Непрерывное совершенствование эксплуатационных характеристик газотурбинных двигателей (экономичности, массы, ресурса, надежности, уровней шума и эмиссии и пр.) осуществляется путем повышения параметров рабочего процесса, применения прогрессивных конструкторско-технологических решений и новых материалов. Повышающаяся сложность задач, решаемых авиацией, требует создания все более совершенных двигателей, однако они становятся все сложнее и дороже. Значительно возрастают сроки и стоимость создания двигателей. В условиях финансовых ограничений процесс создания высокосовершенных двигателей потребовал новых организационных мероприятий, обеспечивающих успешную разработку и доводку новых двигателей в заданные сроки. Эти мероприятия совершенствовались на протяжении десятилетий и трансформировались в современную методологию разработки двигателей, обеспечивающую гарантированное получение требуемых технико-экономических показателей в заданные сроки, высокие показатели надежности и ресурса с начала эксплуатации, сокращение затрат на разработку, производство и эксплуатацию.
Двигатель — "ключевое звено" в создании самолета. От его наличия и от того, в какой степени этот двигатель удовлетворяет поставленным требованиям, зависит судьба самолета. Чтобы уменьшить риск, связанный с возможным несоответствием двигателя поставленным требованиям к заданному сроку, заказчик перед заключением контракта на его разработку обязывает разработчиков подтвердить испытаниями демонстрационных двигателей возможность достижения того уровня технического совершенства, которое они намереваются реализовать в нем. Даже, несмотря на такие меры предосторожности, заказчик не может быть уверенным в правильности выбора тяги двигателя, особенно, если речь идет о летательных аппаратах, в которых применяются новые технические решения. Масса планера, его аэродинамические характеристики, а также согласование характеристик летательного аппарата и силовой установки могут значительно изменить требования, первоначально предъявляемые к двигателю. Такое несоответствие может привести к большим дополнительным затратам и удлинению сроков создания двигателя.
В связи с этим в начале 60-х годов прошлого века в США для обеспечения высокого уровня технического совершенства разрабатываемых двигателей в условиях финансовых ограничений и неопределенности требований был разработан и внедрен регламент создания авиационных двигателей, который можно разделить на два этапа: этап обоснования технологической готовности к созданию и этап технической разработки и ввода в эксплуатацию. Этот регламент постоянно совершенствуется и развивается. Вначале он применялся при создании двигателей военной авиации, а затем с некоторыми изменениями был распространен на двигатели для гражданской авиации.
Опережающая отработка новых технических решений с целью достижения максимально возможного уровня технического совершенства двигателей при минимальных затратах начала входить в практику создания двигателей в США с 1959 г., когда представителям лаборатории авиационных силовых установок ВВС США (APL) удалось добиться от Пентагона ассигнований на программу Light Weight Gas Generator (LWGG, газогенератор малого веса). Целью программы была демонстрация возможности создания маршевого двигателя с удельным весом 0,1- В то время удельный вес существовавших двигателей составлял 0,22...0,25. В качестве объекта демонстрации был выбран газогенератор (компрессор, камера сгорания и турбина) — наиболее напряженная часть двигателя, которая в основном определяет его характеристики, срок службы и уровень технического обслуживания. Участниками работ по этой программе были выбраны компании GE и PW. Программа успешно завершилась в 1962 г. Было показано, что, работая над газогенератором, можно получить достаточное количество данных по напряжениям и характеристикам "чистого" газогенератора, и убедиться, что если газогенератор может быть доведен, то 90% проблем разработки двигателя будет решено. Таким образом, при небольших затраченных средствах возможно определить правильность выбора технических решений, исправить ошибки и отбросить неправильные технические идеи.
В процессе выполнения работ сформировался регламент проведения работ для обеспечения технологической готовности к созданию двигателя (этапа создания научно-технического задела). Его можно разделить на три стадии (см. рисунок 9):
— базовые технологии, включающие исследования перспективных технических решений и процессов, новых материалов, топлив, систем управления, изучение новых идей и схем двигателей, разработку высокосовершенных математических моделей, что обеспечивало накопления исходной фундаментальной информации;
— узловые технологии, включающие изучение элементов и узлов, построенных на основе новых идей, перспективные технические решения и узлы, изготовленные с применением новых материалов и технологических процессов;
— перспективные разработки, включающие создание и испытания демонстрационных газогенераторов и двигателей.
Рисунок 9. Фазы базовых и узловых технологий создания двигателей
Эти работы обеспечивались:
— прямыми контрактами с организациями МО США и NASA на конкретные исследования;
— средствами, поступающими от Министерства обороны;
— собственными средствами компаний.
"Мотором" разработки новых технических решений, материалов и перспективных технологий являются двигатели военной авиации. Это объясняется не только чрезвычайно высокими требованиями, предъявляемыми к ним, и большими возможностями финансирования создания перспективных технологий из государственного бюджета, но также и возможностью проверки новых технических решений в экстремальных условиях при предельных параметрах.
Мероприятия выбирались по следующим критериям:
— снижение расхода топлива;
— экономическая приемлемость для авиакомпаний, определяемая сроком окупаемости;
— срок разработки;
— технический риск;
— затраты.
В рамках данного занятия рассматриваются узловые технологии создания двигателей, т.е. следующие составляющие:
· Вентилятор;
· Компрессор;
· Камера сгорания;
· Форсажная камера;
· Реактивное сопло.