ИСПЫТАНИЯ ПЕРВОГО ОБРАЗЦА ДВИГАТЕЛЯ ПС-90А2

ОАО "Авиадвигатель": Александр Николаевич Семенов, заместитель генерального конструктора - главный конструктор
Софокл Харлампович Полатиди, начальник отдела термодинамических расчетов
Алексей Владимирович Ежов, начальник бригады отдела термодинамических расчетов

С июля 2005 года ОАО "Авиадвигатель", одно из основных предприятий Пермского моторостроительного комплекса, проводит успешные испытания первого опытного образца нового двигателя ПС-90А2, разработка которого ведется в рамках Федеральной целевой программы "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года". Двигатель является глубокой модификацией серийного двигателя ПС-90А и предназначен для установки на самолеты Ту-204-100, Ту-204-300, Ту-214, Ил-96-300, Ил-96-400Т и их модификации.

Основными целями программы создания двигателя ПС-90А2 являются: сертификация двигателя на соответствие требованиям Авиационных правил АП-33; обеспечение соответствия нормам ИКАО 2004 года по эмиссии и соответствия самолетов нормам ИКАО 2006 года по шуму; снижение стоимости жизненного цикла на 37 %; получение разрешения на полеты ЕTOPS для двухдвигательных самолетов; локализация разрушений при обрыве рабочей лопатки вентилятора под корень; повышение пожаробезопасности путем замены части гидравлических топливных агрегатов пневматическими; повышение надежности в 1,5…2 раза; повышение надежности системы автоматического управления и бортовой системы контроля состояния двигателя; уменьшение трудоемкости обслуживания в эксплуатации в 2 раза; повышение стабильности параметров в процессе эксплуатации; обеспечение возможности форсирования по тяге до 18000 кгс; введение многократного использования максимального чрезвычайного режима с увеличением взлетной тяги не менее чем на 10 %.

По сравнению с двигателем ПС-90А основные изменения внесены в конструкции турбины высокого давления (ТВД) и компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания, системы охлаждения рабочих и сопловых лопаток турбины.
В новой ТВД двигателя ПС-90А2 для повышения коэффициента полезного действия были перепрофилированы рабочие и сопловые лопатки обеих ступеней. В целях существенного улучшения теплового состояния рабочих и сопловых лопаток ТВД, увеличения ресурса ТВД изменена система вторичных потоков. Так, для охлаждения корпуса и профиля лопаток соплового аппарата второй ступени, а также ротора ТВД и рабочей лопатки второй ступени используется воздух, отбираемый за десятой ступенью КВД вместо седьмой ступени КВД двигателя ПС-90А.

Отбор охлаждающего воздуха из области с более высоким давлением не только исключил возможность проникновения газа в охлаждаемые лопатки, но и позволил реализовать новые, более эффективные схемы охлаждения лопаток.

Изменение места отбора воздуха на охлаждение рабочих и сопловых лопаток второй ступени ТВД потребовало внесения конструктивных изменений в конструкцию КВД. В феврале и апреле 2004 года модифицированный КВД успешно прошел испытания в составе газогенератора. Параметры воздуха, отбираемого за десятой ступенью КВД, полностью соответствовали расчету.

Таким образом, были обеспечены необходимые условия для проведения испытания новой ТВД.

Испытания новой ТВД также первоначально прошли в составе газогенератора. В ходе этих испытаний было подтверждено соответствие характеристик ТВД проекту; так, к.п.д. ТВД практически совпал с расчетным значением, а коэффициент расхода ТВД был несколько выше проектного значения, что объяснялось отсутствием теплозащитного покрытия на лопатках соплового аппарата первой ступени.

На первом двигателе ПС-90А2 № 93-01 было установлено беспрецедентное число датчиков информации (384 датчика давления и 1032 термопар, термосопротивлений и тензодатчиков). Конечно, это привело к некоторому ухудшению характеристик узлов, к дополнительным потерям давления в канале наружного контура из-за его загромождения дополнительными трубами вывода кабелей, но примененное техническое решение позволило успешно решить поставленные задачи этого испытания.

Дроссельные характеристики, снятые в процессе испытаний, показали хорошую сходимость экспериментальных данных с проектом. Основные параметры двигателя на взлетном режиме практически совпали с расчетными величинами.

При этом по результатам испытаний после оценки вторичных потоков выяснилось, что отборы воздуха на охлаждение турбины от седьмой и тринадцатой ступеней КВД больше проектных значений на 0,5 и 1,5 %, соответственно.

Поскольку корпус КВД претерпел изменения в связи с доработкой, проведенной для обеспечения отбора воздуха от десятой ступени на охлаждение ТВД, а сама ТВД имела измененную конструкцию, в ходе испытаний была исследована эффективность систем активного управления радиальными зазорами (САУРЗ) КВД и турбин.

В проекте было заложено ухудшение к.п.д. КВД на 0,5 % по сравнению с прототипом из-за ожидаемого ухудшения эффективности САУРЗ КВД. Полученные результаты показали, что эффективность САУРЗ КВД действительно снизилась, но меньше, чем было заложено в проекте. Эффективность САУРЗ турбин осталась практически на уровне САУРЗ прототипа, что и было заложено в проекте.

В конструкции двигателя ПС-90А2, как и у его прототипа ПС-90А, для существенного повышения экономичности двигателя на крейсерском режиме в высотных условиях реализовано частичное охлаждение турбины.

Так, отбор воздуха за десятой и тринадцатой ступенями КВД на высоте уменьшается примерно на 2 %. Это единственный двигатель в мире, применяемый в гражданской авиации, на котором реализовано регулирование количества отбираемого воздуха от КВД на охлаждение как сопловых, так и рабочих лопаток ТВД в зависимости от условий полета и режима работы двигателя. Такое техническое решение дает уникальную возможность снижения теплонапряженности горячей части двигателя благодаря возможности отбора воздуха в необходимом количестве на охлаждение турбины на взлетном режиме, на режимах набора высоты без ущерба для экономичности на крейсерских режимах полета.

Результаты испытаний двигателя ПС-90А2 № 93-01 подтвердили расчетные оценки влияния эффективности частичного охлаждения ТВД на основные данные, заложенные в проект ГТД.

Таким образом, подводя предварительные итоги экспериментальных исследований характеристик первого образца двигателя ПС-90А2 № 93-01, можно говорить о том, что полученные основные данные не только соответствуют проекту, но, с учетом негативного влияния дополнительного специального препарирования и повышенного расхода воздуха на охлаждение ТВД и ТНД, у двигателя имеются значительные резервы, позволяющие уменьшить удельный расход топлива и снизить температуру газа перед турбиной.

Кроме того, при проведении прочностных и тепловых расчетов в проекте были заложены значительные запасы по Т*_СА1 , что объяснялось наличием рисков при создании модифицированных и новых узлов (КВД, ТВД, камеры сгорания).
С учетом вышесказанного, запас по Т*_СА1 составит не менее 50 К, что является хорошей основой для увеличения тяги двигателя ПС-90А2 в перспективе.