ПД-8 инновационный двигатель в размерности SaM146

Переход от SaM146 к ПД-8 потребовал разработки нового двигателя с сохранением существующей компоновки силовой установки SSJ100. По основным габаритным параметрам двигатели близки: диаметр вентилятора ПД-8 составляет 1228 мм, SaM146 – 1224 мм, степень двухконтурности – соответственно 4,4 и 4,43. Однако одинаковая размерность не означает технологической и конструктивной преемственности, разработчикам ПД-8 пришлось создать собственный газогенератор и применить новые технические решения в компрессоре, камере сгорания и турбине.

Сохранение аэродинамической схемы SSJ100 имело значение и для выбора параметров новой силовой установки. Крыло и планер формируют аэродинамическое сопротивление самолёта, которое определяет потребную тягу в крейсерском полёте. Поэтому характеристики ПД-8 закладывались с учётом уже существовавшей аэродинамической компоновки SSJ100. При этом близкая степень двухконтурности сама по себе не объясняет топливную эффективность двигателя: она зависит от согласованной работы всех узлов газогенератора и турбовентиляторного контура.

Почему ПД-8 создавали в размерности SaM146

При разработке SJ-100 требовалось сохранить основные конструктивные решения крыла и планера Superjet 100. Это ограничивало возможности изменения компоновки силовой установки и задавало требования к габаритам нового двигателя. В результате ПД-8 проектировали с учётом существующей мотогондолы и аэродинамической схемы самолёта.

Потребная тяга силовой установки определяется аэродинамическим сопротивлением самолёта в заданном режиме полёта. Характеристики двигателя должны обеспечивать необходимую тягу с учётом требований к взлёту, набору высоты и крейсерскому полёту. У Superjet 100 этому соответствует крыло с высоким аэродинамическим качеством. В подкасте Московского авиационного института «Как это работает» заместитель управляющего директора ПАО «Яковлев» – директор филиала «Региональные самолёты» Александр Долотовский рассказал, что коэффициент удлинения исходного крыла составляет почти 10, а при расчёте по трапеции немного превышает эту величину.

Крыло проектировали совместно со специалистами Центрального аэрогидродинамического института. В его конструкции применили суперкритические аэродинамические профили пятого поколения, рассчитанные на крейсерские числа Маха 0,78-0,79. Такие профили позволяют ограничивать рост волнового сопротивления на больших дозвуковых скоростях. Дополнительное снижение индуктивного сопротивления обеспечили саблевидные законцовки – сайберлеты. По оценке Александра Долотовского, выигрыш в топливной эффективности от их установки превышает 4%.

Аэродинамические характеристики самолёта позволили сохранить силовую установку сравнительно небольшой размерности. Это обстоятельство стало одним из исходных условий при создании ПД-8: двигатель должен был обеспечить требуемую тягу, сохранив габариты, близкие к SaM146, и вписаться в существующую компоновку Superjet 100.

ПД-8 – самостоятельная конструкция, а не уменьшенный ПД-14

Размерность газогенератора ПД-8 определяли с учётом требований к силовой установке Superjet. Этот вопрос обсуждался в ОДК ещё до начала основной стадии разработки двигателя. В интервью РИА Новости на авиасалоне МАКС-2019 заместитель генерального директора – генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин пояснил, что расход воздуха через внутренний контур будущего двигателя должен быть меньше, чем у ПД-14. Следовательно, для ПД-8 требовался газогенератор меньшей размерности, рассчитанный на другой расход воздуха и другую тягу.

Параметры ПД-14 нельзя было просто перенести на двигатель для Superjet. У ПД-14 и ПД-8 различаются размерность, степень двухконтурности и суммарная степень повышения давления. Эти показатели определяются требованиями к конкретной силовой установке и связаны с расходом воздуха, параметрами рабочего процесса и тягой двигателя. Поэтому ПД-8 получил собственную конфигурацию газогенератора.

Сопоставление опубликованных характеристик ПД-8 и SaM146 показывает, насколько близки их основные размерные параметры и какие различия заявлены по рабочим характеристикам.

Параметр	ПД-8	SaM146
Диаметр вентилятора, мм	1 228	1 224
Степень двухконтурности	4,4	4,43
Суммарная степень повышения давления	28	27,53-27,97
Удельный расход топлива на крейсерском режиме, кг/(кгс·ч)	0,61	0,63
Сертификат типа	FATA 010108E, 28 мая 2026 г.	Data Sheet No. E.034, Issue 10, 11 July 2022.

По диаметру вентилятора и степени двухконтурности ПД-8 практически соответствует SaM146. Близки и опубликованные значения суммарной степени повышения давления. Это подтверждает, что ОДК создала двигатель в той же размерной категории, сохранив основные ограничения компоновки самолёта. Вместе с тем эти параметры не раскрывают конструкцию газогенератора и не позволяют сами по себе оценить его эффективность.

Что ОДК использовала из программы ПД-14

Преемственность ПД-8 и ПД-14 связана прежде всего с научно-техническим и производственным заделом, созданным при разработке старшего двигателя. Речь идёт о методах газодинамического расчёта, опыте проектирования компрессоров и турбин, технологиях изготовления деталей горячей части, а также о подходах к обеспечению их прочности и ресурса. Использование этого задела позволило опереться на уже освоенные инженерные методы и производственные компетенции. Геометрия и рабочие параметры узлов ПД-8 при этом определялись требованиями двигателя меньшей размерности.

Для ПД-8 требовалось согласовать характеристики компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления с заданным расходом воздуха и температурным режимом. От эффективности этих узлов зависит, какая часть энергии топлива превращается в полезную работу турбины и сколько воздуха необходимо отбирать для охлаждения её наиболее нагруженных деталей. Поэтому оценивать газогенератор только по степени повышения давления недостаточно: важны также КПД компрессора и турбины, потери давления в камере сгорания, температура газа перед турбиной и эффективность системы охлаждения.

Эта инженерная задача рассматривается в научной работе специалистов АО «ОДК-Климов» «Теория оптимального газогенератора газотурбинного двигателя». Авторы используют эффективный коэффициент полезного действия термодинамического цикла в качестве целевой функции оптимизации и учитывают потребную глубину охлаждения турбинных лопаток как одно из ограничений. Работа не содержит расчётов конкретно для ПД-8, но показывает, почему при проектировании газогенератора необходимо искать согласованное сочетание характеристик его узлов, а не добиваться максимального значения одного параметра.

Новые технологии горячей части и снижение потерь

По данным ОДК, при создании ПД-8 внедрили 25 критических технологий, 17 из которых разработали впервые. Одно из наиболее сложных решений – сверхзвуковая ступень турбины высокого давления. По информации разработчика, давление газа в этой ступени уменьшается в четыре раза относительно входного значения. Это характеризует значительный перепад давления, который реализуется в турбинной ступени. Для оценки влияния такого решения на КПД двигателя необходимы дополнительные данные о параметрах потока и потерях в проточной части, которые в открытых материалах не приводятся.

Для рабочих лопаток турбины высокого давления и сопловых аппаратов разработали новые жаропрочные материалы на основе никелевых сплавов. Они должны сохранять необходимые свойства при высоких температурах и значительных механических нагрузках. Материалы работают совместно с системой охлаждения, которая отводит тепло от наиболее нагруженных элементов горячей части.

Повышенная жаропрочность расширяет возможности выбора температурного режима газогенератора, но сама по себе не гарантирует снижения расхода топлива. Для этого необходимо учитывать температуру газа перед турбиной, эффективность преобразования его энергии в механическую работу и количество воздуха, отбираемого на охлаждение лопаток. Чем рациональнее организовано охлаждение, тем меньше его влияние на основной газовый поток и рабочий процесс двигателя.

Ещё одно направление повышения эффективности турбины – уменьшение радиальных зазоров между рабочими лопатками ротора и элементами статора. Через эти зазоры часть газа перетекает, не совершая полезной работы на лопатках. Сокращение утечек позволяет полнее использовать энергию рабочего тела. В ОДК прямо связывают применение минимальных радиальных зазоров с повышением эффективности турбины и снижением удельного расхода топлива.

Поддержание малых зазоров требует высокой точности изготовления и контроля деталей. При работе двигателя ротор и корпус нагреваются и расширяются, поэтому конструкция должна учитывать изменение геометрии узлов на разных режимах. Зазор необходимо уменьшить настолько, чтобы ограничить перетекание газа, сохранив безопасное расстояние между вращающимися и неподвижными элементами.

Новые жаропрочные сплавы, система охлаждения и точное управление радиальными зазорами решают взаимосвязанные задачи. Материалы и охлаждение обеспечивают работоспособность турбины при высоких температурах, а сокращение перетекания газа уменьшает потери в проточной части. В совокупности эти решения создают условия для повышения эффективности горячей части двигателя. Однако открытые данные не позволяют определить количественный вклад каждого из них в снижение удельного расхода топлива ПД-8.

Что показывают опубликованные значения расхода топлива

В технических характеристиках ОДК крейсерский удельный расход топлива ПД-8 указан на уровне 0,61 кг/(кгс·ч). Для SaM146 приводится значение 0,63 кг/(кгс·ч). Формальная разница составляет около 3,2% в пользу российского двигателя.

Это сопоставление указывает на улучшение заявленной характеристики ПД-8, но не позволяет установить, за счёт каких именно конструктивных решений оно достигнуто. Для корректного сравнения необходимы одинаковые условия определения удельного расхода: высота полёта, число Маха, тяга, температура наружного воздуха и методика измерений. Полного набора таких данных разработчики в открытых технических материалах не публикуют. Поэтому разницу в 3,2% следует рассматривать как сравнение опубликованных значений, а не как подтверждённый результат сравнительных испытаний двух двигателей в одинаковых условиях.

ПД-8 создавался в размерности SaM146 с учётом компоновочных ограничений Superjet 100. При этом ОДК разработала собственный газогенератор, использовала научно-технический задел программы ПД-14 и внедрила новые технологии в горячей части двигателя. Опубликованные характеристики показывают близость основных размерных параметров ПД-8 и SaM146 и более низкое заявленное значение крейсерского удельного расхода российского двигателя.

Андрей Величко
для сайта «Авиация России»

aviation21

comments powered by Disqus