Пламенные моторы будущего
Двигатель – это важнейшая часть самолета, от которой во многом зависит его техническое совершенство. За время своего существования «Пламенные сердца» стальных птиц подверглись колоссальным изменениям. Улучшение показателей двигателя достигается за счет перехода к новым конструкционным схемам, материалам и технологиям производства
За формирование облика перспективных авиационных двигателей в России отвечает Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ). О том, что ждет в будущем двигатели традиционной конструкции, когда в нашу жизнь войдут электро-самолеты и когда мы полетим на гиперзвуке, «ПМ» решила узнать из первых рук – у генерального директора ЦИАМ Михаила Гордина.
– Михаил Валерьевич, стоит ли ожидать революционных изменений в развитии авиационных двигателей традиционных концепций?
– Традиционные двухконтурные газотурбинные двигатели, используемые на дальне- и среднемагистральных пассажирских лайнерах, прошли долгий путь развития и достигли уже такого уровня, что особой революции в их дальнейшем развитии не предвидится. Однако возможности для их совершенствования еще не исчерпаны. Битва идет буквально за каждый процент веса и эффективности. Улучшения характеристик можно достичь за счет использования конструкторских решений и применения новейших материалов и технологий – композитов, жаропрочных супер-сплавов, 3D-печати. Это можно назвать первым горизонтом современной научной и конструкторской мысли в области авиационного двигателестроения.
Второй горизонт – внедрение в авиацию прорывных технологий, например электроэнергетических.
Третий – создание высокоскоростного воздушного транспорта с гиперзвуковой крейсерской скоростью. Это пока вопрос далекой перспективы. Работы по этим трем направлениям ведутся во всем мире, в том числе и в России, в частности в нашем институте.
– Каковы перспективы развития турбореактивных двигателей?
– Развитие конструкции турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД), называемого также турбовентиляторным, идет по нескольким направлениям. Основные цели – достижение более высоких показателей экономичности, экологичности и надежности. Последнее особенно важно в связи с практически полным переходом средне- и дальнемагистральной пассажирской авиации с четырех- на двух-двигательную схему.
– Как можно повысить экономичность авиадвигателя?
– За счет дальнейшего совершенствования как «тепловой машины», так и «движителя». Например, можно увеличить термодинамическую эффективность рабочего процесса, подняв полную степень повышения давления (π∑ ) до 60–65 и температуру газов перед турбиной до 1900–2000 К. Но это требует освоения целого комплекса технологий. Нужны высоконапорные компрессоры с высокой эффективностью и газодинамической устойчивостью. Необходимо разрабатывать новые сверх-жаропрочные материалы для камеры сгорания, лопаток и диска турбины. При этом повышение температуры в камере сгорания имеет не только преимущества, но и недостатки, так как становится причиной увеличения вредных выбросов в виде оксидов азота (NOx ). Чтобы сократить количество вредных выбросов, внедряется технология горения обедненной топливно-воздушной смеси.
Другой способ повышения экономичности – увеличение степени двухконтурности (отношения расхода воздуха через наружный контур к расходу воздуха через внутренний контур), в том числе при переходе на схему двигателя с приводом вентилятора через редуктор. Примеры таких двигателей существуют. Еще в 1990-х был создан отечественный двигатель НК-93. Из современных можно назвать PW 1000, который будет опционально устанавливаться на МС-21 наряду с перспективным российским ПД-14. Cконструировать редуктор – сложнейшая инженерная задача: он должен выдерживать огромные нагрузки, обладать высоким КПД и при этом иметь минимальный вес. Кроме того, в процессе работы редуктор будет выделять тепло: даже при высоком КПД энергопотери неизбежны, и надо найти способ это тепло отводить. Попыткой масштабировать редукторные технологии для более мощного двигателя можно назвать проект UltraFan британской компании Rolls-Royce, однако это пока лишь демонстратор.