Микро турбореактивный двигатель. Реактивная микроавиация: Турбо-модели

На вопросы «Завтра» отвечает Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера.

«ЗАВТРА». Сергей, при взгляде на вашу микротурбину кажется, что это - небольшой реактивный двигатель. Который, наверное, ставят на какие-то сверхмалые самолёты, беспилотные летательные аппараты…

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Внешний вид обманчив, и, несмотря на то, что несколько человек из нашей команды имеют прямое отношение к авиации, мы вообще-то делали совсем иное. Микротурбина - сердце нашего проекта автономного дома. Мы считаем, что дом в России должен быть изначально энергоактивным, то есть производить энергии больше, чем потреблять. И за счёт этого он должен быть автономным, то есть не иметь жёсткого подключения к внешним монопольным сетям.

«ЗАВТРА». Есть западная концепция: ставим на крышу солнечные батареи, а во двор - ветряк. Но у нас, извините, в стране нет ни толкового солнца, ни ветра, поскольку мы - в середине северного континента. В чём состоит ваш подход?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Автономный дом создать сегодня несложно, технологии это позволяют. Весь вопрос состоит в стоимости, потому что, конечно, можно поставить солнечные батареи и летом накапливать энергии более чем достаточно, а потом использовать её зимой. Но стоимость аккумулирования этой энергии будет близкой к космической - даже если ставить современные аккумуляторы, перекачивать воду по системе разновысотных прудов или же запасать тепловую энергию с помощью тепловых насосов или расплавленной теплоёмкой соли.

Чтобы таким образом запасти энергии на всю зиму, надо потратить целое состояние на систему аккумулирования. Поэтому мы исходим из концепции комбинирования разных источников энергии, которые позволяют закрывать все потребности. Электроэнергию сегодня бессмысленно накапливать в аккумуляторах, первичную энергию надо накапливать в химической форме, например - в виде горючих газов.

То есть приходим к тому, что надо ускорять процессы «метаболизма здания», производя горючие газы из тех отходов и мусора, что образуются в самом автономном доме. Есть несколько принципиальных способов получения и водорода или метана, но нам важен тот факт, что горючий газ, производимый самим домохозяйством, позволяет легко закрыть им генерацию электроэнергии и тепла на протяжении всей зимы. Отсюда и возникла идея микрогазотурбинной установки. У турбин есть много преимуществ по сравнению с обычными газопоршневыми агрегатами, то есть обычными и привычными для нас двигателями внутреннего сгорания.

У небольших газотурбинных двигателей уже достигнут очень высокий КПД, их, в отличие от газопоршневых двигателей, легко звукоизолировать, они почти не шумят и занимают малый объём. Неоспоримым их преимуществом является и то, что они легко работают на плохом, некачественном газе, который может генерировать домохозяйство из своих бытовых отходов.

«ЗАВТРА». Здесь надо сказать, что мы все привыкли к чистому, почти 100% метану, который нам поставляет по газовой трубе «Газпром», тот самый монополист, от которого вы хотите уйти, - а вы предлагаете получать прямо в доме пусть и менее чистый, но уже «свой», автономный метан?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, сейчас в деталях проработана практика получения конечного газового продукта, смеси горючих газов из большого спектра бытовых отходов - начиная от бумаги или дерева и заканчивая, извините за подробности, помётом птиц или навозом домашних животных.

Именно поэтому микротурбины сейчас - очень актуальное направление разработок. В том числе - и на Западе, где несколько компаний активно над этим работают. Понятно, что там концепция очень похожа на нашу: микротурбина становится «энергетическим сердцем» семьи или предприятия, когда всё производство многих бытовых предметов потребления, в первую очередь - продуктов питания концентрируется в самом домохозяйстве. И это, конечно, тот самый образ совсем иного будущего, когда мы получаем целый пласт «новых производителей», эдаких «крестьян XXI века», которые уже очень мало зависят от внешнего мира, обеспечивая себя всем необходимым и даже создавая излишки продукции.

«ЗАВТРА». Да, дай Бог, чтобы мы смогли возродить наши российские просторы благодаря такой уникальной технологии. А что у вас в ближайших планах?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, автономный дом - это будущее. Сегодня же возможность для применения микротурбин раскрывается в уже упомянутой нами авиации. В прошлом эволюция двигателей в авиации обошла микродвигатели стороной - по той простой причине, что они подходили только для авиамоделизма, имели очень малый ресурс. Микродвигатели в авиации были «бабочками-подёнками», были короткоживущими и рассматривались только как подобия, копии настоящих, «взрослых» авиадвигателей. Но сегодня, наконец, эволюция двигателестроения в размере микротурбины привела нас к тому, что возможности технологии и запросы авиации сошлись в одну точку - и мы можем сейчас сделать хорошую микротурбину для авиации.

«ЗАВТРА». Посмотрим на этот небольшой агрегат. Выглядит как настоящий двигатель, а что эта малютка сегодня выдаёт, если перевести в сухие цифры мощности или тяги?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. На максимальных оборотах эта микротурбина выдаёт 200 ньютонов. Если же говорим о мощности - то это порядка 12 кВт. Достаточно мощный двигатель для своего скромного размера.

«ЗАВТРА». Для сравнения: насколько помню, обычная квартира даже на пике мощности потребляет сегодня 1,5-2 кВт электроэнергии, а в среднем - сотни ватт?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, такой малютки вполне хватит на десяток квартир в многоквартирном доме. Сейчас все параметры посчитаны на скорости микротурбины около 100 тысяч оборотов в минуту. Но при форсированном варианте турбины можно достичь и 150 тысяч оборотов в минуту, хотя это и не рационально.

«ЗАВТРА». Это ведь отнюдь не обороты двигателя внутреннего сгорания! Получается, что в турбине используются высокотехнологичная подвеска, специализированные подшипники, точный вал?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, в турбине стоят качественные, долговечные подшипники. В авиамоделизме для похожих турбин используют подшипники попроще, но они живут недолго, а для бытовой микротурбины самая главная проблема - создать систему смазки и балансировки двигателя, вала, которая бы позволяла ему долго послужить.

Современные флагманы отрасли уже имеют ресурс микротурбин порядка 100 тысяч часов, то есть около десяти лет, и при регулярном обслуживании турбины один раз в год. Мы не ставим такой задачи, хотя уже просчитали компоновку системы охлаждения на пять тысяч часов. А эта машина сможет работать не менее пятисот часов - это первый, но важный рубеж. Мы сейчас только переходим в стадию тестовых испытаний с промышленными образцами. Поэтому какой нам выдаст результат машина, мы пока не загадываем, но говорим: «не менее», - и это уже примерно впятеро больше, чем самый хороший авиамодельный двигатель.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Пока что, на первом этапе, мы начинаем работу именно с авиацией, немного упрощая себе первый шаг на пути к конечной цели. Авиация пока что всё-таки использует качественный керосин, а не бытовой газ, который по своим параметрам даже хуже магистрального. А задача когенерирующей микротурбинной установки, как я уже сказал, - это и наша мечта, и наша стратегическая цель.

«ЗАВТРА». Когенерация - это комбинированное получение тепла и электроэнергии, то, к чему надо всегда стремиться в нашей холодной стране. А были ли какие-то аналоги такого подхода, создания таких миктротурбин в советской, в российской истории? Насколько эта вещь уникальна?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. В России не производятся двигатели такого типоразмера. Делают только двигатели для военных целей, это двигатели обычно более простые - для крылатых ракет, например. Но это подход одноразового использования, вида «выстрелил и забыл». Крылатая ракета при этом должна пролететь свой час до цели - и, соответственно, весь двигатель рассчитан на то, чтобы она этот час летела гарантированно.

Мы же говорим о совсем другом рынке, гражданского применения. Соответственно, всем способным произвести продукт на такой ёмкий рынок я желаю только успеха. Места и работы хватит всем. Поэтому мы, в общем, не опасаемся жёсткой конкуренции на рынке - в малой энергетике всё в России ещё только начинается.

«ЗАВТРА». Скажите, а какие следующие этапы вы планируете для микротурбины? Как вы её будете испытывать и совершенствовать?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. К сожалению, у нас не так много средств, чтобы построить качественный испытательный стенд. Сейчас мы занимаемся этой работой, готовимся к тестовым испытаниям опытного образца. Наша текущая задача - произвести промышленный образец, создать производственную кооперацию, отработать технологические процессы и применяемые материалы. Дальше будет стадия доводочных испытаний. Но кое-что мы делаем и заранее, не дожидаясь, когда двигатель обретёт окончательный вид, - например, мы приступили к эскизной разработке гибридной силовой установки, как для целей будущей когенерации, так и для использования в беспилотных летательных аппаратах. Гибридный двигатель - это наиболее современная схема квадрокоптеров и конвертопланов, которые используют электропривод винта, но могут питаться и от микротурбины, а не от аккумуляторов, как сегодня.

«ЗАВТРА». Да, я был в своё время поражён тем, насколько далеко ушёл прогресс за последние десять лет развития беспилотной авиации, но знаю, какая критическая масса проблем возникла с БПЛА именно из-за того, что современные аккумуляторы накладывают ограничения на дальность и скорость беспилотников.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Беспилотные аппараты - очень сложные агрегаты, мы и не претендуем на их конструирование или производство. Наша задача - сделать качественную силовую установку, применимую в разных типах летательных аппаратов. Микротурбину можно встроить в любой авиадвигатель: турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и уже упомянутый электрический двигатель для БПЛА. Микротурбина для них - компактный и мощный источник энергии. Выдавая реактивную струю и вращая вал, микротурбина создаёт электроэнергию, достаточную для полёта летательного аппарата.

«ЗАВТРА». Скажите, Сергей, а в какой части микротурбина собрана из российских комплектующих? С чем вы столкнулись при разработке своего аппарата, и какие задачи вы решили, а какие остались пока нерешёнными?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Не буду рассказывать обо всех тонкостях и нюансах наших операционных изысканий. В целом же скажу, что Россия за последние годы накопила очень серьёзный парк передового оборудования в так называемых аддитивных технологиях. Этот двигатель произведён на 70% в рамках аддитивных технологий, то есть запрограммированным «выращиванием» металлических конструкций. Аддитивные технологии - это использование 3D-принтера, который сразу делает готовое изделие прямо из аморфного металла.

«ЗАВТРА». То есть вся ваша микротурбина буквально «напечатана» из металла?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Да, всё напечатано - кроме болтиков и гаечек. Болтики печатать незачем, на них есть стандарт. На токарном станке тут выточены только вал и корпус вала двигателя. Ну, и немного деталей выполнено фрезеровками на пятикоординатных станках, но это тоже - самое современное оборудование.

Соответственно, утверждать, что мы сегодня «отсталая страна» - это несусветная глупость. Есть лишь ряд технологических потребностей, пока что не решённых в российской промышленности. Например, уже упомянутые «долгоиграющие» керамические подшипники нашей микротурбины. В то же время мы видим, что российская научно-производственная база готова к производству и таких изделий, здесь вопрос лишь в экономике. Чтобы построить производство керамической продукции такого уровня для нашего изделия, это производство должно выпускать несопоставимо больший объём, чтобы сделать приемлемую стоимость. Прежде всего это вопрос конкуренции, грубо говоря - китайскую, японскую или немецкую продукцию купить пока намного дешевле, чем произвести здесь; нельзя поставить суперстанок только ради того, чтобы сделать четыре подшипника на опытную турбину.

«ЗАВТРА» . Ну, это проблема всех компаний-инноваторов. На западе изобретателям тоже приходится выкручиваться в такой ситуации.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, надо учитывать «эффект инновации». Например, если наша оборонная промышленность заинтересована в получении профессиональных двигателей в небольшом типоразмере, причём с применением самых современных материалов, этот процесс будет ускоряться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Это видно просто по тому, как за последние 3-4 года армия вдруг обогатилась современной техникой.

«ЗАВТРА ». Скажите, а кто вам помогает и что вам мешает в вашей работе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вы знаете, мешают, скорее, производственные традиции, которые в России всё-таки достаточно косные. С одной стороны, это хорошо, потому что традиции позволяют делать меньше ошибок, но они же часто тормозят инновации.

Простой пример. Мы производим моделирование двигателей в компьютерной 3D-среде, то есть компонуем корпус двигателей со всеми деталями прямо в виртуальной 3D-модели. Эта же модель является исходным кодом для станка с ЧПУ или 3D-принтера, никаких чертежей, современное оборудование сразу «понимает» такой двоичный код. Но часть российских производств почему-то до сих пор требует перевести нашу 3D-модель в десяток ГОСТовских чертежей. А потом эти же чертежи их собственные конструкторы снова переводят уже в свою 3D-модель, чтобы «скормить» тем же станкам с ЧПУ!

Всё это тормозит и усложняет процесс и служит источником ошибок. Как говорят, «два переезда равны одному пожару», так вот - две переделки чертежей создают очень похожий эффект… И мы сегодня таких производителей переучиваем, приучаем к тому, чтобы они действовали, исходя из изменившихся реалий.

В итоге, из-за такой «притирки» смежников кооперация по производству этого двигателя заняла почти полгода. Кооперация в том смысле, что мы передавали готовое модельное решение со всеми необходимыми параметрами. И наши партнёры, надо отдать им должное и сказать огромное спасибо, брались за эти микропартии, экспериментальные, по сути, изделия, так как всё-таки в России есть удивительно нежное отношение к новому, уникальному, что мы и почувствовали, работая со своими смежниками по созданию нашей турбины. Ведь аддитивные технологии сегодня всё-таки только осваиваются российской промышленностью, и сделать просто «влёт» ту или иную деталь - это довольно сложно. Но наши партнёры активно включались и делали всё, что могли - в самых непростых условиях.

«ЗАВТРА» . Есть ли интерес к вашим разработкам со стороны отечественной «оборонки», если не заходить в зону государственных секретов? Наше военное ведомство - насколько оно проявляет интерес к такого рода концепциям, как они воспринимают идею микротурбины для авиации, в том числе и для беспилотной?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Давайте я отвечу почти философски. Я туда ещё не ходил, а ко мне ещё официально не приходили. «Товарищ майор» нами ещё не интересовался, но я предполагаю, причём с высокой долей уверенности, что поиск решений в этом направлении осуществляется нашим военным ведомством уже давно и очень активно. Я ведь вижу, как довольно крупные институты работают именно над этой задачей, и рано или поздно мы с этой стороной применения нашего изделия, конечно, столкнёмся.

«ЗАВТРА». То есть либо гора придёт к Магомету, либо всё-таки Магомет придёт к горе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вот именно. У нас нет антагонизма по отношению к нашей оборонной промышленности, но и опыта взаимодействия с ней тоже нет. Мы вообще - частная команда. Мы даже юридическое лицо специально под этот проект пока не создавали. В общем, у нас была задача - построить двигатель. И мы её выполнили

«ЗАВТРА». А сколько человеко-часов потребовалось, чтобы сделать эту малютку?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Скажем так, от «идеи, нарисованной на салфетке» и до воплощения двигателя в опытном образце прошло два года, что вылилось в напряжённый труд двух десятков людей, хотя, конечно, и не на полном рабочем дне.

«ЗАВТРА». То есть это достаточно сжатый срок от идеи до образца.

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Я считаю, что сегодня производственные компетенции можно обретать очень быстро. Для этого достаточно доступа к источникам технологических знаний и мотивированной, слаженной команды. Сама же высокотехнологическая продукция не является сегодня каким-то табуированным знанием, к которому могут прикасаться только суперпрофессионалы, «избранные или специально обученные люди», как иногда в шутку говорят. Всё в инновациях создаётся поиском, мозговыми штурмами, оценками, перебором вариантов. Это очень непростой процесс, и тут на первый план выходит мотивация.

«ЗАВТРА». Есть мнение, что сейчас инновационное производство построить гораздо легче, чем даже 20 лет тому назад. Например, я слышал, что тот завод, который Советский Союз по АФАР-радарам для своих военных самолётов строил целое десятилетие, сегодня можно за полтора года собрать прямо в чистом поле - и это не будет каким-то стахановским подвигом. Насколько это правда?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Россия и Советский Союз всегда славились прежде всего способностью к мобилизации, к производству невероятного за очень короткие сроки. Поэтому, конечно, даже советские стройки уже были примером высочайших темпов освоения новых технологий и нового знания - и атомный, и космический проект, и менее «громкие» вещи, которые тоже всегда были на мировом уровне. С другой стороны, нынешние технологии в самом деле при желании позволяют производственнику буквально «прыгать через ступеньки», создавая в ещё более сжатые сроки совершенно новые изделия, часто основанные на новых, уникальных подходах. Нынешнее время - настоящая эпоха возможностей для думающих, активных людей. Настоящее «время мечты».

«ЗАВТРА». Касательно вашей мечты хотел задать вопрос. Мы начали наш разговор с «дома будущего». Я тоже истовый фанат будущего, поскольку прекрасно понимаю, что без движения вперёд любое общество медленно сползает назад. Ваше мнение: что общество получит от сегодняшних инноваций, таких, как ваша микротурбина или концепция автономного дома?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Если говорить о мечте или о нашей философии, то я считаю, что любой проект должен исходить из чётких философских оснований, из ясного видения будущего мира, в котором твой проект является важным, критическим элементом. Иначе будешь всю жизнь думать об «инновационной расчёске для волос». Я условно говорю, подчёркивая, что сегодня часто люди пытаются сделать бесполезные вещи, не обижая ни в коем случае разработчиков новых вариантов расчёсок. Просто мне это не интересно, новые расчёски наш мир не изменят. Например, если уж мы строим автономный энергоизбыточный дом, надо себе сказать, что он ничем не привязан к земле, кроме фундамента.

«ЗАВТРА» . То есть захотели в Карелию - полетели в Карелию. Захотели на южный берег Крыма - полетели на южный берег Крыма?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, ровно об этом речь: дом должен в некоем идеальном образе будущего стать и вашим транспортным средством. Ничего нереального в этом нет. Но это, конечно, уже совсем другая история, которую не стоит сразу привязывать к нашей скромной микротурбине. Она может стать не более чем маленьким шажком к такому образу будущего.

«ЗАВТРА» . Сергей, большое спасибо за беседу. Я надеюсь, может быть, через два года, может, уже через год увидеть энергетическую установку с вашим «сердцем» - крошечным турбореактивным двигателем, микротурбиной. Пусть даже под грифом «секретно», в виде сообщения, что где-то в России начаты испытания нового БПЛА для нужд Минобороны, с «инновационным турбореактивным двигателем». И, конечно, желаю, чтобы вы не потеряли энтузиазма на длинном пути к вашей мечте.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Энтузиазма точно не потеряем. Надеюсь, его хватит надолго. Как всегда говорят, были бы деньги - было бы и счастье. Но, тем не менее - и находим, и делаем, и сделаем.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ

Турбореактивный двигатель является одним из важнейших механизмов, который изобрели в двадцатом столетии. Поговорим о том, что сопутствовало этому открытию, каковы модели этого устройства сегодня и можно ли изготовить его самостоятельно.

Немного истории

Устройство

Рабочее тело двигателя состоит из:

• компрессора, служащего для сжатия воздуха;
• камеры сгорания для нагревания;
• турбины для расширения.

Охлаждающий эффект обеспечивается атмосферой.

В компрессоре имеются диски из металла, а на их венцах расположены лопатки, которые захватывают воздух снаружи и перемещают внутрь.

От компрессора воздух направляется в камеру сгорания, нагреваясь и смешиваясь с керосином, попадающим туда через ротор.

Далее действие переходит в турбину, где газ раскручивается подобно игрушке-пропеллеру. Обычно турбины имеют три-четыре ступени. Именно на этот механизм приходится наибольшая нагрузка. Турбореактивный двигатель вращается со скоростью до тридцати тысяч оборотов в минуту. Факел, выходящий из камеры сгорания, может иметь температуру до полутора тысяч градусов по Цельсию. Воздух, расширяясь здесь, начинает двигать турбину.

После этого в реактивном сопле рабочее тело достигает скорости большей, чем скорость встречного потока. Таким образом и получается реактивная тяга.

Виды

ТРД или турбореактивный двигатель, принцип работы которого описан выше, относится к классу газотурбинных. Он бывает:

• ТРД с форсажной камерой;
• двухконтурный ТРД;
• двухконтурный ТРД с форсажной камерой.

В настоящее время известно пять поколений турбореактивных двигателей. К первому относятся еще те, которые использовались в годы войны английскими, а также фашистскими силами. Во втором поколении в нем появились осевой компрессор, форсажная камера и воздухозаборник с возможностью регулирования. В третьем — увеличилось сжатие, в четвертом — удалось поднять рабочую температуру. Пятое поколение в отечественной разработке имеет усиленную мощность и лучшую маневренность. Агрегаты, предназначенные для истребителей, выпускаются на уфимском заводе.

Турбореактивный двигатель своими руками

Любителям-моделистам, которые хотят собрать мотор самостоятельно, сегодня предлагается полный ассортимент всех запчастей. В продаже имеются специальные наборы для сборки (например, Kit). Турбину можно приобрести как готовую, так и сделать самим. Последний вариант довольно хлопотный и может также обойтись в копеечку. Это самая сложная часть для тех, кто собирает турбореактивный двигатель своими руками, так как здесь потребуются и токарно-фрезерная установка, и сварочный прибор.

Перед изготовлением стоит изучить теорию по микро-ТРД. Для этого существуют специальные руководства, где приводятся расчеты и чертежи.

А затем, можно начинать путь в авиамоделирование.

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

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.

Микро-ТРД для беспилотных летательных аппаратов

В статье рассматриваются характеристики и конструктивные особенности микро-ТРД, выпускаемых для модельной авиации. Анализ характеристик показывает серьезные перспективы таких двигателей в беспилотной авиации специального (военного, гражданского и экспериментального) назначения. Силовая установка является важнейшей составной частью БЛА, поскольку уровень ее технического совершенства позволяет обеспечить необходимые тактико-технические характеристики ЛА. Развитие технологии изготовления воздушно-реактивных двигателей в сочетании с использованием методов математического моделирования газодинамических процессов и прочностных расчетов термонагруженных деталей позволили целому ряду предприятий подойти к полномасштабному производству малоразмерных воздушно-реактивных двигателей (микро-ТРД, микро-ТВД и микро- ПуВРД). Основным потребителем этого продукта до недавнего времени были авиамоделисты, создающие летающие копии пилотируемой техники. Однако в последнее время стали появляться образцы БЛА, использующие в силовой установке малоразмерные ТРД (например, макет БЛА ВВП "Штиль-3", Рис.1). Примечательно, что первый публично представленный такой образец имеет составную силовую установку из трех малоразмерных ТРД, которая, по данным разработчика, обеспечивает БЛА как вертикальный взлет, так и взлет по-самолетному. Так как летающие модели-копии пилотируемых самолетов предназначены, главным образом для имитации полета настоящего реактивного самолета в пределах визуальной близости к оператору, то и характеристики ТРД являются соответствующими. Однако, сам по себе, факт создания микро ВРД является примечательным и следует ожидать в самое ближайшее время появление целого семейства БЛА с силовыми установками на основе ВРД. Поэтому вопрос анализа конструкции и оценки располагаемых характеристик микро -ТРД является достаточно важным. Тем более что малые размеры конструктивных элементов, из которых состоит такой двигатель, создают определенные проблемы при попытке получения высоких удельных показателей, а предприятия-изготовители, как правило, не предоставляют полной информации о своих изделиях.

Определение эксплуатационных характеристик микро - ТРД
Как известно в состав силовой установки (СУ) ЛА, в данном случае БЛА, входят входное устройство, ВРД с выходным устройством, система управления тягой ТРД (правильнее вектором тяги) и система топливоподачи от топливных баков к двигателю. Основной величиной, характеризующей ВРД как элемент силовой установки ЛА, является создаваемая им сила тяги, которая является равнодействующей всех сил, действующих на внутренние и внешние поверхности ВРД. Обычно такое определение относится к понятию внутренняя тяга ВРД. При анализе эксплуатационных характеристик ВРД в составе ЛА используют понятие эффективной тяги ВРД, которая учитывает еще и потери во входном и выходном устройствах. В общем случае внутренняя тяга ТРД (далее для простоты просто тяга) определяется по известному выражению :

Для анализа характеристик ВРД требуется понимание его устройства и знание значений основных величин, которые производители, как правило, не указывают в документации на подобные двигатели. Конструктивно все выпускаемые микро-ТРД представляют собой ТРД с центробежным одноступенчатым компрессором с односторонним входом и одноступенчатой осевой газовой турбиной (рис. 2). Применяется испарительная камера сгорания. Как правило, все микро-ТРД оснащаются входным устройством, имеющим конфигурацию близкую к лемнискате (рис.3).

Наружный корпус микро-ТРД представляет собой тонкостенную обечайку из жаростойкой стали, которая обеспечивает проход воздуха из спрямляющего аппарата компрессора через отверстия в кожухе внутрь камеры сгорания к испарительным трубкам. (рис.4)

Малая размерность двигателя по расходу воздуха не позволяет использовать отработанные конструктивные решения в практике авиационного двигателестроения.

Выходным устройством у такого двигателя является дозвуковое сужающееся сопло, образуемое наружной обечайкой и центральным телом в виде тонкостенной оболочки, закрывающим втулочное сечение рабочего колеса газовой турбины (рис.5).

Компоновка микро-ТРД со снятой наружной обечайкой показана на рис.6. Ротор двигателя образуется валом 1, на который спереди насажено и зафиксировано винтом 6 рабочее колесо центробежного компрессора 7, а сзади рабочее колесо газовой турбины 12, фиксирующееся на валу винтом 5. Вал 1 устанавливается во внутреннем корпусе статора 3 на двух подшипниках 2 и 4. За рабочим колесом компрессора 7 установлен статор компрессора со спрямляющим аппаратом 8. Кожух камеры сгорания 9 крепится к сопловому аппарату газовой турбины 11, а топливный коллектор 10 располагается в кольцевой нише между кожухом камеры сгорания и фланцем корпуса соплового аппарата. Наружная обечайка выходного устройства 13 имеет свой фланец, с помощью которого она болтами крепится к фланцу соплового аппарата. Центральное тело устанавливается и центруется с помощью радиальных пластинчатых кронштейнов (хорошо видны на рис.5) наружной обечайкой выходного устройства.

Эксплуатационные характеристики (высотно-скоростные и дроссельные) с учетом вышеизложенных зависимостей могут быть определены для всего семейства микро-ТРД, выпускаемого предприятиями за рубежом (В России пока подобные двигатели не нашли широкого применения). Рассмотрим высотно - скоростные характеристики (ВСХ) микро-ТРД по внутренним параметрам с расчетной степенью сжатия в компрессоре 3,0. Расчетные ВСХ получены с учетом установки дозвукового воздухозаборника перед входом в центробежный компрессор. Расчетные параметры рабочего процесса микро-ТРД приведены в табл.1.

Рис. 11. Зависимости и двигателя по высоте и скорости полета

На рис. 9-11 приведены ВСХ микро-ТРД и зависимости характерных параметров от высоты и скорости полета. Как видно из схемы микро-ТРД в них реализуются закон регулирования:

В этом случае уравнение линии совместных режимов компрессора и турбины, как известно , имеет вид:

Установка нерегулируемого выходного устройства в виде сужающегося сопла с центральным телом привела к тому, что при скоростях полета более М~0,45 выходное устройство реализует предельное значение =1,85 и появляется добавок тяги от давления недорасширенного газа по жидкому контуру (рис.10). Следует отметить характерное увеличение запаса устойчивости компрессора при уменьшении приведенной частоты вращения ротора с увеличением скорости полета (рис. 11). Анализ ВСХ и особенностей изменения параметров рабочего процесса ТРД показывает, что при соответствующем подборе ТРД под характеристики планера можно создать БЛА, обладающий достаточно высокими летно-техническими характеристиками. Тем не менее, уровень экономичности таких двигателей не позволит иметь относительно большие продолжительности полета БЛА. Также следует иметь ввиду, что целевое назначение и малые размеры подобных двигателей не позволяют иметь высокоэффективную систему автоматического управления, что неизбежно скажется, прежде всего, на приемистости двигателя и точности выдерживания заданного дроссельного режима. Необходимость расчета дроссельных характеристик микро-ТРД обусловлена тем, что постоянно на предельных режимах ЛА, как правило, не летают. Основные рабочие режимы двигателей силовых установок лежат в диапазонах от 75 до 95% от максимального режима. Следовательно, оценка характеристик микро-ТРД на дроссельных режимах имеет смысл.

Как видно из графиков (рис.12 и 13) дроссельные характеристики рассматриваемых двигателей не имеют каких-либо ярко выраженных особенностей, требующих особых исследований. Следует учитывать и то, что заявляемые производителем показатели экономичности (минутный расход топлива) отличаются от расчетных примерно на 30% в большую сторону. Это объясняется относительно низкими уровнями к.п.д. элементов газотурбинного тракта, о которых, как правило, в открытых источниках производители не сообщают. Конструктивное исполнение этих двигателей свидетельствует, что приемистость таких двигателей весьма неудовлетворительна:

• газовая турбина неохлаждаемая и возможен ее перегрев;
• запас устойчивости компрессора с увеличением приведенной частоты падает и возможно попадание компрессора в условия, способствующие возникновению неустойчивой работы;
• возможен срыв пламени в камере сгорания.

Анализ возможных динамических характеристик микро-ТРД позволяет сделать вывод, что динамика таких двигателей по тяге низкая: переход от режима МГ (малый газ) до режима МАКСИМАЛ занимает время не менее 30 с. Также весьма сложным и проблематичным является процесс запуска таких двигателей: отсутствие простейшего топливного автомата запуска (ТАЗ) требует дополнительной емкости с горючим газом для запуска камеры сгорания с последующим переходом на топливо. Система смазки опор ротора двигателя представляет собой одну или систему струйных форсунок, подающих топливо (авиационный керосин) на подшипники. Иногда для улучшения смазочных свойств в керосин добавляют парафин, иногда 4...5% моторного масла . На рис.15 показан вариант смазки опор микро-ТРД. Смазочная смесь через трубопровод подводится к подшипнику передней опоры.

Наддув передней опоры осуществляется воздухом, отбираемым от рабочего колеса компрессора через зазор между стенкой рабочего колеса и стойкой статора компрессора. Через подшипник передней опоры, зазор между валом ротора и внутренним корпусом статора двигателя смазочно-воздушная смесь подается к подшипнику задней опоры. Пройдя подшипник задней опоры, смесь выбрасывается в проточную часть газовой турбины. Ресурсные показатели выпускаемых микро-ТРД находятся на уровне 100...120 часов наработки при условии регулярного выполнения регламентных работ через каждые 25...30 часов. Предприятия-изготовители рекомендуют через каждые 50 часов наработки отправлять двигатели на завод для оценки их технического состояния. На практике такие двигатели эксплуатируются по техническому состоянию с заменой выходящих из строя деталей при каждом осмотре. Основным требованием при эксплуатации микро-ТРД является обеспечение соответствия типа и чистоты топлива, рекомендуемым предприятиями-изготовителями.

Структура, выпускаемого предприятиями, типоряда микро-ТРД
Структура типоряда, выпускаемых предприятиями микро-ТРД в виде гистограммы по внутренней тяге и степени повышения давления в компрессоре для условий стенда при САУ представлена на рис.16-17.

Так как, основное назначение выпускаемых микро-ТРД - установка на летающие модели пилотируемых ЛА, то анализ структуры выпускаемых двигателей показывает четкую ориентацию на потребителя относительно недорогих изделий.

Рис. 17. Структура типоряда по степени повышения давления в компрессоре

В среднем отпускная с завода цена таких двигателей лежит в пределах 17...25 $/Н тяги (рис.18) или, если ориентироваться на массу микро-ТРД, 1600...2000 $/кг массы конструкции.

В некоторых случаях есть смысл в экспресс оценке массо - габаритных и стоимостных показателях. Для этого на графиках (рис.18-20) приведены соответствующие степенные полиномы, описывающие зависимости стоимости, массы, длины и диаметра микро-ТРД от его тяги в условиях стенда.

Приведенные полиномы можно использовать при оценке возможности использования микро-ТРД в разрабатываемых конструкциях. Однако они дают достаточно грубую оценку и при более глубоких исследованиях или проведения эскизного проектирования необходимо переходить к данным, которые предоставляет изготовитель микро-ТРД.

Рис.20. Взаимосвязь длины микро-ТРД (без стартера во втулке компрессора) и его тяги

Представленные результаты исследования показывают, что микро-ТРД могут играть существенную роль в становлении беспилотной техники не только в модельном классе, но и специального назначения. Опыт создания и эксплуатации подобных двигателей является бесценным и должен быть использован всеми разработчиками и производителями беспилотной техники.

Литература

• Б.С. Стечкин, П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, Н.Е. Коновалов, Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров. Теория реактивных двигателей. Рабочий процесс и характеристики. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1958.
• Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей/Под ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987.
• Handbuch Modellstrahlturbine TJ-67. Alfred Frank Modellturbinen.Tanneneckstra?e 27.D-93453 Neukirchen b. Hl. Bl. www.frankturbine.de