Анализ и прогноз развития отечественных вспомогательных силовых установок на 2020 год



Вспомогательной силовой установкой (ВСУ) традиционно называют малогабаритный газотурбинный двигатель (ГТД) конструктивно объединенный с агрегатами обеспечивающими отбор мощности и воздуха, устанавливаемый на самолётах и вертолётах для пуска основных двигателей, создания давления в гидравлической системе и кондиционирования воздуха во время нахождения самолёта на земле и в полете, привода электрогенераторов и другого вспомогательного оборудования [1].

К ВСУ предъявляются высокие требования по безопасности, надежности, электрической и гидравлической мощности, ресурсу и ремонтопригодности.

Особенностями ВСУ являются простота конструкции и обслуживания, малая масса по сравнению с другими типами ГТД. Как правило, учитывая кратковременность работы ВСУ не предъявляется высоких требований к их экономичности.

Основным преимуществом использования ВСУ на летательных аппаратах (ЛА) является: поддержка работоспособности самолётных систем и оборудования при выключенных двигателях в слабо оснащённых или необорудованных аэропортах, что резко повышает автономность и позволяет выполнять техническое обслуживание самолёта с минимальным привлечением аэродромных служб. В полёте ВСУ может использоваться в качестве аварийного источника энергии [2].

ВСУ на ЛА начали устанавливаться во время Первой Мировой войны. Тогда на некоторых типах дирижаблей применялись вспомогательные двигатели внутреннего сгорания мощностью до 1,30 кВт. Они приводили в действие генератор для работы радиооборудования корабля, а в аварийной ситуации, могли привести в действие вспомогательный вентилятор [3]. На заре эры реактивных двигателей, немецкие конструкторы использовали ВСУ на базе поршневого двигателя в качестве пусковой системы. Вспомогательный двигатель имел мощность 7,5 кВт, и устанавливался на двигатель Junkers Jumo 004 [4]. Первым реактивным лайнером, использующим газотурбинный двигатель в качестве ВСУ, был Boeing 727 в 1963 году. Наличие на борту ВСУ стало важным элементом, сделавшим самолет привлекательным для авиакомпаний. Её наличие дало самолету возможность независимо эксплуатироваться в маленьких аэропортах и быстро готовиться к вылету.

Обычно от ВСУ требуются возможность отбора мощности с вала для привода электрогенератора, отбора воздуха (газа) с высоким давлением. В настоящее время можно выделить следующие конструктивные схемы ВСУ:

1) одновальная, в которой отбор воздуха может осуществляться от компрессора, приводимого в движение турбиной. Частота вращения вала компрессора на рабочем режиме поддерживается постоянной, что обусловлено необходимостью привода генератора переменного тока (АИ-8, ВГТД-2, ТА-8В);

2) одно- или двухвальная с дополнительным компрессором, от которого отбирается воздух для потребителя (АИ-450МС);

3) двухвальная, в которой воздух отбирается за компрессором низкого давления, мощность снимается с вала турбины низкого давления (ВГТД-43);

Наиболее распространённой является одновальная схема с центробежным компрессором, с вала которого отбирается мощность для привода генератора переменного тока.

На рис. 1 приведена конструктивно-компоновочная схема вспомогательной силовой установки, служащей в качестве источника электропитания и генератора сжатого воздуха [5]. Установка имеет двухступенчатый центробежный компрессор (1 и 2) и центростремительную турбину 3.

Рис. 1 Конструктивная схема ВСУ: 1 и 2 — I и II ступени компрессора; 3 — турбина; 4 — камера сгорания; 5 — Заслонка, регулирующая отбор воздуха; 6 — редуктор

В связи с невысокими требованиями к удельному расходу топлива такие ГТД обладают умеренным уровнем коэффициента повышения давления , который обеспечивается центробежным компрессором.

Краткие технические характеристики отечественных ВСУ с 1958 по 2015 год. приведена в табл. 1. Параметры для построения таблиц и аналитических зависимостей приведены в источниках [6−9].

Таблица 1

Вспомогательные силовые установки

Наименование	Летательный аппарат	Разработчик	Год
АИ-8	Ан-24, Ан-12, Бе-12, Ил-18	ОАО «Моторо-сич»	1964
АИ-9	Як-40, Ми-8, Ми-14, Ка-29	ОАО «Моторо-сич»	1966
АИ-8	Ан-24, Ан-12, Бе-12, Ил-18	АО «Моторо-сiч»	1964
АИ-9	Як-40, Ми-8, Ми-14, Ка-29	АО «Моторо-сiч»	1966
АИ-9В	Ми-24, Ми-17, Ми-35	АО «Моторо-сiч»	1967
АИ-9–3Б	Ан-140	АО «Моторо-сiч»	1967
АИ-450	Ан-148	АО «Моторо-сiч»	2003
ВГТД-2	Ту-334, Бе-200	ПАО «КАДВИ»	1989
ВГТД-43	Ту-204	АО ОМПО	1989
ВСУ-10	Ил-96–300, Ил-86	АО ОМПО	1979
ТГ-16	Ан-24, Ан-12, Бе-12, Ил-18	АО " Климов»	1986
РУ-19А-300	Як-30	ПАО «ТМЗ»	1962
ТА-4ФЕ	Ан-2	ПАО «Аэросила»	1964
ТА-6	Ту-154, Ил-62М, Ту-22М	ПАО «Аэросила»,	1964
ТА-8	Ту-134	ПАО «Аэросила»,	1968
ТА-8В	Ан-72, Ми-26	ПАО «Аэросила»,	1968
ТА-12	Ту-204, Ан-74, Ан-225	ПАО «Гидравлика»	1979
ТА-12А	Ту-154М, Ту-160, Ил-76МД	ПАО «Аэросила»,	1979
ТА-12–60	Ту-204, Ту-334, Бе-200,	ПАО «Аэросила»,	1986
ТА-14	Ил-114Т, Ка-26, Ан-140	ПАО «Аэросила	1997
ТА-14/300	Ка-52, Ка-31, Ми-8, Ми-28	ПАО «Аэросила»,	1997
ТА18–100	Ан-178, SSJ-100, Бе-200	ПАО «Аэросила»	2000
ТА18–200М	ТУ-204СМ	ПАО «Аэросила»	2009
ТА18–200МС	МС-21	ПАО «Аэросила»	2015
ТА18–200–70	Ан-70 / Ан-124–100	ПАО «Аэросила»	2015
ТА18–200–124	Ан-70 / Ан-124–101	ПАО «Аэросила»	2015
ТА18–200Е	-	ПАО «Аэросила»	2015
ТА18–200Е	-	ПАО «Аэросила»	2015

Для ВСУ, представленных в таблице 1, на основе данных, полученных из источников [6−11], производится аппроксимация данных (удельная мощность Ne уд, удельная масса , удельный расход Суд, расход отбираемого воздуха Gотб, давление отбираемого воздуха pотб, температура газов за камерой сгорания Тг). по году изготовления установки.

Одним из основных удельных параметров ГТД непрямой реакции является удельная мощность (отношение эффективной мощности к расходу воздуха) Ne уд= Ne / Gотб [4]. Чем выше удельная мощность Ne уд, тем большую абсолютную мощность создает 1 кг воздуха при заданных условиях работы. Графики зависимостей данного параметра от года изготовления τ приведена на рис. 2. Аппроксимация параметра по году создания, выявляет следующую зависимость (со среднеквадратичной погрешностью S=62,23 : .

Рис. 2. Удельная мощность от года изготовления

Рис. 3. Удельная масса от года изготовления

Главным удельным параметром, определяющим эффективность ВСУ как агрегата для запуска маршевых ГТД, является его удельная масса отношение массы двигателя m к мощности на валу Ne [5]. Удельная масса показывает какую мощность Ne имеет 1 кг двигателя. Выявлена следующую зависимость см. рис. 3, (со среднеквадратичной погрешностью S = 0,55 кг/кВт):

Удельный расход топлива Суд характеризует экономичность ГТД, показывает сколько энергии в кВт выделяет 1 кг топлива за 1 час. Аппроксимация параметра в зависимости от года изготовления рис. 4 выявила следующую зависимость (среднеквадратичная погрешность составила S=0,38:

Рис. 4. Удельный расход топлива от года изготовления

Рис. 5. Температура газа за турбиной от года изготовления

Важнейшим параметром, определяющим совершенство цикла ГТД является температура газа перед турбиной Тг. С увеличением температуры пропорционально увеличивается эффективный КПД и работа цикла [1]. На рис. 5 показана зависимость температуры газа перед турбиной Тг отечественных ВСУ. Выявлена следующая связь между годом изготовления τ и температура газа перед турбиной Тг. (S=213,448 К):

Динамика параметров отбираемого воздуха Gотб и pотб, представлена на рис. 6 и рис. 7. Gотб — расход отбираемого воздуха, pотб − давление отбираемого воздуха. Среднеквадратичные погрешности S = = 0,53 кг/с и S = 0,123 МПа соответственно.

Рис. 6. Расход отбираемого воздуха от года изготовления

Рис. 7. Давление отбираемого воздуха от года изготовления

Для давления отбираемого воздуха и расхода отбираемого воздуха были выявлены следующие зависимости:

;

На основе аналитических зависимостей, полученных в этой статье, можно сделать предположение о характеристиках перспективной вспомогательной силовой установки проектируемой к 2020 году: удельная мощность Ne уд порядка 220 кВт/ кг с; удельная масса порядка 1,7 кг/кВт; удельный расход топлива Суд порядка 0,5 кг/кВт; температура газов на входе в турбину Тг порядка 1400 К; расход отбираемого воздуха Gотб 1,5 кг/с; давление отбираемого воздуха pотб порядка 0,4 МПа.

В ходе работы выделены возможные конструктивные схемы ВСУ. Приведены основные характеристики ВСУ. Проведено исследование изменения основных технических характеристик отечественных ВСУ в зависимости от года изготовления. Выполнена аппроксимация исследованных параметров ВСУ. Вычислено среднеквадратичное отклонение для каждой выборки параметров. Сделан прогноз параметров ВСУ проектируемой на 2020 год.

Литература:

1. А. А. Иноземцев, В. Н. Сландарский. Газотурбинные двигатели / Учебник для вузов. — 1-е изд., г. Пермь: ОАО «Авиадвигатель» 2006− 1203 с.
2. Г. П. Свищев. Авиация: «Энциклопедия». М.: Большая Российская Энциклопедия 1994−739 c.
3. . Abbott. The British Airship at War, 1914–1918. Terence Dalton. 1989− 57 p.
4. B. Gunston. Combat aircraft of World War II the illustrated encyclopedia, N.Y.: Bookthrift Inc.1978− 255 p.
5. С. М. Шляхтенко. Теория и расчет воздушно-реактивных дигателей. Учебник для вузов −2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1987– 568 с.
6. В. А. Сосунова, В. М. Чепкина. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок ч. 2 — М.: МАИ, 2003– 104 с.
7. Силовые установки: Авиационные, ракетные, промышленные (1944–2000)/ Электронная энциклопедия изд. АКС-Конверсалт 2000 г.− 277 с.
8. ОАО «Мотор-сiч» Официальный сайт / [Электронный ресурс] [http://motorsich.com/rus/products/aircraft/auxiliary] (Дата обращения 11.09.18)
9. НПП «Аэросила» Официальный сайт / [Электронный ресурс] [http://aerosila.ru/products/vspomogatelnye-gazoturbinnye-dvigateli] (Дата обращения 11.09.18)
10. Предприятие «Красный октябрь» Официальный сайт / [Электронный ресурс] [http://koavia.com/product/airplane/gazoturbinnye_dvigateli_energouzly.shtml] (Дата обращения 11.09.18)
11. ОАО «Климов» Официальный сайт / [Электронный ресурс] [http://www.klimov.ru/production/aircraft/apu/] (Дата обращения 11.09.18)