Маркетинговый анализ при определении концепции силовой установки перспективного вертолета



В статье освещаются вопросы анализа существующего рынка турбовальных двигателей. Рассмотрен прогноз рынка газотурбинных двигателей для применения в составе силовой установки вертолета до 2030 г. Выявлены основные сегменты рынка. Предложены направления для развития концепции силовой установки перспективного вертолета.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, турбовальный двигатель, силовая установка, маркетинговый анализ, выбор направления разработки

Введение

Проектирование авиационного двигателя является дорогостоящей и трудоемкой задачей. Достижение и поддержание конкурентоспособного уровня является необходимым условием для успешной деятельности АО «ОДК» как компании-поставщика авиационных двигателей. Процесс проектирования ГТД четвертого-пятого поколения занимает десятилетия по времени разработки и требует миллиардные инвестиции. По оптимистичным оценкам следующее поколение двигателей потребует увеличения финансирования в 1,5–2 раза по сравнению с текущим. Своевременное определении перспективных направлений развития и организация выполнения НИР позволит отработать технические решения до начала выполнения ОКР [1]. Постоянная череда экономических кризисов негативно влияет на развитие авиационной отрасли. Риски, связанные с неправильной оценкой тенденций развития рынка, приводят к необходимости увеличения бюджета для разработки нового продукта. В условиях жесткой конкуренции на рынке авиационных двигателей для вертолетов правильный выбор основной концепции является актуальной задачей АО «ОДК» [2].

Анализ рынка двигателей для вертолетной техники

Анализ рынка двигателей для вертолетной техники на период 2020–2030 гг. проведен по материалам FORECAST INTERNATIONAL [3], опубликованным в 2018 году. Необходимо учитывать возможные изменения в прогнозе развития рынков из-за влияния эпидемиологической обстановки. Величина такого влияния и возможные поправочные коэффициенты на данный момент недоступны в полном объеме. Информационно-аналитическое агентство «TEAL GROUP» предполагает следующий прогноз развития рынков авиационной техники в связи со сложившейся ситуацией (рис.1).

Рис. 1. Прогноз развития рынков авиационной техники

На рынке лидируют платформы на основе турбовальных двигателей. Они стабильно занимают более 85 % от ежегодного объема продаж, и с течением времени их доля возрастает с динамикой около 1,7 % ежегодно(рис.2–3).

Рис. 2. Динамика развития рынка турбовальных вертолетных двигателей 2021–2030 г.

Рис. 3. Динамика развития рынка вертолетных двигателей 2021–2030 г.

В количественном выражении в краткосрочной перспективе доля двигателей гражданского назначения занимает почти 65 % всего рынка. Двигатели для вертолетов военного применения занимают меньшую долю рынка — всего 35 %. На всем горизонте прогнозирования наблюдается незначительное сокращение ежегодного объема производства двигателей данного применения. Немаловажен тот факт, что при прогнозируемом снижении производства двигателей для военной техники в количественном выражении, выручка от их продаж растет, это связано с тем, что именно военные двигатели будут использовать новейшие технологии, которые дороги в проектировании и производстве. Основными сегментами, которые занимают в суммарном объеме поставок 80 % рынка, являются двигатели класса мощности: 400–700 л.с., 700–900 л.с., 900–1100 л.с, 1300–1700 л.с., 1700–2000 л.с., 2000–3000 л.с. Двигатели указанных размерностей применяются на легких вертолетах взлетным весом 2,5–4 т. и средних 4–9 т. Прочие сегменты двигателей, занимают менее 20 % рынка (рис 4) [3], [4].

Рис. 4. Распределение рынка вертолетных двигателей по сегментам мощности

Основные тренды технологического развития вертолетных двигателей

Турбовальные двигатели являются одним из самых консервативных направлений в авиадвигателестроении, так как до сих пор в эксплуатации находятся двигатели разработки 1950-х годов. С учетом меньшего парка вертолетов, чем самолетов, и высокой стоимости разработки нового двигателя, предпочтение отдается проведению программ модернизации, которые позволяют улучшить качественные показатели и продлить срок эксплуатации турбовальных газотурбинных двигателей.

В то же время возрастающие требования авиационных компаний к технико-экономическим характеристикам силовой установки заставляют производителей двигателей заниматься разработкой и применением новейших технологий в турбовальных двигателях. За последние 10–15 лет ведущие мировые производители авиационных двигателей внедрили в свою продукцию большое количество инновационных решений, которые привели к существенному улучшению характеристик. В первую очередь это:

− увеличение ресурса двигателя на 20 % и показатель межремонтного ресурса двигателя не менее 5000÷6000 ч (15000 циклов для «холодной» части и 7500 циклов для «горячей» части, включая жаровую трубу и лопатки РК ТВД) за счет применения новых материалов (интерметалиды, композитные материалы, керамика), улучшенной системы охлаждения турбины, применения подшипников нового типа и САУ пятого поколения;

− снижение расхода топлива на 25 % — выход на предельные параметры цикла (высоконагруженные осевые и центробежные ступени компрессора, температура газа более 1900К);

− снижение стоимости производства и технического обслуживания на 35 % –через применение аддитивных технологий (одна деталь сложной формы заменяет узел до 50-ти деталей в сборе, модульная конструкция двигателя) [5], [6];

− увеличение отношения тяги/мощности к массе до 65 % — за счет минимизации числа деталей наряду с критическими параметрами цикла ГТД, достижения максимальных параметров отдельных узлов двигателя при минимальных габаритах.

Специфика требований к перспективным двигателям для вертолетов:

− повышение безопасности эксплуатации, включая требования к экологии (снижение эмиссии СО ₂ и NOx и уровня шума ниже требований соответствующих перспективных глав ICAO);

− снижение массогабаритных показателей.

Конструкторские и технологические решения:

− увеличение КПД узлов двигателя;

− совершенствование модульности конструкции, повышение ремонтной технологичности, внедрение системы прогнозной и дистанционной диагностики и технического обслуживания;

− использование технологий многозонных камер сгорания, обеднённого горения.

Перспективный продукт может иметь достаточную конкурентоспособность в среднесрочной перспективе только при достижении указанных характеристик, конструкторских и технологических решений. При стратегическом планировании развития продуктового ряда данные характеристики должны быть превышены.

Отдельно необходимо рассмотреть тренд конструкторских и технологических решений, направленных на:

− замену приводных агрегатов электродвигателями, гибридизация СУ [7], [8];

− внедрение рекуперации [9];

− внедрение альтернативных источников энергии (биотопливо, электроэнергия).

Исчерпание возможностей классических подходов улучшения летно-технических и экономических характеристик летательных аппаратов и силовых установок, а также неспособность традиционных технологий обеспечить растущие экологические требования привели к появлению альтернативного пути развития — гибридным и полностью электрическим силовым установкам. Работы в этом направлении ведут многие ведущие производители авиационной техники (Airbus, Boeing, GE Aviation, Rolls-Royce, Safran и др.).

В общем случае гибридная силовая установка состоит из газотурбинного двигателя (ГТД), электрических генератора и двигателя (двигателей), систем управления, распределения и преобразования электрической энергии, источников электрической энергии (аккумуляторов или топливных элементов) и движителя (вентилятора или воздушных винтов). Привод движителя может обеспечиваться как одним электрическим двигателем (двигателями), так за счет его совместной работе с ГТД. При этом газотурбинный двигатель гибридной СУ может работать только на одном режиме, а непродолжительные режимы, требующие повышенной мощности, будут обеспечиваться электрическим двигателем. Это дает существенное увеличение ресурса ГТД, повышение надежности СУ, снижение эксплуатационных расходов, расхода топлива, вредных выбросов и шума, возможность уменьшить длину взлетно-посадочной полосы.

В ближне- и среднесрочной перспективе развитие летательных аппаратов с ГСУ будет сосредоточено в области малой и региональной авиации, что ограничено относительно низкими удельными характеристиками электрических элементов. Таким образом, рациональным диапазоном мощности для гибридной силовой установки в ближайшей перспективе является ~0,4–1 МВт, в среднесрочной ~ 1–2,5 МВт.

Выводы

1. Наиболее емкие рыночные сегменты, обладающие достаточным потенциалом развития в среднесрочной и долгосрочной перспективе:

− 400–900 л.с.

− 1300–2000 л.с.

− 2000–3000 л.с.

− 3000–4000 л.с.

Для укрепления позиции на рынке необходимы диверсификация и расширение продуктовой линейки двигателей в данном бизнес-направлении.

2. Разработку перспективных газогенераторов, номинальные мощности которых лежат близко к верхним пограничным значениям сегментов, необходимо вести таким образом, чтобы заложить в них потенциальную возможность развития на их базе семейств двигателей, перекрывающих соседние мощностные сегменты, обладающие значительным рыночным потенциалом.
3. Реализация концепции более электрического самолета ввиду роста энергопотребления систем ЛА.
4. Ожидается, что в перспективе гибридизация силовой установки летательного аппарата позволит увеличить ресурс газотурбинного двигателя и надежность всей силовой установки (до 20 %), снизить расход топлива (до 45 %), эксплуатационные расходы (до 40 %), уровень шума и вредных выбросов (NO _X — до 75 %, СО ₂ — до 90 %).

Литература:

1. Иноземцев А.А, Нихамкин М. А., Сандрацкий В. Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник для студентов специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки». Серия «Газотурбинные двигатели». М.-«Машиностроение», 2007. — 208 с., илл.
2. Миссия и стратегические цели АО «ОДК» [Электронный ресурс] // Официальный сайт АО «ОДК», 2020 URL: https://www.uecrus.com/rus/corporation/about/
3. Forecast International, Military and Civil Markets, Rotorcraft Forecast, 2018 // Forecast International, Newtown, CT 06470 USA, 2018.
4. Рынок вертолетов гражданского назначения / Национальный исследовательский университет Высшая школа экономики. Москва, 2019 г. — 79с.
5. Sotov A. V. et al. Investigation of the IN-738 superalloy microstructure and mechanical properties for the manufacturing of gas turbine engine nozzle guide vane by selective laser melting //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2020. — С. 1–11.
6. ÖZSOY K., DUMAN B., İÇKALE GÜLTEKİN D. Metal Part Production with Additive Manufacturing for Aerospace and Defense Industry //SDU International Journal of Technological Science. — 2019. — Т. 11. — №. 3.
7. Vallart P., Bazet J. M., Le Duigou L. Architecture for a propulsion system of a helicopter including a hybrid turboshaft engine and a system for reactivating said hybrid turboshaft engine: заяв. пат. 15517924 США. — 2017.
8. Гуревич О. С., Гулиенко А. И. Газотурбинный двигатель для «электрического» магистрального самолета — «электрический» ГТД //Авиационные двигатели. — 2019. — №. 1. — С. 7–14.
9. Zhang C. Evaluation of the Potential of Recuperator on a 300-kW Turboshaft Helicopter Engine: дис. — Universität München, 2020.