В конце прошлого года состоялось знаменательное для отечественной авиационной промышленности событие: с аэродрома Иркутского авиационного завода в небо поднялся и совершил первый полет российский самолет МС-21-310, оснащенный пермскими турбовентиляторными двигателями нового поколения ПД-14. Общие усилия ученых, конструкторов, инженеров, рабочих возвращают нашу страну на передовые позиции в ряду производителей мировой авиации.
Это стало возможным в результате успешного объединения двух важнейших программ гражданского авиастроения России: создания среднемагистрального пассажирского самолета МС-21 и двигателя ПД-14 — первого, считая с 1980-х годов, полностью российского авиационного двигателя с тягой 14 тонн. Он предназначен для гражданской авиации и разработан с учетом всех современных жестких международных норм и требований Международной организации гражданской авиации (ICАО) по надежности, экономичности и экологичности.
ПД-14 считается двигателем пятого поколения, поскольку имеет меньший вес, он более экономичный, менее шумный и токсичный, чем предшественники. Кроме того, его конструкция полностью адаптирована для технического обслуживания в зарубежных аэропортах, что снимает все ограничения для применения МС-21 на международных авиалиниях.
Официальная разработка двигателя ПД-14 началась в пермском конструкторском бюро «Авиадвигатель» в 2008 году. Уже через три года ученые и специалисты Сибирского отделения РАН активно включились в научно-исследовательские работы по созданию двигателя ПД-14 в рамках пилотной программы взаимодействия между институтами СО РАН и АО «ОДК-Авиадвигатель», которую возглавили академик Василий Михайлович Фомин и генеральный конструктор Александр Александрович Иноземцев. В дальнейшем это сотрудничество продолжалось на основании меморандума по совместным научным работам между СО РАН и ОАО «Авиадвигатель», подписанного в Новосибирске на первом Международном форуме «Технопром» в ноябре 2013 года. Этот документ определил круг задач для сибирских институтов: расчет эоловых тонов в компрессорных решетках авиационного двигателя, разработку технологии сварки взрывом и многослойного металлокомпозита для изготовления баллистически стойкого корпуса вентилятора, измерение пульсаций скорости, полей концентрации топливно-воздушной смеси и другие.
В частности, специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН выполнили работы, связанные с исследованиями прочности лопаток авиадвигателя, — для уменьшения последствий их разрушения при работающем двигателе и в итоге пробития его внешней оболочки и обшивки фюзеляжа самолета. Имеющийся опыт математического моделирования и расчетов процессов деформации и разрушения тел помог успешно решить поставленную задачу верификации соотношений, описывающих процессы деформирования и разрушения материалов рабочей лопатки вентилятора и корпуса вентилятора при скоростях деформирования, соответствующих рабочим режимам авиационного двигателя.
Разработанная в ИТПМ СО РАН технология исследования пульсационных характеристик газового потока с помощью методов термоанемометрии была использована при измерении пульсаций потока в наружном контуре реального турбовентиляторного двигателя ПД-14, установленного на стенде. Исследования позволили — впервые в отечественной и мировой практике — получить необходимую конструкторам информацию об интенсивности, спектральном и модовом составе пульсаций в наружном контуре турбовентиляторного двигателя. Это является крайне важным для снижения уровня шума, создаваемого летательным аппаратом (в котором самым интенсивным источником акустических возмущения является авиационный двигатель), поскольку ранее, при хороших аэродинамических характеристиках планера, двигатели отечественных самолетов уступали зарубежным аналогам в отношении шума и экономичности.
Сотрудники ИТПМ СО РАН также разработали программный продукт для расчета положения ламинарно-турбулентного перехода на модели мотогондолы с частично ламинарным обтеканием для перспективного турбовентиляторного двигателя (мотогондола — конструктивный элемент планера, предназначенный для установки двигателя за пределами фюзеляжа летательного аппарата). Аэродинамические характеристики мотогондолы влияют на сопротивление самолета в целом, которое за счет ламинаризации обтекания части внешней поверхности мотогондолы может быть сведено к минимуму, что, в свою очередь, влечет за собой снижение расхода топлива. В аэродинамической трубе Центрального аэрогидродинамического института им. профессора Н. Е. Жуковского были проведены исследования проточной модели мотогондолы, спроектированной с учетом проведенных в ИТПМ расчетов. Эксперименты подтвердили эффективность разработанного программного обеспечения, и оно будет использоваться в АО «ОДК-Авиадвигатель» при проектировании перспективных двигателей для выбора оптимальной формы обводов мотогондолы на основе численного моделирования физических особенностей ее обтекания и расположения мотогондолы в интегральной компоновке летательного аппарата в целом.
Для улучшения характеристик турбовентиляторных двигателей гражданской авиации необходимо обеспечить повышение степени двухконтурности. При этом, согласно теории акустики, внешний и внутренний контуры турбомашин можно представить кольцевыми каналами или волноводами для акустических волн, которые соединены заслонками. В случае открытых заслонок эти кольцевые волноводы связываются между собой через каналы перепуска, а когда каналы перепуска перекрываются, то в соответствующем кольцевом канале образуются резонансные полости. Известно, что нестационарные процессы, происходящие в газотурбинных двигателях, оказывают существенное влияние на эффективность работы турбин и компрессоров. Поэтому Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН совместно с АО «ОДК-Авиадвигатель» провели исследование акустических резонансных явлений в каналах перепуска турбовентиляторных двигателей и предложили способы борьбы с этими нежелательными явлениями. С помощью детонационного напыления специалисты разработали износостойкое покрытие для щеточного уплотнения компрессора высокого давления и изготовили опытный образец дефлектора с таким покрытием. Кроме того, была продемонстрирована возможность нанесения этим способом огне- и молниезащитных покрытий на детали мотогондолы из углепластика и стеклопластика, а также замены гальванических покрытий в узлах крепления лопаток вентилятора на покрытия с детонационным напылением.
Для создания эффективных малоэмиссионных камер сгорания современных газотурбинных двигателей авиационного и энергетического применения требуется обеспечивать такие условия сжигания топлива, при которых камера сгорания должна соответствовать будущим экологическим требованиям до 2030 года и более далеким рубежам. При проектировании таких камер сгорания планируется использовать перспективные сплавы повышенной жаропрочности. Это выдвигает дополнительные требования, и в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН проводятся эксперименты, моделирующие условия турбулентного перемешивания топлива и воздуха в камерах сгорания с закруткой потока. В рамках программы разработки газотурбинного двигателя по заказу АО «ОДК-Авиадвигатель» в ИТ СО РАН разработан, спроектирован, изготовлен и испытан стенд, предназначенный для испытаний фронтовых устройств камер сгорания газотурбинных двигателей с применением панорамных методов оптической диагностики при высоких давлениях и температурах. Конструкция рабочего отсека стенда обеспечивает возможность длительных бесконтактных измерений характеристик двухфазного потока внутри измерительного участка с использованием заградительной воздушной пленки с внутренней стороны окон визирования для средней в объеме измерительного участка статической температуры газов до 1 850 К и среднего статического давления до 20 бар.
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН активно участвует в научно-исследовательских работах по измерению размеров твердых частиц в продуктах сгорания топлива на выходе из авиационного двигателя. Основной целью совместных исследований АО «ОДК-Авиадвигатель» и ИХКГ СО РАН стало определение фракционного и химического состава аэрозольных продуктов сгорания (нелетучих частиц) авиационного керосина в воздухе с использованием стандартизованных Международной организацией гражданской авиации методов отбора, транспортирования и подготовки пробы для газового анализа. При работе над ПД-14 сибирские ученые и инженеры из Перми впервые получили уникальные данные по распределению размеров наночастиц сажи в зависимости от режимов работы двигателя.
До настоящего времени в мировом авиадвигателестроении разработкой и выпуском законченных образцов продукции было занято ограниченное число компаний из США и Европы, которые являются ведущими производителями авиационных двигателей и несут полную ответственность за их проектирование, производство, продажу и послепродажное обслуживание. К ним в первую очередь следует отнести General Electric Aviation (США), Rolls-Royce Group plc (Великобритания), United Technologies Corporation (Pratt & Whitney USA и Pratt & Whitney Canada) и Safran Aircraft Engines (Франция). Теперь можно с уверенностью сказать, что этот элитный клуб производителей расширился российскими представителями в лице АО «ОДК-Авиадвигатель».
Создание ПД-14 — это большой успех российской фундаментальной и прикладной науки, результат целенаправленной деятельности конструкторов и технологов, работников науки и производства, итог внедрения новейших промышленных технологий и передовых инновационных решений. Участие ученых институтов Сибирского отделения РАН в этом успехе заложило прочный фундамент для дальнейшей совместной работы с флагманом отечественного авиадвигателестроения — АО «ОДК-Авиадвигатель» — в направлении создания перспективных авиационных двигателей сверхбольшой тяги для будущих широкофюзеляжных дальнемагистральных пассажирских самолетов.
ИТПМ СО РАН
Фото предоставлены пресс-службой АО «ОДК-Авиадвигатель»
