Современное состояние и перспективы развития ГТД

Учитывая большую стоимость и длительный срок создания нового двигателя, первоочередными следует считать задачи увеличения ресурса двигателя, повышения его надежности и возможности на базе уже созданного двигателя создать его модификацию с более высокими характеристиками. Инженер-технолог, разрабатывающий технологические процессы изготовления деталей и узлов современных двигателей, должен знать технологические возможности и технические характеристики оборудования, а также особенности всех процессов обработки, от заготовительных до окончательных. Безаварийная эксплуатация авиадвигателя, увеличение ресурса при эксплуатации по техническому состоянию невозможны без современных методов и средств диагностического контроля, поэтому в книге данному вопросу уделено должное внимание. Ожидается прогресс в использовании композиционных материалов (на углеродных, интерметаллидных, металлических и керамических матрицах) в конструкциях двигателей и их агрегатов, применение легких шумопоглощающих и шумоизолирующих материалов. Сочетание этих материалов с совершенствованием двигателей и их агрегатов позволит улучшить эксплуатационные характеристики, повысить ресурс и снизить прямые эксплуатационные расходы. Современные двигатели проектируются с учетом снижения стоимости производства и эксплуатации путем упрощения конструкции и уменьшения количества деталей и узлов и их стандартизации (или унификации).

Конструктивно-технологические особенности современных авиационных двигателей

В настоящее время авиационные двигатели по конструктивным особенностям и особенностям эксплуатации можно разделить на несколько групп: группа 1 — двигатели для высокоманевренных боевых, учебно-боевых, учебных самолетов (истребители, перехватчики и др.); группа 2 — двигатели для военно-транспортной и гражданской авиации; группа 3 — двигатели для многофункциональных вертолетов, работающих на обычном топливе (например, Ми-38 и Ка-62) и на попутном нефтяном газе (для вертолетов типа Ми-8ТГ). Наиболее нагруженными являются двигатели для высокоманевременных самолетов. Для них в эксплуатации характерно преимущественное использование переменных режимов, выполняемых в темпе приемистости, и максимальный диапазон изменения давления на входе в двигатель. В процессе их развития непрерывно растет тяговооруженность (отношение тяги к массе) как средство обеспечения маневренных свойств и превосходства в воздухе и снижения относительной массы двигателя (отношения массы двигателя к массе самолета). Максимальные параметры двигателей 2-й группы на взлетном режиме близки к параметрам двигателей 1-й группы, но из-за малого значения приемистости и превалирования стационарных пониженных режимов при полетах на дальность диапазон изменения давлений в полете у них вдвое меньше. Загруженность двигателей значительно меньше, что и позволило для двигателей этой группы получить назначенные ресурсы в 5—10 раз большие. Продолжительность полетного цикла для двигателя высокоманевренного самолета 0,7 — 2 ч, а для военно-транспортного и гражданского — 2 — 8 ч. Причем за одинаковую наработку число полетных циклов для двигателей первой группы будет примерно и пять раз больше. Взлет всегда осуществляется на максимальном (М) или форсажном (Ф) режиме, а в процессе полета происходит до пяти изменений режима от малого газа (МГ) до М или Ф и до десяти изменений режима внутри диапазона МГ—М (Ф) в темпе приемистости и непрерывное изменение режимов управляемости. Для двигателей 2-й группы в эксплуатации режимы в темпе приемистости не изменяются. Для двигателей 1-й группы продолжительность режима М(Ф) составляет 15 — 20% от ресурса, а для двигателей 2-й группы в 10—50 раз меньше. Характерным для эксплуатации двигателей 1-й группы являются большие эволюционные нагрузки, примерно в три раза большие, чем для двигателей 2-й группы. В связи с жесткими требованиями к двигателям 1-й группы по М удельной массе и габаритам конструкция их оказывается предельно напряженной. Например, для двигателей 1-й группы удв = 0,013 - 0,01 кг/Н, а второй удв = 0,017 - 0,023 кг/Н, т. е. примерно в 1,5 раза больше. Указанные требования и определяют особенности конструкции двигателей 1-й группы, к которым в России следует отнести современные серийные двигатели, принятые на вооружение ВВС России, — РД-33 и АЛ-31, близкие по конструкции. Отличительными особенностями конструкции указанных двигателей с точки зрения контроля и локального ремонта в эксплуатации являются: блочное выполнение конструкции; наличие продольного разъема статора вентилятора; выполнение лючков осмотра газовоздушного тракта с использованием эндоскопов; вынесение фильтров наружу и введение сигнализаторов стружки для обеспечения контроля состояния элементов трансмиссии; наличие бортовой системы вибродиагностики, позволяющей оценивать состояние ротора, трансмиссии и газовоздушного тракта; наличие коллектора термопар в системе регулирования и контроля температуры газа. В связи с предельной нагруженностью роторов особенностями конструкции двигателей, обеспечивающей прочность и надежность, является наличие развитой системы охлаждения деталей газовоздушного тракта. Для повышения эффективности охлаждения сопловые лопатки выполняются из литых жаропрочных никелевых сплавов с штампованными дефлекторами во внутренней полости и перфорацией в зоне входной кромки. Рабочие лопатки ТВД, как самые нагруженные, выполняемые из литого жаропрочного сплава ЖС-32, многополостные с развитыми элементами турбулизации охлаждающего воздуха. Широко практикуется использование защитных покрытий для деталей горячей части газового тракта. Для ТВД, например, применяется двухслойное покрытие на основе NiCrAl. Используются для изготовления дисков турбин порошковые материалы типа ЭП 741НП, обладающего высокой длительной и циклической прочностью, а также максимальным сопротивлением ползучести. Следует отметить, что для деталей, полученных методом гранульной технологии, характерна малая чувствительность к концентраторам напряжений, что очень важно для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок. Для дисков "холодной" части газовоздушного тракта используются высокопрочные свариваемые титановые сплавы. На двигателях устанавливаются датчики и приемники систем контроля, предназначенные для информации о работе двигателя, представляемой визуально, и записи на носители информации бортовых систем и наземных регистрирующих систем. Реализуется возможность изготовления деталей с применением современных высокопроизводительных процессов, обеспечивающих стабильное качество: литье с использованием высокоскоростного метода направленной кристаллизации; вальцовка лопаток малой размерности; физико-химические методы; станки с программным управлением и наличием обратной связи от инструмента и другие методы. Высокий уровень весового и эксплуатационного совершенства двигателя будущих (пятого и шестого) поколений будет обеспечиваться путем повышения температуры газа перед турбиной за счет применения: композиционных материалов на углеродных, интерметаллидных, металлических и керамических матрицах для изготовления основных узлов; высокоэффективных легких многослойных звукопоглощающих конструкций; принципиально новых технологий изготовления деталей и узлов. Опережающее развитие технологии (во многих случаях технология производства определяет конструкцию) позволяет решать технологические задачи на стадии создания двигателя, т. е. при его проектировании и опытном производстве. Обеспечение высокого качества авиационных двигателей является главной задачей производства, решение которой во многом зависит от технологии.