Основные этапы проектирования авиационных двигателей

Проектирование авиационных двигателей состоит из ряда последовательных работ, оговоренных стандартами. К началу проектирования предшествует выдача технического задания (ТЗ).

ТЗ выдается разработчиком летательного аппарата и направляется в организацию, где проектируется двигатель. ТЗ формируется на основании задания на создание летательного аппарата, а также на основе совместных проработок по летательному аппарату и вновь проектируемого двигателя.

ТЗ содержит основное назначение, основные технические характеристики, важнейшие технические требования и показатели качества, технико-экономические и специальные требования, связанные со спецификой применения разрабатываемого двигателя. После проработки согласования и утверждения ТЗ является основным определяющим документом для всех стадий проектирования и для создания двигателя. Предварительная конструктивная проработка формирования схемы двигателя состоит из вариантов различных конструктивных схем с выявлением основных преимуществ и недостатков применительно к предстоящим условиям работы двигателя, предварительных расчетов двигателя, его основных узлов и характеристик. В этой работе задействованы многочисленные коллективы высококвалифицированных опытных теоретиков и конструкторов с привлечением соответствующих исследовательских институтов, т.к. требования и уровень сложности двигателя в настоящее время очень высоки.

Одновременно выбор схемы и принципиальной схемы двигателя ограничены самим летательным аппаратом, который предназначен для определенных целей. Например, если требуется спроектировать двигатель для сверхзвукового многоцелевого боевого самолета, то наиболее предпочтительным будет ДТРДФ; если требуется создать двигатель для пассажирского самолета большой дальности, то выбор конструкторов остановится на ДТРД с большой степенью двухконтурности и с большой степенью повышения давления; если двигатель необходимо использовать на крылатой ракете, то в зависимости от требуемых скоростей и продолжительности полета это может быть ТРД или ДТРД, но в любом случае двигатель одноразового применения максимально упрощенной конструкции, дешевый в изготовлении.

Большое внимание при проектировании уделяется достижению высоких удельных параметров и основных технических данных, которые заметно должны превышать современный уровень. Кроме этого, проектируемый двигатель должен полностью удовлетворять всем техническим признакам, которые связаны со спецификой конструкции двигателя, поэтому в целях оптимизации задачи проводится сравнительный анализ компоновок проектируемого двигателя с вариантами конструктивных схем основных узлов. При проектировании не мало важную роль играет имеющийся положительный опыт создания двигателя разработчиком и летательного аппарата за качеством, т.к. различные варианты конструктивных схем двигателя могут оказаться равнозначными по основным данным (например, удельная масса двигателя и т.д.).

Наиболее современным способом проектирования новых двигателей является принцип использования единого базового газогенератора в различных ГТД.

ГТД представляет собой основной узел двигателя, состоящий из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления; это наиболее сложный и определяющий узел двухконтурного двигателя. Варьируя в широких пределах конструкции и основными данными вентилятора, компрессора низкого давления и турбины низкого давления можно при одном и том же газогенераторе создать семейство двигателей самого различного значения и в то же время резко сократить расходы на создание двигателей.

Подобная практика является общепризнанной в отечественном и зарубежном двигателестроении. Например, фирма General Electric, которая за 15 лет спроектировала 36 видов различных двигателей с использованием одного газогенератора. Очевидно, что проектирование современных двигателей должно основываться на реальных решениях и целях и в основе их должен использоваться имеющийся научно-технический задел по созданию и обработке определенных деталей и узлов двигателя.

Процесс проектирования двигателя включает следующие стадии:

1) техническое предложение (ТП) - совокупность конструкторских документов, содержащие технические и технико-экономические обоснования целесообразности создания нового двигателя на основании анализа ТЗ, предварительных расчетов и конструкторских проработок;

2) эскизный проект - полная разработка конструкции двигателя со всеми основными узлами и деталями. Более подробные расчеты оптимизации вариантов конструкции изготовления макетов, рассмотрение и утверждение эскизного проекта;

3) технический проект - это совокупность конструкторских документов, представляющих собой окончательные технические решения, являющиеся исходными данными для разработки и выпуска рабочей документации;

разработка рабочей документации - это заключительная стадия проектирования проводится с учетом конкретной технологии изготовления и испытания двигателя и всех его узлов. В состав рабочей документации входят все чертежи, расчеты и методики, технические условия на изготовление и испытание схемы и чертежей общих видов. Для отработки конфигурации двигателя и окончательной укладки коммуникаций, изготавливается полноразмерный макет двигателя, который затем устанавливается на макет летательного аппарата и согласовывается с его размерами.

Каждая стадия проектирования считается завершенной после ее утверждения и проведения необходимых согласований. Фактор времени в двигателестроении имеет большое значение, т.к. новые образцы быстро морально устаревают. На практике существуют разработанные системы графиков параллельно-последовательного проведения работ. Такие работы требуют большого внимания исполнителей, но, с другой стороны, они способствуют большой глубине и качеству проработки проекта на разных стадиях. На стадиях разработки эскизного и технического проекта принимает участие большой коллектив конструкторов, технологов, металлургов и других специалистов. При этом принимают участие отраслевые институты, которые оценивают уровень основных параметров двигателя, возможности достижения их, надежность, расчетность запасов прочности, а также уровень технологичности изготовления и трудоемкости деталей, применение новых материалов, а также степени унификации и стандаргазации.

Создание двигателя после завершения проектирования и до начала его серийного производства также проходит ряд стадий:

1) изготовление опытной партии двигателей и выполнение плано-эксперементально-доводочных работ;

2) проведение испытаний двигателя и получение подтвержденных основных данных;

3) проведение ряда длительных стендовых испытаний по проверке прочности и надежности двигателя;

4) проведение специальных испытаний по отработке и проверке двигателя на соответствие предъявленным техническим требованиям;

5) летные испытания на летающих лабораториях и специальных высотных стендах;

6) проведение государственных испытаний и внедрение в серийное производство.

В целях снижения затрат труда и времени на создание двигателя, сокращение необходимого опытных двигателей, плано-эксперементально-доводочных работ предусматривают совмещение проверочных испытаний на каждом двигателе путем параллельно-последовательного проведения выше перечисленных работ

Работы над совершенствованием двигателя не прекращаются после начала его серийного производства и ведутся в направлении повышения надежности, улучшения технологичности и снижения трудоемкости.