Двигателестроение

Авиационная наука: центры компетенций ЦИАМ

Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова называют «мозгом» российского авиационного двигателестроения. Именно ЦИАМ дает «путевку в жизнь» всем отечественным авиадвигателям. Эффективно решать поставленные перед Институтом задачи в области исследований и испытаний помогают центры компетенций ЦИАМ.

верхний фон 1стр.jpg

Авиадвигатели – от идеи к серии

Создание конкурентоспособного двигателя — многоэтапная кропотливая работа, в процессе которой необходимо решить множество сложных задач на стыке самых разных областей знаний: от прогнозирования оптимального облика и формирования набора обязательных к внедрению на двигателе технологий, до методик его испытаний и доводки. Все эти компетенции аккумулирует в себе исследовательский центр «Авиационные двигатели» ЦИАМ.

Опираясь на прогноз развития технологий авиационного двигателестроения, специалисты ЦИАМ разрабатывают предварительный облик перспективных двигателей и силовых установок. Институт реализует комплексные научно-исследовательские работы в области маршевых двигателей 5-го и 6-го поколений для магистральных самолетов, малоразмерных газотурбинных двигателей, авиационных поршневых моторов для вертолетов и самолетов малой авиации.

По каждому направлению специалисты ЦИАМ рассматривают концепции нескольких типов силовых установок и оценивают эффективность их применения на различных типах летательных аппаратов.

Инженеры-испытатели ЦИАМ за работой.jpg

Инженеры-испытатели ЦИАМ за работой

Недавно ЦИАМ завершил проект формирования единого типоразмерногоряда двигателей для БПЛА. Предложенная ЦИАМ линейка, включающая подлежащие разработке поршневые, роторно-поршневые, электрические и малоразмерные газотурбинные авиационные двигатели, полностью закроет потребности отечественных разработчиков беспилотной техники в двигателях в диапазоне мощностей от 50 до 500 л.с. Их создание соответствует государственной политике импортозамещения и в перспективе позволит полностью отказаться от использования в составе силовых установок БПЛА двигателей иностранного производства.

В ЦИАМ также разрабатывается турбореактивный двухконтурный малоразмерный двигатель, который в будущем будет устанавливаться на самолеты пассажировместимостью 8 человек и дальностью полета до 1000 км.

Исследуют специалисты Института и альтернативные схемы двигателей будущего: турбовинтовентиляторный двигатель с открытым ротором, двигатели сложных термодинамических и изменяемых циклов для перспективных сверхзвуковых деловых и пассажирских самолетов, распределенную силовую установку.

Немаловажная часть работы Центра — исследование конструкций двигателя на экспериментальных образцах отдельных элементов, узлов и систем. Накопленные знания Институт впоследствии передает отрасли для реализации в конкретном продукте.

До превращения образца в конкурентоспособное серийное изделие необходимо подтвердить его соответствие заявленным характеристикам и безопасную работу проведением ряда испытаний. Высотные испытания авиадвигателей на наземных стендах — обязательный вид испытаний, предваряющий летные испытания – завершающий этап программы разработки новой авиатехники.

ЦИАМ обладает крупнейшей в Европе испытательной базой, уникальной по возможностям воспроизведения условий полета. Стенды, расположенные на двух площадках — в Москве и подмосковном Лыткарино — позволяют проводить весь перечень обязательных специальных инженерных и сертификационных испытаний двигателей всех типов.

Услугами испытательного комплекса ЦИАМ пользуется множество организаций авиационной промышленности. Он востребован в таких важнейших проектах, как создание и сертификация новейшего двигателя ПД-14 для российского самолета МС-21, двигателей для винтокрылой техники.

3.JPG

ПД-14 на испытательном стенде в НИЦ ЦИАМ

4.JPG

Уникальные термобарокамеры ЦИАМ позволяют моделировать
высотно-скоростные условия эксплуатации авиационных двигателей

Испытательная база ЦИАМ постоянно модернизируется и обновляется. В последние годы созданы установки для исследования газотурбинных двигателей в условиях обледенения, на огнестойкость, стенды для сертификационных испытаний на работоспособность двигателей, силовых установок, элементов летательных аппаратов при попадании птиц и льда. В будущем в ЦИАМ появится новый стенд для испытаний компрессоров и мобильной установки для тестирования малоразмерных газотурбинных двигателей. Запланированы исследования модернизированных стендов, на которых пройдут испытания зубчатые передачи, перспективные камеры сгорания, ряд других ответственных узлов двигателей, а также исследования механической и термической прочности образцов из перспективных материалов.

Немаловажной составляющей всех испытаний является их правильная подготовка и проведение. И здесь решающее значение имеет квалификация инженеров-экспериментаторов, их методология, умение подобрать и сопрячь с двигателем стендовое оборудование и обвязку. Именно в ЦИАМ сформировалась научная школа испытателей авиационных двигателей, чьи компетенции высоко ценятся в отрасли.

В функции Исследовательского центра «Авиационные двигатели» входит также участие в разработке и актуализации нормативной и методической документации двигателей гражданской авиации (авиационные правила, рекомендательные циркуляры, нормы безотказности и методика оценки безотказности и т.д.).

Заместитель генерального директора — директор исследовательского центра «Авиационные двигатели» ЦИАМ В.Г. Марков:

Экспериментальные и испытательные работы в деятельности ЦИАМ составляют порядка 50-70% от общей деятельности Института. Практически все научные работы заканчиваются экспериментальными и существуют с ними в неразрывной связи. Экспериментальные образцы, изготовленные в ЦИАМ, исчисляются десятками. Это модельные образцы отдельных ступеней компрессоров и турбин, элементов и отсеков камер сгорания, агрегатов систем автоматического управления и так далее.

Результаты испытаний дают возможность двигаться дальше, поднимая исследуемые технологии на более высокий уровень готовности. «Зрелость» технологий должна подтверждаться на работающем двигателе-демонстраторе.

Испытания необходимо проводить профессионально, качественно на подготовленном оборудовании, максимально грамотно и при этом спокойно, квалифицированно интерпретировать экспериментальные результаты. Те, кто внедряет авиационную технику в производство и эксплуатацию, несут большую ответственность. Наша задача — подготовить объективную непредвзятую информацию, которая позволила бы судить о качестве выпускаемой техники.

Динамика, прочность, надежность

Исследовательский центр «Динамика, прочность, надежность» опирается в своей работе на славные традиции научной школы ЦИАМ в области прочности и надежности. Отличительные особенности этой школы, широко известной в России и за рубежом, – сочетание фундаментальных исследований с практикой авиадвигателестроения, комплексность решения прикладных задач проектирования и прочностной доводки конструкций, тесная связь творческих коллективов ученых и инженеров института с ОКБ, серийными заводами, организациями – эксплуатантами авиационной техники, НИИ и специализированными предприятиями. За прошедшие 90 лет в СССР и России нет ни одного авиационного двигателя, в обеспечение прочности которого ЦИАМ не внес бы существенного вклада, начиная с формирования технического задания на его создание и заканчивая исследованием причин дефектов, обнаруженных в процессе доводки и эксплуатации, а также разработкой мероприятий по предотвращению этих дефектов.

Цех обеспечения (3).jpg

Высотно-компрессорная станция НИЦ ЦИАМ

В ЦИАМ в течение многих лет функционировали и продолжают действовать бригады по прочности изделий различных КБ. Прочнисты ЦИАМ внесли значительный вклад в решение задач обеспечения прочности и надежности не только поршневых и газотурбинных авиационных двигателей, но и ракетных двигателей и трансмиссий вертолетов, стационарных топливно-энергетических установок. Сотрудниками Института выпущено большое количество руководств для конструкторов, справочников, учебников, монографий по прочности и надежности.

Производственная база ЦИАМ позволяет отрабатывать новые конструктивно-технологические решения, в том числе с использованием аддитивных технологий и композиционных материалов.

Особое внимание уделяется исследованиям конструкционной прочности, разработке моделей деформирования и разрушения новых материалов (монокристаллических лопаточных и гранулируемых дисковых никелевых суперсплавов, интерметаллидов, различных типов композиционных материалов и др.).

Испытательная лаборатория конструкционной прочности сплавов и деталей авиационных двигателей, работающая в ЦИАМ, аккредитована для проведения сертификационных испытаний в России и признания за рубежом. Регулярное подтверждение сертификата обеспечивает высокий уровень результатов испытаний, соответствующий российским и зарубежным стандартам.

Исследовательский центр принимает участие в разработке нормативных технических документов, направленных на обеспечение прочности и надежности авиационных двигателей, агрегатов трансмиссий вертолетов и другой техники. Специалисты Института участвуют в сертификации и проведении государственных испытаний всех российских двигателей и валидации зарубежных сертификатов авиационной техники.

Заместитель генерального директора — директор Исследовательского центра «Динамика, прочность, надежность» ЦИАМ Юрий Ножницкий:

На протяжении 90 лет исследования ЦИАМ в области динамики, прочности и надежности проводились и проводятся сейчас по трем взаимосвязанным направлениям: разработка требований, обеспечение соответствия требованиям и подтверждение соответствия требованиям.

За много лет работы в стенах Института сформировалась научная школа специалистов, способных трансформировать решения фундаментальных задач в простые инженерные методы, понятные конструкторам и широко используемые в отрасли. Принцип нашей научной школы в области прочности и надежности двигателей простой: выбор исследования всегда определялся практическими задачами, которые надо решить. Поэтому прочнисты ЦИАМ не просто проводят исследования, а дают рекомендации для решения конкретных проблем, возникающих на всех стадиях жизненного цикла двигателя.

Аэрокосмические двигатели и химмотология

ЦИАМ внес значительный вклад в разработку аэрокосмических двигателей. Институт причастен к первому полету человека в космос, запуску первого искусственного спутника Земли, полету многоразового комплекса «Энергия-Буран», созданию ГЛЛ «Холод», результаты испытаний которой стали отправной точкой для мирового развития гиперзвуковых технологий.

Институт имеет статус химмотологического центра авиационной промышленности. Специалисты Института проводят исследования, связанные с разработкой и внедрением новых авиационных горюче-смазочных материалов, формируют технические требования к топливам, оценивают рациональность их применения.

Наработки и компетенции в области этих двух направлений деятельности стали базисом для создания в ЦИАМ Исследовательского центра «Аэрокосмические двигатели и химмотология», который объединил кадровый потенциал и материально-техническую базу для решения новых задач и научных вызовов.

Центр активно развивается и идет в ногу со временем, внедряются передовые технологии проектирования, моделирования, эксперимента. Усиливаются связи с предприятиями авиационной и ракетно-космической отрасли, расширяется сфера сотрудничества, выполняются новые, масштабные проекты. Ведется работа и в инициативном порядке, что позволяет ЦИАМ быть локомотивом прогресса в данной области знаний и предлагать промышленным предприятиям новые концептуальные и технологические решения.

Помимо прикладных работ, широким фронтом ведутся базисные фундаментальные исследования. Налажено сотрудничество с академическими институтами и ведущими вузами страны, в том числе с МФТИ, МГТУ имени Н.Э. Баумана и МАИ.

Образец широкохордной лопатки вентилятора перспективного ТРДД с титановой накладкой из углепластика.jpg

Образец углепластиковой широкохордной лопатки вентилятора
 перспективного ТРДД с титановой накладкой

Заместитель генерального директора – директор Исследовательского центра «Аэрокосмические двигатели и химмотология» Александр Прохоров:

Сегодня наш исследовательский центр представляет собой эффективный симбиоз опыта и молодости, который позволяет решать поставленные задачи качественно и быстро. Форсайт тематических направлений Центра обуславливает их актуальность и тренд технологических прорывов в средне- и долгосрочной перспективе.

САУ – интеллект двигателей

Подразделение систем автоматического управления силовыми установками ЦИАМ было образовано одновременно с созданием Института в 1930 году. С этого времени начала разрабатываться в ЦИАМ наука об автоматическом управлении авиационными двигателями. На всех этапах развития авиационного двигателестроения подразделение являлось ведущей организацией страны в этой области науки и техники, совершенствуясь вместе с отраслью.

Испытания турбогенератора в ЦИАМ.jpg

Турбогенератор перспективной гибридной силовой установки на испытаниях в ЦИАМ, октябрь 2020 г.

Коллектив Исследовательского центра «САУ двигателей» участвует в разработке систем управления для всех отечественных двигателей, определяя перспективы их развития, формируя предложения на базе созданного научно-

технического задела, предлагая решения возникающих проблем. Опытные специалисты проводят и сопровождают испытания, выполняют экспертные и сертификационные работы.

Сегодня развитие теории и практики управления авиационными ГТД связано с применением новых принципов построения САУ: переходом к распределенной структуре, использованием электрических приводов в различных подсистемах, применением бортовой математической модели двигателя–«виртуального двигателя» в составе системы, построением беспроводной системы управления.

Комплекс выполненных работ позволил создать эффективную научную школу и сформировать научный фундамент двигателестроительной отрасли в области автоматического управления авиационными силовыми установками.

Для нужд вертолетостроения

ЦИАМ – основной разработчик систем диагностики трансмиссий вертолетов и лидер в области расчетов, моделирования и испытаний зубчатых передач для российской авиационной техники. Входящий в состав Института Инжиниринговый центр «Авиационные приводы» занимается разработкой схем трансмиссий вертолетов, осуществляет прочностные и ресурсные исследования их агрегатов и систем.

Специалисты ЦИАМ сопровождают жизненный цикл редукторов и зубчатых передач, моделируют цикл рабочих процессов в авиационных трансмиссиях.

Акустическая лаборатория (3).jpg

Акустическая лаборатория

Испытательная база ЦИАМ позволяет проводить исследования зубчатых передач, редукторов вертолетов и коробок приводов агрегатов двигателей, оценивать усталостные характеристики образцов зубчатых колес, изготовленных из современных авиационных материалов.

В ЦИАМ также проводятся опытно-конструкторские работы по созданию диагностических систем вертолетов. Одно из ключевых направлений деятельности Инжинирингового центра — разработка бортовых систем вибродиагностики, аппаратных методов оценки технического состояния агрегатов трансмиссий винтокрылой техники.

Виктор Голованов, директор Инжинирингового центра «Авиационные приводы»:

Опыт нашего Института в области зубчатых передач уникален. На многих предприятиях авиационные зубчатые колеса, даже технологии для производства зубчатых колес, разрабатываются с участием сотрудников ЦИАМ. Большое значение для вертолетостроительной отрасли имеют работы Инжинирингового центра «Авиационные приводы» по оптимизации существующих конструкций редукторов вертолетов, призванные снизить их вес и повысить ресурсные показатели.

нижний фон последней стр.jpg

Источник: Национальный авиационный журнал "Крылья Родины" №11-12 за 2020г.

Поделиться
с друзьям