Выбор силовой установки для ЛА и перспективы развития

Выбор силовой установки для
летательного аппарата и
перспективы развития силовых
установок
Опыт применения разных типов
силовых установок на существующих
летательных аппаратах
Типоразмер
самолёта
Легкие
самолёты
Средние
самолёты
Тяжелые
транспортны
е
самолёты
Взлетная масса,т.
(пассажиро-вместимость,
мест)
До,
1 тонны,
местные
1-4
Применяемые
в СУ движетели
ПД
до 12 мест
ПД или ТВД
до 20 мест
ТВД
до 100 тонн
от 50 до 250 мест
до 300 тонн
Мощность, л.с.
Тяга, кгс
до 250 л.с
до 500 л.с. (ПД), до1200 л.с. (ТВД)
до 3000 л.с. (ТВД)
ТРД, ТРДД
ТВД, ТВВД
от 10 до 20 т.с. (ТРД, ТРДД)
до 15 000 л.с. (ТВД)
ТРДД, ТВВД
до 30 т.с. и более (ТРДД, ТВВД)
Поршневые двигатели
• Делятся на:
• 1.) Поршневые четырёхтактные
• Удельная вес 0.9-0.95 кг/лс
• Удельный расход 175-350 г/лс. ч
• 2) поршневые двухтактные
• Удельная вес 0.35-0.55 кг/лс
• Удельный расход 250-350 г/лс. ч
• 3) роторно-поршневые
• Удельная вес 0.45-0.65 кг/лс
• Удельный расход 250-350 г/лс. ч
ТВД
Удельный расход 250-350 кг/лс.ч
ТРД
Удельный расход 400-600 г/кгс ч
НК-93 оптимальный маршевый
двигатель
НК-93 М=0,8
НК-93 М=0,75
Сравнение НК-93 по СR с зарубежными аналогами
Двигатель на открытом наземном стенде СНТК
Критические технологии для магистральных самолётов
Направления развития и прорывные конструкторские решения
ТВВД
ПуВРД
Удельная вес 0.05-0.1 кг/лс
Удельный расход 1500-2000 г/кгс. ч
Распределённые силовые установки
а)
б)
СХЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
Привод: (а) – механический; (б) - с газовый; (в) – электрический
ВОЗМОЖНЫЕ КОМПОНОВКИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СУ НА ДОЗВУКОВЫХ САМОЛЕТАХ И ЭКРАНОПЛАНАХ
в)
Отделение 300
ВЫБОР ТРДД МАРШЕВОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ПЕРСПЕКТИВНОГО
ДАЛЬНЕМАГИСТРАЛЬНОГО САМОЛЕТА
Перспективный дальний самолет
Основные требования к ТРДД МСУ:
- взлетная тяга двигателя > 20 тс («жара», высотный
аэродром),
- низкий удельный расход топлива при дозвуковой скорости
полета;
- низкий удельный вес ТРДД;
- низкий риск при создании ТРДД.
Параметры
Рассмотренные газогенераторы
ПАО «Кузнецов»
АО «Авиадвигатель»
ПАО «НПО «Сатурн»
Gв.пр, кг/с
65
68
55
Gв.пр.вых. ГГ, кг/с
7,18
6,53
5,28
*к.ГГ
14
16,7
18
6+7–1+1
8–2
10–2
Количество ступеней
Отделение 300
ДВИГАТЕЛИ НА БАЗЕ НОВОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА ПОКОЛЕНИЯ 5+
Двухвальный ТРДД
Унифицированный
одновальный ГГ нового
поколения
Трехвальный ТРДД
Широкохордные
Корпус вентилятора из ПКМ лопатки вентилятора
из ПКМ
Камера сгорания из SiC-SiC
Элементы турбины из SiC-SiC
КВД из Ti3Al - SiC
Накопленный на данный момент НТЗ недостаточен для создания двигателей поколения 5+. Для
определения рационального облика двигателя и его ГГ (одно- или двухвальной схемы) требуется
проведение научно-экспериментальных исследований по отработке отдельных узлов.
РК КНД составной
конструкции из и ПКМ, УГТ=4
• снижение массы в 2 раза;
• снижение производственных
издержек
РК КВД составной конструкции
типа из КМ, УГТ=4
Шарики подшипника
из SiC, УГТ=4
• снижение массы в 3 раза;
• уменьшение производственных
издержек
• снижение массы на 40-50%;
• работоспособность при полном или
частичном отсутствие смазки
• увеличение ресурса
Неохлаждаемая модель
турбины МГТД, УГТ=3
•Снижение массы на 35 – 45%;
• Возможность изготовления
деталей сложных форм
Патенты:
4.
Роторный
газотурбинного
№2439337
Патенты:
1.Способ изготовления сепаратора
№ 2205106
2.РК КНД № 2382910
5. Сопловой
(оформлен)
3.РК КВД №2239100
Сепаратор из углепластика,
УГТ=6
Фланцевое
соединение из КМ, УГТ=4
ЖТ из керамического
материала, УГТ=4
• снижение массы на 50%;
• самосмазывающийся материал
• увеличение ресурса
• мало инерционный
• снижение массы на 20-30%;
• уменьшение производственных
издержек
• снижение массы на 30-40%;
• не требуется охлаждение;
• снижение вредных выбросов;
узел
для
двигателя
аппарат
турбины
Соединение ККМ с деталями
МГТД, УГТ=6
• Не требуется охлаждения;
15
•Снижение массы на 20 – 30%;
•Рабочая температура до 1550 С
Концептуальное проектирование. Выбор материала
Требования к материалу СА турбины:
1) Высокая жаропрочность и жаростойкость при температурах до 1500°С;
2) Прочность при температурах до 1500°С должна быть не менее 250 МПа (при
изгибе);
3) Отсутствие окалинообразования;
4) Стойкость к термоударам при запуске и остановке двигателя;
5) Плотность материала ниже чем у никелевых сплавов в 2,5 – 3 раза;
РЕШЕНИЕ
6) Длительная работа при температуре 1200 - 1300°С.
КОНСТРУКЦИОННЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ
МАТЕРИАЛ
Жаропрочность
Микроструктура АКК:
Алмазные частицы размеров
10-14 мкм
Алмазные частицы
размером 50-63 мкм
Карбид кремния
(серый)
Кремний (белый)
Фазовый состав материала:
Алмаз – 43% (Синтетический);
Карбид кремния SiC – 50%;
Кремний Si – 7%.
Твердость
Модуль упругости
Алмаз/карбид кремния
Плотность, г/см3
~3.3
Модуль упругости, ГПа
До 700
Прочность на изгиб при
1200°С, МПа
До 450
Рабочая температура, °С
1200-1500
Теплопроводность, Вт/м•К
300-600
КТЛР, 1/°С
~3•10-6
Твердость по Кнупу, ГПа
Эффект:
•Высокая твердость;
• Повышенный абразивный износ;
•Высокая теплопроводность;
•Безусадочная технология изготовления;
• Высокая рабочая температура
52
Нижний и верхний
сегмент кольца
Полая лопатка
Образцы сегмента и лопатки СА
из АККМ после «сварки»
3D модель СА
СА из АККМ II поколения
Сваренные керамические образцы
Технологии
1) Диффузионная «сварка» – спекание керамических элементов;
2) Изготовление целиковых сегментов СА с одной и более лопаток;
3) Использование модифицированного клея;
4) Прецизионная механическая обработка без образования
термического слоя
Эффект:
• Уменьшено газодинамическое сопротивление;
• Сформированы радиусы перехода от полки к лопатке;
• Повышена точность сборки
Не требуется охлаждения;
•Снижение массы узла СА на 35%;
• Возможность изготовления деталей сложных форм
ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА ДЕМОНСТРАТОРА ТВВД С ТОЛКАЮЩИМ
ВИНТОВЕНТИЛЯТОРОМ НА БАЗЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРА ДВИГАТЕЛЯ ПД-14
БАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПД-12В (ГГ ДВИГАТЕЛЯ ПД-14)
Взлетный режим (M=0, H=0, МСА)
Uвв пер=246.2 м/с
nвв пер=nвв зад=1552 об/мин; nст=9130 об/мин
Nвв =10812 л.с.; Nвв /Fвв пер=1778 л.с./м2
Rвв =7795 кгс; Rвв /Nвв =0.721 кгс/л.с
Rдв=8411 кгс
ДВИГАТЕЛЬ-ДЕМОНСТРАТОР ТВВД
Макс. крейсерский режим
(M=0.76, H=10668 м, МСА)
Uвв пер=223.8 м/с
nвв пер=nвв зад=1411 об/мин
nст=8300 об/мин
Nвв =4970 л.с.
Nвв /Fвв пер=801 л.с./м2
Rвв =1335 кгс (вв=0.824)
Rдв =1447 кгс
CR=0.542 кг/кгсч
Dвв=3.03 м;dвт пер=0.396;
iред=5.884; Mпер/Mзад=0.7095
РЕМОТОРИЗАЦИЯ САМОЛЕТА БЕ-200
(замена Д-436ТП на демонстратор ТВВД на базе газогенератора двигателя ПД-14)
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЕМОНСТРАТОРА ТВВД И ТРДД Д-436ТП
Двигатель
Параметр
Двигательдемонстратор
ТВВД
ТРДД Д-436ТП
Dвв (в),
м
3.03
1.373 (~2.01)
Rвзл,
кгс
8411
7555
Rмакс кр,
кгс
14472
16003
CR макс кр,
кг/кгс∙ч
0.5422
0.6383
1 – максимальный диаметр мотогондолы;
2 – M=0.76, H=10668 м, МСА;
3 – M=0.75, H=11000 м, МСА.