РПД из композитов (проект «ЦИАМ им. П.И. Баранова» при поддержке ФПИ)

В ЦИАМ обсудили проблемы и перспективы развития двигателестроения для малой и региональной авиации РФ
9 Октября 2017
Важным направлением исследований начальник отдела ЦИАМ Лев Финкельберг назвал работы по разработке односекционного экспериментального роторно-поршневого двигателя, на базе которого возможно создание модельного ряда авиационных РПД мощностью от 100 до 400 л.с.
Давайте все же поговорим об АПД нетрадиционных схем. Например, о роторно-поршневых двигателях. В автомобильной промышленности этот тип двигателя не прижился. А какие у него перспективы в авиации?
Если говорить об авиационном использовании, то я могу назвать как минимум шесть фирм, которые сейчас делают роторно-поршневые двигатели для беспилотников. БЛА с такими двигателями уже летают в Англии, Германии, Израиле.
У этого типа двигателей много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Собрать вместе четыре модуля уже сложно, нужно много опор. Мы исследовали роторно-поршневой двигатель Mazda 13B и разработали свою секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с.

Важное направление исследований — это применение керамики в двигателях этого типа. ЦИАМ выиграл конкурс Фонда перспективных исследований по применению керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Будем делать из керамики вставку статора, все уплотнения и напыление на крышке.

РПД ИЗ КОМПОЗИТОВ
(Совместный проект Лаборатории специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

В декабре 2016 года в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» открыта лаборатория, в задачи которой входит разработка эффективных решений для авиадвигателестроения с использованием керамических композиционных материалов и аддитивных технологий.
В Лаборатории работают 13 сотрудников и более 30 специалистов ЦИАМ, привлекаемых для решения специальных задач.
Основная задача проекта – разработка демонстратора роторно-поршневого двигателя (РПД) с высокими удельными характеристиками и ресурсом, низким расходом топлива. РПД можно применить как в военной авиационной сфере, так и в гражданском сегменте рынка.

Сферы применения
— вооруженные силы;
— беспилотные аппараты;
— гражданская авиация;
— легкомоторные самолеты;
— автотранспорт;
— легковые автомобили;
— судостроение;
— малоразмерные суда;
— робототехника;
— мобильные платформы;
— энергетика;
— автономные энергоустановки.
Проведены успешные испытания перспективного роторно-поршневого двигателя
27 ФЕВРАЛЯ 2019
В рамках проекта успешно проведены испытания демонстратора авиационного роторно-поршневого двигателя (РПД).
Для повышения эксплуатационных, экономических и мощностных показателей при изготовлении двигателя были применены интеркерамоматричные и металлокерамоматричные композиционные материалы. Наиболее важные узлы и детали двигателя из керамических композиционных материалов, а также со специальными покрытиями, защищены патентами РФ. По результатам испытаний подтверждена работоспособность композиционных материалов нового поколения. Благодаря их использованию, применению системы турбонаддува, а также электронной системы управления рабочим процессом получена мощность двигателя, в два раза превышающая мощность предыдущих аналогов.

Повышение экономичности при одновременном увеличении ресурса – задачи следующего этапа испытаний. Также планируется проведение испытаний в термобарокамере высотно-климатического стенда УВ-3К с имитацией высоты полета до 10 000 метров. В дальнейшем модульная конструкция РПД позволит разработать модификации двигателя для применения в наземных и робототехнических изделиях.
В результате проведения стендовых испытаний двигателя-демонстратора подтверждена работоспособность деталей и покрытий из керамических композиционных материалов на основе карбонитрида титана и карбида кремния. Их применение в совокупности с качественной проработкой конструктивных решений позволило снизить удельный вес двигателя на 15-20 %, а также решить основную проблему роторно-поршневых двигателей, такую как низкий ресурс уплотнений. Высокотемпературная керамика в камере сгорания двигателя позволила применить более бедные топливовоздушные смеси и за счет этого добиться низкого удельного расхода топлива. Система турбонаддува и электронная система топливопитания позволили значительно улучшить удельные мощностные характеристики и расширить возможность применения двигателя на различных летательных аппаратах.
Интегрирование в систему шумоглушения картриджа из высокотемпературного пористого композиционного материала на основе карбида кремния привело к снижению уровня шума. Процесс разработки двигателя-демонстратора сопровождается повышенным вниманием потенциальных потребителей ввиду того, что внедрение двигателя или блочно-модульной конструкции на его основе позволит перекрыть диапазон мощностей от 50 до 500 л.с. и удовлетворить требования объектов различного назначения. Возможность выпуска двигателей для гражданского сектора является ключевым фактором в выполнении задач диверсификации производств ВПК.

Союз композитов: мощность двигателей для авиации повышена в два раза
21 Мая 2019
Новая технология увеличит грузоподъемность и длительность нахождения в воздухе небольших летательных аппаратов.
Новая модель роторно-поршневого двигателя (РПД), созданного российскими учеными, по мощности в два раза превышает все подобные устройства. Двигатель позволит повысить грузоподъемность небольших летательных аппаратов — как беспилотных, так и управляемых. Установка таких РПД возможна на уже существующие машины без модернизации конструкции. Зарубежных аналогов устройству нет.
РПД был изобретен еще в 1950-х годах. Он весит в полтора-два раза меньше, чем обычный поршневой двигатель с такой же мощностью. И в этом его преимущество. А недостатком до недавнего времени была быстрая изнашиваемость в силу особенностей конструкции.
Ученые из Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова.
— Композиты были применены в разных элементах двигателя, — рассказывает руководитель проекта Фонда перспективных исследований Сергей Маркин. — Согласно результатам испытаний, износ этих элементов пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД.
Помимо применения композитов, в новой модели использованы и другие инновационные технические решения. В частности, в двигателе есть специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха. Это благотворно влияет на долговечность и надежность устройства. Часть элементов системы турбонаддува изготовлена с помощью технологий 3D-печати с применением отечественного сырья. Также практически с нуля разработана электронная система управления двигателем.
Благодаря всем этим решениям удалось примерно вдвое повысить мощность двигателя по сравнению с ранее разрабатывавшимися в России РПД.
Однако мощность — не единственная важная характеристика двигателя. Одним из значимых параметров является экономичный расход топлива. По сообщению разработчиков, удельный расход топлива на созданном РПД не превышает 217 г на лошадиную силу в час (по расчетам «Известий», это 295 г на 1 кВт).
— Для лучших современных поршневых двигателей примерно той же мощности расход топлива составляет 200 г на 1 кВт вырабатываемой мощности, и тут даже новый РПД им явно проигрывает, — поясняет заведующий кафедрой поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана Владимир Марков. — Зато несомненное преимущество роторного двигателя перед поршневым в размерах — он в два-три раза компактнее. Однако это превосходство частично нивелируется необходимостью установки на самолет с РПД топливного бака большего размера.
Пока разработчики планируют применять созданные небольшие РПД для легкой авиации — как беспилотников, так и управляемых аппаратов. РПД в составе гибридных силовых установок с двумя видами двигателей можно будет использовать как на гражданских, так и на военных летательных аппаратах. По сообщению разработчиков, примененные технические решения позволят повысить грузоподъемность летательных аппаратов. Важно, что установка таких двигателей возможна на уже существующие машины без модернизации конструкции и задействованных в работе самолета систем.
— Действительно, роторно-поршневые двигатели по сравнению с поршневыми обладают рядом преимуществ, — рассказал эксперт в области беспилотных систем Денис Федутинов. — Среди них, к примеру, высокая удельная мощность и меньшие вибрации и габариты, а в целом — большая простота конструкции. Если разработчикам удастся достичь таких же хороших результатов по расходу топлива и ресурсу РПД, как и у обычных поршневых, то это сделает данный двигатель востребованным на рынке для использования на БПЛА.
В конце февраля 2019 года опытный образец успешно прошел испытания по определению технических характеристик. По мнению разработчиков, создание отечественного РПД с высоким ресурсом и надежностью может послужить серьезным стимулом для развития в России авиации общего назначения и содействовать восстановлению отечественного двигателестроительного сектора.

Результаты проекта

Проект завершится в январе 2020 г. В ходе его реализации проведены исследования процессов смесеобразования и горения в рабочей камере с последующей верификацией математических моделей и отработки системы зажигания РПД. Видеофиксация процессов горения обеспечила оптическая система визуализации с оптикой из кристаллов SiC, имеющих высокие высокотемпературные и прочностные оптические характеристики. В процессе испытаний превышены требования технического задания и достигнуты максимальные обороты эксцентрикового вала под нагрузкой 7000 об/мин и максимальной мощности 54,4 л.с.
Проведен значительный объем исследований физико-механических характеристик, применяемых в проекте интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композиционных материалов, в том числе образцов материалов, изготовленных с применением аддитивных технологий (Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) – это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d технологий). Полученные показатели (жаропрочность, эрозионная и коррозионная стойкость, твердость, низкий коэффициент трения, пределы прочности на изгиб, растяжение и сжатие) превосходят современные жаропрочные стали и интерметаллидные сплавы при значительно меньшей плотности. В ходе отработки режимов ЭБУ были получены настройки контроллера для двигателя-демонстратора, позволяющие, по предварительной оценке, достичь в процессе испытаний, заданных мощностных характеристик. Получено на стенде (без применения ККМ в конструкции) Nmax=72 л.с. при 6200 об/мин с системой турбонаддува.
Использованные источники
fpi.gov.ru/
iz.ru/870801/kolentcova-o…tcii-povyshena-v-dva-raza
fpi.gov.ru/projects/fizik…iya/kompozitnyy-dvigatel/
fpi.gov.ru/press/media/no…zdukhe-nebolshikh-letate/