Формирование унифицированного мощностного ряда роторно-поршневых двигателей российской авиации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский федеральный университет

ФОРМИРОВАНИЕ УНИФИЦИРОВАННОГО МОЩНОСТНОГО РЯДА РОТОРНО-ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РОССИЙСКОЙ АВИАЦИИ

Кузнецов Г.А., Кутуров Д.В.

Красноярск

Аннотация

В статье описано современное состояние с производством авиационных поршневых двигателей в России. Отмечена высокая потребность в авиационных поршневых двигателях в широком диапазоне мощностей. Предложено мощностной ряд авиационных поршневых двигателей поделить на пять классов мощности: от особо малой до особо большой мощности. В мире наблюдается активизация работ по созданию нетрадиционных для авиации роторно-поршневых двигателей (РПД). Отмечены преимущества и недостатки таких двигателей по сравнению с поршневыми. Проанализированы мощностные ряды современных авиационных РПД. По результатам исследований сформирован унифицированный мощностной ряд авиационных РПД по предложенным классам мощности в диапазоне от 8 до 1500 л.с. Показано возрождение роторно-поршневого авиадвигателестроения в России и лидирующая роль ЦИАМ в этом процессе. В частности установлено, что за последние 6 лет созданы перспективные разработки российских РПД. Это объясняется большим спросом на отечественные поршневые двигатели, повышением национальной безопасности России, переходом на импортозамещение в условиях санкций, финансированием перспективных разработок.

Ключевые слова: авиационные роторно-поршневые двигатели, двигатели беспилотных летательных аппаратов, двигатели легкомоторной авиации, мощностные ряды, типоразмерные ряды, импортозамещение.

Annotation

THE FORMATION OF A UNIFIED POWER RANGE FOR ROTARY-PISTON ENGINES OF THE RUSSIAN AVIATION

Kuznetsov G. A., Kuturov D. V.

Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia

In this article, the authors describe the current state of the production of aircraft piston engines in Russia. There is a high demand for the aircraft piston engines in a wide range of power. It is suggested to divide the power range of the aircraft piston engines into five power classes: from very low to very high power capabilities. Globally, there is an increase in the production of non-traditional rotary-piston engines for aviation (RPE). Certain advantages and disadvantages of such engines in comparison with the piston engines are noted. The capacity range of modern aircraft RPE is analyzed. Based on the results of the research, a unified power range of aviation RPE was formed for the suggested power classes in the range from 8 to 1500 HP. The authors also demonstrate the revival of rotary-piston aircraft engine manufacturing in Russia and the leading role of Central Institute of Aviation Motors in this process. In particular, it is verified that over the past 6 years, some promising projects of the Russian RPE have been developed. This is due to the high demand for the domestic piston engines, an increased national security level in Russia, the transition to import substitution under sanctions pressure, and the financing of promising inventions.

Keywords: aircraft rotary-piston engines, engines of unmanned aerial vehicles, single-engined aeroplane, capacity range, standard series, import substitution.

Введение

Россия является одной из ведущих авиационных стран мира, имеющих развитое авиастроение. В состав российской авиационной техники входят беспилотные и пилотируемые летательные аппараты. На них устанавливаются современные в основном поршневые двигатели. Производство конкурентоспособных авиационных поршневых двигателей (АПД) в России является приоритетной задачей в силу высокой добавленной стоимости. Мировой рынок поршневых двигателей оценивается в несколько десятков миллиардов долларов в год [1].

В последнее время в научной среде все больше внимания уделяется проблематике импортозамещения иностранных АПД двигателями российского производства. Особенно это важно при производстве беспилотной техники, так как применение импортных двигателей на беспилотных аппаратах в условиях санкций западных стран и США оказывает существенное влияние на национальную безопасность России. По данным Росавиации, в России на гражданских летательных аппаратах около 90% АПД иностранного производства [2].

В работе [3] проведен анализ рынка отечественной поршневой авиации, состоящий из трех сегментов: беспилотные летательные аппараты (БЛА), сверхлегкие летательные аппараты (СЛА) и легкие летательные аппараты (ЛЛА). Исследованиями установлено, что на 90% отечественных БЛА, СЛА и ЛЛА установлены иностранные АПД.

Государственная программа РФ «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы» предусматривает существенное увеличение отечественной авиационной техники. Для этого необходимо создание новых конкурентоспособных двигателей различных классов мощности. В перечне мероприятий стратегии развития поршневого двигателестроения России указывается на разработку перспективного семейства АПД мощностью до 500 кВт для легкой и сверхлегкой авиации, а также специальной авиационной техники [4].

В последнее время со стороны иностранных и отечественных разработчиков авиационных поршневых двигателей для беспилотной и пилотируемой авиационной техники проявляется интерес к роторно-поршневым двигателям (РПД) типа Ванкеля.

Цель работы - формирование унифицированного мощностного ряда отечественных РПД для российской авиации исходя из потребностей рынка в условиях поставленной задачи импотрозамещения.

Классификация поршневых двигателей по классам мощности

В настоящее время для большинства беспилотных и пилотируемых ЛА в отечественной авиации применяются поршневые двигатели. Одним из классификационных признаков поршневых двигателей является мощность. В зависимости от мощности поршневые двигатели подразделяют на группы или классы. Так, в работе [5] дизельные двигатели по эффективной мощности условно разделены на 3 группы: маломощные (менее 100 л.с.); средней мощности (от 100 до 2000 л.с.); мощные (от 2000 до 20000 л.с. и более).

В основу мощностного ряда авиационных двигателей положена, как правило, максимальная мощность двигателя. Так, в работе [6] для пилотируемой авиации АПД условно подразделяются по величине развиваемой мощности на три группы: маломощные (от 100 до 500 л.с.); средней мощности (от 500 до 1500 л.с.); большой мощности (от 1500 до 3500 л.с. и более).

В работе [1] авиационные четырехтактные поршневые двигатели условно разбиваются на два класса: низкой (60-250 л.с.) и высокой (более 250 л.с.) мощности.

В работе [7] предложено поделить типоразмеры двигателей в зависимости от назначения ЛА (от малых БЛА до спортивных самолетов) на пять классов мощности с диапазоном: 0,5..40 л.с., 45…80 л.с., 80…120 л.с., 120…300 л.с. и 360…420 л.с.

В работе [8] рассматриваются три класса мощности поршневых двигателей для БЛА: малой (до 15 л.с.), средней (16…100 л.с.) и большой мощности (свыше 101 л.с.). В работе [9] АПД для пилотируемой авиации подразделяют в зависимости от мощности на три класса: от 20 до 600 л.с. - малой мощности; от 600 до 1250 л.с. - средней мощности; свыше 1250 л.с. - высокой мощности.

В связи с выше изложенным предлагается для отечественной беспилотной и пилотируемой авиации ввести пять классов мощности поршневых двигателей: особо малой (до 20 л.с.), малой (20…100 л.с.), средней (100…500 л.с.), большой (500…2500 л.с.), особо большой мощности (свыше 2500 л.с.).

Роторно-поршневые двигатели

По сравнению с традиционными поршневыми двигателями РПД при одинаковой мощности имеют следующие преимущества: компактность и меньшая масса; простота конструкции и меньшее количество деталей; низкий уровень шума и вибраций; хорошая уравновешенность и высокая равномерность крутящего момента; низкий удельный расход топлива и др.

Основные недостатки РПД: ненадежная работа уплотнения газового зазора; быстрый износ рабочих поверхностей; большая теплонапряженность; большие габариты масляной и водяной системы; сложная технология изготовления рабочих поверхностей ротора и корпуса; высокая стоимость изготовления и др. Характерной особенностью РПД является нетрадиционная для отечественного авиадвигателестроения технология производства, технического обслуживания, ремонта и эксплуатации РПД.

Еще одним преимуществом РПД является модульность конструкции двигателя. То есть, отработав одну секцию двигателя, можно создать унифицированный мощностной ряд, изготавливая двигатели в одно-, двух- и многосекционном исполнении. При этом возможно иметь всего лишь 2 или 3 типоразмера двигателя. Кроме того, мощностной ряд может быть расширен установкой турбонагнетателя. Таким образом, принцип модульности при разработке РПД позволит с минимальными затратами создать гамму двигателей в большом диапазоне мощностей, применяя унифицированные элементы.

Мощностные ряды зарубежных авиационных РПД

Работы по созданию и производству РПД активно ведутся за рубежом многими фирмами: Великобритании (UAV, Cubewano), Германии (Wankel SuperTech), США (Pratt Whitney), Швейцарии (Mistral), Австралии (Austro Engine) и др. Производителям РПД выгодно создавать несколько типоразмеров РПД, формируя из них мощностные ряды. Так, американская фирма Freedom Motors разработала мощностной ряд двигателей Rotapower в диапазоне от 2,5 до 270 л.с. (табл.1) [10]. Мощностной ряд имеет 13 РПД трех классов мощности: особо малой (4), малой (5) и средней мощности (4).

Таблица 1

Мощностной ряд авиационных РПД Rotapower

Мощностные ряды отечественных авиационных РПД

В СССР наибольших успехов в создании РПД достигли в СКБ РПД «АвтоВАЗ» (Тольятти). На предприятии в течение продолжительного времени занимались разработкой и серийным производством автомобильных и лодочных РПД. Были созданы опытные образцы авиационных двигателей. Мощностной ряд авиационных РПД в диапазоне мощностей от 45 до 280 л.с. представлен в табл. 2 [10].

Таблица 2

Мощностной ряд авиационных РПД «АвтоВАЗ»

Предприятием «АвтоВАЗ» был предложен проект мощностного ряда авиационных РПД среднего класса мощности, состоящий из 7 двигателей в диапазоне от 150 до 300 л.с. [11]. К сожалению, после очередных финансовых кризисов 1990-2000 гг. работы в СКБ РПД «АвтоВАЗ» по роторно-поршневым двигателям были приостановлены.

В 1974-1977 гг. в воронежском ОКБМ был изготовлен и испытан опытный экземпляр РПД мощностью 400 л.с. Однако работы над РПД-400 были прекращены из-за ряда трудноразрешимых проблем [1].

В ОАО СКБМ (вошедшем в ОАО «Кузнецов» в 2010 г.) для удовлетворения потребностей в малой и беспилотной авиации был разработан проект мощностного ряда РПД в диапазоне мощностей от 8 до 200 л.с. (табл.3) [11]. На основе трех типоразмеров разработаны 15 двигателей трех классов мощности: особо малой (4), малой (8) и средней мощности (3).

Таблица 3

Мощностной ряд авиационных РПД ОАО «Кузнецов»

В ОАО «Кузнецов» в соответствии с запросом ОАО «Туполев» был разработан проект двухсекционного атмосферного двигателя РПД-160 для перспективного БЛА. Взлетная мощность бензинового двигателя составляла 160 л.с. при 8000 об/мин., сухая масса 60 кг. Позднее в ОАО «Кузнецов» был разработан проект двухсекционного атмосферного двигателя РПД-100, взлетной мощностью 100 л.с. при 8500 об/мин. и сухой массой 50 кг.

В профессиональном образовательном учреждении «118 Отдельный учебный центр специального назначения» (ПОУ «118 ОУЦСН») был предложен проект мощностного ряда РПД в диапазоне мощностей от 50 до 1500 л.с. (табл.4). На основе двух типоразмеров разработаны 8 двигателей трех классов мощности: малой (2), средней (4) и большой мощности (2) [12].

Таблица 4

Мощностной ряд авиационных РПД ПОУ «118 ОУЦСН»

Проведенный ЦИАМ анализ рынка малой авиации и авиационных двигателей подтверждает, что для обеспечения легкомоторной авиации двигателями необходимо создать мощностной ряд в диапазоне от 50 до 300 л.с. Одним из перспективных направлений является разработка РПД используя модульный принцип конструирования. Так, на основе двух типоразмеров предлагается 4 двигателя двух классов мощности: малой (2) и средней мощности (2) (табл.5) [13].

Таблица 5

Мощностной ряд авиационных РПД ЦИАМ

При формировании унифицированного мощностного ряда отечественных авиационных РПД предложено 18 типоразмеров двигателя в диапазоне от 8 до 1500 л.с. четырех классов мощности (табл.6). При этом для класса особо малой мощности предлагается 4 двигателя, для классов малой и средней мощности - по 6 двигателей, для класса большой мощности - 2 двигателя. Для этого предполагается использовать всего 3 типоразмера РПД с количеством секций до двух (при мощности РПД от 8 до 500 л.с.), четырех и шести секций (при мощности РПД 1000 и 1500 л.с. соответственно).

Таблица 6

Мощностной ряд РПД российской авиации (проект)

Как показал анализ рынка отечественной авиационной техники, наибольшей частотой применения отличаются двигатели мощностью 100 и 120 л.с. [3]. В связи с этим перспективным направлением является работа по созданию РПД мощностью порядка 100 л.с. Предлагается применить РПД второго типоразмера с одной или двумя секциями.

авиационный двигатель мощность поршневой

Перспективные разработки отечественных авиационных РПД

На сегодняшний день в России лидером в разработке РПД является ЦИАМ. В рамках НИР «Перспектива» в ЦИАМ был разработан односекционный атмосферный РПД-демонстратор рабочим объемом 654 см³, мощностью 100 л.с. при 6500 об/мин., массой 60 кг [14]. Двигатель прошел холодную и горячую обкатки.

В ЦИАМ совместно с «Фондом перспективных исследований» был разработан перспективный турбированный односекционный роторно-поршневой двигатель-демонстратор рабочим объемом 400 см³, максимальной мощностью 120 л.с. и массой роторно-статорного модуля 28 кг [15]. Для увеличения ресурса работы РПД были применены композиты в износостойкой вставке статора, радиальных, маслосъемных и торцевых уплотнениях ротора, подшипниковых узлах, износостойком покрытии эксцентрикового вала.

В результате стендовых испытаний РПД подтверждена работоспособность деталей и покрытий из керамических композиционных материалов на основе карбонитрида титана и карбида кремния. Высокотемпературная керамика в камере сгорания позволила применить более бедные топливно-воздушные смеси и за счет этого добиться низкого удельного расхода топлива. Система турбонаддува и электронная система подачи топлива позволили значительно улучшить удельные характеристики. По методике ЦИАМ полный ресурс РПД должен составлять 5000 часов.

Заключение

В России с возрождением поршневой авиации возник острый дефицит отечественных двигателей всех классов мощности. Предложенный унифицированный мощностной ряд роторно-поршневых двигателей в широком диапазоне мощностей от 8 до 1500 л.с. позволит увеличить серийность и снизить себестоимость производства. В условиях поставленной задачи импортозамещения унификация мощностного ряда роторно-поршневых двигателей приобретает особую значимость.

Список литературы

1. Гришин Ю.А. Анализ и перспективы развития поршневых авиационных двигателей / Ю.А. Гришин. Москва, ЦАГИ, 2000, 52 с.

2. Ерохин Е.И. ROTAXозамещение. Российские поршневые двигатели для легкой авиации и БЛА / Е.И. Ерохин. Взлет, 2015, № 11, с. 14-21.

3. Кузнецов Г.А. Мощностные ряды отечественных поршневых двигателей беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов. Colloquium-journal (Warszawa, Polska) / Г.А. Кузнецов, Е.Д. Крылов, 2020, № 2(54), с. 213-225.

4. Стратегия развития поршневого двигателестроения России на период до 2020 года. Двигателестроение, 2016, № 1, с. 3-7.

5. Дизели. Справочник. Ваншейдт В.А., ред. Ленинград, Машиностроение, 1977, 480 с.

6. Рыбальчик В.С. Теория поршневых авиационных двигателей / В.С. Рыбальчик, С.В. Поляков, В.Ф. Герасименко. Москва, Воениздат, 1955, 352 с.

7. Гомберг А.А. Двигатели для легкомоторной авиации: старые проблемы и новые перспективы / А.А. Гомберг. Двигатель, 2010, № 3, с.36-37.

8. Завалов О.А. Современные винтокрылые беспилотные летательные аппараты / О.А. Завалов. Москва, МАИ-ПРИНТ, 2008, 196 с.

9. Эксплуатация автомобильных и авиационных ДВС / по ред.С.В. Лукачева. Самара, Изд-во СГАУ, 2006, 427 с.

10. Кочеров Е.П. К вопросу о развитии тематики роторно-поршневых двигателей за рубежом и в России. Вестник Самарского университета / Е.П. Кочеров, В.А. Кононов, В.В. Окорочков, В.М. Окорочкова, В.М. Иванова. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2011, № 3, ч. 4, с. 207-214.

11. Окорочков В.В. Актуальность и направление развития роторно-поршневой тематики / В.В. Окорочков, В.М. Окорочкова, В.В. Шафранов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2014, № 3, ч. 3, с. 82-91.

12. Денисенко Ю.Н. Отечественные технологии - отечественному двигателестроению. Технические концепции и проекты создания авиационных двигателей для малой и региональной авиации. Презентация по материалам докл. науч.-техн. конф / Ю.Н. Денисенко, И.П. Седунов. Москва, ЦИАМ, 2017. URL: https: //aviatp.ru/15_118OUC.pdf (дата обращения 10.04.2020).

13. Финкельберг Л.А. Состояние, перспективы развития и ключевые направления по созданию авиационных поршневых двигателей для авиации общего назначения. Технические концепции и проекты создания авиационных двигателей для малой и региональной авиации. Презентация по материалам докл. науч.-техн. конф / Л.А. Финкельберг. Москва, ЦИАМ, 2017. URL: https: //aviatp.ru/7_Perspektivy_razvitiya_porchnevyh_dvigateley.pdf (дата обращения 10.04.2020).

14. Костюченков А.Н. Разработка односекционного роторно-поршневого двигателя-демонстратора на основе современной комплексной методики расчета / А.Н. Костюченков, А.А. Зеленцов, П.В. Семенов, В.П.. Минин // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2014, № 5, ч. 2, с. 173-181.

15. ЦИАМ сконструировал авиационный двигатель с 3D-печатными деталями. URL: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/tsiam-skonstruiroval-aviatsionnyy-dvigatel-s-3d-pechatnymi-detalyami/ опубл.07.02.2020 (дата обращения 10.04.2020).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Grishin Yu.A. Analiz i perspektivy razvitiya porshnevykh aviatsionnykh dvigateley [Analysis and development prospects of piston aircraft engines] / Grishin Yu.A. Moscow, TsAGI Publ., 2000, 52 p. [in Russian]

2. Yerokhin Ye.I. Vzlet [Take-off] / Yerokhin Ye.I., 2015, no. 11, pp. 14-21. [in Russian]

3. Kuznetsov G.A. Moshhnostnye rjady otechestvennyh porshnevyh dvigatelej bespilotnyh i pilotiruemyh letatel'nyh apparatov [Power ranges of domestic piston engines of unmanned and manned aircraft] / Kuznetsov G.A., Krylov Ye.D Colloquium-journal (Warszawa, Polska), 2020, no. 2(54), pp. 213-225. [in Russian]

4. Strategija razvitija porshnevogo dvigatelestroenija Rossii na period do 2020 goda. Dvigatelestroenie [Strategy for the development of the Russian piston engine industry for the period up to 2020 Engine Engineering], 2016, no. 1, pp. 3-7. [in Russian]

5. Vansheydt V.A. Diseli. Spravochnik [Diesels. Directory] / Vansheydt V.A.. Leningrag, Mashinostroenie, Publ., 1977, 480 p. [in Russian]

6. Rybal'chik V.S. Teoriya porshnevykh aviatsionnykh dvigateley [Piston engine theory] / Rybal'chik V.S., Polyakov S.V., Gerasimenko V.F.. Dobrynin A.A., ed. Moscow, Voenizdat Publ., 1955, 352 p. [in Russian]

7. Gomberg A.A. Dvigateli dlja legkomotornoj aviacii: starye problemy i novye perspektivy [Engines for light-engine aviation: old problems and new prospects] / A.A. Gomberg. Engine, 2010, no. 3, pp. 36-37. [in Russian]

8. Zavalov O.A. Sovremennyye vintokrylyye bespilotnyye letatel'nyye apparaty [Modern unmanned rotorcrafts] / Zavalov O.A.. Moscow, MAI-PRINT Publ., 2008, 196 p. [in Russian]

9. Lukachev S.V. Ekspluatatsiya avtomobil'nykh i aviatsionnykh DVS. [Operation of automotive and aviation ICEs] / Lukachev S.V. Samara, SSAU Publ., 2006, 427 p. [in Russian]

10. Kocherov E.P. K voprosu o razvitii tematiki rotorno-porshnevyh dvigatelej za rubezhom i v Rossii. Vestnik Samarskogo universiteta [On the development of the subject of rotary-piston engines abroad and in Russia. Bulletin of Samara University] / E.P. Kocherov, V.A. Kononov, V.V. Okorochkov, V.M. Okorochkova, V.M. Ivanova // Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technology and Engineering, 2011, no. 3, part. 4, pp. 207-214. [in Russian]

11. Okorochkov V.V. Aktual'nost' i napravlenie razvitija rotorno-porshnevoj tematiki [Relevance and direction of development of rotary-piston topics] / V.V. Okorochkov, V.M. Okorochkova, V.V. Shafranov // Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technology and Engineering, 2014, no. 3, part. 3, pp. 82-91. [in Russian]

12. Denisenko Yu. N. Otechestvennye tekhnologii - otechestvennomu dvigatelestroeniyu [Domestic technologies - to domestic engine buildind]. Tekhnicheskiye kontseptsii i proyekty sozdaniya aviatsionnykh dvigateley dlya maloy i regional'noy aviatsii. Prezentatsiya po materialam dokl. nauch.-tekhn. konf. [Technical concepts and projects for creating aircraft engines for small and regional aviation. Presentation on the materials of the report. scientific and technical conf.] / Denisenko Yu. N., Sedunov I.P.. Moscow, TsIAM, 2017. Available at: URL: https://aviatp.ru/15_118OUC.pdf (accessed April 10, 2020). [in Russian]

13. Finkelberg L.A. Sostoyaniye, perspektivy razvitiya i klyuchevye napravleniya po sozdaniyu aviatsionnykh porshnevych dvigateley dlya aviatsii obshchego naznacheniya [State, development prospects and key areas for the development of aviation piston engines for general aviation]. Tekhnicheskiye kontseptsii i proyekty sozdaniya aviatsionnykh dvigateley dlya maloy i regional'noy aviatsii. Prezentatsiya po materialam dokl. nauch.-tekhn. konf. [Technical concepts and projects for creating aircraft engines for small and regional aviation. Presentation on the materials of the report. scientific and technical conf.]. Moscow, TsIAM, 2017. Available at: URL: https://aviatp.ru/7_Perspektivy_razvitiya_porchnevyh_dvigateley.pdf (accessed April 10, 2020). [in Russian]

14. Kostyuchenkov A.N. Razrabotka odnosekcionnogo rotorno-porshnevogo dvigatelja-demonstratora na osnove sovremennoj kompleksnoj metodiki rascheta [Development of a single-section rotary-piston engine demonstrator based on modern complex calculation methods] / A.N. Kostjuchenkov, A.A. Zelencov, P.V. Semenov, V.P.. Minin // Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technology and Engineering, 2014, no. 5, part. 2, pp. 173-181. [in Russian]

15. TsIAM skonstruiroval aviatsionnyy dvigatels 3d-pechatnymi detalyami [TsIAM designed an aircraft engine with 3D-printed parts] Available at: URL: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/tsiam-skonstruiroval-aviatsionnyy-dvigatel-s-3d-pechatnymi-detalyami/ opubl.07.02.2020 (accessed April 10, 2020). [in Russian]

Размещено на Allbest.ru