|
"ПЕРМСКИЕ
МОТОРЫ" И ЦИАМ - ПРИМЕР ЭФФЕКТИВНОГО СОТРУДНИЧЕСТВА
Научно-технический задел - ключ к успешной реализации проекта создания
нового двигателя для ближне-среднего магистрального самолета
ОАО "Авиадвигатель":
Николай Кокшаров,
заместитель генерального директора, генерального конструктора - начальник
ОКБ
Игорь Максимов, заместитель главного конструктора
Евгений Гузачев, заместитель начальника отдела компрессоров
Николай Андрюков, начальник бригады отдела камер сгорания
Вениамин Белканов, заместитель начальника отделения турбин
Любое конструкторское бюро или институт могут успешно развиваться только в том случае, если они работают над созданием новых проектов. Для ОАО "Авиадвигатель" последние годы основным перспективным проектом является двигатель для ближне-среднего магистрального самолета (БСМС). Создание такого двигателя предусмотрено Федеральной целевой программой "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года", является наиболее актуальной задачей для всего российского моторостроения. Двигатель призван стать базой для разработки целого семейства газотурбинных двигателей, как авиационных, так и наземного применения, и обеспечит сохранение двигателестроительной отрасли промышленности России в 21 веке. Сегодня "Авиадвигатель" и ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" ведут совместные работы по созданию научно-технического задела (НТЗ) в обеспечение разработки нового современного двигателя для БСМС.
К новому двигателю предъявляются следующие основные требования: класс тяги - 12 тс; надежность и ресурс: наработка на выключение в полете не менее 200 тыс. ч; полный назначенный ресурс "горячей" части не менее 20000 полетных циклов, "холодной" части не менее 40000 полетных циклов; надежность вылета ВС, связанная с готовностью двигателя, должна быть не менее 99,95 %; экологическая составляющая должна обеспечить: снижение шума не менее чем на ~10 EPN дБ по сравнению с нормой Гл. 4 ИКАО; снижение эмиссии вредных веществ по NOx на 20...30 % к нормам ИКАО 2008 года; экономичность: крейсерский удельный расход топлива 0,535… 0,55 кг/кгс·ч (М = 0,8 на высоте Н = 11 км).
Кроме того, к двигателю предъявляются
жесткие требования по стоимости изготовления и ремонта, так как новый
двигатель должен быть конкурентоспособным с новейшими двигателями ведущих
двигателестроительных фирм мира.
Достижение этих требований, как показал анализ, связано с очень большими
техническими рисками, для снижения которых необходима разработка ключевых
технологий проектирования и изготовления газотурбинных двигателей. Таким
образом, сегодняшний уровень наших знаний и практический опыт недостаточны
для создания авиационного двигателя с вышеуказанными характеристиками
в жестко заданные сроки и при ограниченном финансировании. Это делает
инвестиции в программу создания двигателя для БСМС рискованными и, следовательно,
программа создания двигателя становится малопривлекательной для инвесторов.
А учитывая, что Программа развития гражданской авиационной техники России
подразумевает обязательное 50…70-процентное внебюджетное финансирование
проектов, то наличие научно-технического задела, становится определяющим
фактором для начала программы создания двигателя.
Исходя
из этих условий "Авиадвигатель" совместно с ЦИАМ приступил
к созданию НТЗ в обеспечение разработки двигателя для БСМС. Проведенные
в 1999…2004 годах исследования позволили определить технический облик
двигателя и его основных узлов.
Работа по созданию НТЗ ведется по следующим основным направлениям: создание
высокоэффективного, высоконапорного, малоступенчатого компрессора высокого
давления (КВД); создание малоэмиссионной камеры сгорания (КС); создание
высокоперепадной, одноступенчатой турбины высокого давления (ТВД); создание
демонстрационного газогенератора и др.
Данная программа создания НТЗ рассчитана на 4…5 лет и подразумевает
обязательное бюджетное финансирование.
Темпы создания НТЗ по двигателю для БСМС были дополнительно ускорены в 2004 г. после открытия НИР "Программа НТЗ" (головной исполнитель ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", соисполнители - отраслевые институты и предприятия промышленности). В 2004 - 2005 гг. проведен большой комплекс исследований, направленных на отработку ключевых технологий в обеспечение создания двигателя для БСМС, но в настоящий момент работы, связанные с созданием НТЗ по двигателю для БСМС, находятся в начальной стадии и их завершение зависит от бюджетной поддержки.
Ключевыми этапами в этой работе являются: изготовление и испытания демонстрационного газогенератора в 2008 г.; изготовление и испытания двигателя-демонстратора вентилятора с широкохордными "облегченными" рабочими лопатками в 2008 г. Этот двигатель-демонстратор планируется изготовить на базе серийного двигателя ПС-90А; изготовление и испытания двигателя - демонстратора технологий в 2009 г.
Все это обеспечит разработку и освоение предприятиями авиационной промышленности России новых технологий проектирования и изготовления перспективных гражданских и военных авиационных двигателей, конкурентоспособных с новейшими разработками ведущих западных фирм и, в конечном счете, обеспечит сохранение российской авиационной промышленности в 21 веке.
Сотрудничество "Авиадвигателя" с ЦИАМ и в области компрессоростроения имеет свои традиции и богатую историю. Его истоки относятся ко времени создания компрессоров двигателей Д-20П, Д-30. Дальнейшее развитие сотрудничество получило при разработке двигателей Д-30Ф6 и ПС-90А; не ослабевает оно и в настоящее время при создании компрессора для двигателя с экономическими, эксплуатационными и экологическими показателями мирового уровня. Для такого двигателя необходимо создать вентилятор, имеющий производительность на 15…20 % выше, чем у современных российских двигателей, при повышенной эффективности сжатия и уменьшенном уровне шума, а также компрессор высокого давления повышенной эффективности с более чем вдвое меньшим числом ступеней.
Для достижения этих целей совместно с ЦИАМ ведется проектирование этих изделий с использованием новейших технологий на всех этапах создания компрессора: аэродинамического, прочностного проекта, разработки конструкторской документации, подготовки технологических процессов.
Для
проверки выполненных проектов, верификации численных методов ЦИАМ и
"Авиадвигатель" проектируют, изготавливают и испытывают модели
отдельных ступеней или ступеней, на которых отрабатываются и проверяются
новые мероприятия.
Испытания проводятся на уникальных установках ЦИАМ.
В настоящее время выполнены расчеты, в "Авиадвигателе" изготовляются и испытываются в ЦИАМ ряд высоконагруженных ступеней (прототипов ступеней КВД двигателя для БСМС) и ступени вентилятора. Все это должно способствовать значительному снижению рисков при создании компрессора нового двигателя.
В кооперации с Институтом проблем сверхпластичности металлов (ИПСМ) РАН идет отработка конструкции и технологии изготовления "облегченных" титановых РЛ вентилятора. В настоящее время получены заготовки, подготовлена оснастка и начато изготовление плоских образцов "облегченных" рабочих лопаток вентилятора методом сверхпластического формования и сваркой давлением (СПФ/СД).
На протяжении длительного времени отдел камер сгорания ОАО "Авиадвигатель" тесно и плодотворно сотрудничает со смежным отделом ЦИАМ. Камеры сгорания практически всех созданных "Авиадвигателем" ГТД так или иначе прошли проверку в указанном отделе ЦИАМ. Запланированы совместные работы по проведению сертификационных испытаний двигателей ПС-90А и ПС-90А-76 с малоэмиссионной камерой сгорания, обеспечивающей нормы Стандарта ИКАО 2004 года и сертификационных эмиссионных испытаний двигателя ПС-90А2.
Основной целью работ, связанных с исследованием процессов, протекающих в камерах сгорания промышленных ГТД, является разработка мероприятий, направленных на снижение эмиссии NОx и СО.
В настоящее время сотрудничество идет в области создания НТЗ для камер сгорания перспективного ТРДД для БСМС и камер сгорания ГТД промышленного применения. К основным работам, выполняемым совместно с ЦИАМ по камере сгорания двигателя для БСМС, можно отнести разработку высокоэффективной системы охлаждения с применением ТЗП, разработку фронтового устройства с высокой степенью перемешивания топливовоздушной смеси, исследование характеристик распыливания, исследование эмиссионных характеристик, снятие диапазона устойчивого горения и характеристик розжига в высотных условиях.
Сотрудничество с ЦИАМ позволяет
существенно повысить качество проектных работ и сократить их продолжительность.
Одноступенчатая ТВД - наиболее эффективное решение для перспективной
двигательной установки. Это подтверждено коммерческим успехом таких
конструкций, как CFM56, CF34-10, внедрением новых разработок (PW6000),
интенсивной разработкой программ научно-технического задела (TECH56,
LEAP56). Однако эффективными такие конструкции могут стать только в
том случае, если удастся реализовать эффективную аэродинамику ТВД с
отношением давлений 4,5…5,0.
Для решения этой задачи с минимальным уровнем риска необходимо: во-первых,
надежное, идентифицированное по эксперименту математическое обеспечение;
во-вторых, экспериментальное обоснование (проверка) основных проектных
решений. По обоим этим направлениям у "Авиадвигатель" и ЦИАМ
накоплен огромный опыт сотрудничества.
Сотрудничество турбинистов "Авиадвигатель" с ЦИАМ в области разработки НТЗ стало наиболее активным со второй половины 80-х годов, когда началось внедрение созданных в ЦИАМ программ моделирования течения в 2D-постановке и статистических моделей потерь.
Сотрудничество
обрело новое дыхание с установлением рыночных отношений. Они ясно показали,
что существует объективная основа для определяющей роли ЦИАМ в разработке
современного математического обеспечения для проектирования и доводки
турбин. "Авиадвигатель" в настоящее время использует целый
комплекс программ аэродинамического 2D/3D-моделирования турбин по уравнениям
Эйлера и Навье-Стокса в решеточной, повенцовой и многоступенчатой постановке.
Процесс внедрения этого математического обеспечения имел двусторонний характер - модели ЦИАМ идентифицированы с использованием экспериментальной базы "Авиадвигателя" по испытаниям турбин. При этом аэродинамические модели ЦИАМ не только протестированы на базе экспериментальных продувок сверхзвуковых эталонных турбинных решеток и натурного эксперимента на газогенераторах и двигателях, но и прошли сравнение с наиболее эффективными коммерческими пакетами (например, CFX-TASCFlow), которыми располагает "Авиадвигатель".
Созданная таким образом надежная проектная база позволила обеспечить максимальную надежность основных проектных решений по аэродинамике перспективной одноступенчатой ТВД. Однако сокращение риска этих решений до приемлемого для полномасштабной реализации проекта уровня может быть обеспечено только экспериментальной проверкой. Эта проверка должна быть реализована не менее чем на двух уровнях - на уровне испытаний моделей лопаточных решеток и на уровне испытаний турбины высокого давления как системы на полноразмерном натурном турбинном стенде в рабочих условиях.
Экспериментальная база ЦИАМ - стенды
для продувки решеток, турбинный стенд ТС-2 для испытаний натурных полноразмерных
турбин - остается уникальной в России и позволяет практически полностью
обеспечить проведение необходимых испытаний.
У "Авиадвигателя" и ЦИАМ накоплен и необходимый опыт совместного
использования этой базы при доводке турбины ПС-90А. В ходе доводки ПС-90А
в 80-х годах были экспериментально исследованы три серии лопаточных
решеток и венцов ТВД и ТНД.
В 90-х годах были проведены испытания полноразмерной ТВД ПС-90А на стенде ТС-2, что позволило уточнить аэродинамические модели ТВД, созданные к этому времени с участием ЦИАМ. Все это, в том числе, позволило спроектировать улучшенный вариант аэродинамики ТВД, который прошел доводку и эксплуатируется к настоящему моменту в 25-мегаваттной газоперекачивающей установке ПС-90ГП-25.
Испытания новых перспективных сверхзвуковых турбинных решеток должны подтвердить аэродинамические прогнозы эффективности этих решеток в малоисследованной сверхзвуковой области чисел Маха 1,3…1,4. Эти решетки уже изготовлены и подготовлены к испытаниям.
На турбинном стенде ЦИАМ ТС-2 планируется испытание одноступенчатой ТВД в сборе с обеспечением натурных условий, в том числе в отношении давлений (чисел Маха в проточной части), работы системы охлаждения и выходных параметров (переходного канала и первой ступени ТНД на выходе).
Большой опыт совместной работы "Пермских моторов" и ЦИАМ им. П.И. Баранова в области газотурбинных технологий, успешная реализация приоритетных государственных задач являются наглядным примером взаимовыгодного сотрудничества крупнейших предприятий отечественного авиапрома.