Сергей журавлев руководитель проекта создания газотурбинного двигателя. Сергей Журавлёв: в России создали газотурбинный двигатель сверхмалого размера
Холодний Максим Віталійович
Національний аерокосмічний університет імені М. Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут"
Микро-ГТД
7.1. Авиация та космонавтика
Рисунки зменшені адміністрацією конкурсу, можуть бути надані в оригінальному розмірі на вимогу експерта.
Введение
Актуальность темы исследований. Миниатюризация бортовой аппаратуры, создание систем управления и целевой нагрузки с массой в сотни граммов, позволяет создавать беспилотные летательные аппараты (БЛА) со взлетным весом в единицы килограммов, оснащенного системами спутниковой навигации и радиосвязи, с возможностью действовать практически в любом районе земного шара в составе комплекса дистанционно-управляемой авиационной системы (ДУАС).
Одной из важнейших проблем при создании всепогодных БЛА является создание двигательной установки (ДУ), обеспечивающей, с одной стороны, высокую крейсерскую скорость полета БЛА, а с другой – достаточную продолжительность полета. Требования преодоления ветрового сноса, полета в условиях приземной турбулентности, оперативности получения информации выдвигают необходимость обеспечения крейсерской скорости полета на уровне М=0,5 и продолжительности полета не менее 30 мин.
Учитывая падение чисел Рейнольдса, а также рост площади, омываемой потоком, по отношению к объему и массе по мере уменьшения физических размеров ЛА, задача достижения высоких скоростей полета осложняется непропорциональным ростом потребной тяги при уменьшении размерности БЛА. Применение в качестве двигательной установки воздушно-реактивного двигателя (ВРД) открывает возможность обеспечения высоких скоростных характеристик, однако создание микро-ВРД традиционных схем с тягой до 50-200 H, пригодного для установки на сверхлегкий БЛА, наталкивается на значительные трудности, связанные прежде всего с масштабным вырождением рабочего процесса.
Таким образом, задача создания ВРД малых тяг (ВРД МТ) представляется актуальной.
Проблематикой создания воздушно-реактивных двигателей малых тяг на основе ТРД занимаются частные фирмы: Франции - Vibraye (JPX-t240…), Японии - Sophia-Precision (J-450…), Германии - JetCat (P-80…),Австрии - Schneidtr-Sanchez (FD-3). Перечисленные выше двигатели фирм предназначены для авиамоделей, но, по-видимому, за неимением лучшего, они применяются в гражданской и военной беспилотной авиации.
Несмотря на кажущуюся простоту конструкций микро-ГТД по сравнению с полноразмерными, их изготовление так же сопряжено с производсьвенными трудностями в связи с тем, что они содержат те же основные конструктивные элементы, что и полномасштабные аналоги: компрессор, сопловой аппарат, турбину (работающую при температуре свыше 700 градусов по шкале Цельсия и периферийных окружных скоростях 500 м/с).
При таких высоких значениях температур и окружных скоростей, в корневой части лопатки напряжения разрыва могут достигать 700 МПа и выше. Из чего можно сделать простой вывод: для изготовления турбин этих образцов ВРД использовались жаропрочные стали или сплавы - аналоги отечественных сталей: ХН62БМКТЮ с временным сопротивлением 520-550 МПа при рабочей температуре 700 градусов по Цельсию, ХН50ВМКТСР -540 МПа при 900 градусах, что и определяет высокую конечную стоимость ДУ.
В нашей стране ГТД малых тяг, пригодные для установки на БЛА с взлётной массой до 100кг, не производят.
Задачей исследования явилась разработка ДУ для БЛА на основе микро-ТРД.
При разработке в качестве аналога был выбран серийный двигатель фирмы АМТ-Olimpus с тягой 230Н и диаметром 130мм.
Таблица. Характеристики двигателя авторской разработки и серийного аналога
Характеристики | AMT Olympus | ТРД с ЦБК |
||||||||||||||||||||||||
|
По причине дороговизны и дефицитности выше перечисленных сталей было принято решение использовать доступные материалы и снизить максимальные окружные скорости с 475м/с (аналога) до 300м/с, что неминуемо при том же миделевом сечении ДУ, влекло за собой снижение расхода воздуха и, как следствие, при той же скорости истечения из сопла - снижение лобовой тяги.
В стремлении разработать двигатель с той же лобовой тягой, но с меньшими окружными скоростями на периферии лопаток турбины и на основании опыта создания полномасштабных ГТД с центробежным компрессором выбор был остановлен на двухстороннем центробежном компрессоре (ЦБК), что является новшеством в классе микро-ГТД. Это конструктивное решение позволяет удвоить расход воздуха без увеличения диаметра диффузора.
Новизна - состоит в новом конструктивно-технологическом решении, позволяющем максимально отехнологичить самый сложный узел ТРД с ЦБК - диффузор, и полностью отказаться от болтовых и сварных соединений (рис.3, 6).
Методами исследования являлись численное моделирование рабочих процессов в авиационных воздушно-реактивных двигателях на основе комплексных моделей рабочего процесса и проведение натурных испытаний работоспособного образца ГТД.
Сборка ротора: кок, двухсторонний центробежный турбо-компрессор, вал, турбина.
Турбина –активно-реактивная осевая одноступенчатая со степенью реактивности 0,5.
Представлен один из вариантов диска, расчёт на прочность выполнялся с помощью пакета CosmosWorks – рис. 9.
3D модель турбины в сборе представлена на рис 10. Видны отдельные сегменты лопаточного венца. Один из трёх сегментов выделен тёмным тоном. Данная конструкция лопаточного венца позволяет, в отличие от цельнолитого, применить в различных зонах нагружения необходимые стали, что позволяет экономить материал. В зонах стыка сегментированного венца имеются деформационные швы, снижающие предварительные напряжения в диске. При отливке сегмента наблюдается практически полное отсутствие усадочных раковин, по сравнению с цельнолитым диском, в связи с меньшими относительными толщинами. Подобная конструкция турбины в микро-ГТД малых тяг разработана впервые.
Технологическая оснастка, использовавшаяся при изготовлении двигателя представлена на рис. 10-11. Отдельные стадии технологических процессов приведены на рис. 13.
Компрессор – одноступенчатый центробежный двухсторонний с колесом полуоткрытого типа.
Некоторые элементы технологического процесса изготовления турбокомпрессора рис. 15-18.
Камера сгорания – кольцевого типа, прямоточная. На рис.19,20.
https://pandia.ru/text/79/124/images/image007_8.jpg" width="624" height="162 src=">
Шестерённый насос с плавающими втулками сам по себе стоит отдельного описания, не уступает промышленным образцам, используемым в автомобильной промышленности, обеспечивает перепад давлений до 1 МПа при расходе всего 20 мл/с, частота вращения 12000 об/мин.
Огневые испытания.
Реализация проектных решений. Общий вид спроектированного микро-ГТД и отдельных его узлов представленных на рисунках. Все элементы конструкции выполнены лично автором статьи.
Выводы. На сегодняшний день применение микро-ГТД на аппаратах с взлетным весом порядка 100 кг и выше представляется наиболее разумной перспективой. С уровнем тяг 200-300 Н микро-ГТД могут обеспечить высокие дозвуковые скорости полета БЛА легкого класса. С точки зрения массового совершенства двигательная установка с малоразмерным ГТД привлекательна. Низкий удельный вес микро-ГТД особенно ярко проявляется при небольшой продолжительности полета (до 30 мин.). При ограничении продолжительности полета до 15-20 мин. на основе микро-ГТД может быть создан высокоманевренный БЛА с тяговооруженностью более 0.5.
Список использованных источников
1. . Теория авиационных двигателей. – Оборонгиз. –1958г.
2. . Численное моделирование теплофизических процессов в двигателестроению. –Харьков, ХАИ. –2005г.
3. , . Радиально-осевые турбины малой мощности. –Москва, Машгиз. –1963г.
4. . Воздушные микротурбины. – Москва, Машиностроение. –1970г.
5. , Боровский и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1986г.
6. , . Испытания авиационных воздушно – реактивных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1967г.
7. Артёменко Н. П., и др. Гидростатические опоры роторов быстроходных машин. –Харьков, Основа. –1992г.
8. . Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. –Москва, Машиностроение. –2003г.
9. , . Расчёт турбин авиационных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1974г.
10. Силовые установки вертолётов// под ред. . –Оборонгиз, Москва. –1959г.
11. Заготовительно – обрабатывающие технологии в производстве аэрокосмических летательных аппаратов// Учебное пособие, и др. –Харьков, ХАИ. –1999г.
12. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей// под ред. . –Москва, Воениздат. –1961г.
О проблеме легких двигателей для малой авиации, писали и год назад, и два года, и десять лет назад. Принимаются программы развития АОН, к разработке легких маломощных двигателей подключился Центральный институт авиационного моторостроения ЦИОМ им. А.В. Баранова. Принимаются правительством программы помощи производителям техники для АОН. Мелькают в печати и на телевидении самолеты отечественной разработки. Где-то они и летают, где-то их испытывают.
Но по-прежнему, как и в предыдущие года, говорят и пишут об отсутствии отечественного легкого двигателя. Огромная страна не стеснялась взять иностранный двигатель, приспособить его под возможности нашего производства, что-то улучшить, где-то потерять в качестве, но на выходе иметь наш, отечественный двигатель, который сможет послужить образцом и прототипом для целой линейки модернизированных движков. Отечественная история развития авиации, полна подобных примеров, и даже нет смысла их здесь приводить.
А где же воз?
Итак, в огромной стране, практически не осталось инфраструктуры для производства поршневых двигателей малой мощности. Таких, которые были бы способны поднять нашу малую авиацию и поставить ее что называется «на крыло».
Однако выход есть и из этой ситуации. Выход быть может не самый быстрый, и простой, но есть. Это разработка своих, отечественных микро и минидвигателей ГТД (газотурбинный двигатель).
Огромные холдинги, консорциумы и всевозможные ФГУП (кто не знает это Федеральное Государственное Унитарное Предприятие), изучают проблему, разрабатывают концептуальные проекты, создают предприятия с иностранным участием и осваивают государственные инвестиции. Вероятно, по прошествии энного количества времени мы на выходе всех этих корпоративных усилий и получим какой-то готовый продукт.
ЦИАМ ведет НИОКР
ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова» широким фронтом ведет НИОКР создания перспективных газотурбинных и поршневых двигателей в интересах разработчиков беспилотных летательных аппаратов, самолетов и вертолетов малой авиации. «АвиаПорт» приводит систематизированное изложение выступлений начальника сектора ЦИАМ (малоразмерные ГТД) Владимира Ломазова и начальника сектора ЦИАМ (ПД) Александра Костюченкова на II международной конференции «Беспилотная авиация — 2015».
- «…Работы по перспективным поршневым двигателям
В России в настоящее время полностью отсутствует производство поршневых авиадвигателей для беспилотников и легких самолетов и вертолетов, что заставляет отечественных конструкторов применять авиадвигатели зарубежного производства. В связи с огромной потребностью в таких двигателях, ЦИАМ проводит НИОКР и прорабатывает проекты перспективных поршневых авиадвигателей в интересах их применения на беспилотных летательных аппаратах, легких самолетах и вертолетах».
- «…Основные требования к авиадвигателям
Основными критериями при создании перспективных двигателей являлись стоимость эксплуатации, назначенный межремонтный ресурс и топливная эффективность, которые в совокупности определяют расходы на летный час. Проведенные расчеты показали, что для двигателей такого класса стоимость летного часа должна быть не более 500 рублей за час полета (без учета стоимости ГСМ), технический ресурс должен составить не менее 8000 часов. При таких показателях стоимость жизненного цикла составит 3,2 млн. рублей в сегодняшних ценах».
- «…Новые технологии создания малоразмерных ГТД
ЦИАМ проводит работы по внедрению новейших технологий для снижения массы, повышения качества отдельных узлов и деталей. Подтверждено снижение себестоимости изготовления колеса компрессора почти в 20 раз против классического колеса с вставными лопатками. За счет применения современных технологий литья цена ротора уменьшена примерно в 15-18 раз по сравнению с ротором стандартной вспомогательной силовой установки такой же размерности, которая стоит на отечественных самолетах. В качестве опытного образца изготовлен и будет испытываться на стенде стартер-генератор с возможностью раскручивания до 90 тысяч оборотов, который ставится на вал без редуктора и существенно уменьшает массу двигателя. Он обеспечивает мощность до 4 кВт и имеет массу всего лишь 700 грамм, против сегодняшних 10 кг».
(по материалам портала aviaport httр://www.аviaport.ru/nеws/2015/05/08/338921.html
Лаборатория интеллектуальной механики «Аудит Аналитик» (АА+)
За этим интригующим названием, скрывается группа энтузиастов, которые разработали, создали, и в данный момент уже испытывают первый опытный образец микро ГТД.
Сергей Журавлев Генеральный директор, вдохновитель и генератор идей Лаборатории со своим детищем в руках.
Вот что говорит про свою команду Сергей Журавлев, Генеральный директор Лаборатория интеллектуальной механики «Аудит Аналитик» (АА+):
«Кто Мы?
Команда разработчиков моделей и прототипов сложных систем (экосистем), и алгоритмов управления ими, как в технической, так и в гуманитарной сферах.
Наши компетенции опираются на собственную концепцию организации научно-конструкторского сообщества, распределённого (сетевого) производства и непрерывного процесса совершенствования линейки высокотехнологичных продуктов в испытательно-монтажном комплексе. Мы не считаем нужным покупать станки и строить завод. В России уже так много избыточных производственных мощностей, и покупок новейшего оборудования, что их надо загружать работой».
Сергей полон оптимизма и здорового реализма, и у него есть для этого все основания.
«Нам выдался редкий шанс войти в мировую элиту производителей малых турбин. Минимизация и локализация, роботизация и автономия – тренды XXI века, в которые пока ещё можно встроиться на равных с лидерами энергообеспечения малого авиастроения, беспилотной авиации, локальной энергетики. В России очень сильные физическая и математическая, материаловедческая и инженерная школы. Их потенциал позволяет в минимальном объёме турбины, достичь максимальных, значений эффективности, в первую очередь эксплуатационной, малыми силами и средствами».
Опытный образец ГТД малой тяги серии МкА
Следует отметить, что разработка газотурбинных установок малой тяги лишь одно из направлений, которым занимается Лаборатория АА+, и этот проект полностью частный, и быть может именно поэтому после всех расчетов, проработок и проб, они имеют на выходе уже готовый опытный образец.
Вот так буднично, на подоконнике, на тетрадке с расчетами и схемами уместился первый опытный ГТД малой тяги марки МкА. Родоначальник серии двигателей разной мощности, которые можно будет применять в различных отраслях.
Двигатель уже проходит испытания на стенде в лаборатории. Вот некоторые его параметры, которые уже четко определены:
Основные данные опытного образца ГТД малой тяги серии МкА (микро авиационный):
- Вес – 2060 гр.
- Длина – 324.00 мм
- Диаметр основной – 115.00 мм
- Ширина с пилонами – 128.00 мм
Рабочие характеристики:
- Тяга максимальная – 200 N
- Тяга рабочая – 160 N
- Расход топлива (на макс. тяге) – 460.00 ml \ min
- Используемое топливо – керосин\дизельное топливо
- Максимальные скорость вращения – 120 000 об\мин
«Разработанный двигатель отличается от изучавшихся нашим КБ аналогов, конструктивом, материалами, характеристиками. А также заранее продуманной интеграцией в ряд изделий».
Дмитрий Рыбаков
заместитель директора по инновациям Группы компаний “Беспилотные системы”
В Группе компаний «Беспилотные системы» настолько уверены в перспективности серии двигателей разработки Лаборатории, что начали проектирование перспективного БПЛА специально под них.
Я абсолютно уверен, что через некоторое время, мы увидим, легкие, мощные и экономичные двигатели Лаборатории АА+ не только на легких самолетах, автожирах и вертолетах, но и на большой авиационной технике.
В заключении хотелось бы привести еще одно высказывание Сергея Журавлева:
«Наша команда решилась на разработку маленького газотурбинного двигателя с большими амбициями. Представляя его Вам, мы гордимся тем, что не копировали имеющиеся в мире аналоги, а применяя современные методы анализа и моделирования, новейшие технологии и материалы, создали сложнейшее энергетическое устройство как платформу научно-технических решений с большим потенциалом развития и диапазоном применения.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
Предназначение и принцип работы паротурбинных и газотурбинных двигателей. Опыт эксплуатации судов с ГТУ. Внедрение ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта. Производство турбореактивного двигателя с форсажной камерой, схема его подключения.
презентация , добавлен 19.03.2015
Характеристика метрологической службы ООО "Белозерный ГПК", основные принципы ее организации. Метрологическое обеспечение испытаний газотурбинных двигателей, их цели и задачи, средства измерения. Методика проведения измерений ряда параметров работы ГТД.
дипломная работа , добавлен 29.04.2011
Проблемы, возникающие при эксплуатации систем автоматического управления двигателями типа FADEC. Характеристика газотурбинных двигателей. Гидропневматические системы управления топливом. Управление мощностью и программирование подачи топлива (CFM56-7B).
дипломная работа , добавлен 08.04.2013
Обоснование схемы технологического процесса капитального ремонта двигателя ЗИЛ-130. Выбор режима работы и расчет годовых фондов времени работы рабочих и оборудования. Компоновка производственного корпуса. Технико-экономические показатели предприятия.
курсовая работа , добавлен 06.02.2013
Способы расчета котельного агрегата малой мощности ДЕ-4 (двухбарабанного котла с естественной циркуляцией). Расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха. Определение КПД котла и расхода топлива. Поверочный расчёт топки и котельных пучков.
курсовая работа , добавлен 07.02.2011
Общая характеристика асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором, анализ преимуществ: низкая стоимость производства, малая шумность, надежность в эксплуатации. Рассмотрение тапы расчета размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.
контрольная работа , добавлен 19.05.2014
Основные виды, устройство и принцип работы шаговых двигателей. Управление шаговым двигателем с помощью автономного контроллера. Управление контроллером с помощью системы программирования PureBasic. Модель крана как пример применения шаговых двигателей.
дипломная работа , добавлен 06.03.2013
История газотурбинных двигателей уходит корнями в начало ХХ века. В 1903 году норвежский изобретатель Агидус Эллинг первым создал работающий двигатель с газовой турбиной мощностью 11 л.с. (двигатель самолета братьев Райт, который поднялся в воздух в том же году, имел мощность 12 л.с.). Спустя несколько лет Чарльз Кёртис, изобретатель паровой турбины, подал патентную заявку, в которой описал конструкцию газовой турбины, и в 1914-м получил патент. В 1918 году фирма General Electric (GE), основанная Томасом Эдисоном в середине 1870-х, начала работы над турбонагнетателями для авиационных двигателей, а спустя два десятилетия реактивными авиадвигателями стало заниматься газотурбинное подразделение фирмы (которое сейчас считается одним из крупнейших в мире в своей области).
В 1930 году изобретатель и офицер Королевских ВВС Великобритании Фрэнк Уиттл разработал и запатентовал первый газотурбинный двигатель для использования в качестве реактивного движителя. Пока Уиттл занимался решением технических проблем, связанных с конструкцией двигателя, немец Ганс фон Охайн сумел первым создать и испытать в 1939 году самолет с реактивным двигателем.
От авиации до энергетики
Во второй половине XX века газотурбинные двигатели стали основой современной авиации. Конечно, двигатели совершенствовались и увеличивались в размерах. Сегодня рекорд принадлежит двигателям серии GE90, которые устанавливают на Boeing 777. Диаметр вентиляторов этого двигателя 3,4 м, в нем установлен компрессор с 22 лопатками, а его тяга составляет 52 000 кг (и более 57 600 кг при испытаниях), что в 10 000 раз больше, чем мощность двигателя братьев Райт, которым они пользовались 100 лет назад.
Современные газотурбинные двигатели (ГТД) служат не только в авиации, но и в энергетике, где их используют для производства электроэнергии. Горячие газы, полученные в результате сжигания природного газа в камере сгорания, проходят через турбину, вращают ее и приводят в движение вал генератора. ГТД широко используются на электростанциях во время пиковых нагрузок. По размерам и мощности такие ГТД значительно превосходят своих авиационных братьев. Например, передовой ГТД Siemens SGT5−8000H удерживает мировой рекорд — масса этого гиганта 440 т, он может выдавать 340 МВт в простом цикле и почти в два раза больше в комбинированном. КПД этого двигателя составляет почти 40%, а в комбинированном цикле — около 60%. Помимо самолетов и электростанций ГТД применяются и в танках, кораблях, тепловозах, локомотивах, а также используются в качестве вспомогательных генераторов.
Что такое MEMS. Эта аббревиатура означает Micro-Electro-
Mechanical Systems — микроэлектромеханические системы. MEMS — это сочетание
механических элементов, датчиков, приводов, собранных на кремниевой подложке, с электронными схемами. И механика и электроника изготавливаются
с помощью стандартных технологий микроэлектронной промышленности. Такой
подход дает возможность получать уникальные устройства, сочетающие вычислительные возможности электроники
с чувствительностью механических сенсоров, в микроскопических размерах — это готовое изделие на одном чипе. Технологии микроэлектронной промышленности позволяют выпускать подобные
устройства большими сериями, что весьма положительно сказывается на надежности и цене. MEMS широко применяются в быту — в частности, именно к этому
классу относятся акселерометры (датчики ускорений), крупнейшим потребителем которых является современная автомобильная промышленность: именно эти
датчики подают сигналы для раскрытия
подушек безопасности при столкновениях. Матрицы DLP-проекторов, твердотельные гироскопы и пьезоголовки принтеров — типичные представители MEMS.
От большого к малому
Новые технологии позволяют создавать двигатели не только гигантских, но и маленьких (и даже очень маленьких) размеров. Японская фирма IHI Aerospace производит переносной газотурбинный генератор Dynajet 2.6 мощностью 2,6 кВт и массой 67 кг. Впрочем, это далеко не предел — двигатель, созданный Швейцарским федеральным технологическим институтом (ETH Zurich), имеет размер всего несколько сантиметров и может генерировать почти 100 Вт электроэнергии на протяжении нескольких дней. Но дальше всех в направлении миниатюризации зашли исследователи Массачусетского технологического института (MIT), которые разработали газотурбинный двигатель размером всего около 1 мм.
Несмотря на столь внушительную разницу в размерах между таким гигантом, как GE90, и миллиметровым двигателем MIT, при ближайшем рассмотрении оказывается, что у них есть очень много общего. По конструкции они похожи: компрессор, камера сгорания и турбина, которая приводится в движение струей продуктов сгорания. Топливо впрыскивается в поток на выходе из компрессора, смешивается с воздухом, сгорает и вращает турбину, которая приводит в движение компрессор и генератор. Однако, разумеется, создание столь малого газотурбинного двигателя ставит перед конструкторами множество задач, с которыми не приходится сталкиваться создателям традиционных ГТД.
Микротурбинщики
В середине 1990-х в Массачусетском технологическом институте группа исследователей начала работать над проектом по микро-ГТД. «Я задумался над вопросом: если большой ГТД может обеспечивать электричеством целый город, почему нельзя сделать очень маленький двигатель, который бы обеспечил электрические потребности одного человека? — вспоминает Алан Эпштейн, профессор MIT и руководитель исследовательской группы. — А цена устройств MEMS (микроэлектромеханических систем) сейчас не слишком высока, так что себестоимость энергии такой персональной электростанции может быть сравнима с аналогичным параметром большого ГТД ($0,3−0,5 за 1 Вт)».
Разработанный в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH) миниатюрный газотурбинный двигатель построен по классической схеме с центробежным компрессором и осевой турбиной (схема далее).
Микро-ГТД состоит из тех же принципиальных элементов, что и его «большие братья», но сами размеры требуют принципиально других подходов и технологий. По словам Эпштейна, многие вопросы имеют такой же принципиальный характер — компоновка, механические нагрузки, вопросы коррозии. Однако в некоторых отношениях разработка микро-ГТД проще — например, микроскопические валы очень жесткие на изгиб, что помогает избавиться от традиционной проблемы изгиба вала у больших двигателей. Тепловые перепады при таких размерах не представляют большой угрозы, отпадает также необходимость ухода и ремонта (микро-ГТД неремонтопригоден, его просто заменяют новым). А в некоторых — сложнее: «Две наши самые большие проблемы — это влияние точности изготовления на эксплуатационные качества пары ‘вал-подшипник", а также поиск компромисса между требованиями к конструкции (термодинамика, сгорание, нагрузки, гидродинамика и электромеханика) и особенностями технологии изготовления двигателя. Это и по сей день остается нашим важнейшим вопросом».
Двигатель имеет диаметр всего несколько сантиметров и способен генерировать до 100 Вт мощности на валу. Такой полностью автономный источник электроэнергии будет весьма полезен, а в некоторых случаях совершенно незаменим.
«Хотя детали все те же самые, технология изготовления микро-ГТД, естественно, совершенно иная, она основана на технологиях полупроводниковой промышленности. С помощью фотолитографии можно создавать детали и узлы размерами от 1 до 10 000 микрон с высокой точностью, причем серийно, — объясняет профессор Эпштейн. — Детали вытравливаются из кремниевых монокристаллических пластин толщиной 0,5−1 мм и диаметром 100−300 мм, потом их склеивают вместе и получают пакет с несколькими готовыми двигателями. При необходимости пакет разрезают на кусочки и получают отдельные двигатели. Сами двигатели могут быть различного размера — сверху нас ограничивает не литография, а скорее глубина и точность травления. Для малых размеров, меньше 1 мм, основным ограничением является вязкость воздуха, которая резко отрицательно влияет на характеристики двигателя». В один пакет могут войти десятки или даже сотни микродвигателей. В идеале создание всех устройств из пакета происходит параллельно, что приводит к самому главному преимуществу такой технологии — низкой себестоимости готового изделия. «Подобные двигатели в будущем можно будет изготавливать точно таким же образом, как электронные чипы и автомобильные датчики», — говорит Эпштейн.
Газотурбинный двигатель, разработанный в MIT, состоит из центробежного компрессора и радиальной турбины с роторами диаметром 8 и 6 мм соответственно. На диаграмме ниже показана схема одного из первых прототипов двигателя. Сжатый компрессором воздух проходит по каналам, проложенным на внешней поверхности камеры сгорания, охлаждая ее и забирая тепло, что увеличивает эффективность и уменьшает температуру внешних стенок ГТД. Роторы поддерживаются радиальными пневмоподшипниками и гидростатическими упорными подшипниками осевого вала. Последние, вместе с уравновешивающим поршнем, принимают на себе осевые нагрузки. Запуск двигателя производится с помощью сжатого воздуха от внешнего источника. Согласно расчетам, скорость вращения компрессора составляет около 1,2 млн об/мин. (это не опечатка — именно миллионов!), линейная скорость внешней кромки ротора может достигать 500 м/с. Лопатки компрессора и турбины имеют размер 400 мкм в высоту. ГТД прокачивает 0,35 г воздуха каждую секунду, генерируя тягу в 11 гс и 17 Вт мощности на валу. Генератор не показан, в дальнейшем он может бытиь интегрирован в конструкцию.
Микроэнергия для будущего
Для чего же нужны подобные двигатели? Сейчас проект микродвигателей в MIT финансируется американским военным ведомством, которое видит в этих новых технологиях большой потенциал. Маленькие двигатели, заряжаемые специальными картриджами с водородом, можно использовать как в небольших беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), так и в обычных электронных приборах. Именно питание мобильной военной электроники, скорее всего, станет испытанием сил для первых серийных микро-ГТД, которые появятся на рынке, как надеются разработчики, уже совсем скоро — через несколько лет.
Микро-ГТД можно использовать и для гражданских целей — вместо аккумуляторов в мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, а также в качестве дешевых микродвигателей для сельского хозяйства, различных датчиков и даже детских игрушек. «Для современных литий-ионных аккумуляторов удельная мощность запасенной энергии составляет порядка 120−150 Вт ч/кг. Это, конечно, не предел, новые серно-литиевые батареи имеют показатели в два раза выше — порядка 300−350 Вт ч/кг. Но микро-ГТД в скором будущем все равно будут вне конкуренции — мы ожидаем получить цифры порядка 500−700 Вт ч/кг. А в отдаленном будущем — 1200−1500 Вт ч/кг с учетом массы самого двигателя и запаса топлива», — оптимистично заявляет Алан Эпштейн.
О проблеме легких двигателей для малой авиации, не писали разве что только в «желтой» прессе. Писали и год назад, и два года, и десять лет назад. Принимаются программы развития АОН, к разработке легких маломощных двигателей подключился Центральный институт авиационного моторостроения ЦИОМ им. А.В. Баранова. Принимаются правительством программы помощи производителям техники для АОН. Мелькают в печати и на телевидении самолеты отечественной разработки. Мелькают и пропадают. Где-то они летают, где-то их испытывают.
Только вот на полевых площадках и аэродромах АОН, по-прежнему Цессны, Робинсоны да Текнамы иноземные летают. А машины российской разработки, не считая конечно Яков, смотрятся скорее как диковинка. И, как и в предыдущие года, все говорят и пишут об отсутствии отечественного легкого двигателя. Почему бы, хотя бы не сделать, как делали в прежние, советские времена. Огромная страна не стеснялась взять иностранный двигатель, приспособить его под возможности нашего производства, что-то улучшить, где-то потерять в качестве, но на выходе иметь наш, отечественный двигатель, который сможет послужить образцом и прототипом для целой линейки модернизированных движков. Отечественная история развития авиации, полна подобных примеров, и даже нет смысла их здесь приводить.
А где же воз?
Итак, в огромной стране, практически не осталось инфраструктуры для производства поршневых двигателей малой мощности. Таких, которые были бы способны поднять нашу малую авиацию и поставить ее что называется «на крыло».
Однако выход есть и из этой ситуации. Выход быть может не самый быстрый, и простой, но есть. Это разработка своих, отечественных микро и минидвигателей ГТД (газотурбинный двигатель).
Огромные холдинги, консорциумы и всевозможные ФГУП (кто не знает это Федеральное Государственное Унитарное Предприятие), изучают проблему, разрабатывают концептуальные проекты, создают предприятия с иностранным участием и осваивают государственные инвестиции. Вероятно, по прошествии энного количества времени мы на выходе всех этих корпоративных усилий и получим какой-то готовый продукт.
ЦИАМ ведет НИОКР
ФГУП "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова" широким фронтом ведет НИОКР создания перспективных газотурбинных и поршневых двигателей в интересах разработчиков беспилотных летательных аппаратов, самолетов и вертолетов малой авиации. "АвиаПорт" приводит систематизированное изложение выступлений начальника сектора ЦИАМ (малоразмерные ГТД) Владимира Ломазова и начальника сектора ЦИАМ (ПД) Александра Костюченкова на II международной конференции "Беспилотная авиация - 2015".
«…Работы по перспективным поршневым двигателям
В России в настоящее время полностью отсутствует производство поршневых авиадвигателей для беспилотников и легких самолетов и вертолетов, что заставляет отечественных конструкторов применять авиадвигатели зарубежного производства. В связи с огромной потребностью в таких двигателях, ЦИАМ проводит НИОКР и прорабатывает проекты перспективных поршневых авиадвигателей в интересах их применения на беспилотных летательных аппаратах, легких самолетах и вертолетах».
«…Основные требования к авиадвигателям
Основными критериями при создании перспективных двигателей являлись стоимость эксплуатации, назначенный межремонтный ресурс и топливная эффективность, которые в совокупности определяют расходы на летный час. Проведенные расчеты показали, что для двигателей такого класса стоимость летного часа должна быть не более 500 рублей за час полета (без учета стоимости ГСМ), технический ресурс должен составить не менее 8000 часов. При таких показателях стоимость жизненного цикла составит 3,2 млн. рублей в сегодняшних ценах».
«…Новые технологии создания малоразмерных ГТД
ЦИАМ проводит работы по внедрению новейших технологий для снижения массы, повышения качества отдельных узлов и деталей. Подтверждено снижение себестоимости изготовления колеса компрессора почти в 20 раз против классического колеса с вставными лопатками. За счет применения современных технологий литья цена ротора уменьшена примерно в 15-18 раз по сравнению с ротором стандартной вспомогательной силовой установки такой же размерности, которая стоит на отечественных самолетах. В качестве опытного образца изготовлен и будет испытываться на стенде стартер-генератор с возможностью раскручивания до 90 тысяч оборотов, который ставится на вал без редуктора и существенно уменьшает массу двигателя. Он обеспечивает мощность до 4 кВт и имеет массу всего лишь 700 грамм, против сегодняшних 10 кг».
(по материалам портала aviaport httр://www.аviaport.ru/nеws/2015/05/08/338921.html
Лаборатория интеллектуальной механики "Аудит Аналитик" (АА+)
За этим интригующим названием, скрывается группа энтузиастов, которые разработали, создали, и в данный момент уже испытывают первый опытный образец микро ГТД.
Сергей Журавлев Генеральный директор, вдохновитель и генератор идей Лаборатории со своим детищем в руках.
Вот что говорит про свою команду Сергей Журавлев, Генеральный директор Лаборатория интеллектуальной механики "Аудит Аналитик" (АА+):
«Кто Мы?
Команда разработчиков моделей и прототипов сложных систем (экосистем), и алгоритмов управления ими, как в технической, так и в гуманитарной сферах.
Наши компетенции опираются на собственную концепцию организации научно-конструкторского сообщества, распределённого (сетевого) производства и непрерывного процесса совершенствования линейки высокотехнологичных продуктов в испытательно-монтажном комплексе. Мы не считаем нужным покупать станки и строить завод. В России уже так много избыточных производственных мощностей, и покупок новейшего оборудования, что их надо загружать работой».
Сергей полон оптимизма и здорового реализма, и у него есть для этого все основания.
«Нам выдался редкий шанс войти в мировую элиту производителей малых турбин. Минимизация и локализация, роботизация и автономия – тренды XXI века, в которые пока ещё можно встроиться на равных с лидерами энергообеспечения малого авиастроения, беспилотной авиации, локальной энергетики. В России очень сильные физическая и математическая, материаловедческая и инженерная школы. Их потенциал позволяет в минимальном объёме турбины, достичь максимальных, значений эффективности, в первую очередь эксплуатационной, малыми силами и средствами».
Опытный образец ГТД малой тяги серии МкА
Следует отметить, что разработка газотурбинных установок малой тяги лишь одно из направлений, которым занимается Лаборатория АА+, и этот проект полностью частный, и быть может именно поэтому после всех расчетов, проработок и проб, они имеют на выходе уже готовый опытный образец.
Вот так буднично, на подоконнике, на тетрадке с расчетами и схемами уместился первый опытный ГТД малой тяги марки МкА. Родоначальник серии двигателей разной мощности, которые можно будет применять в различных отраслях.
Двигатель уже проходит испытания на стенде в лаборатории. Вот некоторые его параметры, которые уже четко определены:
Основные данные опытного образца ГТД малой тяги серии МкА (микро авиационный):
Вес – 2060 гр.
Длина – 324.00 мм
Диаметр основной – 115.00 мм
Ширина с пилонами – 128.00 мм
Рабочие характеристики:
Тяга максимальная – 200 N
Тяга рабочая – 160 N
Расход топлива (на макс. тяге) – 460.00 ml \ min
Используемое топливо – керосин\дизельное топливо
Максимальные скорость вращения – 120 000 об\мин
«Разработанный двигатель отличается от изучавшихся нашим КБ аналогов, конструктивом, материалами, характеристиками. А также заранее продуманной интеграцией в ряд изделий».
Дмитрий Рыбаков
заместитель директора по инновациям Группы компаний “Беспилотные системы”
В Группе компаний «Беспилотные системы» настолько уверены в перспективности серии двигателей разработки Лаборатории, что начали проектирование перспективного БПЛА специально под них.
Я абсолютно уверен, что через некоторое время, мы увидим, легкие, мощные и экономичные двигатели Лаборатории АА+ не только на легких самолетах, автожирах и вертолетах, но и на большой авиационной технике.
В заключении хотелось бы привести еще одно высказывание Сергея Журавлева.
