Авиационный двигатель принципиальная схема

Создание комплексной системы для испытания авиационных двигателей

Поповьян А.Г., ЦИАМ, Попов А.Н., НПП «МЕРА»

На площадке НИЦ ЦИАМ совместными усилиями специалистов НПП «МЕРА» и ЦИАМ построен комплекс для испытания биротативного вентилятора. Решена задача комплексной автоматизации испытательного стенда.

Научно-производственное предприятие «Мера» — одно из ведущих российских предприятий, работающих на рынке измерительных приборов и систем, разрабатывающих и поставляющих автоматизированные комплексы стендовых испытаний (АКСИ) для различных отраслей, в первую очередь, для предприятий авиационной и космической промышленности. За время работы на этом направлении предприятием накоплен немалый методический и инструментальный опыт. Этот опыт, наличие в структуре предприятия конструкторского бюро и собственного производства, тесное взаимодействие с конечными пользователями, применение инновационных технологий и гибкий подход в выборе используемых решений — вот секреты успеха предприятия на современном рынке услуг автоматизации.

Требования к построению современной АКСИ
Целью внедрения АКСИ на предприятиях, специализирующихся в области разработки, испытаний, производства, ремонта авиационных двигателей и отдельных узлов к ним, является повышение точности и достоверности оценки параметров объекта исследований, а также уменьшение времени, требуемого для его испытания, снижение расходов топлива и энергии.

К современной измерительной аппаратуре, работающей в условиях стендовых испытаний, предъявляется комплекс требований:

• высокие метрологические характеристики;
• сертификация как средства измерений;
• работа с широкой номенклатурой датчиков (как с самыми современными, так и с выпускавшимися несколько десятилетий назад);
• возможность интеграции подсистем измерения статических и динамических параметров в единый комплекс;
• возможность без существенных материальных и временных затрат наращивать количество и номенклатуру измерительных каналов, функциональные возможности программного обеспечения;
• открытость и модульность архитектуры аппаратных и программных средств;
• стандартизация форматов обмена измерительной информации;
• надежность и стабильность работы, высокая ремонтопригодность, что особенно ценно при испытаниях объектов авиационно-космического назначения;
• наглядность и оперативность получения отчетной информации по испытаниям;
• высокая рентабельность за счет сохранения эксплуатационных свойств в течение всего срока эксплуатации;
• доступность и качество гарантийного и послегарантийного обслуживания;
• синхронизация измерительной информации по каналам статических и динамических измерений.

Пример построения комплекса для испытаний биротативного вентилятора
Современная испытательная система — это совокупный труд целого ряда специалистов — профессионалов в своей области: системных интеграторов, разработчиков аппаратуры, конструкторов, метрологов, программистов. Одной из основных задач фирм-интеграторов является совершенствование измерительных систем путем сбора и обобщения опыта в данной области.

Показательным примером построения комплексных структурированных измерительных систем для авиадвигателестроения является комплекс для испытаний биротативного вентилятора на площадке НИЦ ЦИАМ, выполненный «под ключ» специалистами НПП «МЕРА».

АКСИ (рис. 1) предназначен для проведения комплексных исследований биротативного вентилятора и, в первую очередь, его акустических параметров. Построенный на платформе измерительно-вычислительных комплексов серии MIC он позволяет автоматизировать процесс сбора и обработки информации по каналам статических (температура — более 250, давление — более 450, частота вращения, крутящий момент), динамических (пульсации давлений — более 70, динамические напряжения — более 30, радиальные зазоры, бесконтактные измерения вибраций лопаток), а также включает отдельные подсистемы акустических измерений и АСУ. Решена задача комплексной автоматизации испытательного стенда, включая метрологическую поддержку и вопросы совместной работы всех подсистем в едином времени, организации рабочих мест в пультовом помещении, кроссировку линий связи с первичными преобразователями.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированного комплекса стендовых испытаний

Система измерений статических параметров построена на базе ИВК MIC-036 (включает каналы измерения температур термопарами, компенсации холодного спая, каналы частоты вращения) и программно-аппаратного комплекса прецизионного измерения давлений фирмы Pressure Systems © .

Система измерений динамических параметров и акустики построена на базе зарекомендовавшего уже себя в отрасли прибора MIC-300M в различных частотных модификациях, обеспечивающих сбор, обработку и представление информации для каналов в частотных диапазонах от 20 кГц до 95 кГц. Автономная, но имеющая канал информационного обмена с остальными системами, автоматизированная система управления (АСУ) выполнена на базе ИВК MIC-400. Единое программное обеспечение и унифицированные форматы данных облегчают освоение системы конечными пользователями. Открытая модульная структура комплекса позволяет практически неограниченно наращивать мощность системы, а многоуровневая архитектура построения программных и аппаратных средств повышает надежность системы в целом, облегчает поиск возможных неисправностей в процессе эксплуатации.

Внедрение АКСИ, как технически сложного с интеллектуальными элементами объекта, в каждой отрасли имеет свою специфику. Несмотря на имеющийся опыт построения систем испытаний в авиационной отрасли, создание данной системы было бы невозможно без профессиональной помощи специалистов ЦИАМ.

Схемы питания авиационных двигателей топливом

Питание современных двигателей топливом осуществляется принудительно при помощи топливных насосов, расположенных на двигателях. Существует ряд способов питания двигателя, которые в различных вариантах используются в современных системах. Основными способами подачи топлива к двигателю являются: питание самотеком, сверхдавлением в баках и питание при помощи насосов. В современной топливной схеме самолета, с низко расположенными баками в крыльях или фюзеляже, питание самотеком не может быть обеспечено, так как в некоторых случаях карбюраторы расположены выше уровня топлива в баках.

Все же топливо самотеком подается в нижнюю точку системы сборный коллектор или расходный бак, откуда оно засасывается насосом. Одно время систему подачи топлива для высотных самолетов предлагали осуществлять путем повышения давления в баках. В баки предполагалось нагнетать воздух и таким путем без помощи насосов обеспечивать питание на больших высотах.

Однако этот способ в авиации не привился вследствие того, что повышенные давления приводят к утяжелению конструкции баков и, главное, потому что повреждения бака (пробоина, трещина) приводят к прекращению подачи топлива.

Теперь повышение давления в баках используют в комбинации с питанием двигателя насосом, причем для безопасности в пожарном отношении в баки подается нейтральный газ, не поддерживающий горения, например, углекислый газ, азот, или отработанные газы.

Чем проще схема топливной системы, тем надежнее она в эксплуатации, поэтому конструкторы стремятся к осуществлению наиболее простой схемы. Например, когда схема питания топливом состоит из трех баков. Два верхних (передний и задний) подают топливо в нижний бак, из которого оно поступает к насосу. При наличии на самолете большого количества баков и если самолет предназначен для полета на больших высотах, система значительно усложняется. Появляется большое количество кранов, расходных баков, насосов подкачки и т. д.

Разновидности схемы питания топливом зависят от следующих факторов:
— количества баков и расположения их на самолете;
— способа подвода топлива из баков к общей магистрали;
— числа комбинаций питания из разных баков или групп их;
— способа увеличения живучести и надежности системы питания.

От этих факторов зависит установка дополнительных или ручных насосов, насосов подкачки топлива и системы кольцевания после насосов на многомоторных самолетах. Последовательность расположения агрегатов топливной системы по направлению движения топлива от баков к мотору изображается на принципиальной схеме. Компоновка и расположение агрегатов на самолете даются на монтажной схеме.

В системах предусматривается установка кранов, прекращающих подачу топлива к двигателю в аварийных случаях, например, при возникновении пожара, при остановке или повреждении двигателя.

При расположении большого количества баков на самолете, желательной схемой выработки топлива является следующая: вначале вырабатывается топливо из дополнительных подвесных баков, затем питание переключают на группу наиболее удаленных баков в крыле и в последнюю очередь вырабатывается топливо из фюзеляжного бака. Однако это обеспечивается при наличии кранов, которыми можно регулировать выработку из разных баков.

Российские ученые поднимутся в воздух на сверхпроводниковом двигателе

5 февраля в Новосибирске начались наземные отработки самолета — летающей лаборатории с демонстратором гибридной силовой установки (ГСУ), оснащенной сверхпроводниковым (ВТСП) электродвигателем мощностью 500 кВт.

В авиации с 2011 году перспективным направлением признаны самолеты с электродвигателями. Ряд инновационных проектов инициированы известными компаниями и организациями (Airbus, Boeing, NASA, DARPA, JAXA). Достигнуты значимые результаты в виде демонстраторов технологий.

Так, год назад Европейская авиастроительная корпорация Airbus совместно с компаниями Rolls-Royce и Siemens начала реализовывать программу E-Fan X, с конечной целью — создание «электрического» самолета. Демонстратор технологий должен был совершить первый полет в 2020 году, но в апреле 2020 года программа была свернута из-за пандемии COVID-19. В рамках этой программы Airbus намеревалась поднять в воздух среднеразмерный пассажирский реактивный самолет BAe 146, оснащенный одним опытным электродвигателем, мощность которого составляла бы 2 МВт (в штатном варианте BAe 146 имеет четыре турбовентиляторных реактивных двигателя).

В России разработкой электросамолетов занимается Фонд Перспективных Исследований, а конкретно — реализующее проект Фонда московское ЗАО «СуперОкс» (разработки на основе оксидных сверхпроводников). Как рассказал эксклюзивно для «Наука» заместитель генерального директора по аэрокосмическим технологиям ЗАО «СуперОкс» Алексей Сергеевич Воронов «В апреле 2021 года планируется завершение научно-технического проекта ФПИ «Контур» по созданию электродвигателя на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов 2-го поколения. В рамках проекта разработан демонстратор авиационной интегрированной электроэнергетической системы (АИЭС) для перспективных летательных аппаратов на основе единой ВТСП-платформы, включающей подсистемы выработки электроэнергии, ее преобразования и передачи, а также высокоэффективного привода воздушного винта. Основные элементы АИЭС представлены на рисунках 1, 1а, 1б.

Схема авиационной интегрированной электроэнергетической системы (АИЭС) на основе единой ВТСП-платформ

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Рис. 1а. ВТСП-двигатель

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Рис. 1б. ВТСП-кабель

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Схема авиационной интегрированной электроэнергетической системы (АИЭС) на основе единой ВТСП-платформ

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Рис. 1а. ВТСП-двигатель

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Рис. 1б. ВТСП-кабель

Фото: Фото предоставлено компанией «СуперОкс»

Мощность двигателя составляет 500 кВт. Ключевыми отличиями разработанной электроэнергетической системы от существующих образцов является принцип сверхпроводимости и технология получения высокотемпературных сверхпроводников в виде провода (ленты) и возможность производства из ВТСП-лент 2-го поколения элементов электрических и электромагнитных систем. Разработка защищена десятками патентов и Ноу-Хау. Созданный в ходе выполнения проекта «Контур» научно-технический задел обеспечивает возможность:

• повышения удельной мощности электрических машин до 5 кВт/кг и более;
• снижения расхода топлива до 30%;
• снижения шумности на 20%;
• повышения транспортной эффективности на 10%.

На период с 2021 по 2026 годы запланирована разработка технологии создания полностью электрического самолета, что позволит Российской Федерации стать мировым лидером в переходе от традиционного парка самолетов, к аппаратам нового поколения».

Эффективность применения авиационной техники в терминах расхода топлива и стоимости пассажиро-километра или тонно-километра определяется весовой эффективностью используемой силовой установки. Традиционные подходы к созданию силовых установок, когда энергия топлива при сжигании преобразуется в тягу напрямую (турбореактивный двигатель – реактивная тяга, турбовентиляторный двигатель – воздушная тяга второго контура, турбовинтовой двигатель – тяга винта), достигли своего предела ввиду отсутствия потенциала для модернизации и оптимизации за приемлемую стоимость и время.

Концепция гибридных силовых установок (ГСУ) позволяет наиболее эффективно реализовывать расход топлива (источника энергии) вне зависимости от профиля полета летательного аппарата. Такой эффект достигается за счет того, что в гибридной схеме используются электрические приводы винта или вентилятора, а также существует энергетический буфер в виде аккумуляторных батарей. Применение подхода, когда генерация, передача и распределение энергии производится по электрическим проводам, позволяет управлять расходом топлива имея прогноз потребления энергии на борту ЛА.

В настоящее время ГСУ реализованы и серийно выпускаются для образцов автомобильной техники. А.С.Воронов убежден, что единственным подходом к созданию высокоэффективной ГСУ, способной конкурировать с существующими энергоустановками, является использование ВТСП-материалов, которые кратно отличаются от традиционных проводников (медь, алюминий и их сплавы) по токо-несущей способности. Они позволяют создавать эффективные электродвигатели, силовые кабели, системы защиты от токов короткого замыкания, которые отличают предельно высокие удельные мощностные характеристики. Развитие технологий производства ВТСП-лент привело к созданию более совершенных ВТСП-двигателей и значительному расширению сфер их применения. Снижение потерь на переменном токе в ВТСП-ленте 2-го поколения более чем в 10 раз обеспечило возможность в ходе проекта «Контур» впервые в мире изготовить из ВТСП-материалов статорные обмотки и разработать для демонстратора ВТСП-АИЭС эффективные электрические машины с меньшими массо-габаритными характеристиками и заданной скоростью вращения вала. В основе этих электрических машин лежит принцип построения синхронной электрической машины с использованием сверхпроводников в качестве токонесущих элементов.

Более высокая плотность тока, допустимая в ВТСП-материалах, приводит к значительному улучшению основных характеристик электрической машины и кабелей. С целью обеспечения криогенных температур, необходимых для функционирования сверхпроводников, были использованы доступные технологии криостатирования (вакуумные криостаты с многослойной изоляцией) и криоохлаждения (криокулеры, жидкий азот в качестве криогенной жидкости).

За счет усовершенствования технологии производства и повышения инженерной плотности тока ВТСП-ленты представляется возможным модернизировать имеющиеся технологии и создавать электрические машины на ВТСП мегаваттного класса. Степень надежности как электрической машины, так и других элементов ВТСП-системы и системы криогенного обеспечения при этом выходит на более высокий уровень.

Основные технологические проблемы, решенные в ходе проекта «Контур», заключались в необходимости создания ВТСП-провода, обеспечивающего возможность работы элементов статора двигателя в переменном магнитном поле с критическим током более 150 Ампер при частоте 250-300 Гц, а также интеграции криогенной среды в «теплую» электрическую машину с необходимостью теплоизоляции криогенного объема. «Нами решена задача объединения ВТСП-элементов в единую систему с общим криогенным охлаждением!» — доволен результатом Воронов.

При создании нового двигателя также решена задача повышения выживаемости ВТСП-обмоток при многократном ударном термоциклировании с комнатной температуры до температуры жидкого азота. Обеспечение необходимого криогенного охлаждения ВТСП-элементов системы достигнуто за счет увеличения скорости и объема прокачки хладагента, эффективными тепловыми развязками и мостами, обеспечением работы с переохлажденным жидким азотом в диапазоне температур от 77 К до 70 К. Контроль уровня охлаждения обеспечивался организацией сбора требуемых параметров (температуры, давления и т.д.) и передачу собранной информации в систему управления.

ЗАО «СуперОкс»

Изготовление компонентов ВТСП освоено на производственной площадке ЗАО «СуперОкс» в Москве (технопарк на Калужской). Разработкой заинтересовалось Минпромторговли РФ.

Авиационный двигатель принципиальная схема

В 2020 году исполняется 90 лет Московскому авиационному институту (национальному исследовательскому университету) и моторному факультету («Двигатели летательных аппаратов», сегодня — институт № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки»).

Одновременно с образованием факультета были основаны и две профилирующие кафедры: теории авиадвигателей и конструкции авиадвигателей. Учебные планы на тот момент предусматривали подготовку инженеров по авиационным поршневым двигателям. В конце 40-х годов в авиации произошёл революционный переход от двигателей внутреннего сгорания к газотурбинным двигателям. В соответствии с этим и учебный процесс, и план научных исследований были переформатированы в направлении газотурбинного двигателестроения. С появлением жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей, электроракетных двигателей на факультете создавались новые кафедры и лаборатории.

Сегодня институт № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» МАИ проводит научно-исследовательские работы и осуществляет учебный процесс по всем типам двигательных установок всех типов летательных аппаратов (ЛА), выполняющих полёт как в воздухе, так и в космосе, а также рассматривающихся и в качестве перспективных двигательных установок ближайшего будущего.

Авиационные двигатели являются сложнейшими техническими устройствами, сконцентрировавшими в себе передовые достижения в самых разных областях науки: теории горения, прочности, надёжности, механики жидкости и газа, материаловедения и т. д. Именно поэтому только четыре страны в мире способны самостоятельно разрабатывать, производить и эксплуатировать авиационные двигатели. Это Россия, США, Великобритания и Франция. Сумев сохранить себя в этой четвёрке, несмотря на катастрофические 90-е, Россия вернула себе уверенность в том, что она является передовой технологической державой.

Одной из составляющих звеньев процесса разработки новых авиационных двигателей является кадровое обеспечение. Необходимо отметить, что обучить вчерашнего школьника на уровень инженера по проектированию авиационных двигателей невозможно менее, чем за 5 лет. Именно поэтому идеология трёхлетнего-четырёхлетнего бакалавриата не очень приживается в авиадвигательной среде. В МАИ инженера по проектированию авиационных двигателей обучают 5,5 лет. При этом руководители предприятий, на которые приходят выпускники института, отмечают, что ещё необходим как минимум год для полной адаптации выпускника вуза к практической работе. В связи со столь значительной инерционностью образовательного процесса необходимо обучать студентов на технологиях следующего поколения авиационной техники. Если сейчас вводятся в эксплуатацию летательные аппараты и двигатели 5-го поколения, то в вузе учебный процесс должен быть ориентирован как минимум уже на 6-е поколение.

В настоящее время в авиационном двигателестроении вновь сложилась ситуация, требующая революционных решений. Уже сейчас прогресс в материаловедении, системах охлаждения привёл к тому, что авиационные газотурбинные двигатели уже приблизились к своему термодинамическому пределу.

Мы находимся на пороге очередной революции в авиационном двигателестроении. Разными авторами называются различные перспективные направления: распределённые силовые установки с механическим, газодинамическим или электрическим способом передачи мощности, двигатели с изменяемой степенью двухконтурности, гибридные силовые установки с газотурбинной и электрической составляющими, двигатели, в камерах сгорания которых реализуется детонационное горение, двигатели с горением в сверхзвуковом потоке, комбинированные силовые установки.

Продолжая заниматься совершенствованием рабочего процесса, конструкции и технологии существующих и разрабатываемых в настоящее время двухконтурных и турбовинтовых двигателей, специалисты института № 2 в силу вышеизложенных обстоятельств всё более активно развивают следующие перспективные темы, которые, по нашему мнению, определят развитие авиадвигателестроения 6-го поколения:

1. Комбинированные силовые установки для перспективных летательных аппаратов с максимальной скоростью полёта, превышающей скорость звука более чем в 4 раза, М_п>4. Отметим, что все существующие летательные аппараты, способные производить самостоятельный взлёт, выполнение целевой задачи, возвращение, обеспечивающие многоразовую эксплуатацию, имеют максимальную скорость полёта, не превышающую скорость звука в 3 раза.

Наиболее наглядно это можно представить на диаграмме зависимости удельного импульса двигательной установки от скорости полёта для различных типов двигательных установок. Возможность создания самолётов, способных преодолеть рубеж скорости М_п=3, определяется, прежде всего, возможностью создания соответствующих силовых установок. Институт № 2 МАИ имеет уникальный опыт изучения рабочего процесса и разработки конструкций двигателей высокоскоростных летательных аппаратов. Отметим лишь некоторые, наиболее важные из выполнявшихся работ в области обеспечения полёта с сверхвысокими скоростями полёта.

Детально изучены проблемы организации горения при сверхзвуковых скоростях потока в камере сгорания. Исследовались различные виды топлива: водород, керосин, метан. Разработаны различные способы охлаждения, создан уникальный экспериментальный исследовательский стенд, оснащённый самыми передовыми методами измерения, который позволяет не только изучать физику горения, но и проводить испытания конструктивных элементов, образцов материалов в условиях высоких температур и скоростей потока. Исследовались проблемы разработки высокоскоростных прямоточных двигателей с твёрдым топливом, турбопрямоточные силовые установки, методы тепловой защиты, при этом использовались как экспериментальные методы исследования, так и передовые вычислительные методы.

Исходя из теоретических положений и имеющегося у коллектива специалистов института № 2 МАИ опыта, очевидно, что летательный аппарат, способный осуществлять управляемый полёт в зависимости от поставленной задачи в диапазоне скоростей от М_п=0 до М_п=4–6, должен иметь турбопрямоточную силовую установку. В классе прямоточных двигателей больших скоростей полёта решены многие проблемы для чисел М_п=3,5 и выше, но они применяются в ракетной технике и являются, по существу, изделиями однократного применения. В то же время для турбопрямоточных двигателей будущих высокоскоростных самолётов имеется ряд вопросов, до сих пор не имеющих сколь-нибудь однозначного решения. По нашему мнению:

• необходимо иметь конструкционные материалы, способные выдерживать длительное время высокие температуры; это относится, в том числе, и к элементам конструкции, ранее считавшимися «холодной частью» двигателя;
• следует разработать принципиально новую систему охлаждения двигателя, так как воздух при таких скоростях полёта уже не может использоваться в качестве охладителя;
• необходимо создать принципиально новые способы обеспечения энергией как борт летательного аппарата, так и систему управления силовой установкой, поскольку традиционный способ получения энергии от вращающегося ротора газотурбинного двигателя становится невозможным из-за того, что при высоких скоростях полёта газотурбинная часть турбопрямоточного двигателя должна будет быть перекрыта от набегающего потока воздуха и остановлена;
• необходимо решить проблему повторного запуска газотурбинного двигателя при возвращении летательного аппарата, что может оказаться проблематичным после длительного полёта на большой скорости и высокой температуры конструкции, а так как ротор будет остывать медленнее статора, то возможно заклинивание ротора; очевидно, что эти вопросы нуждаются в серьёзном изучении.

2. В классе двигателей для дозвуковой гражданской авиации, которая в обозримом будущем (горизонт планирования — 20–30 лет), по нашему мнению, останется основным видом коммерческих авиационных перевозок, несмотря на развитие технологий сверхзвуковой пассажирской авиации, основными критериями оценки совершенства двигателей наряду с экономичностью будут экологические показатели. Для специалистов института № 2 МАИ очевидно, что этим новым вызовам может соответствовать гибридный электротурбореактивный двухконтурный двигатель или электротурбовинтовой двигатель.

Для разработки гибридных двигателей необходимо также решить большое количество конструкторских и технологических проблем. Мы видим, в качестве первоочередных, следующие:

• необходимо исследовать и оптимизировать схемы гибридных силовых установок (ГСУ), применительно к различным типам летательных аппаратов; характеристики электрических машин;
• создать эффективные системы криогенного охлаждения таких установок.

Уже сегодня специалисты Московского авиационного института приступили к работам по гибридным силовым установкам. Эти работы проводятся в кооперации с отечественными предприятиями, а также согласованы планы по международным проектам с ведущими мировыми компаниями и университетами по программам IMOTHEP и FUTPRINT.

Юрий Равикович, проректор по научной работе МАИ, заведующий кафедрой «Конструкция и проектирование двигателей», доктор технических наук, профессор

Алексей Агульник, заведующий кафедрой «Теория воздушно-реактивных двигателей» МАИ, доктор технических наук