Авиадвигатели первого, второго и третьего поколений
Чем определяются поколения авиадвигателей? Во-первых, комплексом материалов, которые используются в их конструкции, во-вторых, комплексом технологий, применение которых возможно благодаря использованию этих материалов.
В конструкции двигателей первого поколения использовали сталь, сплавы алюминия и магния. Степень повышения полного давления в компрессоре, то есть отношение давления на выходе из компрессора к давлению на входе, составляла 3-5,5. Температура газа перед турбиной — 950-1150 кельвинов. Первое поколение авиадвигателей появилось в 1940-е — 1950-е годы.
В авиадвигателях второго поколения начали применять титан и жаропрочные сплавы. В компрессорах появились два каскада: низкого и высокого давления. Это увеличило степень повышения полного давления до 7-13. Температура перед турбиной повысилась до 1150-1250 кельвинов. Второе поколение относится к 1960-м годам.
Новшеством авиадвигателей третьего поколения стала технология двухконтурности. Два каскада компрессора давали степень повышения полного давления 15-20. Лопатки турбины впервые стали охлаждать с помощью воздуха. Это позволило увеличить температуру газа перед турбиной до 1300-1450 кельвинов. Авиадвигатели третьего поколения созданы в 1960-е — 1970-е годы.
Первый отечественный авиадвигатель третьего поколения для пассажирских самолетов — Д-20П со степенью двухконтурности 1. Двигатель разработали под руководством конструктора Павла Соловьева в пермском ОКБ-19, сегодня «ОДК-Авиадвигатель».
Вершиной развития двухконтурных реактивных двигателей третьего поколения стал авиадвигатель Д-30КП. Двигатель предназначается для транспортных самолетов и производится на рыбинском предприятии «ОДК-Сатурн». Его степень двухконтурности составляет более 2.
Авиадвигатели четвертого поколения
При создании авиадвигателей четвертого поколения в 1970-е — 1990-е годы были значительно повышены параметры цикла, которые обеспечили улучшение технических характеристик. Температура газа перед турбиной достигала 1600...1700 К; степень сжатия увеличилась до 30-35, а степень двухконтурности возросла до 4-6.
Для обеспечения работоспособности «горячей части» двигателя (камеры сгорания, турбины) при повышенных параметрах были внедрены более эффективные системы охлаждения, применены инновационные технологии литья лопаток турбины с направленной кристаллизацией и монокристаллических лопаток, разработаны и внедрены термозащитные покрытия деталей, работающих в газовом тракте. Для обеспечения конкурентной массы двигателя с увеличенной степенью двухконтурности (с увеличенным диаметром вентилятора) начали применяться композиционные полимерные материалы для деталей наружного контура и мотогондолы.
Мощный технологический рывок в российском гражданском авиадвигателестроении был сделан при разработке отечественного двигателя четвертого поколения ПС-90А в пермском МКБ (сегодня «ОДК-Авиадвигатель») под руководством генерального конструктора Павла Александровича Соловьева. По сравнению с двигателями третьего поколения Д-30КУ/КП параметры цикла ПС-90А были кардинально увеличены: степень двухконтурности — практически в два раза, суммарная степень сжатия в компрессоре — в 1,9 раза, температура газа перед турбиной повышена на 200 К. Это позволило снизить крейсерский удельный расход топлива на 15%.
Параметрический рывок и значительное повышение топливной эффективности достигнуто применением комплекса передовых для того времени технологий и материалов:
- высоконапорного 13-ступенчатого компрессора высокого давления;
- высокотемпературной турбины высокого давления с лопатками с направленной кристаллизацией;
- дисков, полученных методом порошковой металлургии;
- высокоэффективного смесителя потоков наружного и внутреннего контуров;
- композиционных материалов в наружных деталях реверса и сопла;
- сотовых шумопоглощающих панелей;
- электронно-цифровой системы автоматического управления.
В двигателе ПС-90А были реализованы новейшие для своего времени принципы контроля, ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности в целом за счет развития принципа модульности конструкции, обеспечено выполнение с запасом действующих норм эмиссии вредных веществ и требований ИКАО (Международная организация гражданской авиации) по шуму в составе самолетов Ил-96-300 и Ту-204. Использование передовых для своего времени конструктивно-схемных решений и технологий позволило создать двигатель, по техническому уровню соответствующий лучшим двигателям-аналогам конца XX века. Двигатель ПС-90А сертифицирован в 1992 г. по нормам НЛГС-3 (нормы летной годности).
Авиадвигатели пятого поколения
Разработка авиадвигателей следующего, пятого поколения производится в 2000-2010-е годы. Основные параметры цикла характеризуются их дальнейшим значительным ростом, основанным на дальнейшем технологическом рывке: температуры газа перед турбиной — до 1800-1900 К, степени сжатия — до 40-50, степени двухконтурности — до 8-10.
Первый отечественный гражданский авиадвигатель пятого поколения ПД-14 для ближне- и среднемагистральных самолетов разработан в АО «ОДК-Авиадвигатель» в широкой кооперации с предприятиями Объединенной двигателестроительной корпорации с участием отраслевых научных институтов. При разработке двигателя ПД-14 так же, как и ранее двигателя четвертого поколения ПС 90А, сделан новый скачок в повышении основных параметров относительно ПС-90А: степени двухконтурности — в два раза, температуры газа перед турбиной — на 200 К, суммарной степени сжатия в компрессоре — на 10...20%, что обеспечило снижение крейсерского удельного расхода топлива на 12%.
Создание конкурентоспособного двигателя 5-го поколения в наиболее емком и конкурентном сегменте рынка потребовало внедрения комплекса критических технологий. Важнейшие из них:
- технология изготовления облегченной широкохордной лопатки из титанового сплава с применением сверхпластичного деформирования и диффузионной сварки;
- технология изготовления и ремонта моноколес (блисков) осевого компрессора и сварных роторов из титановых и никелевых сплавов;
- технология создания жаровых труб большого ресурса для экологически чистых камер сгорания с использованием лазерной и электроэрозионной перфорации и термозащитным покрытием;
- технология изготовления лопаток ТВД с высокоэффективным охлаждением из новых монокристаллических и интерметаллидных сплавов и теплозащитным покрытием нового поколения;
- технология изготовления звукопоглощающих конструкций из композиционных материалов и металлов;
- технология обеспечения и подтверждения конкурентоспособного ресурса основных деталей с учетом современных требований международных норм летной годности;
- система автоматического управления с полной ответственностью, которая обеспечивает надежное управление и контроль за параметрами всех узлов и систем.
При проектировании и сертификации двигателя ПД-14 проведен большой комплекс исследований механических характеристик материалов основных и особо ответственных деталей — специальная квалификация материалов, создан банк данных конструкционной прочности материалов.
Двигатель ПД-14 прошел полный цикл сертификационных испытаний и подтвердил соответствие характеристик требованиям ТЗ и сертификационного базиса. 15 октября 2018 года Авиационный регистр РФ выдал Сертификат типа на авиационный двигатель ПД-14. Серийное производство двигателя ПД-14 освоено на «ОДК-Пермские моторы» с широким привлечением предприятий отрасли.
Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация