Линейка турбореактивных двигателей (ТРД) тягой до 500 Н
ООО «МикроДжет» ведутся работы по созданию и реализации линейки турбореактивных двигателей (ТРД) тягой до 500 Н адаптированных под аддитивное производство.
Индустриальные партнёры: ООО "Центр Аддитивных Технологий "ОСНОВА", ООО «Инжиниринговый центр аддитивных технологий», АО «Лазерные системы».
Целью данной работы является разработка конструкции и технологии изготовления элементов опытного образца малоразмерного турбореактивного двигателя, адаптированного под аддитивные технологии.
Задачи, решаемые в ходе проекта:
- исследование возможностей аддитивных технологий при создании элементов двигателя;
- разработка конструкций элементов двигательной установки, адаптированных под аддитивные технологии;
- проведение адаптации и топологической оптимизации геометрически сложных элементов двигателя;
- разработка технологии изготовление элементов двигательных установок методом аддитивных технологий;
- проведение оптимизации технологических режимов, направленных на повышение эксплуатационных характеристик и качества формообразования элементов конструкций, изготавливаемых методом аддитивных технологий;
- подбор технологических режимов печати и последующей термической обработки деталей двигателя;
- анализ качества изготовления деталей (3D-сканирование, измерение шероховатости, рентген), выбор методов постобработки деталей.
Актуальность:
По данным Дорожной карты НТИ «Аэронет» в России существует потребность в малых газотурбинных двигателях (ГТД) для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), динамически подобных летающих моделей (ДПМ) больших воздушных судов (ВС), а также экспериментальных летательных аппаратов (ЛА).
Меры по повышению КПД для ТРД неизбежно приводят к усложнению конструкции и увеличению стоимости конечного продукта, из чего следует, что по первоначальной стоимости с ДВС и ЭД, находящимся в массовом производстве, могут конкурировать только наиболее простые типы ТРД.
За рубежом большинство серийно выпускаются малоразмерные ГТД компаний таких как JetCat (Германия), KingTech (Корея), JetJoe (Китай), PBS Aerospace (Чехия) и им подобных тягой 100Н, выполняются по схеме одновального ТРД (рисунок 1, 2).
Рисунок 1. ТРД общий вид (1 – электростартер, 2 – входное устройство, 3 - компрессор, 4 –камера сгорания, 5 – турбина, 6 – сопло, 7 – система подачи топлива, 8 – система смазки подшипников, 9 – подшипники)
Рисунок 2. С лева на право ТРД P100-RX, JetCAT (Германия), ТРД P100-RX, KingTech (Корея), ТРД JJ-1400, JetJoe (Китай), ТРД PBS TJ23U (Чехия)
Аддитивное производство некоторых наиболее сложных узлов и деталей ТРД становятся дешевле, чем производство с помощью ныне традиционных методов. В настоящее время возможно сокращение производственного цикла при изготовлении деталей со сложной формой поверхности или включающих в себя внутренние полости разнообразной конфигурации (рисунок 3).
Рисунок 3. Аддитивное производство адаптированного и топологически оптимизированного геометрически сложного элемента ТРД.
Возможности аддитивных технологий позволяют по новому подойти к процессу проектирования ТРД, например, использование топологической оптимизации для получения легких и прочных деталей, пористых конструкций, деталей со сложными системами внутренних каналов для их охлаждения в ходе эксплуатации. Данные возможности создавать сложные внутренние структуры появились благодаря технологиям 3D-печати, что невозможно при использовании фрезеровки или точного литья.
Полученные результаты на текущий момент:
Представлены результаты по обоснованию облика и разработки компоновки ТРД. В процессе работы, был проанализирован опыт использования аддитивных технологий в авиационном двигателестроении на ведущих авиационных предприятий, в научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях. Было показано, что создание малоразмерных двигателей с тягой от 100Н до 1000Н позволит решить широкий спектр задач для преодоления технологических барьеров, обозначенных в «дорожной карте» НТИ «АЭРОНЕТ». С учетом вышесказанного была разработана компоновка, проведено проектирование и конструирование, разработаны 3Д модели деталей и агрегатов перспективных ТРД-100 с тягой 100Н (рисунок 4), конструкция которых топологически оптимизирована и адаптирована под аддитивную технологию изготовления.
Рисунок 4. Компоновка малоразмерного ТРД адаптированного под аддитивные технологии
В ходе работ по обоснованию облика и разработки компоновки ГТД, была разработана оригинальная методика расчета для профилирования лопаточных машин применяемых в малоразмерных ГТД, на которую было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018619309 «Программное обеспечение для расчета и профилирования лопаток малоразмерного газотурбинного двигателя» (Рисунок 5).
Рисунок 5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018619309 «Программное обеспечение для расчета и профилирования лопаток малоразмерного газотурбинного двигателя»
Произведено численное исследование нестационарного двумерного течения газа в системе из двух решеток аэродинамических профилей (лопаток). Выполненные расчеты показали, что течение газа в межлопаточных каналах и между решетками в рамках моделей Эйлера и Рейнольдса близко к квазистационарному на штатном (крейсерском) режиме работы авиадвигателя и существенно зависит от времени на режимах, когда наблюдается отрыв потока от лопаток (взлет/посадка). Псевдо-прямое численное моделирование течений на основе уравнений Навье–Стокса значительно лучше разрешает крупномасштабную структуру течения, чем модели Эйлера и Рейнольдса. Данные особенности моделей и свойств течения должны учитываться в расчетах реальных трехмерных течений в лопаточных венцах компрессора и других элементов тракта авиадвигателя.
Проведено исследование течений в решётках профилей двух вариантов малоразмерных ГТД-100. В результате численного исследования течений была получена 3Dмодель компрессора удовлетворяющая требованиям заданного расчётного режима работы ТРД-100.
Представленные результаты проведенных расчетных исследований КС ГТД с тягой 100Н подтвердили правильность основных конструктивных решений данной КС.
В результате расчета распыла жидкого топлива была определена ориентация оси распылителя относительно самой испарительной форсунки, обеспечивающая попадание капель топлива на стенки форсунки и последующее их испарение.
Полученное распределение температуры газа в камере на выбранном режиме работы показывает, что данная КС функционирует схожим образом с аналогичными по принципу работы конструкциями.
Исследование розжига КС на различных высотах показало, что использование пускового воспламенителя предложенной схемы обеспечивает надежное воспламенение топливо-воздушной смеси и последующий розжиг КС при мощности свечи в 30Вт.
Были определены диапазоны работы КС по границам «бедного» и «богатого» срыва для различных высот.
Расчетная оценка величины максимальной окружной неравномерности позволила обосновать вариант конструкции КС, обеспечивающей приемлемое для КС малоразмерных ГТД значение уровня выходной неравномерности.
Перспективы практического использования:
Малое инновационное предприятие ООО «МикроДжет» проводит работу по внедрению результатов проекта, с целью их коммерциализации и вывода на рынок полученного ходе работ продукта (рисунок 6).
Таблица1. Ожидаемые/полученные технические характеристики
|
Малоразмерный одновальный воздушно-реактивный двигатель представляет собой газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов. Все процессы в двигателе происходят в потоке движущегося газа. Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем часть энергии давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения вала на котором расположена рабочая турбина, механическая энергия вращения вала турбины расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть энергии используется для получение тяги. В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, природный газ, мазут, спирт и измельчённый уголь. |
|
Рисунок 6. Малоразмерный турбореактивный двигатель, адаптированный под аддитивные технологии тягой 100 Н
Рисунок 7. Элементы малоразмерный ТРД для БПЛА, тягой 100 Н (с лева на право жаровая труба, корпус камеры сгорания, колесо компрессора)
Рисунок 8. Элементы малоразмерный ТРД для БПЛА, тягой 100 Н (с лева на право сопловой аппарат, колесо турбины, колесо турбины с каналами охлаждения)