На пути к шестому поколению двигателей
Создатели авиационных газотурбинных двигателей, как и создатели реактивных самолётов, оперируют понятием поколений изделий для того, чтобы охарактеризовать степень совершенства своих конструкций. Российская Федерация входит в число держав, способных полностью самостоятельно разрабатывать авиационные двигатели пятого поколения. Сегодня на слуху линейка изделий гражданского назначения с индексом "ПД" (перспективный двигатель): ПД-14 для среднемагистральных узкофюзеляжных лайнеров, ПД-8 для региональных и ближнемагистральных самолётов и ПД-35 – для широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнеров. Каков опыт работы по этим проектам и что делает "Объединенная двигателестроительная корпорация" (ОДК, входит в Госкорпорацию Ростех), чтобы сохранить конкурентоспособность при переходе к шестому поколению моторов? Попробуем разобраться!
Четвёртое эксплуатируем, пятое создаём, о шестом думаем
Поколения авиационной техники, в том числе и газотурбинных двигателей, различаются меж собой набором технических и технологических решений, позволяющих заметно – на 15-20 % – повысить основные абсолютные и удельные показатели, характеризующие эффективность продукции. Совершенство газотурбинного двигателя можно оценивать по разным критериям. Прежде всего, это достигнутые параметры рабочего цикла, а именно максимальная температура газа перед турбиной и степень повышения полного давления в компрессоре; также уровень КПД лопаточных машин. Интегрирующим для этих параметров является удельный расход топлива. Сокращение количества ступеней компрессора и турбины, достигаемое, в том числе, за счёт совершенствования расчётных методов, а также использование более прочных и лёгких материалов позволяет улучшить массогабаритные характеристики, оцениваемые показателем удельной массы. Однако этими параметрами двигателестроители не ограничиваются. Экономический эффект от эксплуатации авиадвигателя повышается, если мотор имеет возможность длительное время эксплуатироваться без съёма с крыла, без выключений в полёте, с минимальной трудоёмкостью технического обслуживания и ремонта. Наконец, обязательными условиями для допуска двигателя к коммерческой эксплуатации являются соблюдение экологических требований и обеспечение высокого уровня безопасности конструкции, в том числе в условиях внешних воздействий – попадания в двигатель посторонних предметов, таких как лёд, птицы, вулканический пепел и т.д. Важно и то, что за прогресс в достижении всё более высоких показателей и удовлетворение всё более сложных требований покупатель и эксплуатант двигателя должны платить умеренные деньги – стоимость и разработки, и производства, и эксплуатации моторов должна оставаться на приемлемом уровне.
Первые экспериментальные газотурбинные двигатели были созданы в конце 1930-х годов, а серийно производимые в 1940-1950-х годах моторы относились к первому поколению. Для него были характерны простые схемные решения: один вал, неохлаждаемая турбина, традиционные для авиадвигателей тех лет материалы, в том числе сталь, алюминиевые и магниевые сплавы. Температура газа перед турбиной достигала 1000-1150 градусов Кельвина, а центробежный или осевой компрессор позволял повышать давление в 3-5 раз. Во втором поколении двигателей за счёт использования жаропрочных сплавов удалось повысить уровень температур до 1250К, а степень повышения давления в компрессоре довести до 8-13. Использование двухкаскадной схемы позволило создать компрессоры с высокой газодинамической устойчивостью.
За первые два десятилетия двигателестроители смогли разработать стройную теорию проектирования изделий, что позволило к третьему поколению моторов заметно повысить их параметры. В 1960-х годах были внедрены лопатки турбины с принудительным охлаждением, что дало возможность повысить температуры перед турбиной до 1300-1450К. Появились двухконтурные двигатели, которые имели более высокий КПД и сниженный уровень шума. Степень повышения давления в компрессоре достигла отметки 20. В четвёртом поколении двигателей революцию произвело применение монокристаллических лопаток с высокоэффективной системой охлаждения, благодаря чему температура перед турбиной повысилась до 1500-1650К. Был положен предел росту числа ступеней компрессора и турбины – при степени повышения давления в 20-35 крат, компрессоры стали более компактными. В газогенераторах появились одноступенчатые турбины с высокой степенью перепада давления. Была внедрена трёхвальная схема.
На рубеже столетий были отработаны решения, которые позволили приступить к созданию двигателей пятого поколения. Основные показатели были в очередной раз повышены: турбина стала "выдерживать" до 1850-1900К, двух- или трёхвальный компрессор обеспечивал повышение давления на уровне 25-50 при умеренном количестве ступеней, повысилась степень двухконтурности. Ещё одна особенность пятого поколения – ставка на унифицированные решения, которые позволяют оперативно и с минимальными затратами создавать семейства и подсемейства двигателей.
Сегодня в активной эксплуатации находятся газотурбинные двигатели четвёртого поколения. Наиболее ярким представителем таких моторов служит ПС-90А, созданный для использования в составе силовой установки самолётов Ил-96 и Ту-204, а также их модификаций. Первый отечественный гражданский представитель пятого поколения – ПД-14, который будет использоваться на магистральном самолёте МС-21-310 и других машинах этого семейства. К пятому поколению относятся и разрабатываемые ОДК двигатели ПД-8 и ПД-35, предназначенные для использования соответственно на региональных и ближнемагистральных, а также на дальнемагистральных лайнерах. При этом по ряду параметров ПД-35 должен выйти за рамки, характерные для пятого поколения моторов.
А что же с шестым поколением? Его облик пока прогнозируется, в том числе и отечественными учёными, и акцент делается не только на росте параметров цикла, но и на использовании новых схем, таких как распределённые силовые установки, силовые установки изменяемого цикла, двигатели с "открытым ротором", гибридные и электрические силовые установки. Большой эффект должна принести интеграция силовой установки с летательным аппаратом.
Глядя на диаграммы и графики, на которых отражается прогресс основных показателей авиационных двигателей, можно сформировать ошибочное мнение, что движение от поколения к поколению – линейный процесс, где каждый шаг – рост показателей на 15-20 % – даётся с одинаковым усилием. Согласно оценкам, сделанным в США, на создание двигателя шестого поколения придётся потратить примерно в 3,5 раза больше времени и в 15 раз больше средств, чем было потрачено на третье поколение. Что характерно, три четверти времени и средств придутся на этапы проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. В пятом поколении НИОКР занимали примерно 16 лет, в шестом – ориентировочно 20 лет. В этих оценках кроется ответ на вопрос, почему Россия по срокам создания двигателей пятого поколения отстала от США. Увы, существенное снижение интенсивности научных исследований в 1990-х – начале 2000-х годов не позволило создать достаточный научно-технический задел, чтобы к 2010-м создать первый двигатель пятого поколения. Но, оказавшись в роли догоняющих, отечественные двигателестроители смогли быстро наверстать упущенное.
ПД-14: первый опыт
Отправной точкой в создании в России научно-технического задела для гражданского турбореактивного двигателя пятого поколения можно считать 1999 год. Тогда на совещании руководителей предприятий авиационного двигателестроения с участием ведущих отраслевых институтов было принято решение о начале работ по определению перечня технологий, необходимых для создания перспективного двигателя магистрального самолёта. Базовая размерность по тяге была определена на уровне 12 тонн. Изначально центром работы над проектом стал ЦИАМ им. П.И. Баранова, где были определены два альтернативных облика двигателя, с традиционным прямым приводом вентилятора и с редукторным приводом. Также был очерчен перечень ключевых технологий, определяющих конкурентоспособность двигателя, проработан облик основных узлов.
Нулевые годы – период неспешного восстановления экономики и возвращения государства к системной работе в области авиационной промышленности. В 2002 году Росавиакосмос утвердил программу создания научно-технического задела, в основу которой легли предложения ЦИАМ. В этот период институт активно работал с ведущими отечественными двигателестроительными КБ по перспективной гражданской тематике, при этом наибольшего прогресса удалось достичь в сотрудничестве с пермским "Авиадвигателем". Именно он в итоге и стал лидером процесса создания перспективного двигателя: в августе 2006 года руководители компаний "Авиадвигатель", "Сатурн", "Климов", "Пермский моторный завод", УМПО, НПП "Мотор", ММП им. В.В. Чернышева и ММПП "Салют" подписали соглашение о кооперации при разработке, головным разработчиком стал "Авиадвигатель". Научное сопровождение было возложено на ЦИАМ. Однако прошло ещё два года, прежде чем началось финансирование соответствующих научно-исследовательских работ.
Финансовая поддержка со стороны государства пришла летом 2008 года. Толчком к этом стало прошедшее под председательством Владимира Путина совещание на площадке ВИАМ, где были сделаны доклады о научно-техническом заделе и проблемах, которые стоят перед авиационными конструкторами при создании двигателя. С тех пор проект находится под пристальным контролем на высоком уровне.
"Стартовый капитал" в размере 12,8 млрд рублей ощутимо ускорил реализацию проекта. ПД-14 стал первым двигателем, создание которого осуществлялось по "гейтовой" системе, и мотористы стали одно за одним открывать очередные "ворота". В июле 2008 года "Авиадвигатель" прошёл первые ворота проекта, обосновав его экономически, технически и технологически. В марте 2010 года, на вторых воротах, состоялась защита аванпроекта, была представлена кооперация по изготовлению газогенератора, предложения по кооперации по выпуску двигателя, также был проведён детальный анализ рынка. По контрактам с Минпромторгом России были запущены работы по направлениям концепции, маркетинга, технологий, освоения, особняком стоял раздел "Газогенератор". В том же году был запущен демонстратор газогенератора, что можно оценить как рекордно быструю разработку. В первые же часы испытаний были успешно проведены измерения более 800 параметров газогенератора.
Защита эскизного проекта, ознаменовавшая прохождение третьих ворот, состоялась в июле 2011 года. К этому моменту была "заморожена" конфигурация двигателя: из ряда альтернативных вариантов – с восемью или девятью ступенями компрессора высокого давления, с шестью или семью ступенями турбины низкого давления – были выбраны решения, обеспечивающие высокие характеристики при приемлемых рисках. Определено, что двигатель ПД-14 – двухвальный, с раздельным потоками воздуха и безредукторным приводом вентилятора. Унифицированный газогенератор получил восьмиступенчатый компрессор и двухступенчатую турбину. Двигатель состоит из 14 модулей, половину из которых можно заменять в эксплуатации, не снимая двигательную установку с крыла. Также к этому периоду был завершён первый этап испытаний компрессора высокого давления, изготовлены лопатки турбины высокого давления из новых материалов с высокоэффективным охлаждением.
Были отработаны 16 критических технологий, обеспечивших двигателю конкурентоспособность, а также создано два десятка новых материалов. К новациям, отличающим ПД-14 от предыдущих поколений двигателей, можно отнести применение широкохордных полых титановых лопаток (впервые в российской практике, одна только эта новация позволила сократить массу лопатки на 30% в сравнении с традиционной технологией, при этом КПД вентилятора выше, чем в ПС-90А), широкое использование в компрессоре высокого давления дисков типа "блиск", применение нового поколения никелевого гранульного сплава. В камере сгорания применено керамическое теплозащитное покрытие второго поколения, а детали зоны горения выполнены из жаростойкого интерметаллидного сплава. В турбине реализовано активное управление зазорами, существенно повышающее КПД, также используются керамические теплозащитные покрытия и новые сплавы. Наконец, впервые в зоне ответственности двигателистов находилась мотогондола с реверсивным устройством, в конструкции которых широко – на 65% по массе – применены композиционные материалы, а привод реверса впервые выполнен с электромеханическим приводом.
Начиная с 2012 года в новостях речь шла уже не о "бумажных" этапах (впрочем, к ПД-14 это определение неприменимо, так как двигатель полностью проектировался в цифровой среде), а о "боевых" моторах. Демонстратор технологий был запущен на стенде в июне 2012 года. Менее чем через год собрали второй двигатель, его запуск состоялся в январе 2014 года. Его отработка проходила сначала на закрытом испытательном стенде, где оценивались показатели по эмиссии вредных веществ и эффективность системы управления радиальными зазорами в компрессоре и турбине. Затем двигатель отработал на открытом стенде для проверки акустических параметров.
Ещё три мотора построено в 2014 году, а за 2015-2016 годы было собрано по четыре опытных двигателя для проведения инженерных, ресурсных и иных испытаний, причём их сборка осуществлялась уже серийным заводом.
Прохождение четвёртых контрольных ворот в октябре 2014 года связано с получением твёрдых заказов и определением технических спецификаций. А в мае 2015 года была выпущена конструкторская документация на опытную партию двигателей ПД-14, что ознаменовало прохождение пятого гейта. Параллельно шли подготовка производства и изготовление двигателей опытной партии.
После того, как разработчик совместно с партнёрами по проекту отработал базовые технологии, появилась возможность приступить непосредственно к сертификации двигателя. По оценкам того времени, все процедуры можно было выполнить за три года. Однако по независящим от двигателестроителей причинам процесс затянулся. Заявка на сертификацию ПД-14 была подана весной 2013 года в Авиационный регистр Межгосударственного авиационного комитета. Согласно требованиям Технического задания на создание ПД-14, сертификационный базис был разработан с учётом норм лётной годности, действующих на то время: норм безопасной эксплуатации двигателей воздушных судов АП-33 и норм эмиссии авиационных двигателей АП-34.
Осенью 2013 года проект успешно прошёл макетную комиссию. В рамках проведения Этапа макета прошла работа двух секций: "Общие требования, конструкция, системы, испытания" и "Прочность, прочностные и длительные испытания, материалы, технология изготовления". Выданное по итогам работы заключение отмечало, что разработка ПД-14 ведётся с учётом всех требований лётной годности Авиационных правил АП-33, АП-34, максимально гармонизированных с европейскими и американскими нормами. Успешное завершение работы макетной комиссии дало право разработчику начать подготовку к этапу сертификационных испытаний ПД-14.
Важный этап в программе ПД-14 – начало лётных испытаний на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. Их проведению предшествовала интенсивная наземная отработка различных режимов работы двигателя. Доработан был и сам самолёт: на нём смонтировано новое испытательное оборудование, измерительный комплекс, ряд вспомогательных систем, изготовлены и установлены самолётные агрегаты и пилон для подвески двигателя. 3 ноября 2015 года в ЛИИ им. М.М. Громова был выполнен первый испытательный полёт продолжительностью 40 минут. Параллельно проходили испытания двигатели на открытом стенде в Рыбинске и на высотном стенде в ЦИАМ.
Ещё в 2015 году Российская Федерация передала Росавиации полномочия по сертификации авиационной техники, под эгидой которой был сформирован национальный Авиационный регистр. Ещё два года двигателисты продолжали сотрудничество с Межгосударственным авиационным комитетом, рассчитывая получить сертификат Авиарегистра МАК уже в первой половине 2017 года. Но довести процесс до финала оказалось невозможно, поэтому разработчик "поменял коней на переправе". В конце 2017 года "ОДК-Авиадвигатель" подал заявку в Росавиацию на получение сертификата типа, а авиационные власти организовали проведение работ с участием сертификационных центров ЦИАМ и ГосНИИ ГА. В обеспечение сертификации с участием Росавиации были проведены такие сложные работы как испытания на расцепление вала турбины низкого давления, на обрыв лопатки вентилятора, за заброс крупного и шквального града, воды, пластин льда, средней и мелкой стайной птицы. В январе 2018 года в ЦИАМ прошли испытания по определению стойкости вентилятора двигателя ПД-14 к попаданию крупной одиночной птицы, на основании чего был сделан вывод о том, что критичность обрыва лопатки вентилятора на двигателе выше, чем критичность попадания в двигатель крупной одиночной птицы. Это позволило не проводить сертификационное испытание двигателя с забросом крупной птицы, что сэкономило разработчику время и средства при сертификации двигателя.
Также была вторично подана заявка на валидацию сертификата двигателя ПД-14 в EASA. Это привело к необходимости включить в сертификационный базис новые требования по кристаллическому обледенению и вулканическому пеплу. ПД-14 стал первым отечественным авиадвигателем, которому пришлось работать в условиях, имитирующих полёт в облаке вулканического пепла. Для этого в ЦИАМ им. П.И. Баранова была создана установка, обеспечивающая заброс в испытываемый газогенератор пепла камчатского вулкана Шивелуч. С конца апреля по начало июня нынешнего года проходили сами испытания, в ходе которых двигатель час работал в условиях воздействия пепла. Впоследствии газогенератор был доставлен в Пермь, где состоялась его разборка и дефектация.
В сообщении пресс-службы "ОДК-Авиадвигатель" было отмечено, что в процессе заброса вулканического пепла параметры газогенератора двигателя ПД-14 практически не изменились; детали компрессора, камеры сгорания, турбины, узлы внешних систем находятся в удовлетворительном состоянии и пригодны к дальнейшей эксплуатации; попадание вулканического пепла на вход в двигатель ПД-14 не приводит к снижению его тяговых характеристик и возникновению нежелательных последствий, обеспечивая безопасность эксплуатации самолёта, оборудованного двигателями ПД-14. В конце 2019 года было подтверждено соответствие двигателя обновлённым требованиям по эмиссии нелетучих частиц. Соответствующее дополнение к сертификату типа было выдано в феврале 2021 года. В ноябре 2020 года были сняты эксплуатационные ограничения, связанные с условиями запуска двигателя в полёте, а также по положениям линии рабочих режимов узлов вентилятора и компрессора при эксплуатации двигателя. Впоследствии Росавиация сняла ограничения по работе двигателя в условиях попадания в него "шквального" града.
Сделав скидку на обстоятельства непреодолимой силы, можно констатировать, что процесс сертификации ПД-14 прошёл быстро. Теперь на повестке дня освоение серийного производства, но это уже тема другой статьи.
Открывая дорогу последователям
Создание на базе унифицированного газогенератора целого семейства двигателей различного назначения было одним из ключевых отличий проекта ПД-14 от разработок предыдущих десятилетий. Размерность по тяге 14 тонн для базового двигателя была выбрана исходя из потребностей самолёта МС-21 в базовой версии 310. При этом ПАО "Яковлев", разработчик и производитель самолётов семейства МС-21, анонсировала возможность создания как укороченной версии, так и удлинённой. Соответственно, используя один и тот же газогенератор, но меняя параметры вентилятора, компрессора и турбины низкого давления, а также настройки системы управления, можно создавать двигательные установки тягой от 10-12 до 16-18 тонн, отличающиеся высокими удельными характеристиками. Возможность создания модификаций ПД-14А для МС-21-210 и ПД-14М для МС-21-410 подтверждена ранними проработками, которые проведены в "ОДК-Авиадвигатель". К примеру, ПД-14М в сравнении с ПС-90А-76 будет при сопоставимой тяге иметь массу на 330 кг ниже, удельный расход сократится на 10 %, а ресурс ответственных деталей почти удвоится.
Ещё одно направление развития проекта – создание семейства газотурбинных установок мощностью 12-16 МВт на базе двигателя ПД-14. "ОДК-Авиадвигатель" ранее вывел на рынок семейство наземных газоперекачивающих и энергетических установок на базе технологий двигателя ПС-90А. Именно наземная тематика выручила пермского разработчика в тяжёлые годы, обеспечив стабильный поток заказов на поставку и ремонт установок. Есть у диверсификации и ещё одно важное преимущество – наземные установки достаточно быстро увеличивают суммарную наработку парка газотурбинных двигателей, позволяя выявить возможные дефекты и подтвердить ресурс узлов.
Работы по промышленным газотурбинным двигателям на базе газогенератора ПД-14 позволят создать газоперекачивающие агрегаты для транспорта газа и газотурбинные электростанции на базе двигателя ПД-14ГП-1 мощностью 12 МВт и ПД-14ГП-2 мощностью 16 МВт. Относительно предыдущего поколения установок, новинка обеспечит увеличение топливной эффективности на 6-8 %, при этом уровень выбросов вредных веществ сократится, в частности по окислам азота – то 50 мг/м3. Ресурс установки увеличится до 200 тыс. часов. Ещё одно достоинство ГТД на базе газогенератора ПД-14 – высокая степень унификации с двигателем предыдущего поколения по монтажным местам, что позволяет заменять привода существующих установок.
ПД-14 – конкурентоспособный для своей размерности и своего поколения двигатель. Однако разработка перспективных двигательных установок другой размерности, в частности большой и сверхбольшой тяги, требует применения новых материалов, технологий, конструктивных решений. В конце 2012 года ЦИАМ инициировал запуск научно-исследовательской работы (НИР) по обоснованию и формированию технического облика двигателя с тягой более 30 тонн, в 2014-2015 годах такая работа была выполнена. Совместно с ведущими отраслевыми институтами определено 18 критических технологий, освоение которых обеспечит конкурентоспособность будущего изделия, также ЦИАМ приступил к отработке конструкции высокоэффективных узлов и деталей нового поколения.
Каким двигателисты видят ПД-35? Корпус вентилятора будет создан с применением полимерных композиционных материалов. В высокоэффективном компрессоре высокого давления используют деформируемые сплавы нового поколения для лопаток и дисков. Малоэмиссионная камера сгорания, обеспечивающая выполнение перспективных экологических требований, тоже из новых материалов, которые позволят повысить температуру газа перед турбиной примерно на 100 градусов. Монокристаллические рабочие лопатки турбины высокого давления изготовят из рений-рутениевых сплавов методом высокоградиентной направленной кристаллизации, ряд деталей турбины будут созданы из композиционных материалов на керамической матрице. Мотогондола с ламинарным обтеканием будет иметь большую долю композиционных материалов. Будут достигнуты показатели степени двухконтурности 11 единиц и степени повышения давления в компрессоре свыше 50. Газогенератор будет выполнен с девятиступенчатым компрессором и двухступенчатой турбиной, компрессор низкого давления – с пятью ступенями, а турбина низкого давления – семиступенчатая.
Среди перспективных технологий, над которыми также предстоит работать, чтобы прийти к шестому поколению – создание деталей из керамических композиционных материалов и армированной керамики, разработка новых керамических покрытий, позволяющих повысить рабочие температуры. Большие перспективы улучшения характеристик связаны с внедрением интерметаллидов титана. В двигателях будущего будут широко применяться такие технологии как ротационная и линейная сварка трением, различные аддитивные технологии, в том числе и печать керамическими материалами. Наконец, создание надежных подшипников, редукторов, способных передавать большую мощность, открывает путь к созданию нового поколения двигателей со сверхвысокой степенью двухконтурности, а применение регулируемых лопаток вентилятора обеспечит высокий КПД изделия в широком диапазоне эксплуатационных режимов.