#авиадвигатели

Газотурбинные двигатели являются ключевыми установками в современной авиации. Одной из наиболее опасных аварийных ситуаций при их эксплуатации считается помпаж — нарушение устойчивого потока воздуха, способное за секунды привести к серьезным повреждениям. Для предотвращения разрушительных последствий и обнаружения сбоев в системах управления традиционно используют аналого-цифровой преобразователь — устройство, которое превращает сигнал от датчиков двигателя в код для компьютера. Однако главный недостаток существующих решений — их медлительность. Они требуют достаточно много времени для каждого замера показаний. В итоге, в аварийной ситуации система управления получает информацию об опасности с опозданием, что может привести к повреждениям двигателя. Ученые Пермского Политеха разработали нейронный аналого-цифровой преобразователь, который позволяет сократить время обнаружения помпажа почти в два раза.

Авиационный шум от миллионов полетов самолетов в России угрожает здоровью пассажиров, экипажей и жителей вблизи аэропортов. Проблема усугубляется износом шумопоглощающих панелей двигателей — со временем они забиваются и разрушаются. Ужесточение международных нормативов к 2029 году требует новых решений для его снижения. Основная сложность — контроль состояния такого оборудования. Стационарные интерферометры (лабораторные установки для анализа акустических свойств) требуют демонтажа деталей, а портативные аналоги с малым диаметром (30 мм) не подходят для крупных компонентов. Сложность существующих методов часто приводит к отсрочкам проверок и невозможности эксплуатации двигателей. Ученые Пермского Политеха создали первый в России портативный измеритель шума авиадвигателей, который в 6 раз легче и на 66% больше по рабочей площади, чем аналоги. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Ежегодно по всему миру происходит до 60 извержений вулканов, пепел которых представляет серьезную угрозу для авиации. Это микроскопические частицы горной породы и стекла, которые накапливаются на элементах двигателя и способны привести к его полному отключению прямо во время полета. Попадание самолетов в вулканические облака строго контролируется авиационной безопасностью, однако такие случаи все-таки бывают. И несмотря на всю важность проблемы, вопрос последствий этого изучен не полностью. Ученые Пермского Политеха провели уникальное научное исследование и раскрыли, в каких случаях полет через пепел безопасен, а в каких он может привести к прогарам и разрушению лопаток газовой турбины. Результаты помогут усовершенствовать системы охлаждения отечественных силовых установок нового поколения.

Турбины — ключевые компоненты авиадвигателей и электростанций. Перед вводом в эксплуатацию их тестируют на стендах, но традиционные методы дают погрешность 15-20% из-за вибраций. Ученые Пермского Политеха улучшили стенд для испытаний турбин, что позволило снизить погрешность до 4,5-7%, то есть почти в три раза.

На взлете самолета шум двигателей может достигать 110-150 децибел, в то время как для человеческого уха комфортным считается всего 20-40 децибел. Излишний шум способен воздействовать не только на слуховой аппарат, но и на работу сердечно-сосудистой и нервной систем, вызывать головные боли и повышенную утомляемость. Для уменьшения шума в авиации используются специальные звукопоглощающие конструкции. Ученые Пермского Политеха модернизировали один из их элементов, изменив физику течения воздуха, что позволило повысить поглощение звука конкретной конструкции с 85% до 90-95% на частотах 400-500 Гц и высоких уровнях звукового давления.

В авиастроении и космонавтике для изготовления деталей конструкции используют индукционную плавку металла. С ее помощью делают лопатки и диски турбин, компрессоры, корпусы двигателей, элементы крепежа. При таком способе материал нагревается и перемешивается под действием магнитного поля. Однако при этом на поверхности могут образовываться тонкие пленки из загрязняющих веществ. Они становятся причиной дефектов изделий, которые могут достигать до 10% объема готовой продукции. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая описывает процессы индукционной плавки металла, и с ее помощью определили режимы плавки, при которых эта пленка не оседает на форме. Результаты найдут применение в современных металлургических технологиях.

С ростом полетов значительно увеличиваются требования к надежности газотурбинных двигателей. Для обеспечения их долговечности и бесперебойной работы необходимо проводить строгие испытания внутренних систем, отвечающих за подачу топлива, регулирование давления и другие жизненно важные функции механизма. Все это требует больших временных затрат (от 500-600 до нескольких тысяч часов) из-за высокой сложности и стоимости оборудования. Обычно в ходе испытаний оператор вручную настраивает и контролирует различные параметры, но это может быть сопряжено с рисками ошибки и все еще требует немало времени. Ученые Пермского Политеха создали специальную отечественную программу, которая автоматизирует процесс и делает его не менее чем в 1,5 раза быстрее.

Коллектив исследователей из МФТИ и Института автоматизации проектирования РАН разработал новаторский вычислительный подход, позволяющий заглянуть в самое сердце процесса усталостного разрушения материалов. Их метод, основанный на комбинации сеточно-характеристических расчетов и технологии перекрывающихся сеток, дает возможность детально, цикл за циклом, моделировать накопление повреждений в конструкциях под воздействием высокочастотных нагрузок, что критически важно для таких отраслей, как авиастроение.

Газотурбинные двигатели — это сердце современной авиации. Их надежность и долговечность во многом зависят от прочности ключевых компонентов, таких как турбинные диски, которые работают в экстремальных условиях: под действием высоких температур, механических воздействий и циклических нагрузок. Ученые Пермского Политеха предложили модель, которая позволит определять эффективную для эксплуатации зеренную структуру диска. Их исследование показывает, что градиентное распределение размера зерен в материале может значительно повысить прочность и устойчивость дисков к усталости и разрушению.

Сгорая, топливо выделяет тепловую энергию, благодаря которой работают газотурбинные двигатели. Для того, чтобы оно сжигалось хорошо, его нужно тщательно перемешать с воздухом. Подогрев помогает сделать это быстрее и эффективнее. Это особенно важно при использовании бедных смесей, в которых воздуха больше, чем топлива, из-за чего оно может сгореть не полностью и двигатель будет работать хуже. Однако существующие методы подогрева приводят к выбросам углекислого газа и оксида азота, которые в больших количествах вредны для здоровья человека и окружающей среды. Ученые Пермского Политеха исследовали процессы, происходящие при подогреве топливного газа, и выяснили, что лучше делать это перед камерой сгорания двигателя — так выброс вредных веществ снизится на 24 процента для угарного газа.

На Земле насчитывается более 1000 действующих вулканов. Серьезную опасность для летательных аппаратов представляют облака вулканического пепла, выброшенные в атмосферу. Пепел воздействует на фюзеляж и аэродинамические поверхности самолета, а также на турбореактивные двигатели. Аккумуляция его частиц на сопловом аппарате может стать причиной отключения двигателя. В условиях глобального роста мировых авиаперевозок уделяется особое внимание безопасности полетов, в том числе оценивается устойчивость работы двигателей при попадании самолетов в облака вулканического пепла. Ученые АО «ОДК-Авиадвигатель» и Пермского Политеха впервые численно оценили объемы высокотемпературных зон в тракте двигателя, в которых частицы пепла переходят в жидкую фазу и представляют опасность.

Для многих из нас турбулентность — неприятное явление, которое сопровождается тряской самолета. Она возникает, когда потоки воздуха хаотично завихряются вместо того, чтобы двигаться прямо. Но если заглянуть внутрь авиадвигателя, то окажется, что такой же процесс может быть полезным и даже необходимым для самолета. Турбулентные завихрения, возникающие внутри камеры сгорания, активно перемешивают кислород с топливом, что увеличивает скорость реакции горения и делает полет стабильным и безопасным. Математическое моделирование всех этих процессов позволяет предсказать поведение материалов при высоких температурах и давлениях, а также повысить эффективность использования топлива. Ученые Пермского Политеха выяснили, какой показатель турбулентности нужно использовать для корректного моделирования горения. От точных расчетов зависит качественная оценка работы двигателя и выявление его неисправностей.

Авиационный газотурбинный двигатель выполняет две основные функции в полете: создает тягу, которая обеспечивает движение самолета в воздухе, и снабжает его необходимой мощностью для работы самолетных систем. Для безопасности полетов и предотвращения аварийных ситуаций необходима непрерывная оценка состояния двигателя при разных режимах эксплуатации. Чтобы точно отслеживать изменения, можно применить адаптивные технологии на основе сложных математических моделей. Но они требуют больших вычислительных ресурсов, и их не реализовать на существующих цифровых агрегатах. Ученые Пермского Политеха разработали адаптивную бортовую модель на основе искусственного интеллекта. Она позволяет повысить скорость и точность оценки состояния авиационного газотурбинного двигателя во время полетов.

Композиционные изделия — это соединение двух и более материалов с разными свойствами, которые в сочетании образуют новый материал с лучшими качествами. Обычно их создают на основе полимера с внедрением внутрь волокон, которые повышают прочность изделия. Такие объекты широко применяют в аэрокосмической, строительной и медицинской отраслях. При производстве и эксплуатации сложных конструкций из композита в структуре накапливаются напряжения, которые со временем приводят к разрушению. Ученые ПНИПУ с помощью комбинированного метода исследовали, как деформируется конструкция в зависимости от способа укладки волокон и надреза материала. Результаты способствуют созданию качественных ответственных сооружений, например, деталей авиадвигателя и имплантов для замещения костной ткани.

При длительном воздействии авиационный шум вызывает проблемы с органами слуха, повышение артериального давления, раздражительность и усталость. Существенному воздействию вблизи аэропортов подвергается около трех процентов россиян. Чтобы снизить его — применяют шумоглушащие сопла. Ученые Пермского Политеха выяснили, какая конструкция заглушает максимальное количество шума на низких и высоких частотах.

Сборка вентиляторов авиационных двигателей — ответственный момент. Важно убедиться, что ни на одном из этапов не возникнет ни малейших дефектов, которые могли бы привести самолет или вертолет в негодность. Например, в процессе сборки вентилятора может появиться дисбаланс лопастей, который ведет к снижению производительности механизма. Поэтому после технологических работ детали специально балансируют, но это дорогостоящий и требующий времени процесс. Ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель, которая позволяет еще до начала сборки спроектировать оптимальное расположение лопастей ротора, что сократит временные и финансовые затраты на производстве.

Газотурбинные двигатели (ГТД) применяются в авиационной технике. Их конструкция постоянно совершенствуется, чтобы достичь максимальной эффективности, увеличивается число регулируемых параметров и режимов работы. Но вместе с тем ужесточаются и требования к системам управления этими параметрами. Ученые Пермского Политеха предложили новую логику работы ГТД с учетом изменяющихся условий их эксплуатации. Это позволит сделать работу отечественных двигателей во время взлета и посадки самолетов еще более стабильной.

В производстве авиадвигателей самая большая сложность — в изготовлении деталей газовых турбин. Особенно это касается дисков и лопаток, отвечающих за вращение турбины. Они соединены между собой с помощью елочных пазов — углублений в форме елочек. Сейчас они обрабатываются методом протягивания специальными блоками из быстрорежущих сталей, которые прорезают диски и формируют по окружности елочный профиль. Но в современных реалиях возникают трудности с зарубежными поставками заготовок для процесса протягивания. Это влечет за собой простои производства и серьезные финансовые затраты. Ученые Пермского Политеха предложили более эффективный способ прорезки елочных пазов в дисках газовых турбин. Он позволит почти в два раза сократить время и затраты на изготовление протяжек из дорогостоящих быстрорежущих сталей.

Авиационная промышленность России стремится к ускоренному производству большого количества отечественных газотурбинных двигателей, характеристики которых не уступают мировым аналогам. Одна из наиболее сложных частей авиадвигателя — газотурбинные лопатки. Во время эксплуатации они подвергаются высоким температурам, поэтому для охлаждения в них делают множество маленьких отверстий. Процесс считается трудоемким из-за особенностей их геометрии. Ученые Пермского Политеха разработали программу, которая повышает качество и точность перфорации лопаток газовой турбины. Ее применение в современных станках с ЧПУ повышает скорость и эффективность обработки отверстий, снижает риск разрушения их кромок.

Авиация — один из крупнейших источников выбросов вредных веществ. Особенно это касается оксидов азота, которые выделяются в процессе сгорания топлива. Его высокие концентрации опасны для человека, при длительном воздействии эти газы приводят к воспалению дыхательных путей, бронхиту и онкологии. В группе риска находятся жители крупных индустриальных городов. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Создание экологичных авиадвигателей требует совершенствования систем автоматического управления. Особую сложность представляет управление камерой сгорания газотурбинного двигателя, так как необходимо соблюдать баланс между их стабильной работой и минимизацией выбросов. Ученые ПНИПУ разработали систему, которая снижает концентрацию выбросов оксидов азота более чем на три процента и повышает экологическую эффективность при стабильной работе камеры сгорания.

Детали производственных машин отливаются из стали. Их создание требует высокой точности и качества. Один из ключевых этапов изготовления — затвердевание отливки после ее заливки в форму. Его моделирование и анализ с использованием компьютерных систем позволяет улучшить качество и эффективность производства. Это снижает затраты и ускоряет процесс, поскольку отработка конструкции и ее параметров ведется не на реальных дорогостоящих плавках, а в виртуальном пространстве. Ученые Пермского Политеха разработали и проанализировали модели затвердевания отливок деталей «качалка» и «корпус насоса», которые широко применяются в авиации, чтобы определить оптимальные условия их создания.

В России резко возросла потребность в замещении импортных магистральных пассажирских самолетов. Это требует от авиапредприятий ускоренного производства большого количества современных отечественных газотурбинных двигателей (ГТД), не уступающих по характеристикам мировым аналогам. Для этого необходимы новые технологии, которые обеспечат быстрое изготовление при стабильно высоких параметрах качества и конкурентоспособности. Ученые Пермского Политеха совместно со специалистами АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали новый способ обработки одной из главных деталей газовой турбины – сопловой лопатки. Технология обеспечивает повышение производительности и точности изготовления сопловых лопаток для более качественной сборки современных газотурбинных двигателей.

Обледенение двигателей самолета — по-прежнему одна из причин авиакатастроф. Кроме того, образование льда на поверхности воздушных судов препятствует развитию перелетов с высокой скоростью на большие расстояния через зоны активного изменения погоды, что особенно характерно для России и территорий, входящих в ее арктическую зону. Существующие противообледенительные системы не всегда достаточно эффективны, потому что прогревают важные детали только частично. Ученые Пермского Политеха предложили способ удаления льда с лопастей вентилятора двигателей прямо во время полета с помощью лазерной системы. Изобретение повысит безопасность передвижения по воздуху.

При взлете самолета шум от реактивной струи авиационного двигателя может достигать 110-130 децибел, что при нахождении рядом вызывает у человека и животных болевые ощущения и даже может привезти к контузии. Главный источник шума — это двигатель. С одной стороны, инженеры разрабатывают звукопоглощающие материалы, ими облицуют внутренние каналы двигателя, а еще обшивают салон. С другой стороны, б́́ольшая доля проблемы лежит на звуках от реактивной струи газов. Наиболее эффективный метод снижения шума – уменьшение скорости выхода газов за счет увеличения диаметра двигателя. Но такой подход приводит к тому, что размер и масса становятся больше, а аэродинамические характеристики самолета ухудшаются. Сейчас ищут другой путь — менять конструкции деталей двигателя, например, сопел. Ученые ПНИПУ выяснили, какая из них наиболее эффективна.

Согласно планам России по развитию авиастроения, к 2030 году будет произведено свыше тысячи отечественных самолетов. Перед промышленными предприятиями сейчас стоит масштабная задача — ускорить цикл проектирования, производства и сервиса авиационных двигателей. Во время их сборки могут возникать дефекты, которые тормозят процесс и снижают показатели эффективности. Один из наиболее распространенных дефектов — дисбаланс ротора, основной части турбины двигателя. Он приводит к повышению нагрузки, меняет режим работы и ускоряет разрушение двигателя. Ученые ПНИПУ предложили минимизировать начальный дисбаланс ротора с помощью выбранного метода сборки, а остаточный дисбаланс — балансировкой.

Специалисты инфраструктурного центра «Технет» СПбПУ провели исследование мирового рынка авиационных двигателей, включая двигатели БПЛА. Выяснилось, что при темпах роста 8,53 процента в год к 2027 году объем рынка составит 11,77 миллиардов долларов.

Диски, втулки, валы, лопатки и другие части авиадвигателей делают из титановых сплавов. Такие детали получаются прочными и легкими, что позволяет совершенствовать конструкцию самолетов. Но их создание — трудоемкий процесс, высокопрочный сплав тяжело поддается обработке. Например, точение, фрезерование, сверление, протягивание таких деталей значительно влияет на их качество: часто разрушение начинается с поверхности, на которую активно воздействовали инструментами. Ученые ПНИПУ определили наилучшие параметры механической обработки образцов с ультрамелкозернистой структурой, чтобы повысить надежность и эффективность выпуска деталей авиадвигателей.

Стремясь сделать летательные аппараты легче и снизить шум, разработчики модернизируют строение авиадвигателей. Например, используют полимерные композиционные материалы (они легче стандартных металлов и сплавов) и экспериментируют со звукопоглощающими конструкциями (увеличивают их площадь, приближают к источнику шума). Однако внесение изменений в такую конструкцию меняет частоты ее колебаний и может вызвать эффект резонанса, а это в свою очередь провоцирует появление повреждений, например, микротрещин, в деталях авиадвигателя и со временем приводит к разрушению всей конструкции. Ученые ПНИПУ и специалисты завода «Машиностроитель» изучили, как характеристики звукопоглощающей конструкции влияют на ее собственные частоты. На основе этого они разработали методику проектирования, которая позволит заблаговременно просчитывать возникновение резонанса и принимать меры по борьбе с ним (например, менять геометрию или материал конструкции). Это поможет защитить самолеты и другие летательные аппараты от резонансных разрушений.

Автоматические системы управления все чаще применяются в разных отраслях нашей жизни. Они выполняют функции регулирования, контроля и защиты процессов, обеспечивающих безаварийную и длительную работу различного высокотехнологичного и бытового оборудования. Например, в каждом пассажирском самолете стоит множество датчиков, которые контролируют абсолютно все, что происходит внутри и снаружи. Управляет всеми этими приборами автоматика, в которую запрограммировано большое количество алгоритмов. Но в летательном аппарате есть объекты, которым свойственно менять свои заданные параметры из-за непредвиденных ситуаций, таких как плохая погода или попадание постороннего предмета в турбину. Поэтому необходимо использовать алгоритмы, которые смогут улучшить контроль автоматики в нестандартных случаях. Ученые Пермского Политеха создали метод, который поможет улучшить автоматическую систему управления в плохих погодных условиях, а также увеличит срок службы авиационных двигателей.

Обледенение конструктивных элементов авиадвигателей может приводить к трагическим последствиям. Для борьбы с ним используется различные противообледенительные системы — механические, электроимпульсные, электротепловые, газодинамические и другие. Однако сам процесс обледенения изучен недостаточно, практически отсутствуют исследования обледенения при вибрациях, нет описания механизмов образования льда для различных амплитуд и частот колебаний. Проведя более 40 вычислительных экспериментов, ученые Пермского Политеха установили, как вибрация влияет на обледенение авиадвигателей.

При перекачивании топлива через двигатель самолета в жидкости образуются пузырьки (пустоты). Схлопываясь, они высвобождают большое количество энергии и могут вызвать поломку системы. Защитить двигатели от подобных проблем поможет числовая модель, разработанная учеными Пермского Политеха. Применение модели на отечественных авиастроительных предприятиях позволит конструировать более надежные двигатели без дополнительных затрат на натурные испытания.

Шумоподавляющие конструкции – неотъемлемый элемент современных авиадвигателей. Они представляют собой ячеистую структуру из полимерных композиционных материалов, которая за счет резонансного взаимодействия поглощает акустические волны. Требования Международной организации гражданской авиации к уровню звукопоглощения таких конструкций постепенно ужесточаются. Чтобы отечественное авиастроение шло в ногу со временем, ученые Пермского Политеха спроектировали «интеллектуальную» шумоподавляющую конструкцию с эффективным звукопоглощением в широком диапазоне частот.

Двигатель один из основных источников шума в самолете. В зоне аэропортов шум на местности достигает максимальных значений, что приносит окружающим существенный дискомфорт. Чтобы снизить шумовое воздействие, каналы авиационного двигателя облицовывают звукопоглощающими конструкциями — ЗПК. Большинство методов, которые используют для определения акустических характеристик ЗПК, подходят для лабораторных, но не для реальных условий. Единственный способ, применяемый непосредственно на авиационном двигателе, — это метод Дина. Изначально его разработали для случая равномерного распределения давления звуковой волны на дне резонатора. Когда звуковое поле более сложное, а давление неравномерное, формула Дина дает неправильные значения. Для устранения этой проблемы ученые Пермского Политеха адаптировали метод Дина под случаи сложной структуры звукового поля. Результаты помогут отечественным разработчикам авиационных двигателей повысить точность настройки звукопоглощающих облицовок для более эффективного снижения шума.

Звуки, которые образуются при полетах авиалайнеров, оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Поэтому стандарты по шуму на местности Международной организации гражданской авиации при ООН регулярно ужесточаются, а их невыполнение грозит авиаперевозчикам крупными штрафами. Сейчас в России отсутствуют собственные гражданские самолеты, сертифицированные по новым требованиям. Ученые Пермского Политеха разработали технологию, которая позволит снизить уровень шума лайнеров и обеспечить конкурентоспособность нашей страны. Впервые в мировой практике они смоделировали процессы в многослойных звукопоглощающих конструкциях с учетом условий, происходящих в реальных авиадвигателях.

Ежегодно самолеты перевозят четыре миллиарда пассажиров, и, по прогнозам, количество полетов будет расти. Выбросы авиадвигателей становятся одним из самых крупных источников парниковых газов, сообщает ООН. Чтобы прогнозировать выход вредных веществ, ученые Пермского Политеха разработали виртуальный датчик. Сенсор встроят в систему автоматического управления газотурбинным двигателем.