Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus
На стыке стихий

На стыке стихий

12 Сентября 2016

С 22 по 25 сентября в Геленджике пройдет 11-я международная выставка и научная конференция по гидроавиации. Об участии ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») в Гидроавиасалоне-2016 рассказывает кандидат технических наук, начальник сектора «Авиационные газотурбинные двигатели» Павел Леонидович Мульгинов.

В чем значение Гидроавиасалона для страны в целом и для Института в частности?

Россия – крупнейшая в мире страна, при этом протяженность ее береговой линии составляет 38,5 тыс. км, более половины длины границ государства. Территория России омывается водами трех океанов и 15 морей. Огромные природные богатства скрыты в континентальном шельфе, площадь которого под юрисдикцией России – 5 млн кв. километров, а это почти шестая часть всего мирового континентального шельфа. Да и на большей части суши единственными транспортными магистралями пока остаются воздух и реки. Без гидроавиации России никак не обойтись, поэтому трудно переоценить значение Гидроавиасалона как площадки для демонстрации новейших достижений в этой области.

На Гидроавиасалоне замечательная атмосфера, способствующая интенсивному обмену мнениями, опытом и идеями. Рядом – Геленджикская бухта, курортная зона, на водной поверхности которой многие достижения гидроавиации можно увидеть в действии. К примеру, на прошлом Гидроавиасалоне можно было наблюдать, как самолет-амфибия Бе-200ЧС принимал непосредственное участие в тушении пожара (как нам неофициально сообщили, реального, а не инсценированного). Самолет-амфибия сделал несколько вылетов с забором воды в бухте и сбросом над очагом возгорания на склоне горы. Все видели, что пожар был потушен.

А для ЦИАМ Гидроавиасалон – еще одна возможность популяризации научно-технического задела (НТЗ), который создает Институт для перспективных авиационных двигателей, а также прекрасный повод для демонстрации нашего потенциала как ведущей научной организации страны по авиадвигателям и возможностей уникальной стендовой базы испытательного комплекса НИЦ ЦИАМ. Поскольку салон специализированный, мы стараемся сконцентрироваться на вопросах, касающихся именно работы силовых установок авиации в морских условиях.

Какую программу ЦИАМ готовит для Гидроавиасалона 2016 года?

ЦИАМ является постоянным участником Гидроавиасалона в Геленджике, который в 2016 году проводится уже 11-й раз. До 2010 года включительно Институт участвовал в этом мероприятии, главным образом, по индивидуальным приглашениям: руководителей Института приглашали выступить с докладом на пленарном заседании научной конференции по гидроавиации, являющейся частью Гидроавиасалона. С 2012 года ЦИАМ начал участвовать и в выставочной программе. С 2014 года мы стали соорганизаторами секции № 7, работа которой посвящена главным энергетическим установкам авиации морского базирования, и стали полноправным соорганизатором научной конференции.

На Гидроавиасалоне-2016 ЦИАМ участвует как в выставочной программе, наряду с другими институтами, входящими в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», так и в работе секции №7 на научной конференции по гидроавиации. Секция будет представлена восемью докладами, и руководят ее работой  сотрудники нашего Института. Председатель секции №7 – доктор технических наук Александр Валерьевич Луковников, начальник отделения «Авиационные двигатели» ЦИАМ, сопредседатель секции №7 – доктор технических наук, профессор Анатолий Сергеевич Полев, начальник отдела перспектив развития воздушно-реактивных двигателей. Я являюсь членом методического совета научной конференции и отвечаю за деловую программу Института, которая включает круглые столы и научную конференцию. Дополнительно в этом году работает Международная научно-техническая конференция «Коррозия, старение и биостойкость материалов в морском климате», организатор – Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ). Конференция будет проходить на климатической базе ВИАМ в Геленджике при участии наших специалистов.

Чем отличается двигатель для гидросамолета от обычного авиационного двигателя?

В основном авиадвигатели разрабатываются для применения в обычных условиях эксплуатации и специально для использования в морской авиации не предназначаются. Между тем, условия морского базирования более жесткие, поэтому существует жаргонный термин – «оморячивание» существующих двигателей для этих условий. Здесь можно выделить несколько направлений работы.

Во-первых, длительная стоянка и эксплуатация в прибрежной зоне при воздействии морского климата с повышенной влажностью и засоленностью воздуха (морской туман и прочее) предъявляет повышенные требования к коррозионной стойкости материалов. В авиадвигателях последних поколений по существу исключается применение «простых» материалов, в том числе алюминиевых и магниевых сплавов. В основном используются нержавеющие жаропрочные материалы, титановые сплавы и композиционные материалы. Тем не менее, и они в морских условиях подвержены повышенной коррозии, что существенно ухудшает их прочностные свойства и ресурсные показатели. Поэтому главное при адаптации двигателя к морскому применению – это использование материалов и специальных покрытий, уменьшающих коррозионные разрушения в условиях морского климата и обеспечивающих ресурсные показатели и показатели безотказности двигателей.

Второе направление адаптации – это проведение мероприятий в связи с существенно большей вероятностью попадания посторонних предметов в виде птиц, а также сколов льда, связанного с повышенным риском обледенения поверхностей летательного аппарата и конструкции входных элементов двигателя. А если говорить об их применении, то надо будет подумать и о защите от льда, фрагменты которого могут попадать в авиадвигатель при полете над ледовой поверхностью.

Что касается обеспечения повышенной «птицестойкости», то в обычной эксплуатации, конечно, тоже существует вероятность попадания птиц в двигатель, но это птицы меньшего размера, чем живущие по берегам морей и океанов. Кроме того, при обычной эксплуатации существует больше возможностей уменьшать вероятность попадания птиц. В прибрежной зоне количество птиц намного больше и их величина существенно увеличивается. Сейчас по нормам максимально регламентировано проведение испытания на «птицестойкость» при забросе гуся массой 1,8 кг. Масса же бакланов или полярных чаек может достигать 5 кг, а это накладывает дополнительные жесткие требования к двигателю, в частности – к конструкции лопаток входной вентиляторной ступени и может потребовать применения специальных защитных устройств в виде сеток, сепараторов и других конструктивных мероприятий. 

В связи с тем, что вероятность образования льда на входе в двигатель в морских условиях существенно выше, требуется создание противообледенительных систем повышенной эффективности.

Среди других конструктивных мероприятий по адаптации двигателей можно выделить  мероприятия по уменьшению отложения морских солей в проточной части двигателя, особенно в тонких каналах охлаждаемых лопаток турбины, теплообменных аппаратах и на профилях малоразмерных лопаточных венцов. Как бы мы ни защищали двигатель, но вероятность образования этих отложений велика, поэтому необходимо разрабатывать конструктивные элементы или дополнительные системы, которые позволят в эксплуатации проводить профилактические мероприятия в виде периодической промывки проточной части двигателя. Для этого необходимо наличие систем подвода промывочной жидкости и защиты внутренних масляных полостей от попадания промывочных составов за счет их наддува и другие эксплуатационные технологии.

Какова роль и возможности ЦИАМ в создании морских вариантов авиадвигателей?

Работы Института с промышленностью по внедрению двигателей на гидросамолеты можно свести к следующим направлениям.

Прежде всего, это выбор совместно с ВИАМ новых материалов и покрытий элементов проточной части двигателя, проведение прочностных испытаний, в том числе на многоцикловую усталость, длительную прочность и циклическую долговечность деталей с использованием уникальных стендов для испытаний ГТД и базы прочности в НИЦ ЦИАМ.

В частности, на Гидроавиасалоне-2016 будет представлен интересный доклад по одной из работ нашей лаборатории прочности: образцы помещались в солевые растворы, имитирующие морские воды наиболее засоленных морей, и затем, после выдержки, проводились лабораторные испытания на малоцикловую усталость, выявляющие отклонение в свойствах материалов при длительном нахождении в агрессивных средах.

Еще одно направление работ ЦИАМ: экспериментальные и расчетные исследования «птицестойкости» и стойкости к попаданию посторонних предметов лопаток ГТД, определение с помощью математических моделей высокого уровня характера взаимодействия и объемов повреждений, а также проведение испытаний элементов самолетов на удар птицей и другими посторонними предметами.

Следующее важное направление работ ЦИАМ: исследование процессов обледенения конструкции и попадания на вход в двигатель льда и кристаллов; расчет по 2D-моделям процессов обледенения элементов ЛА с определением полей скоростей и траектории капель, коэффициентов теплоотдачи, параметров тепло-массоотдачи, прироста льда и прочее; проведение испытаний элементов конструкции ЛА и двигателя в целом с имитацией реальных условий льдообразования; сертификационные модельные и полноразмерные испытания двигателей и элементов его противообледенительной системы на стендах ЦИАМ (У-9М, Ц-2).

В НИЦ ЦИАМ созданы  высотные стенды, имитирующие реальные климатические условия при работе двигателя. Они были специально дооборудованы водораспылительным коллектором для имитации попадания: соленой воды, льда, кристаллов льда и града в результате льдообразования на входе двигателя, а также получения характеристик ТРД при изменении геометрии проточной части на входе двигателя в результате льдообразования. Коллектор ввода ледяных кристаллов в поток имитирует условия облака, содержащего ледяные кристаллы.

Приведите пример, когда вклад ЦИАМ сыграл существенную роль в решении каких-то специфических «морских болезней».

За несколько десятилетий ЦИАМ неоднократно участвовал в решении вопросов, возникающих при доводке и эксплуатации авиационных двигателей на ЛА этого типа. Гордостью отечественной гидроавиации является Бе-200ЧС – главная звезда гидроавиасалонов в Геленджике. ЦИАМ принимал непосредственное участие в доводке силовой установки Бе-200. Установленные на нем ТРДД Д-436ТП прошли полный комплекс высотных испытаний на стендах Института. В ходе доводки двигателя совместными усилиями разработчика и ЦИАМ был решен ряд сложных технических вопросов, к числу которых, в частности, относится разработка системы противопомпажной защиты двигателя, используемой в случаях возникновения сильных внешних тепловых и аэродинамических возмущений при пролете самолета Бе-200ЧС над зоной пожара. В итоге было обеспечено проведение сертификации двигателя Д-436ТП.

Одна из основных задач ЦИАМ – создание НТЗ для перспективных двигателей. Есть ли какие-то специфические, «морские» технологии, которые необходимо разработать на перспективу?

Многие технологии, которые создаются в рамках НТЗ для перспективных двигателей общего назначения, будут способствовать и более легкой их адаптации для морского применения. В частности, в ЦИАМ ведутся работы по использованию неметаллических материалов в конструкции двигателей, а такие материалы, помимо повышенной прочности и жаростойкости, еще и менее подвержены коррозии при длительном нахождении в морском климате. У нас на конференции в Геленджике будет несколько докладов по этой теме. Чем больше неметаллических деталей, тем менее подвержен коррозии газотурбинный двигатель.

Или возьмем проблему обеспечения повышенной «птицестойкости». Как я уже говорил, высокий риск попадания крупных птиц при морской эксплуатации требует внедрения новых технологий при проектировании вентиляторных ступеней, в частности – использования полых лопаток или лопаток из композиционных материалов с титановыми входными кромками. Такие лопатки существенно легче, что значительно облегчает решение проблемы локализации повреждений внутри двигателя при обрыве лопатки.  Локализация подобных разрушений, когда оборавшаяся лопатка вентилятора не пробивает корпус двигателя и не повреждает элементы конструкции ЛА, – необходимое условие безопасной эксплуатации современных авиадвигателей.

В последние годы активно обсуждается возможность создания тяжелых транспортных экранопланов нового поколения. Как Вы оцениваете перспективы их создания с точки зрения авиадвигателестроительных технологий?

Это вполне реально. Двигатели для этих целей можно выбрать среди находящихся в эксплуатации или в разработке и выполнить необходимые работы по их адаптации. Мы исходим из того, что создание специальных двигателей для экранопланов, в виду ограниченного парка по сравнению с традиционной гражданской авиацией, не предполагается. При этом двигатели, создающиеся для гражданской авиации, оптимизированы для работы на крейсерской скорости 900–1000 км/ч и высотах 9…12 км. Экранопланы и гидросамолеты  летают на низких высотах и таких высоких скоростей не достигают, но это вопросы не конструкции авиадвигателя, а выбора оптимального режима его работы. Двигатели, которые создаются для перспективных ЛА гражданской авиации, в принципе, могут обеспечить конкурентоспособность по расходу топлива на крейсерских скоростях полета экранопланов.

Обеспечение минимального удельного расхода топлива на крейсерском режиме для получения большой дальности полета – одно из главных требований к маршевым двигателям перспективных экранопланов. Только это позволит тяжелым экранопланам конкурировать с другими видами транспорта, будь то авиация или перевозка  грузов и пассажиров судами.

Подводя итог, можно констатировать: разрабатываемый в ЦИАМ НТЗ по перспективным схемам двигателей для самолетов гражданской авиации, несомненно, будет востребован и для их морского применения с учетом проведения работ по адаптации двигателей. Принципиально это разрешимая проблема.

gel_1.jpg

Открытие выставки «ГИДРОАВИАСАЛОН-2010»

gel_2.jpg

Открытие выставки «ГИДРОАВИАСАЛОН-2012»

gel_3.jpg

Министр промышленности и торговли РФ Д.В. Мантуров на стенде ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»