в широкой кооперации с предприятиями ОДК с участием отраслевых научных институтов. При разработке двигателя ПД-14 также, как и ранее двигателя 4-го поколения ПС‑90А, сделан новый скачок в повышении основных параметров относительно ПС-90А: степени двухконтурности – в 2 раза, температуры газа перед турбиной – на 200 К, суммарной степени сжатия в компрессоре – на 10…20 %, что обеспечило снижение крейсерского удельного расхода топлива на 12%.
Создание конкурентоспособного двигателя 5-го поколения в наиболее емком и конкурентном сегменте рынка потребовало внедрения комплекса критических технологий. Важнейшие из них:
- технология изготовления облегченной широкохордной лопатки из титанового сплава с применением сверхпластичного деформирования и диффузионной сварки;
- технология изготовления и ремонта моноколес (блисков) осевого компрессора и сварных роторов из титановых и никелевых сплавов;
- технология создания жаровых труб большого ресурса для экологических чистых камер сгорания с использованием лазерной и электроэрозионной перфорации и термозащитным покрытием;
- технология изготовления лопаток ТВД с высокоэффективным охлаждением из новых монокристаллических и интерметаллидных сплавов и теплозащитным покрытием нового поколения;
- технология изготовления звукопоглощающих конструкций из композиционных материалов и металлов;
- технология обеспечения и подтверждения конкурентноспособного ресурса основных деталей с учетом современных требований международных норм летной годности;
- система автоматического управления с полной ответственностью, которая обеспечивает надежное управление и контроль за параметрами всех узлов и систем.
При проектировании и сертификации двигателя ПД-14 проведен большой комплекс исследований механических характеристик материалов основных и особо ответственных деталей – специальная квалификация материалов, создан Банк данных конструкционной прочности материалов.
Двигатель ПД-14 прошел полный цикл сертификационных испытаний и подтвердил соответствие характеристик требованиям ТЗ и сертификационного базиса. 15 октября 2018 года Авиационный регистр РФ выдал Сертификат Типа на авиационный двигатель ПД-14. Серийное производство двигателя ПД-14 освоено на «ОДК-Пермские моторы» с широким привлечением предприятий отрасли.