Узловые технологии создания двигателей

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.