Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus

Авиационные двигатели

ЦИАМ

ЦИАМ, как ведущая научно-исследовательская организация отрасли, участвует в создании двигателей для ЛА различного назначения: беспилотников, малой авиации, дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов, сверхскоростных ЛА, вертолетов и других летательных аппаратов. Компетенции института простираются также на вопросы создания поршневых двигателей. Авиадвигателестроение является одним из самых инновационных наукоемких и высокотехнологичных секторов промышленности, интегрирующим результаты деятельности различных направлений науки и техники и стимулирующим научно-техническое развитие целого ряда других отраслей. Мировой опыт показывает, что разработка двигателя занимает в 1,5–2 раза больше времени, чем проектирование ЛА, поэтому правильная организация опережающих работ по созданию силовой установки является критическим элементом для успеха любой программы в области авиастроения. Стран, обладающих технологией полного цикла разработки и производства ГТД, меньше, чем государств, запускающих спутники в космос. Все отечественные авиационные двигатели создавались при участии ЦИАМ. ЦИАМ обладает уникальными стендами, предназначенными для проведения натурных испытаний авиационных двигателей и их узлов. Подробнее о возможностях Научно-испытательного центра ЦИАМ читайте в разделе "Экспериментальная база".

Направления работ

Прогноз развития

Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова осуществляет комплексное прогнозирование развития двигателей для всех типов атмосферных летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, беспилотных ЛА, аэрокосмических систем и др.), а также промышленных и транспортных газотурбинных установок на основе авиационных технологий.

В ЦИАМ ведется разработка методик оценки технико-экономического и весового совершенства авиационных ГТД и АПД в связи с уровнем их технологического развития.

Одна из ключевых компетенций ЦИАМ – разработка математических моделей и прогнозные расчетные исследования характеристик и эффективности перспективных авиационных двигателей и силовых установок (СУ), в том числе нетрадиционных схем: турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) со сверхвысокой степенью двухконтурности, ГТД с регенерацией тепла, турбовинтовентиляторных двигателей («открытый ротор»), турбокомпаундных и гибридных силовых установок на базе авиационных поршневых двигателей (АПД), распределенных и гибридных СУ на базе ГТД, энергоустановок на топливных элементах. 

Институт проводит обоснование концепций развития авиационного двигателестроения, обобщает опыт создания авиационных ГТД и АПД, разрабатывает научно-технические основы для создания отраслевых и межотраслевых программ развития авиадвигателей.

Проектирование

В области проектирования авиационных двигателей Центральный институт авиационного моторостроения ведет работу по следующим направлениям:  
  • формирование обобщенных эксплуатационно-технических показателей качества авиадвигателей;
  • аван- и эскизные проекты авиационных ГТД и АПД различного назначения, формулировка ключевых проблем создания двигателя, создание опережающего научно-технического задела, включая разработку узлов, экспериментального газогенератора, демонстрационного двигателя; 
  • разработка проектов для обеспечения модернизации серийных и опытных авиационных двигателей в целях улучшения их характеристик, повышения ресурса, удовлетворения более жестким экологическим нормам, определение путей поэтапного развития базового двигателя в последующих модификациях с улучшенными данными и с созданием двигателей иных схем и назначений (концепция семейства); 
  • использование технологии распределенных сетевых вычислений для междисциплинарного математического моделирования процессов во входном устройстве, турбокомпрессоре, камере сгорания и сопле ГТД; 
  • расчет конструкционной прочности и динамических характеристик деталей двигателя; 
  • проектирование и конструирование ГТД и АПД; 
  • разработка системы, интегрирующей на базе 3D-данных: геометрическое представление деталей (элементов), математические модели газовой динамики, теплообмена, напряженно-деформированного состояния.
Центральный институт авиационного моторостроения осуществляет техническую экспертизу проектов новых и модернизируемых авиационных двигателей, газотурбинных установок для наземного и морского транспорта, а также энергетики. 

Математическое моделирование рабочих процессов ГТД

Вычислительный комплекс ЦИАМ, основанный на многоуровневых системах компьютерного моделирования, позволяет проводить уникальные расчеты рабочих процессов во всем тракте ГТД.
В данных расчетах применяются математические модели, базирующиеся на законах сохранения массы, импульса и энергии (нестационарные уравнения Эйлера и Навье – Стокса), учитываются реальные эффекты, сопровождающие рабочий процесс в ГТД: вязкость, турбулентность и теплопроводность, горение, отборы и выдувы охлаждающего воздуха, утечки и др. 

Применение компьютерного испытательного стенда ГТД позволяет:
  • проектировать высокоэффективные проточные части, обеспечивающие достижение максимального КПД;
  • проводить модернизацию существующих узлов ГТД с целью повышения их эффективности;
  • моделировать и сопровождать процесс испытания двигателя и его узлов на наземных стендах;
  • изучать основные и пониженные (дроссельные) режимы работы;
  • исследовать переходные режимы работы (запуск, изменение режима, останов);
  • рассчитывать климатические, высотно-скоростные и дроссельные характеристики авиационных ГТД;
  • моделировать различные законы регулирования;
  • создавать форсированные варианты. 

Математическое моделирование и САПР ГТД

Работы по математическому моделированию и системам автоматизированного проектирования газотурбинных двигателей были выделены в отдельное направление в 1993 г. с целью развития САПР-технологий и внедрения современных методов и программ при проектировании двигателей.

Работа института в этой области направлена на решение прикладных задач. ЦИАМ сотрудничает с ведущими предприятиями авиакосмической отрасли по созданию методик и расчету термонапряженного состояния и оптимизации деталей турбомашин, вопросам моделирования напряженно-деформированного состояния и ресурса конструкций при циклическом и сложном неизотермическом нагружении, моделированию технологических процессов изготовления тонкостенных деталей, разработке газодинамических подшипников и перспективных плавающих уплотнений, динамике роторов ГТД.

Специалисты ЦИАМ успешно решают междисциплинарные задачи и создают условия для перехода к многодисциплинарным моделям при проектировании перспективных двигателей. Особое внимание уделяется разработке собственных математических моделей и специализированных комплексов программ, а также развитию численных методов расчета и оптимизации конструкции.

Малоразмерные ГТД

В Центральном институте авиационного моторостроения в отдельное направление выделены исследования в области создания малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД). Работы по этому направлению включают в себя:
  • оптимизацию схемы и параметров рабочего процесса малоразмерных МГТД на стадии их начального проектирования;
  • расчет основных характеристик МГТД на установившихся и переходных режимах на базе характеристик отдельных их узлов и элементов;
  • анализ работы узлов двигателя на основе результатов его испытаний;
  • разработку перспективных направлений развития и модификации существующих МГТД на базе универсальной комплексной программы расчета их характеристик, охватывающей около 30 различных схем двигателей (МГТД с одновальными и двухвальными газогенераторами, с осевыми, центробежными и осецентробежными компрессорами).
Институт осуществляет исследования МГТД различных схем, в том числе с регенерацией тепла, применяемых как в пилотируемых и беспилотных ЛА различного назначения, так и в наземных энергетических установках. 

Авиационные поршневые двигатели

Центральный институт авиационного моторостроения имеет богатый опыт и научный потенциал в области исследований, связанных с созданием авиационных поршневых двигателей (АПД). В начале XXI века АПД переживают новый этап развития.
Компетенции ЦИАМ в сфере создания АПД заключаются:
  • в расчете и многокритериальной оптимизации параметров рабочего процесса авиационных поршневых и роторно-поршневых двигателей;
  • в разработке конструктивно-технологических и расчетных методик, используемых при создании опытных и серийных АПД;
  • в экспериментальной проработке узлов и агрегатов АПД на модельных стендах;
  • в комплексных экспериментальных исследованиях АПД в составе силовой установки, в том числе в ожидаемых условиях эксплуатации;
  • в создании экспериментальных стендовых систем для отработки рабочего процесса перспективных АПД.

Комбинированные двигатели и силовые установки для высокоскоростных ЛА

Центральный институт авиационного моторостроения проводит расчетные и экспериментальные работы по исследованию моделей узлов и элементов конструкции комбинированных СУ (КСУ) различных схем  в целях обеспечения их эффективного рабочего процесса при сверхвысоких скоростях полета.

Специалисты института осуществляют:
  • расчет характеристик КСУ различных схем с учетом теплового состояния элементов конструкции;
  • разработку перспективных направлений использования стандартного и высокоэнергетического топлива;
  • разработку требований к технологиям и материалам, обеспечивающим эффективную работу КСУ.

Интеграция силовой установки и летательного аппарата

Важнейшим направлением работы специалистов ЦИАМ является многокритериальная оптимизация параметров силовых установок летательных аппаратов (ЛА) различного назначения и различных скоростей полета по критериям оптимальности: летно-технические характеристики, топливная экономичность, себестоимость перевозок, стоимость жизненного цикла, экологические характеристики и т.д.

Работы ЦИАМ по данному направлению включают в себя:
  • выбор проектных параметров и оценку эффективности применения двигателя в составе ЛА;
  • оптимальное согласование силовой установки и планера ЛА;
  • расчет высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателей различных схем в задачах согласования проектных параметров самолета и СУ;
  • расчет и минимизацию шума ЛА на местности;
  • оценку эмиссионных показателей по профилю полета ЛА.
     
    Комплексы программ позволяют провести исследования, предназначенные для согласования силовой установки и планера и расчета технико-экономических характеристик ЛА (самолетов и вертолетов) различного назначения. Они позволяют решить следующие задачи: 
  • сформировать облик силовых установок перспективных ЛА с обоснованным выбором схемы рациональных параметров рабочего процесса двигателя, определить требуемые размерности двигателей и режимы их работы на различных участках полета;
  • выбрать оптимальные программы законов регулирования двигателей с учетом особенностей их эксплуатации на рассматриваемом ЛА;
  • определить потенциальные возможности силовых установок с разными типами двигателей, границы целесообразного применения двигателей различных схем;
  • оценить эффективность альтернативных вариантов и выбрать новый двигатель для ЛА, находящегося в эксплуатации;
  • рассмотреть возможности установки двигателя на нескольких типах ЛА, выбрать унифицированный двигатель для перспективного парка самолетов и вертолетов;
  • провести оптимизацию условий полета на отдельных участках траектории;
  • определить влияние атмосферных условий и различных потерь при работе двигателя на изменение технико-экономических характеристик ЛА.
    Модуль расчета высотно-скоростных и дроссельных характеристик двигателя разработан специально для проведения широких параметрических и оптимизационных исследований и позволяет учитывать различные виды потерь, связанных с установкой двигателя на ЛА.
    В ЦИАМ проводятся разработка и испытания беспилотных летающих лабораторий для отработки технологий малоразмерных гибридных и электрических СУ, в том числе работающих на топливных элементах различных типов.
  • Разработка и актуализация нормативной и методической документации двигателей гражданской авиации

    • Авиационные правила.
    • Рекомендательные циркуляры.
    • Нормы прочности и положение об установлении и увеличении ресурса. 
    • Нормы безотказности и методика оценки безотказности. 
    • Положение по методологии создания авиационных двигателей гражданского назначения.
    • Общие технические условия.
    • ОСТы.
    • Положения.
    • Руководства.
    • Методические указания и методики.

    Экономика разработки и модифицирования, производства и эксплуатации двигателей

    • Экономика разработки и модифицирования.
    • Экспертные заключения о смете затрат, продолжительности разработки и графике финансирования разрабатываемых двигателей.
    • Маркетинговые исследования разрабатываемых и модифицируемых двигателей.
    • Анализ и экспертиза финансово-хозяйственной деятельности ОКБ-разработчика при подготовке к тендеру на выполнение заказа.
    • Разработка рекомендаций по финансовому управлению и контролю за исполнением сметы затрат на разработку двигателя.
    • Организация и проведение тендеров на разработку новых и модификацию серийных двигателей.
    • Инвестиционное проектирование и бизнес-планирование разработки новых и модификации серийных двигателей.

    Экономика производства двигателей

    • Экспертные заключения о смете затрат на подготовку и освоение производства.
    • Экспертные заключения о себестоимости и цене двигателя, экспортной цене авиационного двигателя.
    • Маркетинговые исследования и оценка спроса на серийные двигатели и объем их ремонта.
    • Анализ и экспертиза финансово-хозяйственной деятельности серийного завода при подготовке к тендеру на размещение заказа на серийное производство.
    • Разработка рекомендаций по финансовому управлению и контролю за исполнением сметы затрат на подготовку и освоение серийного производства двигателя.
    • Организация и проведение тендеров на размещение серийного производства двигателей.
    • Инвестиционное проектирование и бизнес-планирование серийного производства и ремонта двигателей.
    • Технико-экономическое обоснование и бизнес-планирование финансового и оперативного лизинга серийных двигателей.

    Экономика эксплуатации двигателей

    Оценка выполнимости требуемого объема летной работы и летных программ парков при различных характеристиках ресурса и безотказности АД и условиях их эксплуатации.
    Оценка экономической эффективности внедрения различных мероприятий по совершенствованию эксплуатационно-технических характеристик АД (ресурсы, показатели безотказности, эксплуатационная технологичность, ремонтопригодность и другое).
    Технико-экономическое обоснование целесообразности увеличения ресурсов (межремонтного, назначенного) и сроков службы эксплуатируемых двигателей.
    Оценка спроса на новые и ремонтные двигатели в эксплуатации и планирование рационального объема закупок новых и ремонтных АД эксплуатирующими предприятиями.
    Формирование конкурентоспособных систем гарантий на двигатель и его элементы:
    • выбор номенклатуры и уровня гарантируемых показателей;
    • рекомендации по оценке выполнения гарантий;
    • обоснование цен гарантий;
    • проведение ТЭО гарантийных обязательств поставщика.
    Обоснование технико-экономической целесообразности применения различных видов стратегии управления ресурсом АД, соответствующих Авиационным правилам (ч. 33). 
    Экспертные заключения о «ликвидационной» цене двигателя и цене двигателя на вторичном рынке. 
    Технико-экономическое обоснование и бизнес-планирование возвратного лизинга эксплуатируемых двигателей.
    Разработка и адаптация к конкретным условиям заказчика программно-математических средств, обеспечивающих прогноз потребности в новых и ремонтных АД, оценку влияния различных факторов и управленческих решений на технико-экономические показатели процесса эксплуатации парка ЛА и АД.


    Материалы по теме