Битва за скорость. Великая война авиамоторов - Валерий Августинович

Самарское КБ, получив утешительный приз в виде заказа на разработку перспективного винто-вентиляторного двигателя со сверхбольшой степенью двухконтурности НК-93, застряло на перепутье — денег на реализацию такого амбициозного проекта у государства не нашлось. В Пермском КБ тоже разрабатывался инновационный проект двигателя, но для гиперзвука-двухконтурный турбопрямоточный двигатель с авторотирующим вентилятором. Волна кризиса накрыла и этот многообещавший проект.

После победы в конкурсе началась настоящая работа. Что такое создание нового двигателя, рассказано ниже.

Опыт создания двигателей свидетельствует, что достижение поставленной цели — сертификации двигателя — в ограниченное время может быть осуществлено при следующих условиях. Аэродинамическая доводка основных узлов (компрессор, камера сгорания, турбина, сопло) должна быть проведена на моделях, стендах поузловой доводки до начала производства и сборки первого образца натурного двигателя. Планирование работ в условиях ограниченности ресурсов как постоянно действующего фактора должно проводиться в соответствии с иерархией приоритетов: поставка опытных двигателей на высотный стенд-имитатор полетных условий, летающую лабораторию и опытный самолет — годовое планирование; сборка, специальные и длительные испытания двигателей — месячное планирование; поставка сборочных единиц на сборку — недельное планирование.

Двигатель сверхбольшой двухконтурности НК-93 на летающей лаборатории ИЛ-76ЛЛ. МАКС-2009.

С чего начинается работа по доводке двигателя, когда первый двигатель собран и поставлен на испытательный стенд? Сначала нужно убедиться, что он не развалится сразу же при выходе на расчетный режим работы. Для этого необходимо после отладки запуска в первую очередь проверить уровень осевых сил, действующих на опоры ротора (подшипники). Далее — определить по уровню температуры газа за турбиной допустимый максимальный режим работы двигателя в данной сборочной компоновке. Как правило, окончательный конструктивный облик двигателя появляется не сразу — некоторые системы имеют промежуточный характер из-за фактора времени. Одновременно проводится оценка главного термодинамического параметра — удельного расхода топлива, или кпд двигателя, с целью определения узлов, где есть недобор эффективности. Если более-менее все в порядке, то один двигатель отправляется на высотный стенд-имитатор, второй — на летающую лабораторию, а третий ставится на опережающие длительные испытания с целью выявления «узких» мест, ограничивающих ресурс двигателя. Еще один двигатель «обвешивается» большим количеством датчиков для проведения специспытаний: тензометрирования и термометрирования лопаток компрессора и турбины. И пошло-поехало. Все это требует времени и времени большого.

Существенным признаком авиационного двигателя как сложной технической системы является его непрерывное становление, т. е. наличие на каждом этапе жизненного цикла элементов и технологий, «отмирающих» в процессе жизни двигателя, и появление новых конструктивных элементов и технологий, повышающих ресурс, надежность, экономичность и прочих интегральных показателей качества.

Неполнота априорной информации о тепловых, механических, акустических и других нагрузках в системе двигателя приводит к тому, что в процессе работы создаваемого двигателя неизбежно выявляются дефекты, ограничивающие работоспособность двигателя. Эти дефекты условно могут быть разделены на две основные группы: дефекты, устраняемые настройкой системы без существенных конструктивных переделок, и дефекты, ограничивающие ресурс двигателя и устраняемые изменением конструкции основных узлов.

В качестве примера рассмотрим перечень дефектов (после разборки и дефектации) первого собранного двигателя ПС-90А, прошедшего первые 500-часовые испытания [31]:

• высокая температура под капотом внутреннего контура;

• нестабильный запуск;

• нагарообразование в камере сгорания;

• обрыв отдельных лопаток компрессора высокого давления;

• трещины на крупных лопатках статора вентилятора (диаметр вентилятора около 2 м);

• прогар и оплавление входных кромок лопаток соплового аппарата турбины;

• сколы, трещины и отгиб полок рабочих лопаток турбины;

• поломки трубопроводов;

• течь масла через радиальные зазоры в воздушных лабиринтных уплотнениях.

На первый взгляд мы имеем удручающую картину состояния двигателя, которая может привести в отчаяние неопытного главного конструктора. Однако большинство этих дефектов относятся к первому типу, т. е. достаточно просто устраняются настройкой системы. В самом деле, высокая температура под капотом устраняется увеличением расхода циркулирующего охлаждающего воздуха (т. е. увеличением площади вентиляционных окон обтекателя), прогары лопаток турбины — оптимизацией расположения отверстий для выпуска охлаждающего воздуха, течь масла — изменением расстояния между масляной форсункой и лабиринтом, поломки трубопроводов — выбором точек крепления на корпусе двигателя, устраняющих резонансные колебания труб и т. д. Дефекты второго типа в принципе обусловливают необходимость существенного изменения конструкции: изменение силовой схемы, числа ступеней турбокомпрессора и т. п. В практике КБ П.А. Соловьева, и в этом персональная заслуга этого последнего из «могикан», ни разу не возникало такой необходимости, что говорит о взвешенности подхода главного конструктора к оценке новизны и рисков. Такой баланс соблюсти очень трудно: идти приходится по лезвию или-или. Или неконкурентоспособность из-за исповедуемой консервативности, или большие риски не уложиться во времени с тем же результатом провала.

Самым большим капиталом сегодня является пока еще сохранившийся опыт создания надежной авиатехники (что подтверждено 50-летней массовой эксплуатацией воздушных судов советского производства). Такая кредитная история дорогого стоит. Авиация в России (и военная, и гражданская — это единая неразрывная система) — это инструмент сохранения суверенитета. В этом качестве необходимо рассматривать авиацию (так же, как и космос, очевидно, не являющийся прибыльным бизнесом) как неизбежное «бремя», а не источник прибыли. Если автопром — это чистая коммерция (массовое производство), а космос — чистая дотация (единичное производство), то в авиапроме необходимо сочетать коммерцию и дотацию. Вопрос стоит о минимизации бремени дотации при условии выполнения авиацией своей геополитической функции. Необходим баланс коммерческих и геополитических интересов, когда имеешь дело с авиацией. Именно в нахождении оптимума сочетания этих интересов и заключается сложность (и одновременно инновационность) решения проблемы.

Очевидно, что сегодня в эпоху примата «суммы технологий» международная и внутренняя кооперация жизненно необходима для сохранения позиций на рынке.

Современный испытательный стенд (НПО «Сатурн», г. Рыбинск).