Технологии ЦИАМ для вертолетной техники

Основная «продукция» Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, определяющая его место и роль в процессе создания новейших образцов авиационной техники, — это научно-технический задел (НТЗ). Причем речь идет о технологиях, доведенных до уровня готовности, который позволяет конструкторским бюро проводить опытно-конструкторские работы (ОКР) без риска увязнуть в неожиданных проблемах. Среди многих направлений, по которым создается НТЗ в ЦИАМ, — совместные с институтами ФГБУ «НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» и предприятиями вертолетной отрасли России работы по определению облика перспективных вертолетных газотурбинных и поршневых двигателей и отработке критических технологий для них.

Современная ситуация с вертолетными газотурбинными двигателями (ГТД)

Первые вертолетные ГТД в СССР начали создаваться в 1957–1959 годах в четырех классах мощности: 400 л.с. (ГТД-350 для Ми-2), 1000 л.с. (ГТД-3М для Ка-25), 1500 л.с. (ТВ2-117 для Ми-8) и 5000 л.с. (Д-25В для Ми-6). Принимая решение о начале разработки первого поколения вертолетных ГТД, Министерство авиационной промышленности СССР заранее озаботилось научным сопровождением ОКР и организацией для этой цели в ЦИАМ специализированного подразделения по вертолетной тематике. В 1952 году в ЦИАМ был создан первый в стране экспериментальный вертолетный ГТД со свободной турбиной, появились необходимые для работ в этом направлении стенды, а в 1955 году вертолетный отдел двигательной лаборатории был выделен в самостоятельный отдел.

В результате все четыре вертолетных ГТД были успешно созданы в срок от 2 до 6 лет, и началось их серийное производство. Эти двигатели по своему технологическому уровню соответствовали II поколению авиационных двигателей.

В 1970-е годы были созданы ТВ3-117 для Ми-8 и Д-136 для Ми-26. В целом оба этих двигателя не только соответствовали мировому уровню вертолетных двигателей того периода, но и превосходили его, что подтверждается опытом их эксплуатации вплоть до сегодняшнего дня.

В середине 1980-х годов ЦИАМ предложил вести разработку НТЗ для перспективных унифицированных турбовальных и турбовинтовых двигателей в нескольких классах мощности. Для реализации этих задач в 1980-х годах началось создание двигателей ТВ-О-100 (730 л.с.) для Ка-126, ВК-800В (800 л.с.) для Ми-54, РД-600В (1300 л.с.) для Ка-60/62, ТВ7-117В (2800 л.с.) для Ми-38 и ряд других проектов. В настоящее время ни один из этих двигателей, кроме ТВ7-117В, не доведен до серийного производства, а разработка некоторых из них прекращена, хотя, например, двигатель РД-600В был даже сертифицирован. На первый взгляд, главной причиной этих неудач оказалось недостаточное финансирование ОКР. Однако, по сути, такое положение дел стало результатом нарушения сложившейся методологии создания авиационных двигателей и, в частности, отсутствия должного НТЗ в обеспечение их разработки.

Облик перспективных вертолетных ГТД

Одним из современных направлений совершенствования перспективных турбовальных газотурбинных двигателей/турбовинтовых двигателей является повышение параметров термодинамического цикла. В новых ТВГТД/ТВД степень повышения давления в компрессоре будет доведена до 16-18 при уменьшении общего числа ступеней лопаточных машин до 5-8 (против 16 у двигателя ВК-2500).

Если брать за точку отсчета параметры ВК-2500 — модификации самого массового и востребованного в настоящий момент в России ТВГТД 3-го поколения ТВ3-117, серийное производство которого налаживается кооперацией российских предприятий, — то по сравнению с ним в перспективном ТВГТД к 2030 году предполагается уменьшить удельный расход топлива на 15% и удельную массу на 20%.

Кроме того, планируется доведение ресурса основных деталей горячей и холодной частей до 12 000 и 24 000 полетных циклов соответственно, увеличение наработки на отказ до 20 000 часов для двухдвигательного вертолета и 50 000 часов для однодвигательного и сокращение трудозатрат на межполетное обслуживание до 0,25–0,3 часа на час полета.

Достигнуть этих целевых показателей предполагается путем реализации концепции «неметаллического», «электрического» и «интеллектуального» двигателя. Эти термины во многом условны, но определяют идеологию развития перспективных авиационных двигателей, которой руководствуется ЦИАМ в своих исследованиях и которые отражают главные тенденции развития мирового двигателестроения.

Анализ рынка ТВГТД/ТВД показывает, что в настоящих условиях наиболее востребованы двигатели в классах мощности: 400 л.с., 800 л.с., 1600 л.с., 3200 л.с. и 6400 л.с. По данным ЦИАМ, ряд базовых газогенераторов малой и средней размерности позволит закрыть потребности авиационной техники в ТВГТД/ТВД (сводные данные представлены в таблице) и при этом послужит основой для создания ТРДД для летательных аппаратов различного назначения, а также вспомогательных силовых установок.

Двухступенчатый центробежный компрессор

Создание двухступенчатого центробежного компрессора (ЦБК) для ТВГТД/ТВД является важнейшей задачей и в отечественной практике проводится впервые, хотя в западных двигателях подобные компрессоры применяются уже несколько десятилетий. Для сравнения: типовой осецентробежный компрессор состоит приблизительно из 600 деталей. Число деталей в двухступенчатом ЦБК двигателя T800 компании LHTEC (совместное предприятие компаний Rolls-Royce и Honeywell) — всего 20.

Кроме уменьшения числа деталей и связанного с этим снижения стоимости изготовления, среди преимуществ применения ЦБК в сравнении с осевым компрессором можно назвать исключение регулируемых элементов проточной части (упрощение системы управления), повышение стойкости к эрозионному износу и повреждению посторонними предметами, повышение устойчивости к неравномерности потока на входе, снижение момента инерции ротора.

В ЦИАМ в рамках создания НТЗ разработан и изготавливается стендовый вариант высоконапорного двухступенчатого ЦБК с расчетной степенью повышения давления 16 для перспективных ТВГТД мощностью 1500-4000 л.с., в ближайшем будущем на специализированном стенде ЦИАМ УК-1 будут проведены его испытания.

Перспективные материалы

Применение в конструкции узлов перспективных ТВГТД/ТВД новых материалов, прежде всего композиционных (КМ), является одним из основных способов достижения целевых показателей для них.

В ЦИАМ ведутся работы по созданию экспериментальных деталей и узлов из КМ на различных матрицах.

В институте разработаны рабочие колеса осевого и центробежного компрессоров из полимерного КМ, что позволило уменьшить массу узла на 20-30%.

Наибольший эффект ожидается от применения керамических КМ (ККМ) в «горячей» части двигателя, что позволяет значительно уменьшить расход охлаждающего воздуха и увеличить ресурс. В ЦИАМ разработаны экспериментальные образцы жаровой трубы КС и неохлаждаемых лопаток турбины компрессора. Уменьшение массы указанных деталей составит около 45%.

Бортовые системы диагностики трансмиссии вертолетов

Наличие на летательном аппарате систем бортовой диагностики становится одним из главных направлений повышения надежности авиационной техники и обеспечения эффективности ее эксплуатации.

На основе богатейшего опыта доводки вертолетных редукторов, включая исследование его вибронапряженного состояния, в ЦИАМ создана система бортовой диагностики трансмиссии и агрегатов привода винтов вертолетов, которая вот уже 12 лет успешно эксплуатируется на вертолетах Ми-8МТВ-1, обслуживающих морские платформы. В настоящее время готово уже пятое поколение этой системы. Это многопроцессорная система с максимально возможной степенью импортозамещения. Она связана с другими системами вертолета, включая «черный ящик» и бортовую машину. Система легко адаптируется для других типов вертолетов. В настоящее время идет речь о ее адаптации для Ка-226Т, Ка-62, Ми-38, Ми-26 и «Ансат». Ее можно использовать и для стендовой отработки редукторов, а также для диагностики самолетных агрегатов, в частности, систему успешно применяли при сертификации SuperJet 100.

Перспективные поршневые авиационные двигатели

В связи с огромной потребностью в авиационных поршневых двигателях (АПД) для летательных аппаратов различного назначения ЦИАМ в рамках НИОКР прорабатывает ряд АПД различной мощности. Рассматриваются роторно-поршневые авиадвигатели мощностью от 100 до 300 л.с. на базе унифицированной роторно-статорной группы, бензиновый двигатель мощностью 120–150 л.с. с возможностью оснащения турбокомпрессором и дизельный двигатель мощностью 300 л.с. Кроме того, на стадии формирования ТЗ находится разработка АПД мощностью 50 л.с. и ряд дизельных АПД мощностью 450–800 л.с.

Применение новейших технологий при разработке перспективных АПД позволит уменьшить их массу на 20-25%, удельный расход топлива на основных режимах — на 15–20%, эксплуатационные расходы — на 30–40% и повысить ресурс до 5000 часов.

Помнить о прошлом, но смотреть в будущее

Отечественное вертолетное двигателестроение переживает сегодня системный кризис. Однако преодоление его — лишь вопрос времени при правильном подходе к делу. В России есть авиадвигателестроительная наука, и она находится на высоком уровне. Если ее потенциал будет востребован, все проблемы рано или поздно будут решены.