Специалисты давно пришли к единому мнению о том, что вертолетные двигатели - специфический вид техники, пути развития и совершенствования которых отличны по сравнению с теми ГТД, которые применяются в составе самолетных силовых установок. Длительная работоспособность двигателей в тяжелых условиях эксплуатации - одно из основных условий востребованности перспективных вертолетов. Это надо помнить уже при закладке проектов новых ТВ ГТД. И, тем не менее, перспективные вертолетные и самолетные двигатели, по крайней мере их газогенераторы, зачастую видятся проектировщикам созданными по одним и тем же принципам.
Вертолет был задуман именно для того, чтобы иметь возможность взлетать и садиться там, где не сможет этого сделать самолёт. Палубы кораблей, нефтяных платформ и лесные поляны, горные ущелья и пустынные барханы, край вспаханного поля и крыша высокого городского здания: все это - ВПП для вертолета. Площадка под взлет-посадку этой техники должна быть подготовлена в большинстве случаев минимально, а в случае крайней необходимости - и вообще не подготовлена. И во всех жизненных ситуациях вертолетный двигатель должен работать еще надежнее, чем у самолета: он - единственный источник силы, поддерживающей машину в воздухе.
Поскольку, в отличие от самолета, вертолет должен еще иметь возможность длительное время зависать над самой землей (часто - в облаке им же поднятой пыли), то важнейшей особенностью эксплуатации вертолетов всех типов является длительная работа при существенной запыленности воздуха, что не могло пройти мимо исследователей. Еще при создании первых отечественных массовых серий вертолетов были проведены исследования влияния запыленности [1]. Согласно им было установлено следующее:
концентрация пыли (f) вблизи втулки несущего винта составляет 0,05….0,20 г/м3 у вертолета, работающего "на привязи" на уровне земли и вблизи;
f = 0,20…0,25 г/м3 при полетах над ВПП на высотах 3…5 м со скоростью V =15 км/ч;
f = 0,05…0,10 г/м3 при полетах над ВПП на высотах 10…100 м со скоростями от 15 до 150 км/ч.
Работа вертолетного ГТД на запыленном воздухе вызывает загрязнение проточной части двигателя. Устойчивые загрязнения с отложением пыли в транспортных магистралях и на теплообменных поверхностях системы воздушного охлаждения могут приводить к различного рода дефектам конструкции и ухудшению газо- и термодинамических свойств этих элементов. При этом, учитывая, что частицы пыли (как бы мелки они не были) обладают абразивными свойствами, они вызывают еще и эрозионный износ элементов проточной части. Больше всего "достается" при этом компрессору и тонким каналам системы охлаждения лопаток турбины.
Можно выделить три поколения отечественных вертолетных ГТД.
Первое поколение. Двигатели ГТД-350, ТВ2-117А и Д-25В. В них окружные скорости на периферии осевых ступеней компрессора около 330 м/с, температура газа на выходе из камеры сгорания до 1200 К. Профили лопаточных ступеней в этих двигателях дозвуковые и массивные; система воздушного охлаждения "горячей" части практически не сформирована.
Второе поколение. Двигатели семейства ТВ3-117 и его модификация ВК-2500. Окружные скорости на периферии лопаточных ступеней практически здесь такие же, как и у первого поколения, температура газа на выходе из камеры сгорания несколько выше (до 1270 К). Основное отличие этих двигателей от двигателей первого поколения - "миниатюрность" профилей лопаточных ступеней, достигнутая благодаря новой технологии изготовления. В конструкциях этих машин уже имеется развитая система воздушного охлаждения соплового аппарата и дисков турбины.
Третье поколение. Двигатель РД-600В и проекты двигателей ТВ7-117В и ВК-800. Для двигателей РД-600В и ТВ7-117В окружные скорости на периферии осевых ступеней компрессора достигают 440 м/с, а температура газа на выходе из камеры сгорания - 1500 К. Профили компрессорных решеток сверхзвуковые с тонкими входными кромками. У двигателей имеется развитая система охлаждения горячей части, построенная по образу и подобию "больших" самолетных двигателей. Для двигателя ВК-800 характерно применение высоконапорного центробежного компрессора с окружной скоростью на выходе из колеса около 600 м/с. В этом двигателе температура газа на выходе из камеры сгорания до 1300 К, поэтому у него охлаждается только сопловой аппарат турбины.
Характерными представителями зарубежных вертолетных ГТД третьего поколения являются: Т700-GE700 (США), RTM.321 (объединение фирм Франции, Англии и Франции), Ardiden u Arrius (Франция), PW-127T/S и PW-207K (Канада), АИ-450 (Украина). Их конструкторские и технологические особенности не слишком сильно отличаются от применяемых в аналогичных отечественных конструкциях. Наши и иностранные разработчики идут в одном направлении, явно поглядывая друг на друга. Прорабатывается применение некоторых из этих двигателей на новых российских вертолетах: на Ка-226 - двигатели Arrius и АИ-450, на "Ансате" - двигатель PW207K (уже и применяется), на Ка-62 - двигатель Ardiden, на Ми-38 - двигатель PW-127T/S. Любопытно, что для армии НАТО, например, установлено 12 типов вертолетов, работающих в различных сегментах военных задач. Для наших ВВС такое разнообразие не характерно.
Рассматривая вертолетные ГТД с позиций их работоспособности при существенной запыленности воздуха, можно констатировать следующее.
Вертолеты Ми-2, Ми-8 и Ми-6 широко и массово эксплуатировались в различных районах земного шара с любых ВПП. В пределах гарантированных ресурсов 1000…1500 ч не отмечено досрочных съемов их двигателей по причинам эрозионного износа деталей проточной части или перегрева деталей из-за ухудшения охлаждения.
Вертолеты типа Ми-17 и Ми-24 с двигателями типа ТВ3-117 при эксплуатации в условиях запыленности могли отрабатывать гарантированный ресурс 1500 ч при приемлемых потерях мощности только при оборудовании вертолетов пылезащитным устройством (ПЗУ) со степенью очистки ηϕ около 0,70. При наличии на вертолете ПЗУ, досрочного съема двигателей ТВ3-117 из-за дефектов "горячей" части из-за превышения допустимой температуры не отмечено.
В связи с последним полезно обратиться к опыту эксплуатации танкового ГТД-1250, который имеет такие же параметры цикла и такую же конструкцию системы воздушного охлаждения, как и двигатель ТВ3-117, но постоянно эксплуатируется при высокой запыленности воздуха. Разборка поступивших из эксплуатации двигателей ГТД-1250 на серийном заводе показывала, что при нормальной работе ПЗУ детали проточной части компрессора имели незначительный эрозионный износ, но полости системы воздушного охлаждения были заполнены отложениями пыли. Тем не менее, то, что это не сказалось критически на состоянии машины, свидетельствует о том, что в том числе и для тяжелых условий эксплуатации двигателей ТВ3-117 и ГТД-1250, имевшаяся система воздушного охлаждения является даже избыточной, и ухудшение качества охлаждения не сильно влияет на длительную работоспособность.
Отечественный опыт эксплуатации вертолетов с двигателями третьего поколения в условиях существенной запыленности воздуха отсутствует. По-видимому, США имеют достаточно обширные сведения по этому вопросу (на основании эксплуатации двигателей семейства T700-GE700), но эта информация не раскрывается. Имеются некоторые экспериментальные данные, позволяющие прогнозировать работоспособность двигателей третьего поколения на запыленном воздухе.
Эрозионный износ осевых ступеней компрессора при умеренных окружных скоростях исследован в работе [2]. Показано, что износ лопаток по массе пропорционален суммарному количеству пропущенной пыли. При этом, чем пыль крупнее, тем износ больше. Для исследованного диапазона скоростей соударений частиц пыли с лопатками 77…260 м/с износ пропорционален относительной скорости потока в степени 2,8.
В 1978-1983 гг. проводилась отработка на запыленном воздухе отечественного танкового ГТД. Этот двигатель по схеме проточной части, параметрам цикла, нагруженности лопаточных ступеней и размерности аналогичен двигателю РД-600В. Для отработки комплекса противопыльных мероприятий было задействовано 12 опытных двигателей. Эти двигатели имели конструкцию, 300-часовой ресурс которой был подтвержден соответствующим объемом стендовых испытаний на чистом воздухе. Была поставлена задача: обеспечить работоспособность двигателя в течение 50 ч непрерывной работы на запыленном воздухе при концентрации пыли f = 0,030…0,035 г/м3 с размерами частиц менее 6…8 мкм (такая картина имеет место при прохождении через ПЗУ со степенью очистки ηf = 0,98 воздуха запыленностью f = 2,5 г/м3 ).
На протяжении 50-часовых испытаний [4] через двигатель проходит около 20 кг пыли. Наилучший результат выглядит следующим образом: при условии постоянства температуры газа на выходе из камеры сгорания мощность снизилась на 15,7%, удельный расход топлива вырос на 9%, расход воздуха на охлаждение диска и рабочих лопаток первой ступени турбины снизился на 30%, неравномерность температурного поля выросла с 65 до 130 °С. Осмотр с помощью эндоскопа проточной части показал, что на ряде сопловых лопаток первой ступени турбины имеет место обгорание и раскрытие выходных кромок.
В рамках сертификационных испытаний нового двигателя, который планируется использовать как в самолетном (турбовальном), так и вертолетном вариантах были проведены испытания на запыленном воздухе его газогенератора [4]. Длительность испытаний 50 часов, подача запыленного воздуха периодическая при концентрации на входе в компрессор f = 0,10 г/м3, пыль "мелкая АС" по военному стандарту США, общее количество поданной пыли 5,5 кг.
В результате испытаний выяснилось, что имеется эрозионный износ на периферии рабочих лопаток всех пяти осевых ступеней компрессора, причем на пятой ступени износ составляет 10% от хорды. На входных кромках рабочих лопаток центробежного колеса и на входных кромках лопаток диффузора также имеется износ до 1,0 мм. На жаровой трубе камеры сгорания обнаружены отдельные прогары размером до 12x15 мм. На нескольких сопловых лопатках первой ступени турбины замечено выгорание выходных кромок, а также внутренних полок и спинок лопаток. В процессе испытаний расход охлаждающего воздуха через рабочие лопатки первой ступени турбины уменьшился на 10%.
Приведенные данные с высокой вероятностью свидетельствуют о том, что при работе на запыленном воздухе надежность и работоспособность вертолетных ГТД третьего поколения будет низкой как из-за эрозионного износа деталей компрессора, так и из-за ухудшения характеристик системы воздушного охлаждения. Кроме того, в отличие от достаточно отработанной диагностики эрозионного износа компрессора, диагностирование системы воздушного охлаждения при запыленности воздуха представляется проблематичным. Естественно, приведенные выводы не относятся к машинам, эксплуатирующимся с малозапыленных площадок, кораблей, нефтяных платформ, аэродромов высокой классности и т.п. Там существенной разницы в ресурсных характеристиках между самолетными и вертолетными двигателями нет, а следовательно на них никакие эксплуатационные ограничения, связанные с чистотой воздуха, не налагаются.
В работе [5] был сделан прогноз количества пыли, которая пройдет через двигатель вертолета Ми-28 за межремонтный ресурс 1050 ч. Условия оценки: длительность обобщенного полетного цикла 38 мин.; длительность работы двигателя в условиях запыленности (вблизи земли) составляет 12% от цикла; запыленность воздуха на входе ПЗУ f = 0,10 г/м3; степень очистки воздуха в ПЗУ принималась равной ηf = 0,65 и ηf = 0,85. Согласно этому прогнозу при ηf = 0,65 через двигатель пройдет 76 кг пыли, а при ηf = 0,85 - всего 33 кг.
Для двигателя вертолета Ми-38 аналогичный прогноз при межремонтном ресурсе 1000 ч (длительность обобщенного полетного цикла 40 мин., длительность работы двигателя в условиях запыленности составляет от цикла 20%) дал следующий результат: при ηf = 0,65 через двигатель должно пройти 130 кг пыли, а при ηf = 0,85, соответственно - 56 кг.
Приведенные данные с довольно высокой вероятностью свидетельствуют о том, что вертолеты с ГТД третьего поколения могут успешно эксплуатироваться только на свободных от пыли ВПП. Следовательно, для аэродромов северной полосы, а также для машин морского базирования вопросов по запыленности к двигателям новых поколений при эксплуатации, скорее всего, не ожидается. Но представляется весьма сомнительным, что вертолеты с ГТД третьего поколения найдут спрос на рынках Азии, Африки и Южной Америки. Для наших вертолетостроителей это весьма существенно, поскольку эти территории - традиционные области их экспорта.
Целью освоения высоких параметров цикла и высоконагруженных лопаточных ступеней в вертолетных ГТД третьего покления было снижение массы, габаритов и удельных расходов топлива. Однако сопоставление основных данных вертолетных ГТД второго и третьего поколений (как зарубежных, так и отечественных) свидетельствует о том, что применяемыми методами эти цели не достигнуты. Так, например, двигатель ВК-2500 при мощности взлетного режима 1764 кВт (2400 л.с.) имеет сухую массу 295 кг и удельный расход топлива 0,294 кг/кВт•ч (0,215 кг/л.с.•ч). Двигатель ТВ7-117В (по проекту) при мощности взлетного режима 1838 кВт (2500 л.с.) имеет массу 407 кг и удельный расход топлива 0,283 кг/кВт•ч (0,208 кг/л.с.•ч). Причина в том, что при высоких параметрах цикла и высоконагруженных лопаточных ступенях существенно снижается к.п.д. основных узлов. В двигателе ВК-2500 к.п.д. компрессора 87%, а турбины его привода 90%. В двигателе ТВ7-117В к.п.д. компрессора 80%, турбины его привода - 88%. Примерно, такие же соотношения имеют место при сопоставлении двигателей ТВД-20 и ТВД-1500 (в котором используется тот же газогенератор и силовая турбина, что и в двигателе РД-600В).
В свете изложенного можно предположить, что для сохранения многоцелевого назначения и экспортного потенциала новых отечественных вертолетов представляется рациональным разрабатывать двигатели с параметрами цикла и нагруженностью лопаточных ступеней, свойственными двигателям второго поколения. Перспективные работы должны, вероятно, проводиться в области поиска новых материалов холодной и горячей частей, совершенствования ПЗУ и камер сгорания. При проектировании новых машин с использованием современных технологий необходимо учитывать специфику воздействия пыли как на рабочий процесс, так и на возможное изменение геометрических размеров деталей проточной части. Иначе говоря, эти двигатели должны быть работоспособны при существенной запыленности воздуха практически на протяжении всего заявленного ресурса.
Литература
Гинзбург Л.Е., Никитин Е.И. Исследование запыленности воздуха вблизи вертолетов Ми-1 и Ми-4 в эксплуатационных условиях. Сборник статей "Вертолетные газотурбинные двигатели". М.: Машиностроение, 1966 г.
Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступеней при работе на запыленном воздухе. Сборник статей "Вертолетные газотурбинные двигатели", М.: Машиностроение, 1966 г.
Результаты стендовых испытаний изделия 37-0250 в составе моноблока силовой установки изделия 219А. Технический отчет № 833206/37. ВНИИТМ. 1983 г.
Комплекс мероприятий, обеспечивающих эксплуатацию двигателя ТВ7-117С в условиях запыленного воздуха в соответствии с ОУЭ. Справка № 65-45-93. ОАО "Климов".
Фактор запыленности воздуха как решающий при определении облика перспективного вертолетного ГТД. Техническая справка № 13286. ЦИАМ им. П.И. Баранова. 2007 г.
Юрий Добряков
От редакции
Наш журнал не практикует размещение комментариев на проблемные научные статьи до выхода их в печать. Однако автором, длительное время работавшим в ЦИАМ в отделе малоразмерных ГТД, было поставлено обязательное условие: получить рецензию специалистов этого института. В связи с этим рецензия приводится ниже.
В статье абсолютно правильно акцентируется внимание на необходимости при проектировании новых вертолетных двигателей учитывать фактор запыленности воздуха, засасываемого двигателем при его работе на вертолете.
Предложение автора ограничить параметры рабочего цикла новых вертолетных ГТД уровнем, достигнутым для II поколения этих двигателей, является неконструктивным. Отечественное авиадвигателестроение к настоящему времени уже имеет значительный за дел, на базе развития и реализации которого возможно создавать новые эффективные и надежные вертолетные двигатели, превосходящие по своим удельным показателям ГТД II и III поколений, с учетом реальных условий их работы на вертолетах.
Л.С. Рысин, ведущий научный сотрудник ЦИАМ, к.т.н.
