На выставке МАКС-2019
На выставке авиасалона МАКС летом 2019 года ООО «ПЛ «Турбомашины» представила свою разработку по направлению НТИ-Аэронет, полнороазмерный рабочий прототип ВСУ-100 для аэротакси. Работа была выполнена в кооперации с Университетом ИТМО и БГТУ «ВОЕНМЕХ».
Вспомогательная силовая установка – вспомогательный источник энергии на транспортном средстве, не предназначенный для приведения средства в движение. В ее задачи входит запуск основного двигателя и обеспечение самолета энергией на стоянках. Различные виды ВСУ устанавливаются на самолёты, а также на некоторые большие наземные и морские транспортные средства.
«Турбомашины» с 2012г активно ведут разработки в этой области и на сегодняшний день выделяют следующие главные научно-технические подпрограммы:
− Высокоскоростные роторы турбомашин с воздушными подшипниками;
− Аддитивные технологии печати лопаточных машин без потери механических характеристик по сравнению с традиционной технологией штамповки и механической обработкой;
− Увеличение эффективности сжигания органического топлива;
− Эффективные численные методы, включая расчеты течений с низким числом Рейнольдса, расчеты ударно-волновых процессов, детонации, горения, вихревых жгутов.
Усилия по указанным направлениям сосредоточены в рамках проекта по созданию Платформы распределенных силовых установок. В результате реализации этого проекта будут созданы масштабируемые решения, позволяющие быстро разрабатывать «под заказ» силовые установки для воздушных судов, включая наборы узлов малых газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания генераторов электрического тока, системы управления, газодинамические, электрические и механические трансмиссии и др. Научным результатом выполнения проекта должно стать освоение технологий эффективного производства и преобразования энергии с рекордными удельными показателями, включая возможность использования в качестве топлива синтез-газа или смеси природного газа с водородом. Коммерческим результатом проекта должно стать эффективное производство двигателей, энергетических установок, технологических машин, а также сервисов по оперативной разработке силовых установок «под заказ».
Основные эффекты реализации проекта РСУ для участников рынка: Платформа РСУ основывается на сквозных технологиях, применимых не только на воздушных судах, но и в наземных распределенных энергетических системах, на автомобильном и водном транспорте. Платформенный подход — быстрый вывод на рынок продуктов, созданный под требования конкретного заказчика.
Применение высокоскоростных роторов и воздушных подшипников с рекордными характеристиками позволяет отказаться от системы масляной смазки и уменьшить габариты примерно в 1,5 раза. Применение аналитических методов оптимизации газодинамических течений, силовых конструкций обеспечивают высокие удельные параметры лопаточных машин, что повышает КПД двигателей.
Предполагается, что будет достигнут уровень экономичности дизельных двигателей, при меньшей массе, стоимости и сложности силовой установки. Применение технологий управления горением, а также комбинированных термодинамических циклов позволит существенно снизить уровень вредных выбросов, не только по сравнению с дизельными двигателями, но по сравнению с существующими микротурбинами. Отказ от систем масляной смазки снизит эксплуатационные расходы и повысит пожаробезопасность.
Потребуется отработка всех основных элементов: планера, движителей, турбогенератора, электрического синхронного генератора, инвесторов, силовых контроллеров, биротативных высокобортных электрических двигателей. К настоящему моменту выполнены работы по обоснованию концепции. Это позволило заявить системообразующий проект по разработки платформенного решения в области распределенной силовой установки, интегрированной с планером летательного аппарата.
Создан прототип дожимной ступени турбокомпрессора
Проектом компании является разработка и освоение в производстве турбогенераторов для силовых установок летательных аппаратов с электрической трансмиссией, с применением технологии ударно-волнового компрессора.
Текущий статус проекта: разработана теория оптимальных ударно-волновых структур. Выполнены оценочные расчеты, позволяющие сформировать технический облик компактных турбогенераторов (КТГ) в диапазоне эквивалентной мощности от 8 кВт до 2 МВт (электрическая мощность на выходе или мощность на валу). Разработана концепция применения волнового компрессора в малогабаритном высокооборотном газотурбинном двигателе для беспилотных летательных аппаратов, а также в составе газотурбинной энергетической установки.
Технологические ограничения ступени волнового компрессора, сжимающей воздух в оптимальной системе бегущих ударных волн, таковы, что она может работать только с предварительно сжатым потоком воздуха. В связи с этим ООО «ПЛ «Турбомашины» был разработан прототип дожимной ступени турбокомпрессора, снабжающей ступень волнового компрессора сжатым воздухом с заданными параметрами. Ступень представляет собой специально спрофилированное центробежное лопаточное колесо с расширяющимся диффузором, вращающееся в газовых подшипниках.
Целью создания прототипа является проведение испытаний ступени волнового компрессора на рабочих режимах.
Работа выполнена при поддержке Некоммерческой организации Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд «Сколково») по Соглашению о предоставлении микрогранта № 40113/07003/0947-2018 от 21 ноября 2018 г.
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
Разработан прототип высокооборотного шпиндельного узла
Проектом компании является разработка и освоение в производстве турбогенераторов для силовых установок летательных аппаратов с электрической трансмиссией, с применением технологии ударно-волнового компрессора.
Текущий статус проекта: разработана теория оптимальных ударно-волновых структур. Выполнены оценочные расчеты, позволяющие сформировать технический облик компактных турбогенераторов (КТГ) в диапазоне эквивалентной мощности от 8 кВт до 2 МВт (электрическая мощность на выходе или мощность на валу). Разработана концепция применения волнового компрессора в малогабаритном высокооборотном газотурбинном двигателе для беспилотных летательных аппаратов, а также в составе газотурбинной энергетической установки. Готовятся исследовательские испытаний ступени волнового компрессора.
В качестве альтернативы традиционным решениям, применяемым в турбомашинах, предлагается использовать вместо нескольких осевых или центробежных ступеней компрессора принципиально новое устройство — волновой компрессор, сжатие в котором происходит в оптимальной системе бегущих ударных волн. ООО ПЛ «Турбомашины» реализует прототип высокооборотного шпиндельного узла для осуществления привода волнового компрессора. Привод должен вращать ступень на закритических угловых скоростях и при этом обладать достаточной жесткостью опор, чтобы гасить колебания, осевые и радиальные нагрузки.
Целью создания прототипа является проведение испытаний ступени волнового компрессора.
Работа выполнена при поддержке Некоммерческой организации Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд «Сколково») по Соглашению о предоставлении микрогранта от от 15 ноября 2017 г. № 40104/07003/0844-2017.
Технология оптимального проектирования турбомашин
Технология оптимального проектирования турбомашин подразумевает под собой целый комплекс исследований, включающих разработку методов конструирования компрессоров и турбин с максимальным КПД. На сегодняшний момент задача оптимизации решается последовательной разработкой многих-многих вариантов и попыткой найти среди них лучшие. И сейчас это в значительной степени — решение старой задачи, но на новом уровне, с использованием вычислительных пакетов, повторение традиционного подхода, когда много пробных экземпляров изготавливается и из них выбирается лучший. Специалистами ООО «ПЛТМ» развивается метод сразу оптимального проектирования, разработана методика геометрического проектирования, прочностного проектирования, достижения сразу глобального оптимума, глобального наилучшего для заданного техническим заданием изделия, в условиях многих ограничений. Отдельно большая работа ведется по топологической оптимизации, то есть с ориентацией на применение аддитивных технологий, на создание более легких структур колес компрессора и микротурбин, установок, что потенциально поможет их охлаждать, то есть заранее повысить параметры проектируемых изделий, поскольку КПД установки напрямую зависит от температуры и от давления перед турбиной. Нам эти параметры необходимо увеличить примерно в четыре раза, что традиционным методом невозможно, не выдерживают материалы. Необходимы либо новые материалы либо находить условия охлаждения этих элементов. В частности, мы проводили большую серию математического моделирования на модельных задачах, и теплообмен в каверне – это один из примеров решения модельной задачи, которые позволяет использовать эти результаты для рабочего проектирования изделий.
О современном подходе к проектированию беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с коротким взлетом и посадкой
Настоящая публикация посвящена актуальным задачам проектирования беспилотных летательных аппаратов следующего поколения, появления которых стоит ожидать в период с 2025 г. по 2035 г. Одной из них является концептуальное аэродинамическое проектирование летательных аппаратов с коротким взлетом и посадкой, имеющих на крейсерском участке полета технико-экономические характеристики не хуже, чем у традиционных воздушных судов, базирующихся на аэродромах с длинными взлетно-посадочными полосами. Рассмотрены традиционные линейные методы анализа аэродинамической схемы, а также весовой анализ. Приведены основные соотношения и ссылки на работы, позволяющие выполнить параметрический анализ аэродинамической компоновки. Рассмотрены простые и эффективные аналитические, полуэмпирические и численные методы, основанные на идеях вихревой несущей поверхности, позволяющие выполнять полноценный параметрический анализ летательных аппаратов, имеющих весьма сложную аэродинамическую форму крыла. Приведены примеры расчетов прямого, стреловидного и треугольного крыла малого, умеренного и большого удлинения. Изучен вопрос, связанный с реализацией подсасывающей силы и ее вихревого аналога. Сделан вывод, что одним из самых перспективных направлений в области летательных аппаратов с коротким взлетом и посадкой является разработка аэродинамических схем построенных по типу «летающее крыло» малого удлинения и большой строительной высоты.
Полный текст статьи можно прочитать в Вестнике ИТМО.
Теплообмен в каверне с вращающимся диском в турбулентном режиме
Рассмотрено решение задачи о турбулентном течении в каверне с вращающимися диском, которое является моделью двухстороннего упорного осевого подшипника, а также других важных элементов турбомашин, например, лабиринтных уплотнений лопаточного венца ступени осевого компрессора. Метод исследования. Характеристики течения и теплообмена исследованы в зависимости от относительной величины зазора между неподвижным корпусом и вращающимся диском и значения числа Рейнольдса. Проведено сравнение локальных и интегральных характеристик потока, полученных на основе различных моделей турбулентности, с данными физического эксперимента. Основные результаты. Структура течения и характеристики теплообмена исследованы в зависимости от относительной величины зазора между неподвижным корпусом и вращающимся диском и значения числа Рейнольдса. Сравнение локальных и интегральных характеристик потока с данными физического эксперимента показало, что наилучшее согласование дает применение k–ε модели с поправками Като–Лаундера для члена производства турбулентности и поправками на кривизну линий тока, а также двухслойная k–ε/k–l модель турбулентности.
Применение модели турбулентности Спаларта–Аллмареса и модели переноса рейнольдсовых напряжений приводит к существенным погрешностям при расчете распределения теплового потока по поверхности статора. Практическая значимость. Рассмотренная задача является модельной и позволяет сделать вывод о применимости тех или иных моделей течения и моделей турбулентности в таких узлах компрессорной и газотурбинной техники, как уплотнения лопаточного венца, осевые и радиальные газовые и жидкостные подшипники, вращающиеся теплообменники.
Полный текст статьи в Вестнике ИТМО: Теплообмен в каверне с вращающимся диском в турбулентном режиме
Создан прототип ротора вспомогательной силовой установки (ВСУ)
Проектом компании является разработка и освоение в производстве турбогенераторов для силовых установок летательных аппаратов с электрической трансмиссией, с применением технологии ударно-волнового компрессора.
Разработана теория оптимальных ударно-волновых структур. Выполнены оценочные расчеты, позволяющие сформировать технический облик компактных турбогенераторов (КТГ) в диапазоне эквивалентной мощности от 8 кВт до 2 МВт (электрическая мощность на выходе или мощность на валу).
Разработана концепция применения волнового компрессора в малогабаритном высокооборотном газотурбинном двигателе для беспилотных летательных аппаратов, а также в составе газотурбинной энергетической установки.
Прототип предназначен для проведения экспериментов по моделированию течения в зонах крыльчатки турбины и компрессоров, методом гидроаналогии. Изучение течения позволит оценить возможность применения волнового компрессора в ВСУ и определить, как именно необходимо изменить конструкцию.
Работа выполнена при поддержке Некоммерческой организации Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд «Сколково») по Соглашению о предоставлении микрогранта №40104/07003/0124-2017 от 04.04.2017.
Развитие технологий термоакустического упрочнения
Научная лаборатория «Турбомашины» изначально была создана для отработки различных технологий упрочнения поверхностей металлических изделий, применяемых в авиационном двигателестроении и одной из технологий, которая исследовалась и разрабатывалась, является технология термоакустического излучения и обработки. Сущность технологии заключается в том, что используются разработанные запатентованные источники мощного акустического излучения, причем излучения нелинейного, которое воздействует на металлическую поверхность детали, изменяя ее: измельчает зерна, создаёт определенную волновую структуру внутри металла. В результате исследований обнаружен очень интересный эффект, что добавление этого мощного акустического поля к стандартным технологиям закалки низкого и высокого отпуска в разы сокращает время стандартных процедур термического упрочнения деталей. Эти методы были запатентованы и результаты опубликованы в научных журналах.
Патент 2013г Акустический излучатель № 146440.