|
УДК 629.7.03
ГП "ИВЧЕНКО-ПРОГРЕСС":
НА ПОРОГЕ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
ГП "Запорожское машиностроительное конструкторское
бюро "Прогресс" им. А.Г. Ивченко"
Игорь Федорович Кравченко, генеральный конструктор, руководитель, к.т.н.
Игорь Ювенальевич Степанов, начальник бригады
Александр Николаевич Хусточка, начальник отдела
ГП "Ивченко-Прогресс" еще в 60 - 80-е годы прошлого столетия проводило активную политику создания наиболее передовых авиационных двигателей. Были разработаны первые в СССР ТРДД с большой степенью двухконтурности Д-36 и Д-18Т, первый в мире турбовинтовентиляторный двигатель Д-27, создан научно-технический задел, позволяющий реализовать проект ТРДД нового поколения.
For a period from 1960 to 1980s SE Ivchenko-Progress was pursuing an intensive policy forwarded to design of the most advanced aero engines. The first in the USSR turbofan engines featuring a high bypass ratio, D-36 and D-18, the the world's first propfan engine, D-27, have been designed, a technology advance was developed and allowed to implement a project of a new-generation turbofan engine.
Ключевые слова: двигатель нового поколения, НТЗ, сверхвысокая степень двухконтурности, турбовинтовентиляторный двигатель.
Keywords: new generation engine, technology advance, ultra-high bypass ratio, propfan engine.
Периодически возникающие кризисные явления в сфере нефтедобычи и поставки нефтепродуктов, как это не парадоксально, плодотворно влияют на развитие авиационного двигателестроения. Толчком для закладки основ создания ГТД 5-го поколения явился энергетический кризис 1974 г. В результате роста финансирования широкого комплекса научно-исследовательских работ в области энергосбережения, начавшегося в середине 70-х гг., в 80-е гг. появились демонстрационные, а в 90-е - первые серийные двигатели нового поколения. Экологические проблемы человечества и состояние мирового рынка нефтепродуктов явились мощными факторами для финансирования новых исследований на рубеже XX-XXI столетий, в результате которых сформировался облик двигателей нового поколения, массовое появление которых в эксплуатации ожидается в начинающемся десятилетии. Уже сертифицированы Trent 1000 и GEnx. Разрабатываются PW1000G, Leap-56 и ПД-14. Готовится к разработке ряд других двигателей различной размерности. Ведутся активные исследования по изучению возможности применения в гражданской авиации турбовинтовентиляторного двигателя (open rotor).
Начатые в СССР работы по ГТД нового поколения (Программа развития авиапромышленности СССР до 2000 г. была утверждена в середине 80-х гг.), были практически сорваны вследствие распада СССР и последовавшего экономического кризиса. Все же разработки ТВВД Д-27 и ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности НК-93 были продолжены, и это позволило приобрести неоценимый научно-технический задел (НТЗ) для создания двигателей 5-го поколения.
ГП "Ивченко-Прогресс" (ранее - ЗМКБ "Прогресс") еще в 60 - 80-е гг. прошлого столетия под руководством выдающихся инженеров А.Г. Ивченко, В.А. Лотарева и Ф.М Муравченко проводило активную техническую политику создания наиболее передовых образцов авиадвигателей:
- были созданы первые в СССР двигатели с высокой степенью двухконтурности - трехвальные Д-36 и Д-18Т с уникальной шестиопорной схемой;
- самый мощный и в то время самый экономичный в мире вертолетный ГТД Д-136;
- в конце 70-х гг. начата, впервые в СССР, разработка турбовинтовентиляторного двигателя ТВВД Д-236 и построены демонстрационные образцы, проходившие стендовые и летные испытания;
- наконец, в конце 80-х гг. была развернута (при поддержке отраслевых институтов МАП СССР и смежных отраслей промышленности) разработка двигателя Д-27 - ТВВД нового поколения с наиболее передовыми для того времени показателями технического уровня: степень повышения давления - π* = 32 в восьмиступенчатом компрессоре, температура газа перед турбиной Тг* > 1700 К, удельный расход топлива - на 15...20% ниже лучших ТВД, находившихся в то время в эксплуатации, электронная система управления - с полной ответственностью (FADEC).
К сожалению, распад СССР, политический и экономический кризис 90-х годов не позволили в намеченные сроки завершить разработку этого двигателя, устанавливаемого на военно-транспортный самолет Ан-70 с беспрецедентными в мировой авиации характеристиками. Однако опыт, приобретенный в ходе его разработки, является исключительно ценным вкладом в создание НТЗ для нового поколения ГТД.
В период с 1988 по 1995 годы в ГП "Ивченко-Прогресс" проведен большой комплекс научно-исследовательских и конструкторских работ по выявлению облика перспективных ГТД различного назначения на базе газогенератора ТВВД Д-27.
Были предложены проекты:
- турбовального ГТД Д-127 мощностью 14500 л.с.;
- ТВВД с толкающим высоконагруженным винтовентилятором Д-227 (с редукторным и безредукторным приводами);
- ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности с приводом заднерасположенного соосного вентилятора от биротативной турбины Д-527;
- ТВВД с закапотированным соосным винтовентилятором, приводимым от дифференциального редуктора Д-627;
- ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности (ТРДД СВ) с редукторным приводом малошумного широкохордного вентилятора Д-727 - тягой 10000 кгс;
- наконец, в 1995 г. для проекта ближне-среднего магистрального самолета Як-46 был разработан эскизный проект силовой установки с ТРДД Д-727М со степенью двухконтурности m = 13 и взлетной тягой 11500 кгс.
При выполнении этих проектов проявлялись проблемы, связанные с необходимостью обеспечения высоких параметров термодинамического цикла, повышения эффективности узлов двигателя, прежде всего турбомашин, применения новых материалов и технологий и т.п., а также велся интенсивный поиск решения этих проблем.
В эти годы предприятие практически перешло на использование в работе персональных ЭВМ, были освоены методики расчета и проектирования с помощью современного программного обеспечения, внедрены комплексы 3-D расчетов для решения газодинамических, тепловых и прочностных задач. В ходе доводки двигателя Д-27 были решены вопросы обеспечения надежной работы высоконагруженного редуктора, высокотемпературной охлаждаемой малоразмерной турбины, малоэмиссионной теплонапряженной камеры сгорания, взаимодействия сверхзвуковых высоконагруженных ступеней осевого компрессора, изготовления и эксплуатации моноколес (blisk) в компрессорных ступенях, изготовления монокристаллических лопаток турбин, нанесения современных теплозащитных покрытий и т.п.
Для ТРДД СВ Д-727 были выполнены расчет и конструкция бесполочного широкохордного малошумного вентилятора, для двигателя Д-527 - расчет и конструкция биротативной турбины для непосредственного привода соосного вентилятора.
Отработанные технические решения внедрялись на серийных и проектируемых двигателях:
- более 400 изменений было внесено в конструкцию двигателя Д-18Т, находившегося в эксплуатации с 1986 г. на тяжелых транспортных самолетах Ан-124 "Руслан"; в результате на модификации Д-18Т 3-й серии (сертифицирована в 1992 г.) удельный расход топлива снижен на 4,3%, установлен эксплуатационный ресурс 24000 ч;
- в ТРДД Д-436Т1/ТП, модификации двигателя Д-36, сертифицированной в 2000 г., внедрение новых решений позволило без изменения размеров увеличить тягу более, чем на 15% и снизить удельный расход топлива на ~3%;
- в 2000-е годы на предприятии разработан первый в мире малоразмерный турбовальный двигатель АИ-450 (мощность на валу - 465 л.с.) с охлаждаемой рабочей лопаткой турбины газогенератора.
В конце 90-х годов ГП "Ивченко-Прогресс", в кооперации с рядом российских и украинских предприятий, включилось в разработку НТЗ в интересах создания ТРДД 5-го поколения в классе тяги 12 тс в рамках инициированной ЦИАМ программы "ТРДД-2005"; в 2003 г. совместно с ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова" и НПП "Мотор" разработано техническое предложение (ТП) на ТРДД СВ "Д-БСМС"; в 2005 г. - ТП на ТРДД CВ АИ-436Т12; в 2009 г., совместно с ММПП "Салют" и ОАО "Мотор Сич", - ТП на ТРДД СВ СПМ-21, представленное на конкурс по выбору маршевой двигательной установки ближнесреднего магистрального самолета МС-21.
В 2007 - 2010 гг. выполнен большой объем работ по оптимизации параметров и конструктивной схемы ТРДД нового поколения для летательных аппаратов различного назначения.
Главной особенностью, "визитной карточкой" двигателя нового поколения является очень высокая и сверхвысокая степень двухконтурности. Это позволяет радикально снизить удельный расход топлива в условиях, когда другие рычаги повышения эффективности двигателя, как тепловой машины (параметры термодинамического цикла, к.п.д. узлов), ограничены. С учетом многолетнего опыта эксплуатации двигателей с редукторами на ГП "Ивченко-Прогресс" был сделан вывод, что редукторный привод вентилятора в ТРДД СВ наиболее рационален. Поэтому достаточно большой объем исследований выполняется с целью создания легкого, надежного и эффективного редуктора.
Одной из негативных сторон ТРДД CВ является повышенный мидель мотогондолы и, как следствие, повышенное внешнее сопротивление. Для парирования указанного недостатка проведен комплекс конструкторских работ по созданию реверсивного устройства с подвижными отклоняющими решетками (уменьшение длины мотогондолы) и по размещению большей части агрегатов в подкапотном пространстве (уменьшение миделя и длины мотогондолы).
Ключевым узлом ТРДД СВ является малошумный широкохордный вентилятор. ГП "Ивченко-Прогресс" совместно с ОАО "Мотор Сич" и ЦИАМ уже несколько лет занимается разработкой такого вентилятора. В ЦИАМ выполнено аэродинамическое проектирование, в ОАО "Мотор Сич" изготовлена модель вентилятора, испытанная на стенде ЦИАМ. В настоящее время изготовленный в ОАО "Мотор Сич" полноразмерный вентилятор проходит испытания на демонстрационном двигателе Д-36 на 14-м стенде ГП "Ивченко-Прогресс".
При выборе ТРДД с увеличенной степенью двухконтурности снижается оптимальная степень повышения давления вентилятора, что позволяет обеспечить высокий к.п.д., снизить окружную скорость и уменьшить шум.
В процессе доводки двигателя Д-27 выполнен большой объем исследований по совместной отработке сверхзвуковых ступеней компрессоров. Этот опыт позволяет создавать высоконапорные многоступенчатые осевые компрессоры с политропическим к.п.д. 0,89...0,9 для перспективных авиационных ГТД.
Начиная с конца 80-х годов в ГП "Ивченко-Прогресс" ведутся интенсивные опытно-конструкторские и экспериментально-исследовательские работы по созданию малоэмиссионных эффективных камер сгорания. Отработанная на двигателе Д-27 камера сгорания обеспечивает уровень эмиссий ниже норм IСAO 2008 г. Экспериментальную апробацию проходит фронтовое устройство перспективной камеры сгорания, обеспечивающей снижение эмиссий NOx на 65 % ниже требований 2008 г.
Большой объем выполненных экспериментальных исследований и освоение новых технологий при создании высокотемпературных охлаждаемых турбин позволили в 1994 г. успешно пройти испытания двигателя Д-18Т с выходом на температуру газа перед рабочим колесом ТВД ТГ* > 1750 К. При температурах более 1700 К работает малоразмерная турбина двигателя Д-27. Ведутся исследования и технологические отработки рабочих лопаток турбины, способных работать при ТГ* > 1800 К.
На двигателях Д-27 и Д-436-148 установлены и отработаны наиболее современные системы автоматического управления, агрегаты топливопитания, разработка и изготовление которых выполнено нашими российскими и украинскими партнерами.
Имеющийся на сегодняшний день в ГП "Ивченко-Прогресс" научно-технический задел позволяет также создать двигатель со степенью повышения давления более 40, широко использовать в его конструкции композитные материалы, надежные и эффективные безрасходные и щеточные уплотнения, максимально утилизировать тепловую энергию, выносимую из узлов двигателя горячим маслом, обеспечить летательному аппарату шум на местности на 10...15 EpNdb ниже требований Главы 4 ICAO, эксплуатировать двигатель по II и III стратегиям и обеспечить ему назначенный ресурс, соизмеримый с ресурсом самолета. Конечно, еще предстоит освоить ряд ключевых технологических процессов, внедрить в производство новые материалы, приобрести новое оборудование. Однако в целом ГП "Ивченко-Прогресс" в кооперации с партнерами в России и Украине вполне готово к созданию авиационного двигателя нового поколения.
Связь с авторами: 03527@ivchenko-progress.com