Философия ПД‑14

Начиная свое выступление на МФД‑2016, Александр Иноземцев отметил, что имевшийся задел, проведенная методическая и организационная работа позволили программе ПД‑14 удачно стартовать. «Это важно, – отметил он, – поскольку в течение многих лет никто не верил, что мы способны даже организовать такой процесс. Но старт – это далеко не все. Сегодня мы совместно с нашими партнерами находимся на очень ответственной стадии, когда уже понимаем все «болячки» и проблемы этого двигателя не только теоретически, но и экспериментально. Сейчас наша задача – оперативно поправить то, что мы нашли при предварительных испытаниях, и провести зачетные сертификационные работы, чтобы получить право поставить двигатели на самолет МС‑21 и начать летать. Это крайне важная стадия работ».

Глава «Авиадвигателя» напомнил, что ПД‑14, являющийся основой большого семейства, разрабатывается, в первую очередь, для самолета МС‑21: «Это наиболее популярная в магистральной авиации размерность пассажирских самолетов, им принадлежит самая большая рыночная ниша. И многие потенциальные покупатели с нетерпением ждут появления конкурентов Boeing и Airbus в этой нише. Поэтому наша задача является не только крайне амбициозной, но и крайне ответственной». 

При этом идея создавать не один двигатель на один тип самолета, а целое семейство, которое позволяет оперативно менять политику в зависимости от конъюнктуры рынка, по словам Александра Иноземцева, не нова: «Как только стоимость разработки авиационного двигателя перевалила за 1 млрд долл., стало ясно, что просто создавать двигатель для одного типа самолета – это гигантские финансовые риски, эту идеологию исповедуют все наши основные конкуренты. Поэтому мы длительное время, совместно с ЦИАМ, выбирали размерность и параметры газогенератора, как основной ключевой технологии, позволяющей унифицировать семейство. В газогенераторе – 70% технических, технологических, надежностных проблем, и любые его изменения и переделки, как правило, влекут за собой гигантские риски, затраты и прочее. Поэтому выбрать удачно размерность газогенератора и выйти с ней на рынок – это огромное искусство и маркетологов, и аэродинамиков, и прочнистов, и технологов. Мы длительное время эту размерность выбирали, более того – мы даже начали испытывать газогенератор с другими параметрами. Но начался мощнейший бум цен на нефть, когда она «улетела» за 100 долл., и экономичность даже ближне-среднемагистральных самолетов вышла на первое место. Поэтому нам пришлось радикально пересмотреть нашу идеологию, и вот в результате мы создали такой газогенератор и на его базе – двигатель». 

Генеральный конструктор подчеркнул, что семейство ТРДД на основе газогенератора ПД‑14 может включать двигатели тягой от 7–8 до 17–18 тс: «Для меньшей мощности двигателя газогенератор уже велик, для большей – недостаточно тяговооруженный, чтобы получить заданные надежность и ресурс». Кроме того, на базе этого газогенератора должен получиться удачный вертолетный двигатель большой мощности – пока в мире существует только один двигатель такого класса – запорожский Д‑136 для вертолета Ми‑26, «ничего похожего в мире больше нет». По словам Александра Иноземцева, ниша тяжелых вертолетов будет существовать как в интересах военных, так и гражданских потребителей, поэтому «в семействе и есть такой двигатель». «Газогенератор будет абсолютно унифицирован, будет производиться в тех же условиях, из тех же материалов. Поменяется только силовая турбина, и нужно будет приспособить его к вертолету». Залогом успеха ПД‑12В руководитель КБ считает четвертьвековой опыт изготовления в Перми промышленных газовых турбин на базе авиационных двигателей: «Мы их продаем в огромном количестве. На базе ПС‑90 продали около 1000 газовых турбин различной мощности для нефтяников, газовиков, для потребителей, делающих собственные генерации. Естественно, мы рассчитываем и на базе ПД‑14 сделать новое, более эффективное и экономичное поколение, в т.ч. и на замену своих же двигателей, которые мы поставляли в течение этого времени».

Не обошел Александр Иноземцев стороной и вопрос, почему на ПД‑14, в отличие от его американского конкурента PW1000G, нет редуктора: «У нас были длительные дебаты по поводу схемы двигателя. Pratt & Whitney «пошатала» рынок с выходом на него в таком классе тяги с редукторным двигателем. Между вентилятором и турбиной низкого давления стоит редуктор, который дает определенные преимущества – их называют все, кто поддерживает эту схему, – но имеет и большое количество недостатков и неудобств. Мы длительное время это с ЦИАМ взвешивали и пришли к выводу, что именно в этом классе, для этого типа двигателей редукторная схема не имеет очевидных преимуществ. Совершенно независимо от нас такой подобный анализ сделали и в General Electric со Snecma (Safran), которые создали конкурента Pratt & Whitney – двигатель CFM International LEAP – он также делается по классической безредукторной схеме». 

По выражению Генерального конструктора, ПД‑14 буквально начинен новейшими технологиями. Но любые новшества тянут за собой риски – технические, финансовые и т.д. Тщательный анализ показал, что если просто перенести в этот класс силовых установок технологии и материалы, отработанные на других отечественных двигателях, конкурентоспособного продукта не получится. «Именно 1990‑е гг., когда мы «выживали», а мир семимильными шагами шел вперед, и заставили нас пойти на риски применения новых материалов и технологий, которые, несмотря на все трудности того времени в институтах и КБ, потихоньку, по крупицам создавались. И как только политическое решение о финансировании ПД‑14 было принято, они позволили все это соединить в нашем двигателе. Новыми технологиями пронизаны все узлы двигателя. Это новейшие материалы, новейшие современнейшие технологии проектирования, аэродинамики и прочности узлов, которые мы делали вместе с ЦИАМ. Все это в итоге позволило реализовать двигатель, который сегодня проходит испытания», – заключает Александр Иноземцев.

Кооперация

Главнейшее условие реализации проекта ПД‑14, которое отмечает Генеральный конструктор, – консолидация усилий всей Объединенной двигателестроительной корпорации: «Мы собрали в программе практически всех. Все в этом проекте соединились, и все инвестиции в технологии распределяются по этим предприятиям». Отдельно он выделяет организованное в Уфе производство пустотелых лопаток: «Это четвертый завод в мире, который овладел подобной технологией, но наша технология – собственная, запатентованная. Мы с самого начала понимали, что если сами не создадим свою технологию, начиная от титановых заготовок «ВСМПО-Ависма» и до конечной конструкции, не запатентуем ее и «сунемся» на рынок, то нас оттуда просто выдавят всевозможными юридическими преследованиями». В Перми создан центр технологии нанесения керамических покрытий на горячие части лопаток, позволяющих обеспечить их высокие ресурсы. Пригодился здесь и пермский опыт серийного производства высокотемпературной высокоресурсной «горячей» части двигателей семейства ПС‑90 – он в полной мере был использован при создании конструкции монокристаллических лопаток из новейших материалов, разработанных ВИАМ.

Во время доклада демонстрировался слайд, показывающий кооперацию предприятий ОДК при производстве ПД‑14. За газогенератор – компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления – отвечает «ОДК – Пермские моторы» (до 2016 г. – Пермский моторный завод), в изготовлении компрессора низкого давления и разделительного корпуса участвуют УМПО и НПО «Сатурн», турбины низкого давления и задней опоры – УМПО и «ОДК – Пермские моторы», реактивное сопло внутреннего контура и центральное тело поставляет «Металлист-Самара», центральный привод и коробку приводов – «Салют» и УМПО, систему FADEC и агрегаты топливной системы – пермское «ОДК – СТАР».

Александр Иноземцев отмечает, что в рамках программы ПД‑14 двигателисты впервые занялись и мотогондолой: «Во всем мире ситуация такова, что там длительное время работают специализированные фирмы (вроде Goodrich), которые разрабатывают мотогондолы для всех типов двигателей, производимых на Западе. У нас никогда не было таких специализированных компаний, а «самолетчики» – туполевцы, ильюшинцы, яковлевцы – каждый сам делал себе мотогондолу, полностью автономно и независимо друг от друга. Мы поставляли двигатель, они его «одевали» в гондолу. Но в начале разработки ПД‑14 стало ясно, что наши «самолетчики» эту компетенцию утратили. Идти по пути заказа на Западе мы не планировали и приняли решение создавать мотогондолу сами, совместно с институтами, в т.ч. с ВИАМ, который разработал все полимерные композиционные материалы – в нашей мотогондоле примерно 60% – это полимерные композиты». Кооперация по производству мотогондолы ПД‑14 включает Воронежское акционерное самолетостроительное общество, которое делает по документации и технологиям «Авиадвигателя» воздухозаборники и капоты, ряд пермских агрегатных предприятий и входящий в Корпорацию «Тактическое ракетное вооружение» пермский завод «Машиностроитель», изготавливающий композитные реверсивные устройства (уникальная технология намотки решеток реверса освоена на «ракетном» заводе в подмосковном Хотьково).

Испытания

К моменту проведения апрельского форума, помимо двигателя-демонстратора (№100‑01), было изготовлено уже семь ПД‑14 опытной партии (с №100‑03 по №100‑09), последний из них демонстрировался перед входом в павильон, в котором проходил МФД‑2016. Суммарная их наработка на испытаниях к этому времени составила 241 ч. Кроме того, около 155 ч наработали на стендах опытные газогенераторы (в Перми приступили к сборке очередного – №100ГГ‑05) и более 600 ч – отдельные узлы ПД‑14. 

В конце 2015 г. выполнен первый этап испытаний опытного ПД‑14 №100‑06 в термобарокамере (ТБК) ЦИАМ в Тураево, имитирующей высотно-скоростные условия реального полета. В апреле начат второй этап испытаний в ТБК, для чего в ЦИАМ поставлен двигатель №100‑08. Его первая холодная прокрутка на стенде термобарокамеры состоялась 14 апреля 2016 г.

К началу нынешней весны успешно завершен первый этап летных испытаний ПД‑14 №100‑07 на борту летающей лаборатории Ил‑76ЛЛ №0807 в ЛИИ им. М.М. Громова в Жуковском. Выполнено 16 полетов с суммарной наработкой двигателя 22,4 ч. В ходе этих полетов сняты дроссельные характеристики опытного ПД‑14 во всем диапазоне режимов от полетного малого газа до частоты вращения ротора высокого давления около 13 100 об./мин, на высотах до 11 300 м и скоростях до М=0,75, отработаны воздушные запуски на высотах 5, 7, 8 и 9 км, во время скоростных пробежек проверена работа реверсивного устройства. 3 марта 2016 г. двигатель был снят с летающей лаборатории и отправлен в Пермь для переборки и проверки состояния его узлов.

«Мы отлетали первый этап, – рассказывает Александр Иноземцев. – У нас были определенные ограничения, связанные с дефектами, которые мы выявили по компрессору. Но, тем не менее, мы отлетали все высоты до самой предельной. Отработали высотные запуски, выявили вопросы, которые неизбежны. Поработали с реверсивным устройством, которое у нас тоже инновационное: на всех западных двигателях стоят пневматические и гидравлические приводы реверса, мы же впервые применили электропривод с червячной передачей (по такой же схеме пошли и в CFM на двигателе LEAP). Вот это все мы впервые отрабатывали. Появились вопросы. Сегодня двигатель в Перми, он используется для испытаний нового стенда, который появился на серийном заводе, после этого пройдет переборку, и в конце лета мы планируем его вернуть на летающую лабораторию для проведения второго этапа летных испытаний». 

В нынешнем году планируется собрать и поставить на испытания три следующих двигателя (№100‑10, 100‑11 и 100‑12), изготовить еще один (№100‑13), сборка которого, видимо, завершится уже в 2017 г. Предстоит обширная программа сложнейших инженерных испытаний: на обрыв вала турбины низкого давления на стенде «Авиадвигателя», на обрыв рабочей лопатки вентилятора на стенде Т‑14‑1 в ЦИАМ, ресурсные испытания. В рамках сертификационных испытаний предстоит отработка ПД‑14 в термобарокамере ЦИАМ на оценку высотно-скоростных характеристик и отсутствие автоколебаний рабочих лопаток вентилятора, на открытом стенде НПО «Сатурн» – в условиях бокового обдува и заброса града, на стенде «Авиадвигателя» – 150‑часовые испытания. 

«Работы ведутся сразу по нескольким направлениям, – продолжает Александр Иноземцев, – на стендах в Перми, Уфе, Рыбинске, Тураево (ЦИАМ). Но мы понимаем, что этого недостаточно, что наши коллеги проводят больше испытаний. Поэтому на сегодня основная задача – это расширение объемов производства материальной части. Несмотря на созданную мощную кооперацию, на подключение к производству опытных двигателей крупнейших заводов, тем не менее, проблемы есть, и мы решаем их для еще более интенсивного разворачивания работ по проведению необходимого объема испытаний». 

Инженерные испытания, которые планируется провести в этом году, Генеральный конструктор называет тяжелейшими, поскольку они связаны «с демонстрацией, что при обрыве лопатки вентилятора из-за какого-то дефекта не будет нелокализованного разрушения двигателя, а при обрыве турбины низкого давления она не уйдет в «раскрутку», и элементы диска не повредят фюзеляж». Мировой опыт показывает, что такие испытания редко когда удается успешно провести с первого раза: «На ПС‑90 они у нас получились со второго раза и с третьего – по турбине низкого давления. Надеемся, что опыт, который мы имеем, позволит нам достаточно быстро получить результат». 

Еще одним новшеством является создание банка данных по реальным конструктивным характеристикам заготовок деталей двигателя из новых материалов. «И рынок, и разработчики пришли к идеологии, что если иметь характеристики материалов с хорошей статистической достоверностью на тысячах образцов материальных заготовок, то можно доверяться расчетным данным, связанным с ресурсом. Это так называемая третья стратегия, которая не требует для сертификации полномасштабных испытаний, а только инженерных. Но для этого необходимо иметь такую базу данных. Все западные фирмы в течение последней четверти века создавали подобную базу. Это стоит миллиарды долларов, очень тщательно охраняется. Мы совместно с институтами под ПД‑14 такую базу создаем. Для этого нам пришлось построить лабораторный центр в Перми, более 50 испытательных машин, дооснастить испытательный стенд в ЦИАМ и испытательный центр в ВИАМ. Нам нужно изготовить порядка 30 тыс. образцов и провести их полномасштабные испытания. Для этого уже сооружена автоматизированная роботизированная линия в Перми, работающая круглосуточно». 

Касаясь вопросов сертификации, Александр Иноземцев замечает, что подача заявки на нее – это тоже определенное искусство: «Заявка действует только три года с возможностью продления еще на два, т.е. всего пять лет. После подачи заявки все новые требования, которые появляются, на нас не распространяются. Если срок срывается, то потом все, что за эти годы появилось, придется учитывать – все придется доделывать, переделывать и т.д. Поэтому мы все долго обдумывали, рассчитывали, проверяли, и в конце концов подали заявку, провели макетную комиссию, и сегодня работаем с Авиационным регистром, совместно с ним направили заявку в EASA на предмет валидации нашего будущего российского сертификата. Первый прием делегации из EASA у нас состоится в начале июня. Здесь мы рассчитываем на огромный опыт рыбинцев, которые уже работали с EASA. Специалисты «Сатурна» готовы нам передавать опыт по европейской сертификации». 

Согласно представленным на форуме материалам, российский сертификат типа на ПД‑14 планируется получить в апреле 2018 г., европейский – в 2019 г. Первый полет МС‑21 с ПД‑14 пока планируется на июнь 2018 г. «План такой, – рассказывает Александр Иноземцев, – сначала будут проведены сертификационные испытания МС‑21 с двигателем нашего конкурента – Pratt & Whitney, а потом самолет будет доработан под ПД‑14 и получит дополнение к сертификату типа. Это самый разумный путь, который позволит не «перелетывать» уже проделанную работу по самолету, а выполнить только полеты, связанные с заменой двигателя. Подобный опыт у нас есть. Мы проводили ремоторизацию Ил‑76 и знаем, что нужно сделать на самолете, чтобы сертифицировать только замену двигателей. Так мы сертифицировали самолет Ил‑96М, который сейчас называется Ил‑96‑400, поставив на него вместо американских двигателей ПС‑90А1. Так мы ремоторизировали Ту‑204, поставив на него ПС‑90А2. Мы знаем, как это делать, и такое решение на сегодня уже принято».

ПД‑12В, ПД‑10 и другие

Несмотря на то, что сертификация базового ПД‑14 займет еще по меньшей мере два года, на основе его газогенератора уже прорабатываются другие двигатели. Первым среди них может стать турбовальный ПД‑12В, потребность в котором определяется необходимостью решения задачи импортозамещения при ремоторизации тяжелых вертолетов семейства Ми‑26. По мнению Александра Иноземцева, компактность газогенератора ПД‑14 и его высокие энергетические характеристики позволяют не просто создать другой двигатель для Ми‑26, но и существенно превзойти имеющийся Д‑136, который он считает «шедевром для своего времени». Дело в том, что разработанный для ПД‑14 газогенератор позволяет обеспечить существенно большую располагаемую мощность – до 14 500 л.с., но двигатель придется задросселировать до 11 500 л.с., поскольку редуктор Ми‑26 не способен пропускать больше. «Переделывать редуктор – это гигантская проблема, и пока такой задачи не стоит. Зато получается огромный запас по высотности. Задросселированный двигатель позволяет существенно поднять высотность вертолета». 

ПД‑12В будет сохранять взлетную мощность 11 500 л.с. до высоты 2000 м (у Д‑136 она начинает сразу падать) и температуры окружающего воздуха +40°С (у Д‑136 – 15°С). Александр Иноземцев признает, что двигатель получается немного (примерно на 100 кг) тяжелее, чем Д‑136, но за счет лучшей экономичности (удельный расход топлива 0,180 против 0,198 кг/л.с.ч) и более высокой располагаемой мощности это полностью компенсируется. К тому же схема ПД‑12В будет проще, у него меньше ступеней: если трехвальный Д‑136 имеет два каскада компрессора (шесть и семь ступеней), две одноступенчатых турбины турбокомпрессора и двухступенчатую свободную турбину, то у двухвального ПД‑12В (на четырех подшипниках вместо шести) один восьмиступенчатый компрессор с двухступенчатой турбиной и трехступенчатая свободная турбина. «Мы договорились по всем параметрами с вертолетчиками, сейчас завершается оформление ТЗ, и Минпромторг в этом году планирует начать финансирование этой работы», – заключает Генеральный конструктор.

Кроме того, на базе газогенератора ПД‑14 может получиться неплохой «10‑тонник» – ПД‑10 взлетной тягой 10,9 тс, который может найти применение на удлиненной версии самолета SSJ100, способной перевозить до 130 пассажиров на расстояние до 5500 км. Он окажется тяжелее нынешнего SaM146 (2200 кг против 1708 кг), но будет располагать на 35% большей взлетной тягой и меньшим на 14% удельным расходом топлива. Диаметр вентилятора ПД‑10 должен составить 1677 мм, степень двухконтурности – 7,5 (у SaM146 – 1224 мм и 4,4 соответственно). По сравнению с базовым ПД‑14, у ПД‑10 будет меньше на одну ступень в компрессоре и в турбине низкого давления. 

Предусматривается и форсированная на 11% версия базового двигателя – ПД‑14М тягой 15,6 тс, которая первоначально планировалась для пока отложенной удлиненной модификации МС‑21‑400. По словам Александра Иноземцева, «вариант форсирования двигателя достаточно дешевый – за счет добавления одной подпорной ступени компрессора и небольшой переделки турбины низкого давления, но при этом появляется возможность еще раз ремоторизировать Ил‑76. На них сегодня летают пермские «12‑тонники» Д‑30КП, самолеты уже один раз ремоторизировали, поставив ПС‑90А‑76. И вот теперь будет «16‑тонник» ПД‑14М, который позволит еще раз вдохнуть в Ил‑76 новую жизнь, еще улучшить его экономичность и дальность». Согласно представленной на форуме информации, при сохранении того же, как у ПС‑90А, диаметра вентилятора (1900 мм), ПД‑14М будет располагать меньшей на 330 кг массой (4270 против 4600 кг), повышенной с 4,4 до 7,3 степенью двухконтурности, сниженным на 10% удельным расходом топлива и вдвое большим ресурсом деталей. Ремоторизация самолетов типа Ил‑76 с использованием ПД‑14М позволит на 20% поднять дальность полета и на 10% снизить затраты на перевозку 1 т груза.

Двигатели большой тяги

Помимо работ по семейству двигателей на базе газогенератора ПД‑14 в Перми начинается и проектирование ТРДД значительно большей тяги. «Когда мы планировали семейство ПД‑14, мы выбрали самую большую рыночную нишу – порядка 55–60% объема рынка в ближайшие 30 лет, – рассказывает Александр Иноземцев. – Но есть еще рынок малых ТРДД и рынок сверхбольших двигателей – от 25 до 50 тс. Последний – это примерно 25–30% всего потенциального рынка. Мы длительное время анализировали, какие базовые технологии, какой базовый газогенератор выбрать, чтобы войти в эту рыночную нишу. Провели анализ. Если взять технологии и материалы ПД‑14 и просто смоделировать размеры двигателя на 35 тс, то диаметр у него получится 3,5 м, длина – 7 м, а масса – порядка 7 т. Выходить с таким двигателем на рынок через 10–15 лет – несерьезно. Поэтому мы понимали, что нужен прорыв в технологии, выход на следующий уровень по КПД узлов, а это тянет за собой рост температуры перед турбиной еще почти на 100° (по сравнению с ПД‑14), а значит нужно иметь материалы не просто прочные, но еще и с минимальной плотностью, чтобы быть конкурентными по массе. Кроме того, нужны огромные ресурсы, причем появляется проблема не просто механического ресурса, а ресурса коррозионного. Для таких огромных налетов на первое место выходит именно коррозионный ресурс: детали быстрее корродируют, чем изнашиваются механически. Эту проблему мы ставим сегодня перед собой и отраслевыми институтами. Но аэродинамическая база для такого двигателя у нас уже есть, смоделированный компрессор высокого давления с одной добавленной ступенью и новая турбина высокого давления из новых материалов позволят создать такое семейство. Базовым будет двигатель на 35 тс». 

Степень двухконтурности ПД‑35 должна достичь 11 (диаметр вентилятора – 3100 мм), степень повышения давления в компрессоре – 53. В основе двигателя планируется использовать газогенератор по схеме «9–2» (у ПД‑14 – «8–2»), он получит пятиступенчатый компрессор низкого давления и семиступенчатую турбину низкого давления. «Мы абсолютно убеждены, что никаких перспектив у редукторной схемы в этом классе нет, – считает Александр Иноземцев. – Мощность, которая передается от турбины низкого давления к вентилятору – более 50 МВт, даже редуктор с КПД 99,99% будет вырабатывать столько тепла, что непонятно куда его отводить. Поэтому мы остановились на классической схеме, этим путем идут и наши зарубежные коллеги, которые создают новое семейство двигателей большой тяги. Основные параметры двигателя утверждены в корпорации. Созданная кооперация по ПД‑14 себя полностью оправдала, но мы открыты для всех, кто хочет участвовать в этом проекте». 

Он отметил, что вместе с отраслевыми институтами уже определен перечень 18 основных критических технологий, без которых нельзя будет обеспечить конкурентоспособность подобного двигателя через десятилетие. Среди них Александр Иноземцев, в первую очередь, называет новые высокотемпературные материалы и следующий шаг в технологии производства лопаток вентилятора – переход к композитной лопатке, которая дает 30% экономии массы: «Мы убеждены, что если мы не овладеем этой технологией композитной лопатки и баллистически стойкого корпуса вентилятора, то не получим конкурентоспособной массы». Среди других задач – создание «тонкой» мотогондолы, требующей размещения коробки приводов под капотом газогенератора, для чего нужны высокотемпературные сплавы и разъемы. Необходимо развивать аддитивные технологии, создавать новое поколение агрегатов, в т.ч. топливных насосов, датчиков с оптико-волоконными линиями связи – все это позволит повысить надежность и снизить массу. «Мы убеждаем руководство и правительство, что сейчас нужно запустить этап НИР, на пять лет, чтобы разработать и испытать газогенератор, выйти на так называемый 6‑й уровень освоения технологий, и после этого приступить к ОКР», – заключает Александр Иноземцев.

Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 5/2016