Перспективные технологии и национальные стандарты: ЦИАМ – лауреат премии «Авиастроитель года»

Ежегодный конкурс «Авиастроитель года» проводится с 2011 года. Немало уникальных разработок было представлено на этом конкурсе за эти годы, многие из них уже внедрены в производство. Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») был неоднократно отмечен наградами «Авиастроителя года». Данная статья рассказывает о работах института, получивших дипломы и призы конкурса за последние два года.

Перспективные технологии

В 2022 году ЦИАМ удостоен звания дипломанта конкурса «Авиастроитель года» за работу «Разработка демонстратора технологий авиационной гибридной силовой установки с применением высокотемпературной сверхпроводимости».

Применение гибридных (ГСУ) и электрических силовых установок (ЭСУ) в перспективе позволит уменьшить уровень шума и снизить затраты топлива летательных аппаратов. Программы их создания с целью обеспечить технологический прорыв и заложить фундамент для новых стандартов есть у всех мировых разработчиков и авиаконцернов.

ЦИАМ одним из первых в России начал проводить комплексные исследования по оценке преимуществ применения ЭСУ и ГСУ на летательных аппаратах (ЛА). Специалистами Института наработан обширный опыт создания демонстраторов технологий ЭСУ, ГСУ и их испытаний, в том числе летных, а также в области оценки эффективности таких установок для различных ЛА.

В рамках отмеченной премией «Авиастроитель года» НИР специалисты ЦИАМ как головного исполнителя, реализующего ее в широкой кооперации отечественных предприятий, разрабатывают демонстратор технологий ГСУ для летательных аппаратов местных и региональных воздушных линий. Целью проекта является отработка критических технологий создания и испытаний ГСУ, формирование и отработка методологии их проектирования.

Демонстратор ГСУ состоит из первого в мире авиационного электрического двигателя с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) мощностью 500 кВт, вращающего воздушный винт. Использование ВТСП позволяет значительно снизить вес и размеры машин и силовых установок на их основе.

Электропитание двигателя осуществляется от энергоузла на основе турбовального газотурбинного двигателя (ГТД) с электрическим генератором мощностью до 400 кВт и блока литий-ионных аккумуляторных батарей. Также в состав демонстратора входят системы электроснабжения, управления верхнего уровня, контроля и управления, охлаждения, силовые преобразователи и т.д. Практически все узлы, элементы и системы демонстратора, за исключением турбовального ГТД, разработаны впервые (используется серийный двигатель).

На данный момент ГСУ прошла комплекс наземных отработок и летных испытаний в составе летающей лаборатории на базе самолета Як-40. Завершить данную НИР планируется в конце 2022 года.

Национальные стандарты

В 2021 году ЦИАМ был удостоен приза и дипломов конкурса в номинации «За вклад в разработку нормативной базы в авиации и авиастроении.

Разработанные специалистами ЦИАМ 7 национальных стандартов в области методов расчетов и испытаний турбин авиационных ГТД, лопаток осевых компрессоров и турбин позволили упорядочить процесс сертификации материалов и деталей авиационных двигателей.

ГОСТ Р 58991-2020 Аппараты турбин сопловые. Методы определения пропускной способности

Стандарт по определению пропускной способности сопловых аппаратов турбин авиационных двигателей и ГТУ различного назначения – один из самых востребованных. Пропускная способность сопловых аппаратов турбин – это основной параметр двигателя или установки, определяющий ее характеристики. Устаревший ГОСТ, созданный несколько десятилетий назад, был ориентирован на неохлаждаемые сопловые аппараты. С развитием техники все сопловые аппараты турбин авиационных двигателей стали охлаждаемыми, с выпуском воздуха через отверстия перфорации на лопатках и торцевых поверхностях соплового аппарата.

Перед ЦИАМ стояла задача создать стандарт по определению пропускной способности именно охлаждаемых сопловых аппаратов.

Разработанный стандарт предусматривает три метода определения пропускной способности сопловых аппаратов. Первый из них – продувка. Этот расчетно-экспериментальный метод отличается простотой применения и доступностью. Он выполняется на газодинамических установках в модельных условиях, близких к натурным условиям работы сопловых аппаратов в составе двигателя. Метод был многократно опробован при определении пропускной способности различных турбин на стенде ЦИАМ.

Чтобы определить достоверное значение пропускной способности сопловых аппаратов при испытании пакета секторных лопаток, продувку следует проводить в модельных условиях в составе натурной турбины.

Вторым методом является проливка водой. Этот метод косвенный, применяется для сравнительных исследований (сравнение с эталоном) неохлаждаемых аппаратов с отсутствием отверстий перфорации.

Третий метод – контроль размеров – используется при серийном изготовлении сопловых аппаратов, опытном производстве и при ремонте.

ГОСТ Р 58997-2020 Лопатки турбин. Метод определения газодинамических характеристик прямых решеток лопаток турбин на стенде

ГОСТ стандартизирует определение в стендовых условиях газодинамических характеристик прямых решеток – моделей лопаточных венцов турбин. Разработанный стандарт представляет собой квинтэссенцию знаний ЦИАМ, полученных по результатам многочисленных стендовых исследований прямых решеток турбин, оформленных в виде требований к исследуемым объектам, стенду и измерительным приборам.

Стандартом регламентированы требования к геометрии исследуемого объекта, конструкции стенда, измерительным приборам, процессу проведения экспериментального исследования.

ГОСТ Р 58998-2020 Лопатки авиационных осевых компрессоров и турбин. Термины и определения

В ГОСТе были пересмотрены термины и определения в части лопаток авиационных осевых компрессоров и турбин, стандартизированы новые и переформулированы существующие термины, такие как: винтоканальная лопатка и многополостная лопатка турбины, конструкторская база лопатки, хорда, среднеплощадной диаметр и пр.

ГОСТ Р 58990-2020 Турбины авиационных газотурбинных двигателей. Методика расчета характеристик турбины на среднем диаметре

Стандарт разработан на основе ранее выпущенного РТМ с целью унификации одномерных моделей расчета турбин и возможного внедрения данного метода в машинный код российского ПО.

Одномерный расчет выполняется на первом этапе проектирования лопаточной машины (компрессора или турбины) с целью получения исходных данных для ее проектирования на последующих этапах работы. Его результаты определяют облик меридиональных обводов узла и увязывают параметры работы ступеней проектируемой лопаточной машины между собой. Одномерных моделей (методик одномерных расчетов) турбин до выпуска настоящего стандарта не существовало: каждое российское КБ использовало собственный или сторонний (коммерческий) код. Стандарт унифицирует методику одномерного расчета турбины по среднему диаметру. Приведенный в нем алгоритм предоставляет возможность внедрения методики в машинный код российского ПО.

Актуализация подходов к решению проблем многоцикловой усталости

Специалисты ЦИАМ актуализировали три стандарта, регламентирующие подходы к решению проблем многоцикловой усталости материалов и деталей авиационных двигателей.

Усталостью называют тип разрушения детали, который происходит в результате действия повторяющейся нагрузки. Причиной многоциклового усталостного разрушения (МнЦУ) могут стать вибрационные напряжения, нестабильные аэродинамические напряжения или иных переменные нагрузки. Лопатки ротора и статора ГТД подвергаются действию переменных напряжений всех типов и являются наиболее уязвимым объектом для МнЦУ. Количество разрушений типа МнЦУ в ГТД становится основным фактором, определяющим повышение стоимости эксплуатации ГТД как источника тяги и энергии. Значительной частью причин аварийности в авиации является МнЦУ элементов двигателя, а повышение стоимости эксплуатации летательных аппаратов связано в основном с досрочным снятием двигателей с эксплуатации вследствие повреждения деталей газовоздушного тракта ГТД посторонними предметами.

В 1970-80-е годы в авиапромышленности СССР был внедрен ряд отраслевых стандартов, регламентирующих порядок оценки характеристик сопротивления усталости. Это позволило унифицировать подходы к оценке прочности конструкций. За последние 40 лет назрела необходимость их актуализации.

ГОСТ Р 59001-2020 Двигатели газотурбинные. Методы расчета пределов выносливости деталей

Стандарт устанавливает методы расчетно-экспериментального определения средних значений пределов выносливости деталей ГТД с учетом влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов. Опыт, накопленный в данной сфере в авиационной промышленности, найдет широкое применение и в машиностроении.

ГОСТ Р 58992-2020 Материалы для авиационных газотурбинных двигателей. Методы испытаний на усталость при повышенных температурах

Стандарт, касающийся методов проведения усталостных испытаний при повышенных температурах, распространяется на испытания образцов на изгиб с вращением. Хотя данный метод испытаний сейчас не используется при сертификации авиационных материалов, он по-прежнему актуален для сравнительных испытаний и для исследований свойств материалов.

ГОСТ Р 58999-2020 Лопатки газотурбинных двигателей. Периодические испытания на усталость. Методика расчета характеристик турбин по среднему диаметру

Поскольку проведение полного цикла усталостных испытаний – процесс длительный и затратный, обычно предприятия-изготовители проводят ограниченную серию контрольных испытаний с определенной периодичностью. Данный стандарт регламентирует порядок выбора режимов периодических испытаний на усталость лопаток ГТД на заводе-изготовителе. Основным изменением в стандарте стало приведение единиц измерения и расчетов к системе СИ.

Источник: журнал "Крылья Родины" № 9-10 за 2022 год, стр. 22-24