Движение вперед: как в ЦИАМ разрабатываются малоразмерные двигатели

Отечественные поршневые авиадвигатели нужны как воздух. Появление производственной линейки двигателей для легкой авиации, в том числе беспилотников, будет способствовать восстановлению и укреплению целого ряда отраслей. Авиация вновь вернется на службу человеку в труднодоступные районы, на сельскохозяйственные поля и сможет связать близлежащие регионы.

Разработкой демонстраторов малоразмерных, в том числе поршневых, авиамоторов, технологии создания и производства которых смогут стать заделом для появления опытных, а затем и серийных образцов, занимаются специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

О создании технологий для «маленьких» двигателей с большими возможностями, разработке турбовинтового двигателя ТВ7-117СТ-01 для регионального самолета Ил-114-300 и силовых установок для винтокрылой техники рассказывает начальник отдела ЦИАМ Юрий Фокин.

— Юрий Вячеславович, какие проекты в области создания малоразмерных двигателей реализует ЦИАМ?

— В 2020 году ЦИАМ стал исполнителем госконтракта Минпромторга России по созданию демонстраторов перспективных технологий малоразмерных газотурбинных (МГТД) и авиационных поршневых двигателей (АПД). Научно-исследовательская работа получила название «Демонстраторы МГТД и АПД». Перед нашим институтом стоит задача к концу 2022 года создать и испытать пять демонстраторов: это демонстрационные образцы «более электрического» сухого МГТД и перспективного МГТД низкой стоимости, демонстраторы технологий свободнопоршневых и турбокомпаундных АПД, а также демонстрационная высотная малоразмерная камера сгорания.

— Что собой представляет «более электрический» сухой малоразмерный двигатель?

— Конструкция «более электрического» двигателя предусматривает встроенный электрогенератор, который обеспечивает питание электрических приводов агрегатов двигателя. Такое решение позволяет отказаться от механической коробки приводов и улучшить эксплуатационные характеристики, снизить массу и стоимость конструкции, повысить надежность двигателя «Сухим» демонстратор называется потому, что в нем применены опоры с газодинамическими подшипниками, не требующими масляного охлаждения. Это позволит полностью отказаться от масляной системы, которая доставляет много неудобств при эксплуатации и к тому же увеличивает массу и стоимость двигателя. 

Ротор-демонстратор «более электрического» сухого малоразмерного газотурбинного двигателя

— Демонстрационный образец уже создан?

— Двигатель-демонстратор с комбинированной системой опор — газодинамических и традиционных — уже испытан. Следующий виток работы — разработка и испытания двигателей полностью на газовых опорах, без масляной системы.

— Что за двигатель низкой стоимости разрабатывает ЦИАМ, в чем его особенность?

— Двигатель низкой стоимости ТРД-60 — это основа будущего двухконтурного малоразмерного двигателя. По сути изделие представляет собой унифицированный газогенератор, в котором до минимума сокращено число деталей, объединены функции конструктивных элементов. За счет оптимизации технологии изготовления ТРД-60, предполагающей применение ресурсосберегающих методов и материалов, этот двигатель по стоимости получается существенно дешевле, чем аналоги.

Предполагаем, что унифицированный газогенератор ТРД-60 может стать основой создания целого семейства малоразмерных двигателей различного типа и назначения.

— На какой стадии находится проект?

— По сравнению с первоначальным обликом, унифицированный газогенератор усовершенствован как по параметрам и характеристикам, так и по технологии изготовления. Демонстрационный образец готовится к испытаниям. 

Более «электрический» МГТД низкой стоимости

— Какова ниша применения малоразмерных двигателей?

— Малоразмерные ТРДД могут в перспективе применяться для легких самолетов различного назначения пассажировместимостью от 4 до 6 человек, в том числе в санитарной авиации для оказания оперативной медицинской помощи. «Более электрические» сухие МГТД — для беспилотных летательных аппаратов, а также в составе гибридных силовых установок. Хочу отметить, что сейчас мы находимся на стадии научно-исследовательской работы: она предполагает создание и отработку перспективных технологий МГТД для их дальнейшего внедрения при выполнении опытно-конструкторских работ.

— Вернемся к авиационным поршневым моторам, которые ЦИАМ разрабатывает в рамках госконтракта с Минпромторгом России. Что собой представляет эта линейка демонстраторов и в чем их особенность?

— В сфере перспективных поршневых двигателей мы занимаемся созданием демонстраторов турбокомпаундного и свободнопоршневого двигателей.

Турбокомпаундный двигатель представляет собой комбинацию поршневого и газотурбинного двигателя. К поршневому мотору добавляется турбокомпрессорный модуль, который использует энергию выхлопных газов АПД в турбине, увеличивая тем самым мощность двигателя. При этом дополнительно может осуществляться турбонаддув поршневого мотора, что повышает его характеристики.

Турбокомпаундный модуль разрабатывается в паре с поршневым двигателем мощностью 100 л.с., но в принципе он может применяться с разными АПД для беспилотных летательных аппаратов и самолетов малой авиации. Специалисты ЦИАМ сейчас создают демонстратор компаундных технологий: турбину турбокомпаундного узла с редуктором и объемный нагнетатель воздуха.

— Насколько такая схема получается тяжелее?

— Разумеется, масса увеличивается, но и мощность становится выше. По нашим расчетам, выигрыш от применения такой схемы компенсирует увеличение массы.

— Для каких нужд разрабатывается свободнопоршневой АПД?

— Предполагается, что этот двигатель будет использоваться в паре с электрогенератором и станет одним из элементов силовой установки для электросамолетов. В конструкции свободнопоршневого АПД будет отсутствовать механизм-преобразователь возвратно-поступательных движений поршней, поэтому реализовываться будут только поступательные. Это упростит конструкцию двигателя, снизит его массу, повысит надежность гибридной силовой установки.

— Заинтересована ли отрасль в разработках малоразмерных и поршневых двигателей?

— Заинтересованность есть, и она связана с увеличивающейся потребностью разработчиков летательных аппаратов в двигателях мощностью от 50 до 500 л.с. Они могут применяться как для беспилотной, так и для пилотируемой авиации. Если говорить о гражданской области применения, то это целые сегменты. Например, мониторинг дорожного движения, контроль состояния трубопроводов, метеорологические исследования, транспортно-грузовые перевозки и т.п.

— 16 декабря 2020 года состоялось настоящее историческое событие — начались летные испытания самолета Ил-114-300 с двигателем ТВ7-117СТ-01. Какой вклад в создание этого двигателя внес ЦИАМ?

— Создание самолета Ил-114-300 с отечественным двигателем отвечает важной государственной задаче по развитию авиации местных и региональных воздушных линий. Впереди предстоит еще много работы: ТВ7-117СТ-01 разрабатывается в сжатые сроки — двигатель должен получить сертификат типа в начале 2022 года. Сертификационный центр ЦИАМ принимает участие в научно-методическом сопровождении этого процесса. Институт также был задействован в макетной комиссии, выпустил заключение о возможности применения двигателя ТВ7-117СТ-01 для проведения летных испытаний самолета Ил-114-300.

В 2021 году планируется ряд испытаний на стендах ЦИАМ, в том числе в термобарокамере, имитирующей высотные условия полета.

— ЦИАМ занимается и сопровождением создания вертолетных двигателей. Над какими двигателями сейчас ведется работа?

— Продолжаются работы по улучшению данных сертифицированного двигателя ТВ7-117В для Ми-38. Сейчас ведутся работы по одобрению главного изменения — увеличение максимальной мощности до 3750 л.с.

Реализуются проекты по созданию двигателей ВК-650В и ВК-1600В: проведены этапы макета, завершена экспертиза и выпущены заключения на эскизные проекты этих двигателей. Демонстратор ВК-650В уже был успешно запущен на испытательном стенде ОДК-Климов. ВК-650В планируется использовать на вертолетах Ка-226Т, Ансат-У и VRT-500, а двигатель ВК-1600В — на вертолете Ка-62 в рамках программы импоротозамещения.