Авиадвигатель НК-12: логистика возвращения будущег

Авиадвигатель НК-12: логистика  возвращения будущего.

Парадоксы терминов экономичности

«Дальше, выше, быстрее» — с этим девизом авиация вошла в жизнь Российской империи в начале 20 века, когда гужевой транспорт был основным, а сельское население составляло 90% от всей численности. Девиз прошёл через великие переломы 1917 и 1991годов, пережил понесенные потери двух мировых войн и, при нынешних 75%  уже городского населения страны, сохранился неизменным. За словом «дальше» скрывались экономичность энергоустановки и в эпоху поршневой авиации отражалась удельным расходом топлива (кг/л.с. х час) или коэффициентом полезного действия (к.п.д.) двигателя.

При переходе авиации с поршневых двигателей на турбореактивные двигатели (ТРД) ввели удельную экономичность тяги, как отношение расхода топлива на тягу за час (кг/кгс х час), а для турбовинтовых двигателей (ТВД), как разновидности газотурбинных, прежний показатель экономичности – к.п.д.  сохранили без учёта тяги, создаваемой винтом, чем заложили уход от истины.

Появление двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД), обеспечившее скачок экономичности тяги с 1,0 до 0,7-0,75  кг/кгс х час к 60-ым годам по сравнению с ТРД, сконцентрировало беспрерывное стремление всех причастных к авиации обеспечить 0,55-0,6 кг/кгс х час в настоящем времени и в перспективе, достичь 0,5 кг/кгс х час за счёт роста параметров цикла и степени двухконтурности.

Между тем, усредненная удельная экономичность тяги ТВД начинается с 0,3-0,35 кг/кгс х час, если часовой расход топлива двигателя отнести к тяге воздушного винта на крейсерском режиме полета. Двойное превосходство экономичности тяги воздушных винтов связано с тем, что винты берут большей массой воздуха, а вентилятор ТРД берет большим ускорением воздуха, где потери пропорциональны квадрату скорости. В эпоху поршневой авиации  двигатели ВСЕ были с винтами и к.п.д. двигателя был главным и  определяющим.

Однако, наличие редуктора для привода воздушного винта объединяет и поршневые  и ТВД в группу «с редукторным приводом». Сложность создания редуктора ТВД многократно возросла из-за предельной нагруженности шестерен. Рост передаваемых мощностей с 1,0-2,0 тыс. л.с. для поршневых двигателей до 4,0-5,0 тыс. л.с. для ТВД сопровождался ростом передаточного отношения с 1,5-2,0 и может быть свыше 10,0, что привело к резкому тепловыделению в месте контакта шестерен и проблемам с надёжностью редукторов. Косвенным подтверждением особой сложности редукторов ТВД можно считать наличие в СССР всего  5 типов серийных редукторов установленных на ТВД: ТВД-10, АИ-24, АИ-20, НК-4 и НК-12.

Конструктивный и технологический барьеры в 5-5,5 тыс. л.с. для серийных ТВД в мировом авиамоторостроении к 2000-ым годам преодолел только НК-12, оставаясь и на сегодня не превзойдённым. Более того, высочайшая технология изготовления редуктора НК-12, основанная на материалах 40-50гг уступающим современным, останется не превзойденной навсегда.

На сегодня, на высоте 11км двигатель НК-12 с к.п.д. 27% на крейсерской скорости имеет удельный расход топлива 0,156-0,160 кг/л.с. х час и удельную экономичность тяги воздушных винтов около 0,3-0,35 кг/кгс х час. В.М. Чепкин в июне 2011 года про НК-12 сказал: «Это турбовинтовой редукторный двигатель, фактически двухконтурный, с очень большой степенью двухконтурности равной 100. Если задача сделать предельно экономичный двигатель, то вот он предельно экономичный и есть.» ( Из статьи- интервью «Наш ответ… бразильцам?») С позиции современности обновление «НК-12» можно рассмотреть как уникальный инновационный стартап для моторостроения.

2. Парадокс отставания передового.

Пожалуй, единственная претензия непосредственно к конструкции НК-12 может заключаться в параметрах внутреннего цикла, характерной 50-м годам. В частности, средняя степень сжатия на одной ступени компрессора составляет 1,1 и получение суммарной степени сжатия  достигается 14-ти ступенчатым компрессором. Возможно ли осуществить  уменьшение осевых размеров компрессора НК-12, сохраняя существующие обороты 8300об/мин, камеру сгорания, турбину и степень сжатия 9,5-10,0 как минимальное обновление двигателя.

Сегодня степень сжатия на одной ступени достигает 1,5-1,6, что  уменьшает осевые размеры компрессора и массы ГТД. В отечественном авиамоторостроении достижения реализованы в проекте «Бурлак» на двигателе  Д-30КП-3 и двигателях семейства ТВ2-117 до уровня ТВ7-117. У двигателя Д30КП-3 трехступенчатый компрессор низкого давления (КНД) заменен на одноступенчатый вентилятор. Для двигателей семейства ТВ2 10-ти ступенчатый компрессор заменен на 5-ти ступенчатый для ТВ7-117 и возрастанием  мощности с 1500л.с. до 3000л.с.

С целью сокращения сроков теоретических и конструкторско-технологических поисков по обновлению компрессора НК-12 наиболее привлекательным будет семиступенчатый КНД от двигателя НК-93. Выбор сделан исходя из равенства расхода воздуха через камеру сгорания (примерно 55кг/сек), близких частот вращения компрессора НК-12 (8300об/мин) и КНД двигателя НК-93 (9000-10000об/мин), степени сжатия после компрессора порядка 9,5-10,0 и места расположения входной части компрессоров за соосно вращающимися лопастями винтов/винтовентиляторов. Надо принять во внимание действующие мелкосерийное производство газогенератора НК-93 для двигателя НК-38СТ в Казани.

Конструкторские школы КБ им. Кузнецова и завода по серийному выпуску двигателя НК-12, входящие в ПАО «Кузнецов», располагают опытом установки подпорных ступеней в двигателе НК-14СТ, как развитие НК-12, а так же опытом подреза лопаток компрессора двигателя НК-32 при конвертации в приводной двигатель НК-361 для газотурбовоза ГТ-01 и весьма обнадёживают на получение одновального НК-12 с модернизированным КНД от НК-93.

Однако, существующие эксплуатационные проблемы двигателя НК-12 являются следствием ошибок, заложенных в конструкции  винта  АВ-60(Ту-95) и являются критичными. Основной причиной проблем могут быть переменные динамические нагрузки, возникающие при совпадении положений прямых четырёх лопастей переднего и заднего соосных винтов АВ-60К. Переменные нагрузки вызывают вибрации и передаются на все элементы двигателя: валы, силовые шестерни, опоры, узлы подвески и являются причиной повышенного шума таких винтов.

Кроме акустических проблем, сравнительно невысокая тяга винтов АВ-60 (Ø5,6м, Р=8800кгс) для настоящего времени, оказывает влияние на опережающие выработки ресурса двигателя на номинальном режиме и препятствует выработке на частичных нагрузках.

Комплексным решением по повышению тяги и устранению вредных вибраций прямых лопастей соосного вращения  может быть применение винтовентилятора СВ-27, разработанного ОАО НПО «Аэросила» и прошедшего госиспытания в 2013 году.

Комплекс создавался для использования в составе силовой установки с двигателем Д-27, мощностью 13500 л.с., самолета Ан-70 и обеспечивал максимальную тягу 12100кгс. В случае применения его с двигателем НК-12, мощностью 15000 л.с., можно ожидать получения максимальной тяги 13400кгс., т.е. почти в 1,45 раза больше располагаемой в настоящее время.

При соосном вращении саблевидных лопастей в разные стороны, совмещение положений  будет происходить не по прямой линии, как у АВ-60, а постепенно – по точке. Это снизит аэродинамический удар и уменьшит динамические нагрузки на двигатель и шум лопастей. Этому же способствует разное количество лопастей на переднем и заднем винтах.

Другими словами, успехи развития теории и практики лопаточных машин к которым относятся лопатки компрессоров и лопасти винтов, позволяют на базе двигателя НК-12, простого по конструкции и освоенного в производстве выйти на уровни тяг 13000кгс и перспективой роста до 15000 кгс с удельной экономичностью на уровне 0,25 кг/кгс х час, что определяется как лидерство.

Возникает вопрос с чего начать и как убедиться в возможностях на практике.

И корабль нам поможет.

Подобные условия эксплуатации соосных воздушных винтов характерны и для амфибийного корабля на воздушной подушке (АКВП) проекта «Джейран».  Компоновка энергоустановки ДТ4 на проекте такова, что приводной двигатель, аналогичный НК-12, находится в корпусе корабля, а мощность передается  на передний и задний винты по 7,5 тыс. л.с.  отдельными трансмиссиями, т.е. в сумме не превышающей возможности редуктора НК-12. Поэтому двигатель «защищён» от вредных вибраций совпадения четырёх прямых лопастей. Несмотря на более чем удовлетворительные тяговые характеристики винта АВ-92 (Ø 6,2 м, Р=14300кгс.) для АКВП, в дальнейшем на АКВП проекта «Зубр» был выбран авиационный вариант привода одинарного винта АВ-90 (Ø 5,5 м, Р=10000кгс.). При этом сумма тяг винтов «Джейрана» (полный вес 350 тонн, полезный груз – 80 тонн) составляет 28600кгс., уступая 1400 кгс. сумме тяг винтов в кольце «Зубра» (полный вес 550 тонн, полезный груз 150 тонн). Видимо, отказ от соосновращающихся винтов был неизбежен из-за громоздкой трансмиссии установки ДТ4 перенасыщенной редукторами (см. схему), которую упрощает применение редуктора НК-12

Сопоставление эксплуатационных проблем от соосновращающихся винтов в авиации и на амфибийных кораблях даёт повод сведения задач в комплекс и поиска системного решения по получению биротативного движителя.

Для целей исследования  модуля «НК-12 + СВ-27» (в дальнейшем «НК-12 ТВВД»), вне программ идущих на Ил-76ЛЛ и сохраняя паркТу-95, остановимся на одном из АКВП «Зубр», находящемся на Феодосийском заводе «Море» с неопределённым статусом и замещением среднего модуля энергоустановки М35 на «НК-12 ТВВД»

Проект АКВП «Зубр» выбран исходя из возможностей размещения модуля «НК-12 ТВВД» масса которого составит не более 4500кг против 9300кг модуля М35 в кольце и меньшего диаметра  СВ-27 (4,5м) по сравнению с диаметром АВ-90 (5,5м+кольцо). Эти возможности позволяют уменьшить высоту пилона и плеча приложения тяги и/или экспериментировать с тягами до 30000 кгс в располагаемых габаритах без реконструкции всей установки М35

Следующая из важнейших возможностей это режим крейсерских скоростей  на АКВП  25-35м/с, соответствующих начальному режиму «взлётный» в авиации с максимальной нагрузкой на винты. При сохранении М-35 можно обеспечить длительность крейсерского хода более 20 часов и используя реверс побортных движителей получить фактический чрезвычайный режим «НК-12 ТВВД» с сохранением проектной живучести корабля. С точки зрения продолжения экспериментов с модулем  «НК-12 ТВВД»  в интересах флота и авиации можно рассматривать и капотирование тянущих роторов диаметром до 5,5 метров. Как бонус от проекта «Зубр» для экспериментов надо учитывать корабельную конструкцию пилона внутри которого трапы обеспечивают доступ к любому двигателю во время работы. С практической точки зрения  проект «Зубр» может быть ремоторизован полностью под «НК-12» в количестве 4-5 двигателей на заказ с заменой осевых вентиляторов на центробежные. Для скоростей выше 35м/с длительное безопасное движение, вместо АКВП, склонных к эффекту зарывания, возможно на акваплане, движущемся на подводных крыльях и использующих экранный эффект.

История свидетельствует, что в интересах флота и развития противолодочной обороны (ПЛО) в акватории Черного моря проводились исследования аквапланов (см. фото) с достижением скоростей 150-160км/ч (<45м/сек)с двигателем АИ-20.

Можно вернуться к работам по грубому окрылению типового корабля на подводных крыльях с водоизмещением 100-200 тонн, но для гражданского назначения предложение от Зеленодольского ПКБ выглядит перспективней

Как вариант, модуль «НК-12 ТВВД» будучи установленным на акваплан, развитие которых тормозиться отсутствием эффективного движителя может быть подвергнут испытаниям на скоростях 45-55 м/с соответствующих скоростям отрыва режима «взлётный». Потолок приповерхностных скоростей около 100м/с для подтверждения надёжности модуля достигается на экраноплане «Орлёнок», где в качестве маршевого двигателя установлен НК-12.

При этом корабли, включая АКВП, акваплан и экраноплан, менее критичны к массе энергоустановки, чем самолёт и испытания можно проводить с действующим газогенератором НК-12, параллельно проводя обновление компрессора.

На приведённых аппаратах рассматривался  традиционный вариант НК-12 с передним отбором мощности в пределах 13500л.с., но в перспективе может возникнуть потребность в увеличении передаваемой мощности, ограниченной редуктором НК-12. В этом случае, трехвальный НК-93 обеспечит рост мощности до 20-25 тыс. л.с. с возможностью двухстороннего (вперед/назад) отбора мощности, реализованного в энергоустановке М73 украинского производства для АКВП «ACV-1».  Использование редуктора НК-12 или его модификации на другие передаточные отношения позволяют реализовать весь потенциал мощности НК-93 и так же первоначально испытать на АКВП «Зубр».

Таким образом, корабль позволяет проверить потенциал и двигателя НК-12 и редуктора НК-12 минимизируя все виды рисков с выходом на унифицированную ЭУ для трех видов кораблей скоростного флота.

Первым делом, первым делом …. экраноходы

Потребность в морском варианте «НК-12ТВВД» в первом приближении можно оценить в пределах 10% от всего выпуска НК-12 на серийном заводе (см. «Двигатель», №3, 2017г. «Морской НК-12 для амфибий. До востребования»). И только авиация может увеличить серию «НК-12ТВВД», если использовать конструкцию крыла Ту-95 для «окрыления-нео» старых фюзеляжей Ил-62, Ту-154/204/214 и новых фюзеляжей типа МС-21 в двухдвигательном исполнении. Это альтернатива двухдвигательным самолётам с ТРД/ТРДД и тягами двигателей в классе 12-16 тонн как вариант формирования спроса  и потребности «НК-12ТВВД» (см. «Двигатель», №5, 2017г, « Надежда отечества – крыло и мотор. Диверсификация.»).

Дополнением к обозначенным типам  могут быть самолёты Ил-76 и Ил-86/96 в четырёхдвигательном исполнении с «НК-12ТВВД» (см. фото моделей) как альтернатива ремоторизации этих самолётов под ТРДД в классе тяг 30-35 тонн (ПД-35).

Подробнее остановлюсь на Ил-86/96, имеющим диаметр фюзеляжа 6,02м как у грузового Ан-22, с задачей максимального сохранения исходной конструкции крыла. Взяв за основу расположение двигателей над крылом, как это сделано на Бе-103/40/200 и наработанную практику размещения двигателей на консолях, выходящих из фюзеляжа, как это сделано на Ил-62 в хвостовой части и на экраноплане «Лунь» в носовой части, получаем модель-демонстратор Ил-86 с частью крыла Ту-95 и «НК-12ТВВД». Переборка между крыльями решает задачу прокладки коммуникаций для питания и управления двигателями от базового крыла.

При этом оценки модели, характеристики продувок могут быть положительными, но практическое воплощение, следуя традициям, весьма рискованно. Здесь время вернуться к идее конверсии транспортных самолётов с ТВД в аппараты на воздушной подушке (АВП) (см. фото обложки). Идея впервые была высказана Бережным Игорем Александровичем в начале 80-х, а технической реализацией на самолётах Ан-24, Л-410, «Молния» занимался Игнатьев Владимир Васильевич уже в 90-х.

Реализация идеи предполагала наладить серийную конвертацию самолётов с ТВД, таких как Л-410, Ан-24/26/32/12/22 в АВП с взлетным весом 5-20-50-200тонн и круглогодичным использованием. АВП по замыслу должны были заменить вертолёты в летних условиях, автомобили на автозимниках в зимних условиях и суда на мелеющих реках в условиях арктической тундры

Так вот, до воплощения модели Ил-86 с ТВВД в реальный самолёт, можно создать АВП с конструктивным обликом будущего самолёта из имеющегося парка Ил-86. Размерность предполагаемого АВП будет в пределах рассматриваемого АКВП проекта «Зубр» с заимствованием типового гибкого ограждения и традиционным нагнетанием воздуха для создания ВП. Состав ЭУ должен включать 4 «НК-12» с компоновочным решением аналогичным компоновке проекта «Зубр», т.е. 2 двигателя на движение и 2 двигателя на ВП.

Весовая отдача АВП, создаваемого по авиационным технологиям, составит 50-60% в отличие от 25-30% весовой отдачи АКВП, созданных по судостроительным технологиям. При полном водоизмещении «Зубра»  около 550 тонн полный вес (водоизмещение) АВП будет в пределах 400 тонн с грузоподъёмностью 150-200 тонн и наличием Российского Речного Регистра (РРР). Имея способность преодолевать препятствия  типа вертикальная стенка высотой до 1,9 метра, всесезонную эксплуатацию, АВП становится связным в логистике между видами транспорта (авиация, ж/дорога, река) в условиях арктической тундры, низменной суши и пресноводных водоёмов по стандартам РРР.

Правильно называть такие АВП экраноходами, использующие эффект опоры на поверхность (экран) и скоростью хода в пределах судовых.

Мотор экономики

Прочитав подзаголовок, финансист скажет, что это деньги, имея ввиду формулу «деньги-товар-деньги». Первоначально и истинно «товар- деньги-товар». И простым переставлением всего двух слов можно менять смысл экономики. Деньги как средство обмена стали иметь свою цену, измеряемую в процентах кредита,  много больших чем за операционное обслуживание. И риск моторостроителя много выше, чем риск финансиста, приобретающего деньги Центробанка и продающего их в кредит. Всем необходимы гарантии, но надёжность сделки только в качестве товара. Есть товар свойства которого доказаны и существует его производство, возможность совершенствования производства и товара, способного улучшить качество транспорта и услуг, то с ним и надо экспериментировать и вкладывать в него деньги. Это о логистике маркетинга двигателя НК-12 и в большей степени о редукторе НК-12, способному двигателям «НК» вернуть будущее.

Как говорил известный советский писатель Юлиан Семёнов: «Кто контролирует прошлое – не растеряется в настоящем, не заблудится в будущем.»

 

 

 

Корабельный инженер-механик, кафедра КиПДЛА  Герасимов В.А.

Основная целевая задача «Ил-86 ТВВД»  заключается в реконструкции пассажирского в транспортный аналогичный Ан-22 и топливозаправщик для ВВС России. Во времена холодной войны ВВС США купили 732 коммерческих Б-707 и переоборудовали в авиатанкеры КС-135, которые на службе более 50-ти лет и на сегодня в строю 414 единиц. На замену поступают КС-46, переоборудованные из Б-767. Наш авиатанкерный флот, состоящий из Ил-78 и его модификаций не превышает 50-55единиц.