Газотурбинный двигатель — сердце гражданского самолёта и современных энергоустановок

Современный пассажирский самолёт — это квинтэссенция передовых технологий из самых разных областей человеческой деятельности — от радиоэлектроники, композиционных материалов, аддитивных технологий до дизайнерских решений в области внутренней отделки и эргономики. Для создания самолётов применяются новейшие разработки в области материаловедения, аэродинамики, термо- и газодинамики, системы автоматизированного проектирования и управления жизненным циклом, программные решения по проектированию, разработке узлов и агрегатов и по управлению множеством систем, узлов, компонентов, составляющих современный самолёт.

Лишь несколько компаний в мире способны самостоятельно разрабатывать и производить пассажирские гражданские самолёты. Среди них — европейский консорциум Airbus, франко-итальянская компания ATR, американская корпорация Boeing, канадская компания Bombardier Aerospace, бразильский авиастроительный конгломерат Embraer. Есть компании в России, которые строят пассажирские самолёты в рамках Объединённой авиастроительной корпорации (ОАК), такие как Иркутский авиационный завод, ПАО «Туполев», Авиационный комплекс имени С. В. Ильюшина (ПАО «Ил»). В Китае основные производители гражданской авиационной техники объединены в компанию, известную под наименованием Commercial Aircraft Corporation of China (COMAC).

Однако разработка и постройка самолёта, как правило, подразумевает прежде всего создание планера, а также комплекса авиационных приборов, разработку отделки и наполнения пассажирского салона. Совсем иначе обстоит дело с авиационными двигателями. Разработать, построить, внедрить в серийное производство газотурбинный авиационный двигатель способны далеко не все из перечисленных выше стран, чьи компании производят пассажирские самолёты собственной разработки.

Так, консорциум Airbus устанавливает на пассажирские самолёты различных классов двигатели CFM56, V2500, Rolls-Royce Trent, GP7200, GE90, двигатели PW4000 и PW1000G компании Pratt & Whitney. В свою очередь, каждый из этих двигателей является продуктом кооперации нескольких компаний. В частности, широко используемое семейство CFM56 создано американской компанией General Electric и французской Safran Aircraft Engines. Двигатель V2500 для узкофюзеляжных самолётов семейства А320 — продукт Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Japanese Aero Engines Corporation и MTU Aero Engines. GP7200, который используется на самых больших в мире пассажирских самолётах А380 — совместный проект General Electric и Pratt & Whitney.

Почему создание авиационного двигателя не под силу одной компании и требует объединения усилий и ресурсов нескольких передовых компаний из разных стран? По сложности конструкции и рабочих процессов авиационный газотурбинный двигатель опережает даже объекты ядерной энергетики, космической промышленности. Счёт компонентов и деталей, входящих в состав двигателя, идёт на десятки тысяч. Создание авиационных двигателей требует колоссальных инвестиций, уникальных материалов, фундаментальной науки и десятилетий опыта. Оно включает в себя расчёт сложнейших газодинамических процессов, разработку и внедрение жаропрочных сплавов и организацию точнейшего производства. В современных двигателях используются монокристаллические лопатки турбин, выдерживающие температуру выше плавления металла. Для проектирования двигателей требуется понимание аэродинамики, газодинамики и горения, что нарабатывается десятилетиями фундаментальных исследований. По финансовым затратам создание нового двигателя сравнимо с разработкой самолета, но риски неудачи выше.

Наземные газотурбинные установки сталкиваются с теми же вызовами — монокристаллические лопатки, жаропрочные сплавы, точность. Разница — в ресурсе, системе регулирования и условиях эксплуатации, но физика процессов едина.

Работу авиационного двигателя обеспечивают сложные системы управления, диагностики и контроля, а также пневмо- и гидроагрегаты. К деталям современных газотурбинных двигателей предъявляются высокие требования по точности изготовления, поскольку снижение точности изготовления деталей роторов компрессора и турбины неизбежно ведёт к дисбалансу и возникновению вибраций при их вращении. Повышенные требования по точности предъявляют к авиационным зубчатым колесам, работающим при высоких скоростях вращения, деталям агрегатов, в частности к золотниковым и плунжерным парам контрольно-регулирующей и командно‑топливной аппаратуры.

Газотурбинные авиационные двигатели принято делить на шесть поколений, из которых к четвёртому относится большинство массово производимых на сегодняшний день, к пятому — некоторые образцы наиболее передовых двигателей, а шестое находится в основном на стадии разработок и научных исследований. Деление на поколения принято проводить по таким критериям, как степень сжатия компрессора, температура газа в турбине, преобладающие группы применяемых материалов.

В двухконтурных двигателях четвертого поколения параметры термодинамического цикла достигли весьма высоких значений: температура газа перед турбиной доходит до 1650— 1700 К, степень повышения давления в компрессоре — до 40. Для авиационных двигателей пятого поколения эти параметры должны составлять уже 1850—1900 К и 50 соответственно. Для шестого поколения планируется ещё большее повышение: температура газа 2100—2400 К при степени повышения давления 60—100. Отсюда следует необходимость выбора материалов для производства наиболее ответственных узлов и деталей двигателей. В распространённых двигателях четвёртого поколения, таких как российский ПС‑90 или широко распространённый двигатель CFM56, используются титан, жаропрочные сплавы, сталь, композиционные материалы. Пятое поколение основано на высокопрочных и интерметаллидных сплавах, а также композиционных материалах. К пятому поколению двигателей, которые в настоящее время находятся на «переднем крае» развития технологий, можно отнести такие перспективные двигатели, как GE90 компании General Electric, а также российские ПД‑8 и ПД‑14. Для двигателей шестого поколения будут необходимы композиционные материалы на углеродных, интерметаллидных, керамических матрицах.

Для камер сгорания и турбин перспективных двигателей, работающих при температуре газового потока выше 2000 К, важно повысить эффективность охлаждения. Для этого могут быть использованы системы с эффузионным охлаждением и лопатки с многослойными стенками, в которых воздух может переходить из внутренней полости лопатки на её внешнюю поверхность. Создание лопаток с проникающим охлаждением возможно только на основе принципиально новых технологических решений, которые разрабатывают в ведущих исследовательских лабораториях мира. Одним из таких решений является технология ламиллоя (Lamilloy), в которой лопатки и другие детали изготавливают из формованного или литого листового материала, имеющего отверстия и выступы. Исследуются и другие методы получения подобных конструкций, в частности электронно-лучевым напылением оболочек, формирующих охлаждающие каналы.

Для защиты деталей горячего тракта двигателей широко при меняются жаростойкие и термобарьерные покрытия. Эффект от нанесения таких покрытий обеспечивается их низкой теплопроводностью, вследствие чего защищаемый материал испытывает меньшее тепловое воздействие.

Развитие газотурбинных двигателей и создание каждого нового поколения направлено на решение таких основных задач, как повышение энергетических возможностей ГТД и улучшение его удельных характеристик. Так, двигатели шестого поколения должны иметь на 20% меньший удельный крейсерский расход топлива по сравнению с двигателями пятого поколения. Кроме того, решаются и другие задачи, такие как уменьшение шума, повышение устойчивости к внешним разрушительным воздействиям. Движение от поколения к поколению представляет собой процесс, в котором каждый шаг — рост показателей на 15—20%. Однако этот процесс не является линейным, и создание каждого нового поколения двигателей требует всё большего объёма научно-исследовательских и конструкторских работ и занимает всё больше времени. 

Для сокращения временных затрат на исследования и разработки, исключения ошибочных решений, при планировании разработок целесообразно исследование инновационных закономерностей, которые могут быть выявлены путём анализа массивов патентной литературы, публикуемой патентными ведомствами наиболее экономически развитых стран. Преимущество патентной литературы состоит в том, что она хорошо систематизирована, а 80% технической информации, присутствующей в патентных документах, не публикуется в каких‑либо других общедоступных источниках.

Массивы патентной литературы, относящейся к различным решениям в области конструкции газотурбинных двигателей, исчисляются тысячами публикаций. Так, по разделу международной патентной классификации (МПК) F02K3/00 «Турбореактивные двигатели с газовой турбиной, приводящей в действие компрессор или нагнетатель» поиск по базам данных патентной литературы выдаёт 874 публикации патентов и заявок на патенты США, 223 — Китая, 187 — европейских патентов и заявок, 474 — Франции, 263 — Германии, 317 — Великобритании, 247 — России. В разделе МПК F02K3/04 «Турбореактивные двигатели … с воздушными винтами или вентиляторами в кольцевых обтекателях, т. е. с вентиляторами низкого давления большой производительности, предназначенные для увеличения реактивной тяги, например двухконтурные установки» поиск обнаруживает 100 российских источников, 832 американских, 256 китайских, 353 французских.

В патенте США US10036316B2 (United technologies corp, опубл. 31.07.2018) описан газотурбинный двигатель, включающий в себя ротор с множеством лопаток и компрессор, состоящий из первого и второго участков компрессора. Средняя температура участка компрессора составляет от 1000° до 1500° по Фаренгейту. Также двигатель включает в себя камеру сгорания, соединённую по текучей среде с участком компрессора, и участок турбины, который соединён по текучей среде с камерой сгорания. Для вращения ротора используется редуктор, приводимый в движение участком турбины. Задача, решаемая изобретением по данному патенту, состоит в повышении энергетических возможностей двигателя за счёт использования редуктора, скорость вращения ротора понижается таким образом, что как участок турбины, так и участок ротора могут вращаться со скоростями, близкими к оптимальным.

В публикации заявки на патент США US2020370511A1 (Rolls-Royce PLC, опубл. 26.11.2020) раскрыт авиационный газотурбинный двигатель с редуктором, в котором решается задача повышения степени двухконтурности двигателя при сохранении габаритов двигателя. При этом максимальная температура потока газов на входе в турбину высокого давления в данном известном решении может составлять 1800—1950 К. 

В патенте РФ RU2684355C1 (ПАО «ОДК — Уфимское моторостроительное производственное объединение», опубл. 08.04.2019) раскрыт ротор турбины низкого давления (ТНД) газотурбинного двигателя, в котором лопатка рабочего колеса ротора ТНД включает в себя хвостовик и перо с выпукло- вогнутым профилем, причём полость лопатки выполнена на полную длину пера лопатки и открыта на проток потока воздуха, а в средней, наиболее теплонапряженной части полость лопатки наделена регулярной совокупностью стержней, наделенных функцией высокопроводной перемычки между стенками пера лопатки. Такое решение позволяет повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов ТНД, надежность и ресурс ТНД и двигателя в целом.

В патенте США US10723476B2 (Safran aircraft engines, опубл. 28.07.2020) описано колесо ротора с лопатками, включающее в себя первый и второй кольцевые кожухи, между которыми образован канал для прохождения потока газа, две акустические панели с резонирующими полостями, а также с лопатками, проходящими в радиальном направлении между кольцевыми кожухами. Внутренняя поверхность по меньшей мере одного из кольцевых кожухов покрыта акустическими панелями. Данное решение направлено на уменьшение шума от газотурбинного двигателя.

Выше приведено лишь несколько примеров технических решений, направленных на улучшение различных характеристик перспективных газотурбинных двигателей, разрабатываемых передовыми двигателестроительными компаниями России и других стран. Помимо решений, направленных на усовершенствование самой конструкции двигателя, на сегодняшний день разрабатываются новые материалы и сплавы, способные выдерживать повышенные температуры газов, композиционные материалы для лопаток турбин, а также другие варианты двигателей, такие как винтовентиляторный двигатель, гибридная силовая установка, «сухой» газотурбинный двигатель. Разработки ведутся и в области применения так называемых «авиационных топлив альтернативного происхождения» (биогенных или синтетических топлив, SAF), а также адаптации конструкции двигателей под безопасное применение этих топлив. Использование технической информации из патентных источников необходимо для понимания основных направлений инновационной деятельности, а получение правовой охраны разрабатываемых технических решений позволяет сохранить и не потерять собственное конкурентное преимущество.

Наземные ГТУ проходят тот же путь: композиционные лопатки, альтернативное топливо (водород, биометан), гибридные схемы. Опыт авиации здесь — бесценный.

Важность разработки и создания собственных двигателей особенно высока в условиях конкуренции в сфере высоких технологий и политической нестабильности. Так, с проблемами в расширении серийного производства самолётов собственной разработки столкнулся Китай, который, хоть и разрабатывает перспективные двигатели собственного производства, такие как CJ2000, на сегодняшний день использует в своих программах гражданского авиастроения американские двигатели. Сложности в отношениях между США и Китаем и протекционизм со стороны администрации США резко ограничили возможности производства и экспорта китайских гражданских самолётов ARJ21 и С919, с которыми Китай рассчитывал всерьёз выйти на международные рынки.

Ситуация с двигателями для китайских самолётов подтверждает правильность решения о разработке собственных перспективных авиационных газотурбинных двигателей в России. Завершается сертификация двигателя ПД-8, который должен прийти на смену созданным с иностранным участием двигателям SaM-146 на импортозамещённой версии самолёта Superjet-100. Двигатель ПД-14 создан для перспективного среднемагистрального самолёта МС-21 взамен изначально предполагавшимся к использованию PW1431G компании Pratt & Whitney. Продолжается разработка двигателя ПД-35 для применения на перспективных тяжёлых широкофюзеляжных дальнемагистральных самолётах. Создание двигателей шестого поколения пока остаётся вопросом будущего, но предполагается, что разрабатываемый двигатель ПД-35 по ряду параметров выйдет за рамки, характерные для пятого поколения.

Почти все перечисленные технологии уже применяются в наземных ГТУ или будут внедрены в ближайшее десятилетие:

• Монокристаллические лопатки — стандарт для высокотемпературных турбин ГПА и ГТЭС.
• Эффузионное о хлаждение и термобарьерные покрытия — продлевают ресурс горячего тракта.
• Редукторные схемы — повышают КПД наземных установок с переменной частотой вращения.
• Композиционные материалы и керамические матрицы — следующая граница для энергомашиностроения.
• SAF, водород, гибридные установки — общий вызов для авиации и энергетики.