Вспомогательная силовая установка

В современной и перспективной практике гражданского и военного самолётостроения на летательных аппаратах (ЛА) предполагается наличие вспомогательных силовых установок (ВСУ). Традиционно это газотурбинные установки с приводными генераторами и отборами воздуха от служебного компрессора или компрессора газогенератора.
ВСУ используются в первую очередь как источники электроэнергии и сжатого воздуха для питания энергопотребителей, систем кондиционирования и запуска на наземных этапах эксплуатации для экономии ресурса маршевой силовой установки (МСУ). В полёте ВСУ используется, как правило, как резервный источник электроэнергии и сжатого воздуха (включается только в случае возникновения отказов в системах электроснабжения, кондиционирования и регулирования давления, запуска МСУ, а также в случае выключения одного или нескольких двигателей МСУ). В зависимости от размерности ЛА и его назначения электрическая мощность ВСУ такого назначения составляет от 50 до 135 кВт, производительность по сжатому воздуху достигает 2,5 – 3 кг/с при давлении в отборе 4 – 5 ата. В ряде перспективных проектов ЛА, называемых «более электрическими», предполагается использование ВСУ на протяжении всего полёта для генерирования электроэнергии. Такой подход энергетически более выгоден, чем отбор механической мощности от МСУ с последующей трансформацией её в электроэнергию. Вместе с тем, авиационные газотурбинные ВСУ являются надёжным и технологичным в эксплуатации источником энергоснабжения. Их можно с успехом использовать в наземных энергетических установках. Перспективные требования к самолётам гражданской и военной авиации требуют поиска путей существенного увеличения топливной эффективности ЛА в целом.

Одним из основных резервов для достижения этих целей является комплексное повышение эффективности силовой установки (маршевой и ВСУ) как источника вторичной (после создания тяги) мощности для потребителей борта. Естественным путём является повышение топливного КПД самой газотурбинной ВСУ. Это традиционные способы оптимизации рабочего процесса, в том числе, рекуперация энергии путём теплообмена отходящих газов и воздуха за компрессором, повышение КПД узлов, применение более эффективных схем генерирования, а также применение безмасляной трансмиссии на основе газовых или электромагнитных опор. Все эти мероприятия опробованы на наземных газотурбинных энергетических установках и однозначно приводят к повышению топливной эффективности. Достигнутый на отдельных образцах наземных малоразмерных ГТУ топливный КПД по генерации электроэнергии составляет 33-34 % при соблюдении жёстких норм по токсичности выхлопа. Достигнутые ресурсы намного превышают требуемые для применения в авиации. Сокращение удельной массы и объёма ВСУ при внедрении указанных выше технических решений может составить до 20 %. Дальнейшее совершенствование с применением традиционных технических решений крайне затруднительно. Выход видится в переходе к роторным машинам с гибридным термодинамическим циклом.

При проектировании ГТД/ВСУ в компании изначально используется подход, ориентированный на применение аддитивных технологий. Технология 3D-печати с последующим упрочнением отпечатанных конструкций методом прессования при высокой температуре (1000ºС) применяется в проекте для изготовления колес турбины, компрессоров, камеры сгорания. Это позволило облегчить конструкцию данных узлов на 40-60% при сохранении их механических характеристик на уровне деталей, получаемых традиционными методами штамповки и последующей механической обработки. Испытания экспериментальных образцов подтвердили заявленные характеристики.  Указанные выше особенности конструкции позволили уменьшить размеры и массу ГТД по сравнению с представленными на рынке газотурбинными энергетическими комплексами сравнимой мощности примерно в полтора раза.

Также, используется полностью безмасляная трансмиссия на воздушных подшипниках. На легких ВСУ и турбокомпрессорах применяются оригинальные отечественные лепестковые газодинамические подшипники, на тяжелых — гибридные газовые статодинамические подшипники с рекордными характеристиками по несущей способности. Технология гибридных газовых подшипников с 2013 г. разрабатывается ООО «ЦТТ «Кулон» и в настоящее время доведена до состояния экспериментальных образцов с несущей способностью до 300 кг и частотой вращения ротора до 100 тыс. об/мин. Применение воздушной трансмиссии позволяет отказаться от масла, уменьшить размеры и массу ГТД примерно на одну треть и делает ресурс подшипников практически неограниченным.

2018г