Александр Иноземцев: «ДВИГАТЕЛЬ ПД-14 – ФЛАГМАН ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ РОССИИ»
Первый полет российского самолета МС-21-310 с двигателями ПД-14 состоялся 15 декабря 2020 года. Это стало одним из самых главных и ожидаемых событий уходящего года. Продолжительность полета на аэродроме Иркутского авиационного завода – филиала ПАО «Корпорация «Иркут» – составила 1 час 25 минут. В рамках полетного задания были проверены режимы работы силовой установки, устойчивость и управляемость самолета, а также функционирование его систем.
В связи с этим событием есть повод еще раз вспомнить статью 2019 года Александра Александровича Иноземцева, управляющего директора-генерального конструктора АО «ОДК-Авиадвигатель», члена-корреспондента РАН: «ДВИГАТЕЛЬ ПД-14 – ФЛАГМАН ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ РОССИИ».
Первый полностью отечественный двигатель ПД-14, с которым связывают будущее гражданской авиации России, создан. В октябре 2018 года он получил Сертификат типа от «Росавиации», что подтверждает соответствие ПД-14 нормам летной годности и охраны окружающей среды Российской Федерации и свидетельствует о готовности к установке двигателя на самолет. В настоящее время идет работа по валидации данного Сертификата Европейским агентством авиационной безопасности (EASA).
Головным исполнителем работ по проекту «Двигатель ПД-14 для самолета МС-21» выступило АО «ОДК», головным разработчиком – пермское конструкторское бюро АО «ОДК-Авиадвигатель», головным изготовителем – серийный завод АО «ОДК-Пермские моторы». Сегодня новейший российский двигатель ПД-14 напрямую конкурирует с двигателем американской компании Pratt&Whitney – одного из крупнейших мировых производителей газотурбинной техники.
ПД-14 – совершенно новая разработка «ОДК-Авиадвигатель». К сожалению, четвертьвековое недофинансирование НИОКР привело к серьезному отставанию российских авиадвигателестроителей от западных конкурентов. Чтобы догнать конкурентов, пришлось применить ряд новейших конструкторско-технологических решений. Многолетний успешный опыт разработки и внедрения в серийное производство и эксплуатацию передовых для своего времени двигателей Д-30, Д-30Ф6, ПС-90А, каждый из которых имеет несколько модификаций, накопленный пермской конструкторской школой под руководством П.А. Соловьева, а также привлечение к проекту всех ресурсов ОДК и отраслевой науки давало уверенность в успешной реализации проекта создания ПД-14.
Сложно переоценить значение проекта создания ПД-14 для развития отечественного двигателестроения и преодоления технологического отставания России от ведущих производителей газотурбинной техники. По масштабам и сложности технических, технологических, экономических, маркетинговых проблем создание двигателя ПД-14 можно назвать самым грандиозным проектом нашей страны за последние 35 лет в области авиационного двигателестроения.
Презентация проекта «Двигатель ПД-14 для самолета МС-21» на авиасалоне «МАКС-2009»
Над разработкой и производством двигателя работала широкая кооперация ведущих двигателестроительных предприятий России: АО «ОДК-Пермские моторы», ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-УМПО», ПК «Салют» АО «ОДК», АО «Металлист-Самара», АО «ОДК-СТАР», АО «ПЗ «Машиностроитель», ПАО «ВАСО», АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» и др. Это позволило использовать в проекте наилучший опыт российских компаний, консолидировав их сильные стороны.
Необходимо подчеркнуть, что в задачи проекта изначально входили не только разработка современного отечественного двигателя, конкурентоспособного на мировом рынке, но и техническое переоснащение опытного и серийного производств, внедрение высокопроизводительных технологических процессов, так называемых ключевых технологий. Всего в рамках проекта освоены 16 ключевых технологий.
В соответствии с общемировой практикой дорогостоящий проект ПД-14 реализован с использованием Gate-технологий. После каждого этапа разработки «Авиадвигатель» организовывал оценку достигнутых результатов проекта профессиональным сообществом – так называемые контрольные рубежи. В качестве экспертов выступали высококвалифицированные специалисты двигателестроительных предприятий, Российской академии наук, ПАО «ОАК», отраслевых институтов и др. Это дало возможность учесть мнения всех заинтересованных сторон, минимизировать ошибки, своевременно внести коррективы в облик двигателя и организацию процесса разработки, снизив финансовые и технические риски. Решение задач проекта осуществлялось в комплексе Business&Technical (бизнес и техническая часть).
Бизнес-идея проекта – создание семейства двигателей различных мощностей, для разных видов летательных аппаратов и наземных установок на базе унифицированного газогенератора высокой степени технического совершенства. Газогенератор – самый сложный, высоконагруженный и дорогой узел двигателя, определяющий его конкурентоспособность и стоимость. Унификация данного узла обеспечит его массовое производство для двигателей разного применения, что значительно сократит себестоимость изготовления каждой из будущих модификаций двигателя.
Материалы, технологии проектирования, испытаний, доводки и производства газогенератора не могли быть импортированы из-за рубежа, ибо являются «ноу-хау» каждой страны, располагающей такими технологиями. Поэтому еще на начальных этапах проектирования ПД-14 «ОДК-Авиадвигатель» сделало ставку на отечественные материалы и технологии. ВИАМ взял на себя обязательства в кратчайшие сроки создать материалы, ни в чем не уступающие западным аналогам. В итоге в двигателе ПД-14 использовано около 20 наименований новых сплавов, разработанных ВИАМ.
Для минимизации затрат на подтверждение ресурсных характеристик двигателя ПД-14 осуществляется специальная квалификация этих материалов, формируется банк данных характеристик материалов, подтверждающих то, что эти материалы имеют необходимый уровень конструкционной прочности. Для сокращения сроков в «ОДК-Авиадвигатель» работает не имеющий аналогов в России роботизированный комплекс изготовления образцов с программой выпуска 600 единиц в месяц. Испытания новых материалов ведутся в современных аккредитованных Авиарегистром РФ лабораториях «ОДК-Авиадвигатель», ЦИАМ им. Баранова, ВИАМ, КНИТУ-КАИ, ФИЦ «КазНЦ РАН», ПНИПУ.
Создание двигателя ПД-14 потребовало значительного повышения уровня исследований, проводимых на стендах и установках испытаний деталей, узлов, модулей, агрегатов лабораторно-испытательной базы «ОДК-Авиадвигатель», «ОДК-Сатурн», ЦИАМ, ПНИПУ и др. Для обеспечения испытаний узлов, газогенератора и полноразмерного двигателя на предприятии были созданы современные испытательные установки, стенды и лаборатории, в том числе: установка испытаний модели вентилятора и КНД, установка испытаний натурных корпусов вентилятора на непробиваемость, установка испытаний КВД, установка испытаний ротора и облопаченных дисков турбин, установка испытаний отсеков камеры сгорания с высокими параметрами, приближенными к параметрам натурного двигателя, стенд для испытаний газогенератора с наддувом и подогревом воздуха на входе (имитация условий натурного двигателя). Особого внимания заслуживает установка испытаний компонентов трансмиссий и систем смазки ГТД широкого назначения. Эта единственная в России установка позволяет имитировать высотные условия, углы крена и тангажа при проверке работы компонентов трансмиссий и систем смазки двигателя. С ее помощью выявляются проблемы в работе компонентов системы смазки на начальном этапе создания двигателя, подтверждается его работоспособность в условиях масляного «голодания» или при работе на «грязном» масле.
Открытый стенд для испытаний полноразмерных двигателей позволяет проводить все виды испытаний современных и перспективных газотурбинных двигателей, в том числе сертификационные, исследовательские, контрольные, а также испытания реверсивных устройств, акустические испытания с измерением уровня и структуры шума. Стенд оснащен противотурбулентным входным устройством (ПВУ), представляющим собой усеченный сферический купол диаметром 6,9 метра. ПВУ позволяет проводить эквивалентную акустическую сертификацию самолетов с пермскими двигателями, имитируя акустические характеристики двигателя в полете. Модернизированный стенд полностью соответствует требованиям действующих российских и международных нормативных документов по окружающей среде и аттестован для проведения сертификационных испытаний.
Значительную модернизацию претерпело механическое производство опытного завода «ОДК-Авиадвигатель»: введены в эксплуатацию вакуумная термическая печь с системой очистки аргона, термические печи и газовые печи для обжига керамических форм, автоматизированная система изготовления литейных форм. Освоены новые возможности ранее приобретенного оборудования, в частности, на многофункциональном роботизированном лазерном комплексе отработан импульсный режим лазерной наплавки LMD, который позволяет минимизировать термическое влияние на структуру материала и исключить термические трещины. Получены положительные результаты восстановления рабочих торцев лопаток турбины высокого давления (ТВД) и турбины низкого давления (ТНД). Внедрена технология ремонта титановых лопаток моноколес. Специалисты опытного производства освоили технологию адаптивного фрезерования лопаток моноколес КВД. Это позволяет обрабатывать восстановленные по технологии лазерной наплавки детали ГТД, поврежденные в процессе эксплуатации.
Внедрены новейшие аддитивные технологии селективного спекания. Особенность технологий заключается в том, что усложнение геометрии детали не увеличивает стоимость изготовления и позволяет существенно сократить сроки изготовления заготовок.
Оптическую фотограмметрическую систему измерения специалисты предприятия применили для выполнения уникальной работы: измерения и анализа деформации в системе управления реверсом авиационного двигателя ПС-90A. Были определены траектории перемещения основных элементов системы управления при различных нагружениях. Данная система была успешно использована для измерений перемещения поверхностей двигателя ПД-14 в полете, на стенде и статических испытаниях.
Модернизация и переоснащение производства и лабораторно-исследовательской базы предприятия позволили оптимизировать затраты на проведение опытно-конструкторских работ и ускорить внедрение принимаемых технических решений.
Существенную роль в создании двигателя ПД-14 сыграли предприятия кооперации. На Уфимском моторостроительном производственном объединении (ПАО «ОДК-УМПО») разработана и освоена технология изготовления пустотелой широкохордной рабочей лопатки вентилятора из титанового сплава. До этого опыт изготовления таких лопаток в нашей стране отсутствовал. Проведенная в сжатые сроки в тесном сотрудничестве с Институтом проблем сверхпластичности материалов РАН (ИПСМ РАН, г. Уфа) работа обеспечила успешную реализацию всего проекта создания ПД-14.
Внедрение на АО ОДК-Пермские моторы (АО «ОДК-ПМ») технологий нанесения керамических теплозащитных покрытий лопаток ТВД и элементов камеры сгорания, а также электроэрозийной обработки при перфорировании лопаток ТВД обеспечило высокие, соответствующие лучшим образцам современных двигателей параметры рабочего цикла ПД-14.
Приобретение в рамках проекта создания ПД-14 современного высокоточного и высокопроизводительного оборудования позволило предприятиям кооперации освоить в производстве технически сложные детали и узлы нового двигателя.
Двигатель ПД-14 – пионер передовых технологий, безопасных и наиболее конкурентоспособных конструкторских решений. В ходе реализации этого проекта многое делалось впервые в истории отечественного двигателестроения. Например, впервые в истории отечественного двигателестроения пермским КБ создана двигательная установка, которая включила в себя и двигатель ПД-14, и мотогондолу. Для ее создания были использованы полимерные композитные материалы, что позволило внедрить современные технологии шумоглушения и существенно снизить массу двигателя.
ПД-14 – современный турбовентиляторный двигатель с проверенными конструктивными решениями: компактной двухвальной схемой, прямым приводом вентилятора с полыми рабочими лопатками, оптимальной степенью двухконтурности, эффективным газогенератором, цифровой САУ с полной ответственностью (типа FADEC). Все это позволяет добиться высокой надежности и технологичности.
Конкурентные преимущества двигателя ПД-14 по показателям экономической эффективности эксплуатации обеспечены оптимальным сочетанием умеренно высоких параметров цикла и выверенной схемы двигателя, что обеспечивает снижение массы и лобового сопротивления двигательной установки, стоимости изготовления двигателя, затрат на его обслуживание и ремонт. По сравнению с лучшими современными зарубежными и российскими аналогами (CFM56-5В / –7, V2500 А5, ПС-90А) при разработке ПД-14 сделан значительный шаг в повышении основных параметров. ПД-14 конкурирует с новейшими двигателями аналогичного назначения и класса тяги: PW1100G, PW1400G компании P&W для самолетов A-320NEO и МС-21; Leap-1A, Leap-1В, Leap-1С консорциума CFMI (GE / Snecma) для самолетов A-320NEO, В-737МАХ и С-919.
3 ноября 2015 года в присутствии вице-премьера РФ Дмитрия Рогозина состоялся первый полет двигателя ПД-14 на крыле летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. Полет продолжался 40 минут и прошел в точном соответствии с летной программой. Уникальная телеметрическая система позволила находящимся в Перми инженерам-испытателям в режиме реального времени следить за параметрами работы двигателя на крыле. На заседании президиума Госсовета, состоявшемся в Нижнем Тагиле 25 ноября 2015 года, Президент России Владимир Путин поздравил двигателестроителей с «безусловной победой». В 2016 году успешно завершен второй этап летных испытаний, в процессе которого двигатель подтвердил заявленные характеристики, работоспособность и надежность во всех ожидаемых условиях эксплуатации.
15 октября 2018 года Федеральное агентство воздушного транспорта выдало «ОДК-Авиадвигателю» Сертификат типа на двигатель ПД-14, удостоверив тем самым соответствие его типовой конструкции требованиям сертификационного базиса. На этом работа с двигателем не заканчивается.
В 2019 году продолжается запланированный комплекс испытаний в рамках валидации сертификата в EASA. Одновременно, в АО «ОДК-Пермские моторы» ведется работа по сертификации производства двигателей ПД-14 в соответствии с правилами EASA.
Следующий этап в работе над ПД-14 – летные испытания двигателя на крыле самолета МС-21, а также создание системы поддержки заказчика и послепродажного обслуживания в соответствии с международными стандартами.
В ходе посещения пермского КБ в июле 2019 года руководитель Федерального Агентства воздушного транспорта Александр Нерадько подчеркнул: «Мы все ждем, что новый российский авиалайнер МС-21 будет оснащаться двигателем ПД-14.
В прошлом году двигатель успешно прошел сертификацию, сейчас работа по его совершенствованию продолжается. Надеемся, что ПД-14 будет использоваться не только в составе самолета МС-21, но и станет основой для целой линейки двигателей различной тяговооруженности».
ПД-14 – полностью отечественный инновационный и перспективный продукт, открывающий дорогу семейству российских двигателей не только для магистральной авиации, но и для объектов топливно-энергетического комплекса России, в том числе газоперекачивающих станций и электростанций, которые будут созданы в ближайшие годы и непременно составят конкуренцию импортным аналогам. Не случайно, в октябре 2018 года по заказу ПАО «Газпром» в пермском КБ начаты работы по созданию двигателя промышленного назначения с малоэмиссионной камерой сгорания на базе газогенератора ПД-14 номинальной мощностью 12 МВт. Новейшая газотурбинная установка для транспорта газа будет представлена заказчику в 2022 году.
Специалисты «ОДК-Авиадвигатель» не останавливаются на достигнутом: сегодня в Перми впервые в истории отечественного газотурбинного моторостроения в рамках федеральной программы создания семейства авиационных двигателей тягой 25–50 тс для перспективных российских широкофюзеляжных пассажирских и транспортных самолетов полным ходом ведется разработка базового двигателя перспективного семейства – ПД-35 тягой 35 тс.
И это значит, что отечественной авиации обеспечено будущее, а Россия сохранит статус самостоятельной авиационной державы. Продолжается огромная работа по превращению российского двигателестроения в настоящий драйвер экономического развития страны, а «ОДК-Авиадвигатель» – в авангарде этого процесса.