Владимир Иванович, двигатель ПД-14, поступивший на летные испытания осенью прошлого года, стал первым гражданским ТРДД нового поколения, разработанным в России после распада СССР. Известно, что в формировании его концепции, разработке и испытаниях активное участие принимает ЦИАМ им. П.И. Баранова. Расскажите, пожалуйста, о наиболее важных моментах работ Вашего института по этому проекту.
Работы ЦИАМ по перспективному семейству двигателей, первым в котором стал проходящий сейчас испытания ПД-14, начались в 1999 г. с разработки совместно с ЦАГИ технического задания на прикладные НИР для создания ТРДД нового поколения. В 2000–2002 гг. совместно с пермским ОАО «Авиадвигатель» был сформирован рациональный технический облик перспективного двухконтурного двигателя с прямым приводом вентилятора, и с 2004 г. начала реализовываться программа создания научно-технического задела для обеспечения его разработки. Эту работу ЦИАМ проводил совместно с другими ведущими отраслевыми институтами – ВИАМ, ВИЛС, ЦАГИ – и предприятиями отечественного двигателестроения.
Научно-технический задел создавался по всем ключевым элементам двигателя – малошумному широкохордному вентилятору, высоконапорному компрессору высокого давления, малоэмиссионной камере сгорания, шевронным соплам разных типов. Большой комплекс работ был проведен по камере сгорания и турбине. Новые технические решения, реализуемые на основе научных исследований, проходили экспериментальную отработку на стендах ЦИАМ.
Созданный к началу опытно-конструкторских работ по двигателю ПД-14 научно-технический задел позволил заложить в его конструкцию ряд новых для отечественного двигателестроения решений, которые должны обеспечить ему конкурентоспособность на мировом рынке. Стоит заметить, что на этапе ОКР по ПД-14 в рамках ОДК сформировалась широкая кооперация отечественных двигателестроительных предприятий, при этом головным разработчиком было определено ОАО «Авиадвигатель», а ЦИАМ – ответственным за научно-техническое сопровождение работ и соисполнителем в разработке всех основных узлов и систем двигателя.
В частности, в институте, в сотрудничестве с пермскими коллегами, были выполнены аэродинамические проекты вентилятора и компрессора высокого давления. Модель вентилятора с подпорными ступенями прошла комплекс испытаний на нашем стенде Ц-3А (сейчас на нем выполняется отработка мероприятий по минимизации шума вентилятора). Для компрессора высокого давления в ЦИАМ экспериментально отрабатывались несколько типовых ступеней – первая сверхнагруженная, средняя и замыкающая, на которых опробовались лопатки разной профилировки (серповидные и саблевидные), разные их сочетания в направляющем аппарате и в рабочем колесе и т.д. На стендах УВ-13 и Ц5-2 были проведены комплексные испытания полноразмерной камеры сгорания, в процессе которых специалисты ЦИАМ и «Авиадвигателя» проверили ее работоспособность на всех режимах, была определена оптимальная схема подачи топлива, обеспечены надежный запуск в полетных условиях, широкий диапазон горения на режиме малого газа, требуемая неравномерность температурного поля. Значительную роль в обеспечении требуемых параметров ПД-14 сыграли проведенные специалистами ЦИАМ экспертизы проектов турбин высокого и низкого давления с выработкой рекомендаций по их газодинамической доводке. На стенде ТС-2 были проведены испытания нескольких конструктивных вариантов обеих турбин.
Важнейшей вехой в ходе реализации программы ПД-14 стали начавшиеся минувшей осенью испытания полноразмерного двигателя на высотном стенде Ц-1А Научно-испытательного центра ЦИАМ в подмосковном Лыткарино, позволяющем имитировать весь диапазон полетных условий, в котором в дальнейшем будет эксплуатироваться двигатель. В России подобным стендом располагает только наш институт. Первый этап испытаний ПД-14 на нашем высотном стенде, в ходе которого моделировались заданные условия полета на высоте 11 000 м при числе М=0,8, был завершен в декабре 2015 г. Были исследованы высотно-скоростные характеристики двигателя, проверены его управляемость и пусковые характеристики, оценено тепловое состояние элементов конструкции и работа системы охлаждения в высотных условиях. Готовится второй этап испытаний, в ходе которого будет выполнена проверка отсутствия автоколебаний рабочих лопаток вентилятора и вибрационного горения в камере сгорания, отработан запуск с режимов авторотации и в условиях, имитирующих высокогорный аэродром, проверена работа двигателя в условиях обледенения, а также выполнен ряд других обязательных испытаний, подтверждающих безопасность будущей эксплуатации.
На очереди еще работы по испытанию вентилятора ПД-14 на стенде Т14-01 по проверке локализации разрушения при обрыве рабочей лопатки и с забросом крупной птицы, разгонные и эквивалентно-циклические испытания деталей роторов на стенде РС-1Д, огневые испытания корпусных деталей, узлов крепления и различных агрегатов на стенде Ц17-Г3 и др.
Кроме того, ЦИАМ занимается разработкой нормативной документации и методик проведения прочностных исследований, а также непосредственно испытаниями конструкционной прочности материалов – ведь на ПД-14 применено значительное количество новых сплавов.
Как видите, объем работ нашего института по программе ПД-14 – весьма значительный. Надеюсь, что успешное выполнение всех предусмотренных испытаний, существенная часть которых проходит в ЦИАМ, позволит завершить сертификацию двигателя в предусмотренные сроки – в 2017 г.
С какими сложностями пришлось столкнуться в рамках работ по ПД-14? Все ли задуманное удалось реализовать? Не могли бы Вы оценить уровень совершенства ПД-14 на фоне имеющихся западных конкурентов? Есть ли у него преимущества?
Основная сложность была связана с тем, что к моменту начала опытно-конструкторских работ по ПД-14 из-за крайне недостаточного финансирования в предыдущие годы не был своевременно создан научно-технический задел высокого уровня готовности технологий по ряду узлов и систем. Как известно, двигатель нового поколения создается в 1,5–2 раза дольше планера самолета, а ОКР по ПД-14 начались на 5 лет позже старта работ по МС-21 (2005 г.). При этом в рамках опытно-конструкторских работ в ряде случаев пришлось создавать не «опережающий», а «догоняющий» научно-технический задел, что привело к задержкам с утверждением типовой конструкции двигателя, обеспечивающей выполнение всех требований технического задания. В связи с этим срок сертификации ПД-14 пришлось перенести на 2017 г., и в первый полет МС-21 поднимется не с отечественным двигателем, а с американским PW1400G. Работы по ПД-14 еще немало, однако, положительные тенденции налицо.
Если сравнивать ПД-14 с PW1400G, то, признавая, что мы, вероятно, будем несколько уступать в экономичности, нельзя не отметить меньшие массу и диаметр ПД-14, а, значит, и меньшее внешнее аэродинамическое сопротивление отечественной силовой установки. Кроме того, у нас ниже температура газа перед турбиной, что упрощает достижение заданных показателей надежности и ресурса. К тому же ПД-14 заметно дешевле западного конкурента и, по предварительным оценкам, будет иметь меньшие затраты на техническое обслуживание и ремонт. В целом прямые эксплуатационные расходы самолета МС-21 с отечественной силовой установкой могут быть примерно на 2,5% ниже. Это немаловажно для авиакомпаний-эксплуатантов. Но главное даже не в этом. Программа ПД-14 стала своего рода локомотивом развития отечественного авиадвигателестроения. После того, как будут выполнены все пункты технического задания можно будет уверенно говорить о том, что в России создан коммерческий авиадвигатель, конкурентоспособный на мировом рынке и находящийся на уровне лучших западных образцов.
Известно, что ПД-14 должен стать первым в семействе перспективных газотурбинных двигателей нового поколения. Каковы, на Ваш взгляд, приоритетные направления модификации базового двигателя?
Действительно, наш институт в настоящее время выполняет большой объем работ, связанных с планами по дальнейшему развитию двигателя ПД-14 и созданию его модификаций. В первую очередь, это ПД-14М с повышенной до 15,6 тс тягой и турбовальный ПД-12В для тяжелых вертолетов. Кроме того, исследуется возможность создания редукторого ТРДД с тягой 18,7 тс – ПД-18Р и, наоборот, менее мощных ТРДД для региональных самолетов – ПД-10 (10,9 тс) и ПД-7 (7,9 тс). На базе газогенератора ПД-14 планируется создание и линейки наземных двигателей индустриального применения – для привода электростанций и газоперекачивающих установок.
В рамках исследований по более мощным модификациям ПД-14 в ЦИАМ ведутся работы по вентилятору с полимерными композиционными рабочими лопатками и по редуктору, который может потребоваться для его привода.
На прошедшей в конце прошлого года в ЦИАМ юбилейной научно-технической конференции «Двигатели XXI века» топ-менеджеры пермского ОАО «Авиадвигатель» и самарского АО «Кузнецов» представили свои предложения по созданию новых ТРДД большой тяги для ремоторизации тяжелого транспортного самолета Ан-124 «Руслан» и оснащения перспективных широкофюзеляжных самолетов. Каким ЦИАМ видит перспективный ТРДД тягой 30–35 тс? Ведет ли уже институт работы в этой области?
Как известно, отечественная авиапромышленность в настоящее время не выпускает двухконтурные турбореактивные двигатели для пассажирских и транспортных самолетов тягой более 16–18 тс. Вместе с тем, для сохранения конкурентоспособности российских транспортных самолетов большой грузоподъемности и возвращения нашей страны на рынок дальнемагистральных широкофюзеляжных самолетов необходимо создание собственного базового ТРДД тягой 30–35 тc. Мы считаем, что делать его нужно на базе унифицированного газогенератора, который может послужить основой для широкой гаммы авиационных двигателей тягой от 20 до 40 тс и энергетических установок мощностью 30–60 МВт.
В 2014 г. нашему институту, при участии ЦАГИ, ОДК и ОАО «Авиапром», было поручено выполнение научно-исследовательской работы «ТРДД-30» («Исследования в области создания ТРДД большой тяги на базе унифицированного газогенератора для перспективных широкофюзеляжных пассажирских и транспортных самолетов гражданской авиации»). В рамках этой НИР уточнены технические требования к двигателю большой тяги, проведены исследования по определению его технического облика и перечня критических технологий, началась отработка на моделях и экспериментальных образцах новых научно-технических решений и технологий.
Среди критических технологий, которые, по нашему мнению, предстоит реализовать для создания конкурентоспособных двигателей такого класса, – создание вентилятора из легких полимерных композиционных материалов с ультранизкой окружной скоростью его вращения (это позволит снизить массу вентилятора на 30% по сравнению с технологией полых титановых лопаток, применяемых на ПД-14 и заметно уменьшить уровень шума), новых малоэмиссионных камер сгорания, высокоэффективных турбин. Увеличение максимальной суммарной степени повышения давления в компрессорах примерно до 60 позволит снизить удельный расход топлива. Создание высокоэффективного и надежного редуктора, передающего мощность до 50–60 МВт при КПД не менее 99%, обеспечит сокращение числа ступеней турбины вдвое и снижение шума двигателя на 6–8 EPN dB. Немало предстоит поработать и в части создания новых технологий для изготовления деталей двигателя из прогрессивных конструкционных материалов – интерметаллидов, в т.ч. алюминидов титана (корпуса, лопатки и др.), керамических композитов (детали турбины и камеры сгорания), металлических композиционных материалов (элементы узлов крепления и валы).
Все это потребует выполнения широкого фронта научно-исследовательских работ в рамках государственной программы «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 гг.». Доведение новых технологий до 6-го уровня технологической готовности с созданием и испытаниями в термобарокамере высотного стенда экспериментального универсального газогенератора и демонстрационных двигателей потребует модернизации и создания новых стендов для экспериментальных исследований и испытаний двигателей, их узлов и систем, включая новую летающую лабораторию (например, на базе Ан-124).
Какой в целом видится в ЦИАМ линейка отечественных авиационных двигателей гражданского назначения на среднесрочную перспективу? Есть ли уже понимание, как дальше должны развиваться двигатели для пассажирской и транспортной авиации, для вертолетов?
Сегодня в ЦИАМ, на основании принятой системы уровней технологической готовности, сформирована долгосрочная программа создания научно-технического задела по двигателям различных классов и назначений. Мы считаем, что примерно к 2020 г. до 6-го уровня готовности технологий должны быть доведены усовершенствованные варианты ПД-14 (для МС-21) и ТВ7-117 (для региональных самолетов). За следующую пятилетку, к 2025 г., такого уровня готовности должны достичь проекты нового ТРДД тягой 22 тс (для транспортных самолетов), создаваемый на базе ПД-14 двигатель ПД-10 (для самолетов типа SSJ100), а также новый ТРДД тягой 5 тс (для региональных самолетов). Примерно к 2030 г. до 6-го уровня готовности технологий можно будет довести программу нового ТРДД тягой 35 тс для дальнемагистральных самолетов, а также перспективные силовые установки для магистральных самолетов – ТРДД со сложными циклами, распределенную силовую установку (один газогенератор, приводящий во вращение несколько вентиляторов) и гибридный ГТД, а также двигатель изменяемого цикла для сверхзвуковых пассажирских самолетов.
В части вертолетных силовых установок мы ожидаем, что примерно к 2020 г. может быть готов усовершенствованный (на базе ВК-2500), а к 2025 г. – и принципиально новый (ПДВ) турбовальный двигатель в классе мощности 2500 л.с. Тогда же, к середине следующего десятилетия, возможна реализация проекта турбовального двигателя ПД-12В в классе мощности 10 тыс. л.с. Для легких самолетов и беспилотных летательных аппаратов к 2020 г. может быть создан дизельный двигатель в классе мощности 500 л.с. и небольшой поршневой двигатель на 50–150 л.с. соответственно, а к 2025 г. – турбокомпаундный поршневой двигатель в классе мощности 500 л.с. для самолетов местных воздушных линий и легкий ГТД в классе мощности 350 л.с. для БЛА. Примерно к 2025 г. ожидаем готовности новой вспомогательной силовой установки мощностью 500–700 кВт, а к 2030 г. – инновационной ВСУ на топливных элементах мощностью 20–100 кВт.
За счет повышения параметров цикла, совершенствования узлов и внедрения новых материалов (в первую очередь, композиционных) двигатели для гражданской и транспортной авиации к 2020 г. должны стать на 5% экономичней на крейсерском режиме и на 40–50% экологичней по эмиссии окислов азота относительно уровня, достигнутого сейчас на ПД-14. К 2025 г. экономичность и экологичность должны повыситься на 10 и 60%, а к 2030 г. – на 20 и 65% к сегодняшнему уровню соответственно. Параллельно будет последовательно уменьшаться уровень шума.
Снижение удельного расхода топлива вертолетных двигателей, относительно показателей сегодняшнего ВК-2500, к 2020 г. оцениваем в 5%, к 2025 г. – в 7%, к 2030 г. – в 10%. Это будет достигаться за счет повышения параметров цикла, применения пылезащитных устройств с высокой степенью очистки, высокооборотных осевых и центробежных компрессоров, многотопливной малоэмиссионной компактной камеры сгорания, высокооборотной высоконагруженной одноступенчатой турбины компрессора, свободной турбины с противоположным вращением ротора, электроприводной САУ типа FADEC, совмещенной с системой диагностики, новых материалов, типов уплотнений и подшипников.
Таков наш прогноз развития технологий авиационного двигателестроения на ближайшие 10–15 лет. Надеюсь, что большой опыт, который был накоплен за восемь с половиной десятилетий работы ЦИАМ, наш научный потенциал и эффективное сотрудничество с отраслевыми предприятиями-разработчиками и серийными заводами позволят воплотить наши прогнозы в реальные проекты авиационных двигателей для отечественных самолетов и вертолетов.
Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 4/2016
