ОАО «Кузнецов» является ведущим двигателестроительным предприятием России. Здесь осуществляется проектирование, изготовление и ремонт ракетных, авиационных и газотурбинных установок для газовой отрасли и энергетики.
С этими двигателями были запущены пилотируемые космические корабли «Восток», «Восход», «Союз» и автоматические транспортные грузовые космические аппараты «Прогресс». 100% пилотируемых космических пусков и до 80% коммерческих производится с использованием двигателей РД107/108 и их модификаций, произведённых в Самаре. Продукция завода имеет особое значение для поддержания боеготовности дальней авиации России. На «Кузнецове» были сконструированы, произведены и технически обслуживаются двигатели НК-12 для дальних бомбардировщиков Ту-95МС, НК-25 для бомбардировщиков Ту-22М3 и НК-32 для уникальных стратегических бомбардировщиков Ту-160.
Сегодня перед самарским предприятием стоят задачи по возобновлению производства двигателей НК-32 серии 02, росту объёмов производства ракетных двигателей, повышению надёжности индустриальных двигателей для ОАО «Газпром», развитию перспективных авиационных разработок.
1. 55 лет назад в Самаре начали серийно производить ракетные двигатели, которые не только подняли на орбиту первого космонавта Юрия Гагарина, но и вот уже более полувека используются российской космонавтикой и тяжелой авиацией. Предприятие «Кузнецов», которое входит в Госкорпорацию Ростех, объединило несколько крупных самарских заводов. Сначала они занимались производством и обслуживанием двигателей для ракетоносителей ракет «Восток» и «Восход», сейчас - для «Союза». Второе направление работы «Кузнецова» сегодня - силовые установки для самолетов.
ОАО «Кузнецов» входит в состав Объединённой двигателестроительной корпорации (ОДК).
2. Механообрабатывающее производство.
Это один из начальных этапов процесса производства двигателя. Здесь сконцентрировано высокоточное обрабатывающее и контрольно-испытательное оборудование. Например, фрезерный обрабатывающий центр DMU-160 FD, способен обрабатывать крупногабаритные детали сложной формы диаметром до 1,6 метра и весом до 2 тонн.
3. Оборудование эксплуатируется в 3 смены.
4. Обработка статорных колец компрессора двигателя НК-32 на токарно-карусельном станке.
5. НК-32 устанавливается на стратегическом бомбардировщике Ту-160, а НК-32-1 в 1996 г. - на летающей лаборатории Ту-144ЛЛ.
6. Скорость установки позволяет обрабатывать швы до 100 метров в минуту.
7. Металлургическое производство.
Этот участок способен отливать заготовки диаметром до 1600 мм и весом до 1500 кг, необходимые для корпусных деталей газотурбинных двигателей индустриального и авиационного применения. На фото показан процесс заливки детали в вакуумно-плавильной печи.
8. Фрагмент литниково-питающей системы после заливки.
9. Контроль литья методом ЛЮМ-А.
10. Типовые испытания клапана ракетного двигателя в условиях -55°C.
11. Испытания представляют собой процесс охлаждения ванны со спиртом с помощью жидкого азота до указанной температуры.
12. Участок сборки моделей лопаток в модельный блок.
13.
14. Контроль профиля компрессорной лопатки.
15. Прокалка керамических форм лопаток в электрической печи.
16. Нанесение керамики на модель лопаток.
17. Процесс индукционной пайки сопла камеры сгорания ракетного двигателя. Температура процесса составляет 975°C.
18. Установка полуколец на критическое сечение камеры сгорания ракетного двигателя на участке сварки.
19. Фрезеровка каналов горючего камеры сгорания ракетного двигателя.
20. «Наружная рубашка» сопла камеры сгорания РД с разметкой под рентген-контроль.
21. Сборка рулевого агрегата РД. Устанавливается совместно с маршевыми двигателями РД-107А/РД-108А для управления и корректировки вектором тяги.
22. Камеры сгорания.
23. Сейчас на «Кузнецове» трудится около 12 тысяч человек.
24. Сборка очередного опытного образца двигателя НК-361 для российской железной дороги.
Новым направлением развития ОАО «Кузнецов» является выпуск механических приводов силового блока ГТЭ-8,3/НК для тяговой секции магистрального газотурбовоза на базе ГТД НК-361.
25. Первый опытный экземпляр газотурбовоза с двигателем НК-361 в 2009 году во время испытаний на экспериментальном кольце в Щербинке провел состав весом более 15 тысяч тонн, состоящий из 158 вагонов, установив тем самым мировой рекорд.
26. Цех окончательной сборки авиационных газотурбинных двигателей.
27. Сборка узла форсажной камеры двигателя НК-32.
28. Двигатель НК-25 — турбореактивный двигатель для самолета Ту-22М3, основного российского бомбардировщика средней дальности. Наряду с НК-32 долгое время является одним из самых мощных авиационных двигателей в мире.
29. Обвязка двигателя НК-25.
30. Контроль оболочки двигателя НК-32 перед сборкой.
31. Топливный коллектор форсажной камеры.
32.
33. Слесари-сборщики за работой по сборке НК-14СТ.
Газотурбинный двигатель НК-14СТ используется в составе агрегата для транспортировки газа. Интересно то, что двигатель использует природный газ, перекачиваемый по трубопроводам, в качестве топлива. Является модификацией двигателя НК-12, который устанавливался на стратегический бомбардировщик Ту-95.
34. Цех окончательной сборки серийных ракетных двигателей.
Здесь производится сборка двигателей РД-107А/РД-108А разработки ОАО «НПО «Энергомаш». Этими двигательными установками оснащаются первые и вторые ступени всех ракет-носителей типа «Союз».Принципы работы РД-107 и РД-108 схожи, но назначение разное. Сто седьмой стоит на первой ступени ракеты, а сто восьмой - на второй.
35. Доля предприятия в сегменте ракетных двигателей на российском рынке составляет 80%, по пилотируемым пускам – 100%. Надежность двигателей – 99,8%. Запуски ракет-носителей с двигателями ОАО «Кузнецов» осуществляются с трех космодромов – Байконур (Казахстан), Плесецк (Россия) и Куру (Французская Гвиана). Стартовый комплекс под «Союзы» также будет построен на российском космодроме «Восточный» (Амурская область).
36. Полный цикл создания ракетного двигателя составляет около 10 месяцев.
37. Проверка комплектации ракетного двигателя при сборке.
38. Подготовка изделия к окончательной сдаче контрольным службам и представителю заказчика.
39. Здесь же, в цехе, ведутся работы по адаптации и сборке ракетного двигателя НК-33, предназначенного для первой ступени ракеты-носителя легкого класса «Союз-2-1в».
40. Двигатель НК-33 — один из тех, что планировалось уничтожить после закрытия лунной программы. Двигатель прост в эксплуатации и техническом обслуживании, и вместе с тем имеет высокую надежность. При этом его стоимость в два раза ниже стоимости существующих двигателей того же класса по тяге. НК-33 востребован даже за рубежом. Такие двигатели устанавливают на американскую ракету Antares.
41. Выполнение операции по термоусаживанию защитной трубки провода авиационного жгута.
42. Подготовка к распайке контактов жгута в электроразъеме авиационного кабеля.
43.
44. В цехе окончательной сборки ракетных двигателей расположена целая галерея с фотографиями советских и российских космонавтов, которые отправлялись в космос на ракетах с самарскими двигателями.
45. Монтаж двигателя НК-14СТ на испытательный стенд.
46. Подстыковка маслоситемы к двигателю для проведения испытаний.
47. Пультовая испытательного стенда.
48. Пьезометры. Применяются для измерения перепада и низких давлений при испытании газотурбинных двигателей.
49. Система шумоглушения испытательных стендов газотурбинных двигателей.
50. Ракетный двигатель РД-107А/108А на стенде. За несколько минут до начала огневых испытаний.
Подтвердить почти стопроцентную надежность изделия можно только одним способом: отправить готовый двигатель на испытания. Его крепят на специальном стенде и запускают. Силовая установка должна работать так, как будто уже выводит на орбиту космический корабль.
52. По минутной готовности в систему охлаждения факела подается вода, создается водяной ковер, который уменьшает температуру факела и шум от работающего двигателя.
53. При испытании двигателя производится регистрация около 250 параметров, по которым оценивается качество изготовления двигателя.
54. Наклонные огневые испытания серийного ракетного двигателя на испытательном комплексе ОАО «Кузнецов» в поселке Винтай.
55. Коллектив расчетной группы производит обработку полученной информации и выдает протокол испытаний. По полученным данным инженерным составом производится оценка результатов испытаний и дается заключение о его пригодности для установки на ракету-носитель.
56. Подготовка двигателя на стенде длится несколько часов. Производится его обвязка датчиками, проверка их работоспособности, опрессовка магистралей, комплексные проверки работы автоматики стенда и двигателя.
57. Контрольно-технологические испытания длятся около минуты. За это время сжигается 12 тонн керосина и около 30 тонн жидкого кислорода.
58. Испытания окончены. После этого двигатель отправляется в сборочный цех, где его разбирают, проводят дефектацию узлов, собирают, проводят окончательный контроль, а затем отправляют заказчику – на АО «РКЦ «Прогресс». Там его устанавливают на ступени ракеты.
59.
Благодарю пресс-центр ОАО "Кузнецов", в частности, Мельникову Янину за помощь в создании репортажа!
Смотрите также:• Производство авиадвигателей. Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО) • Космодром Байконур. Запуск "Союз ТМА-12М" на МКС
bmpd.livejournal.com
По статистике лишь один полет из 8 млн заканчивается аварией с гибелью людей. Даже если вы будете каждый день садиться на случайный рейс, вам понадобится 21 000 лет, чтобы погибнуть в авиакатастрофе. Согласно статистике, ходить пешком во много раз опаснее, чем летать. И все это во многом благодаря потрясающей надежности современных авиадвигателей.
30 октября 2015 года начались испытания новейшего российского авиационного двигателя ПД-14 на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. Это событие исключительной важности. По достоинству оценить его значение помогут 10 любопытных фактов о турбореактивных двигателях вообще и о ПД-14 в частности.
Чудо техники
А ведь ТРД – крайне сложное устройство. В наиболее трудных условиях работает его турбина. Ее важнейший элемент – лопатка, с помощью которой кинетическая энергия газового потока преобразуется в механическую энергию вращения. Одна лопатка, а их в каждой ступени авиационной турбины насчитывается около 70, развивает мощность, равную мощности двигателя автомобиля «Формулы-1», а при частоте вращения порядка 12 тыс. оборотов в минуту на нее действует центробежная сила, равная 18 тоннам, что равняется нагрузке на подвеску двухэтажного лондонского автобуса.
Но и это еще не все. Температура газа, с которым соприкасается лопатка, почти равна половине температуры на поверхности Солнца. Эта величина на 200 °С превышает температуру плавления металла, из которого изготавливается лопатка. Представьте себе такую задачу: требуется не дать растаять кубику льда в печи, нагретой до 200 °С. Конструкторы умудряются решить проблему охлаждения лопатки с помощью внутренних воздушных каналов и специальных покрытий. Неудивительно, что одна лопатка стоит в восемь раз дороже серебра. Для создания только этой небольшой детали, которая помещается в ладони, необходимо разработать более десятка сложнейших технологий. И каждая из этих технологий оберегается как важнейшая государственная тайна.
Технологии ТРД важнее атомных секретов
Кроме отечественных компаний, только фирмы США (Pratt & Whitney, General Electric, Honeywell), Англии (Rolls-Royce) и Франции (Snecma) владеют технологиями полного цикла создания современных ТРД. То есть государств, производящих современные авиационные ТРД, меньше, чем стран, обладающих ядерным оружием или запускающих в космос спутники. Многолетние усилия Китая, к примеру, до сих пор так и не привели к успеху в этой области. Китайцы быстро скопировали и оснастили собственными системами российский истребитель Су-27, выпуская его под индексом J-11. Однако скопировать его двигатель АЛ-31Ф им так и не удалось, поэтому Китай до сих пор вынужден закупать этот уже давно не самый современный ТРД в России.
ПД-14 – первый отечественный авиадвигатель 5-го поколения
Прогресс в авиадвигателестроении характеризуется несколькими параметрами, но одним из главных считается температура газа перед турбиной. Переход к каждому новому поколению ТРД, а всего их насчитывают пять, характеризовался ростом этой температуры на 100–200 градусов. Так, температура газа у ТРД 1-го поколения, появившихся в конце 1940-х годов, не превышала 1150 °К, у 2-го поколения (1950-е гг.) этот показатель вырос до 1250 °К, в 3-м поколении (1960-е гг.) этот параметр поднялся до 1450 °К, у двигателей 4-го поколения (1970–1980 гг.) температура газа дошла до 1650 °К. Лопатки турбин двигателей 5-го поколения, первые образцы которых появились на Западе в середине 90-х, работают при температуре 1900 °К. В настоящее время в мире только 15% двигателей, находящихся в эксплуатации, относятся к 5-му поколению.
Увеличение температуры газа, а также новые конструктивные схемы, в первую очередь двухконтурность, позволили за 70 лет развития ТРД добиться впечатляющего прогресса. К примеру, отношение тяги двигателя к его массе увеличилось за это время в 5 раз и для современных моделей дошло до 10. Степень сжатия воздуха в компрессоре увеличилась в 10 раз: с 5 до 50, при этом число ступеней компрессора уменьшилось вдвое – в среднем с 20 до 10. Удельный расход топлива современных ТРД сократился вдвое по сравнению с двигателями 1-го поколения. Каждые 15 лет происходит удвоение объема пассажирских перевозок в мире при почти неизменных совокупных затратах топлива мировым парком самолетов.
В настоящее время в России производится единственный гражданский авиадвигатель 4-го поколения – ПС-90. Если сравнивать с ним ПД-14, то у двух двигателей схожие массы (2950 кг у базовой версии ПС-90А и 2870 кг у ПД-14), габариты (диаметр вентилятора у обоих 1,9 м), степень сжатия (35,5 и 41) и взлетная тяга (16 и 14 тс).
При этом компрессор высокого давления ПД-14 состоит из 8 ступеней, а ПС-90 – из 13 при меньшей суммарной степени сжатия. Степень двухконтурности у ПД-14 вдвое выше (4,5 у ПС-90 и 8,5 у ПД-14) при том же диаметре вентилятора. В итоге удельный расход топлива в крейсерском полете у ПД-14 упадет, по предварительным оценкам, на 15% по сравнению с существующими двигателями: до 0,53–0,54 кг/(кгс·ч) против 0,595 кг/(кгс·ч) у ПС-90.
ПД-14 – первый авиадвигатель, созданный в России после распада СССР
Когда Владимир Путин поздравлял российских специалистов с началом испытаний ПД-14, он сказал, что последний раз подобное событие в нашей стране произошло 29 лет назад. Скорее всего, имелось в виду 26 декабря 1986 года, когда состоялся первый полет Ил-76ЛЛ по программе испытаний ПС-90А.
Советский Союз был великой авиационной державой. В 1980-е годы в СССР работали восемь мощнейших авиадвигательных ОКБ. Зачастую фирмы конкурировали друг с другом, поскольку существовала практика давать одно и то же задание двум ОКБ. Увы, времена изменились. После развала 1990-х годов пришлось собирать все отраслевые силы, чтобы осуществить проект создания современного двигателя. Собственно, формирование в 2008 году ОДК (Объединенной двигателестроительной корпорации), со многими предприятиями которой активно сотрудничает банк ВТБ, и имело целью создание организации, способной не только сохранить компетенции страны в газотурбостроении, но и конкурировать с ведущими фирмами мира.
Головным исполнителем работ по проекту ПД-14 является ОКБ «Авиадвигатель» (Пермь), которое, кстати, разрабатывало и ПС-90. Серийное производство организуется на Пермском моторном заводе, но детали и комплектующие будут изготавливаться по всей стране. В кооперации участвуют Уфимское моторостроительное производственное объединение (УМПО), НПО «Сатурн» (Рыбинск), НПЦГ «Салют» (Москва), «Металлист-Самара» и многие другие.
ПД-14 – двигатель для магистрального самолета XXI века
Одним из самых удачных проектов в области гражданской авиации СССР был среднемагистральный самолет Ту-154. Выпущенный в количестве 1026 шт., он долгие годы составлял основу парка «Аэрофлота». Увы, время идет, и этот трудяга уже не отвечает современным требованиям ни по экономичности, ни по экологии (шум и вредные выбросы). Главная слабость Ту-154 – двигатели 3-го поколения Д-30КУ с высоким удельным расходом топлива (0,69 кг/(кгс·ч).
Пришедший на смену Ту-154 среднемагистральный Ту-204 с двигателями 4-го поколения ПС-90 в условиях распада страны и свободного рынка не смог выдержать конкуренцию с зарубежными производителями даже в борьбе за отечественных авиаперевозчиков. Между тем сегмент среднемагистральных узкофюзеляжных самолетов, в котором господствуют Boeing-737 и Airbus 320 (только в 2015 году их было поставлено авиакомпаниям мира 986 шт.), – самый массовый, и присутствие на нем – необходимое условие сохранения отечественного гражданского самолетостроения. Таким образом, в начале 2000-х годов была выявлена острая необходимость создания конкурентоспособного ТРД нового поколения для среднемагистрального самолета на 130–170 мест. Таким самолетом должен стать МС-21 (Магистральный самолет XXI века), разрабатываемый Объединенной авиастроительной корпорацией. Задача невероятно сложная, поскольку конкуренцию с Boeing и Airbus не выдержал не только Ту-204, но и ни один другой самолет в мире. Именно под МС-21 и разрабатывается ПД-14. Удача в этом проекте будет сродни экономическому чуду, но подобные начинания – единственный способ для российской экономики слезть с нефтяной иглы.
ПД-14 – базовый проект для семейства двигателей
Буквы «ПД» расшифровываются как перспективный двигатель, а число 14 – тяга в тонна-силах. ПД-14 – это базовый двигатель для семейства ТРД тягой от 8 до 18 тс. Бизнес-идея проекта состоит в том, что все эти двигатели создаются на основе унифицированного газогенератора высокой степени совершенства. Газогенератор – это сердце ТРД, которое состоит из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины. Именно технологии изготовления этих узлов, прежде всего так называемой горячей части, являются критическими.
Семейство двигателей на базе ПД-14 позволит оснастить современными силовыми установками практически все российские самолеты: от ПД-7 для ближнемагистрального «Сухой Суперджет 100» до ПД-18, который можно установить на флагман российского самолетостроения – дальнемагистральный Ил-96. На базе газогенератора ПД-14 планируется разработать вертолетный двигатель ПД-10В для замены украинского Д-136 на самом большом в мире вертолете Ми-26. Этот же двигатель можно использовать и на российско-китайском тяжелом вертолете, разработка которого уже началась. На базе газогенератора ПД-14 могут быть созданы и так необходимые России газоперекачивающие установки и газотурбинные электростанции мощностью от 8 до 16 МВт.
ПД-14 – это 16 критических технологий
Для ПД-14, при ведущей роли Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ), головного НИИ отрасли и ОКБ «Авиадвигатель», было разработано 16 критических технологий: монокристаллические лопатки турбины высокого давления с перспективной системой охлаждения, работоспособные при температуре газа до 2000 °К, пустотелая широкохордная лопатка вентилятора из титанового сплава, благодаря которой удалось повысить КПД вентиляторной ступени на 5% в сравнении с ПС-90, малоэмиссионная камера сгорания из интерметаллидного сплава, звукопоглощающие конструкции из композиционных материалов, керамические покрытия на деталях горячей части, полые лопатки турбины низкого давления и др.
ПД-14 и в дальнейшем будет совершенствоваться. На МАКС-2015 уже можно было увидеть созданный в ЦИАМ прототип широкохордной лопатки вентилятора из углепластика, масса которой составляет 65% от массы пустотелой титановой лопатки, применяемой сейчас. На стенде ЦИАМ можно было видеть и прототип редуктора, которым предполагается оснастить модификацию ПД-18Р. Редуктор позволит снизить обороты вентилятора, благодаря чему, не привязанный к оборотам турбины, он будет работать в более эффективном режиме. Предполагается поднять на 50 °К и температуру газа перед турбиной. Это позволит увеличить тягу ПД-18Р до 20 тс, а удельный расход топлива сократить еще на 5%.
ПД-14 – это 20 новых материалов
При создании ПД-14 разработчики с самого начала сделали ставку на отечественные материалы. Было ясно, что российским компаниям ни при каких условиях не предоставят доступ к новым материалам зарубежного производства. Здесь ведущую роль сыграл Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ), при участии которого для ПД-14 разработано порядка 20 новых материалов.
Но создать материал – полдела. Иногда российские металлы превосходят по качеству зарубежные, но для их использования в гражданском авиадвигателе необходима сертификация по международным нормам. Иначе двигатель, как бы он ни был хорош, не допустят к полетам за пределами России. Правила тут очень строги, поскольку речь идет о безопасности людей. То же самое относится и к процессу изготовления двигателя: предприятиям отрасли требуется сертификация по нормам Европейского агентства авиационной безопасности (ЕASA). Все это заставит повысить культуру производства, а под новые технологии необходимо провести перевооружение отрасли. Сама разработка ПД-14 проходила по новой, цифровой технологии, благодаря чему уже 7-й экземпляр двигателя был собран в Перми по технологии серийного производства, в то время как раньше опытная партия изготовлялась в количестве до 35 экземпляров.
ПД-14 должен вытащить на новый уровень всю отрасль. Да что говорить, даже летающая лаборатория Ил-76ЛЛ после нескольких лет простоя нуждалась в дооснащении оборудованием. Нашлась работа и для уникальных стендов ЦИАМ, позволяющих на земле имитировать условия полета. В целом же проект ПД-14 сохранит для России более 10 000 высококвалифицированных рабочих мест.
ПД-14 – первый отечественный двигатель, который напрямую конкурирует с западным аналогом
Разработка современного двигателя занимает в 1,5–2 раза больше времени, чем разработка самолета. С ситуацией, когда двигатель не успевает к началу испытаний самолета, для которого он предназначен, авиастроители сталкиваются, увы, регулярно. Вот и выкатка первого экземпляра МС-21 состоится в начале 2016 года, а испытание ПД-14 только начались. Правда, в проекте с самого начала предусматривалась альтернатива: заказчики МС-21 могут выбирать между ПД-14 и PW1400G компании Pratt & Whitney. Именно с американским двигателем МС-21 и уйдет в первый полет, и именно с ним ПД-14 предстоит конкурировать за место под крылом.
По сравнению с конкурентом, ПД-14 несколько уступает в экономичности, но зато он легче, имеет заметно меньший диаметр (1,9 м против 2,1), а значит, и меньшее сопротивление. И еще одна особенность: российские специалисты сознательно пошли на некоторое упрощение конструкции. Базовый ПД-14 не использует редуктор в приводе вентилятора, а также не применяет регулируемое сопло внешнего контура, у него ниже температура газа перед турбиной, что упрощает достижение показателей надежности и ресурса. Поэтому двигатель ПД-14 дешевле и, по предварительным оценкам, потребует меньших затрат на техническое обслуживание и ремонт. Кстати, в условиях падения цен на нефть именно более низкие эксплуатационные расходы, а не экономичность становятся схемообразующим фактором и главным конкурентным преимуществом авиадвигателя. В целом прямые эксплуатационные расходы МС-21 с ПД-14 могут быть на 2,5% ниже, чем у версии с американским двигателем.
На сегодняшний день заказано 175 МС-21, из них 35 – с двигателем ПД-14
Источник: vtbrussia
kramtp.info
Академик РАН Борис Каторгин многое сделал для того, чтобы наши ракетные двигатели стали самыми надежными в мире. Фото: Александр Крупнов
Интересная статейка о прошлом, настоящем и будущем нашей ракетной отрасли и перспектив полетов в космос.
Создатель лучших в мире жидкостных ракетных двигателей академик Борис Каторгин объясняет, почему американцы до сих пор не могут повторить наших достижений в этой области и как сохранить советскую фору в будущем.
21 июня 2012 года на Петербургском экономическом форуме прошло награждение лауреатов премии «Глобальная энергия». Авторитетная комиссия отраслевых экспертов из разных стран выбрала три заявки из представленных 639 и назвала лауреатов премии 2012 года, которую уже привычно называют «нобелевкой для энергетиков». В итоге 33 миллиона премиальных рублей в этом году разделили известный изобретатель из Великобритании профессор Родней Джон Аллам и двое наших выдающихся ученых — академики РАН Борис Каторгин и Валерий Костюк.
Все трое имеют отношение к созданию криогенной техники, исследованию свойств криогенных продуктов и их применению в различных энергетических установках. Академик Борис Каторгин был награжден «за разработки высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на криогенных топливах, которые обеспечивают при высоких энергетических параметрах надежную работу космических систем в целях мирного использования космоса». При непосредственном участии Каторгина, более пятидесяти лет посвятившего предприятию ОКБ-456, известному сейчас как НПО «Энергомаш», создавались жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), рабочие характеристики которых и теперь считаются лучшими в мире. Сам Каторгин занимался разработкой схем организации рабочего процесса в двигателях, смесеобразованием компонентов горючего и ликвидацией пульсации в камере сгорания. Известны также его фундаментальные работы по ядерным ракетным двигателям (ЯРД) с высоким удельным импульсом и наработки в области создания мощных непрерывных химических лазеров.
В самые тяжелые для российских наукоемких организаций времена, с 1991-го по 2009 год, Борис Каторгин возглавлял НПО «Энергомаш», совмещая должности генерального директора и генерального конструктора, и умудрился не только сохранить фирму, но и создать ряд новых двигателей. Отсутствие внутреннего заказа на двигатели заставило Каторгина искать заказчика на внешнем рынке. Одним из новых двигателей стал РД-180, разработанный в 1995 году специально для участия в тендере, организованном американской корпорацией Lockheed Martin, выбиравшей ЖРД для модернизируемого тогда ракетоносителя «Атлас». В результате НПО «Энергомаш» подписало договор на поставку 101 двигателя и к началу 2012 года уже поставило в США более 60 ЖРД, 35 из которых успешно отработали на «Атласах» при выводе спутников различного назначения.
Перед вручением премии «Эксперт» побеседовал с академиком Борисом Каторгиным о состоянии и перспективах развития жидкостных ракетных двигателей и выяснил, почему базирующиеся на разработках сорокалетней давности двигатели до сих пор считаются инновационными, а РД-180 не удалось воссоздать на американских заводах.
— Борис Иванович, в чем именно ваша заслуга в создании отечественных жидкостных реактивных двигателей, и теперь считающихся лучшими в мире?
— Чтобы объяснить это неспециалисту, наверное, нужно особое умение. Для ЖРД я разрабатывал камеры сгорания, газогенераторы; в целом руководил созданием самих двигателей для мирного освоения космического пространства. (В камерах сгорания происходит смешение и горение топлива и окислителя и образуется объем раскаленных газов, которые, выбрасываясь затем через сопла, создают собственно реактивную тягу; в газогенераторах также сжигается топливная смесь, но уже для работы турбонасосов, которые под огромным давлением нагнетают топливо и окислитель в ту же камеру сгорания. — «Эксперт».)
— Вы говорите о мирном освоении космоса, хотя очевидно, что все двигатели тягой от нескольких десятков до 800 тонн, которые создавались в НПО «Энергомаш», предназначались прежде всего для военных нужд.
— Нам не пришлось сбросить ни одной атомной бомбы, мы не доставили на наших ракетах ни одного ядерного заряда к цели, и слава богу. Все военные наработки пошли в мирный космос. Мы можем гордиться огромным вкладом нашей ракетно-космической техники в развитие человеческой цивилизации. Благодаря космонавтике родились целые технологические кластеры: космическая навигация, телекоммуникации, спутниковое телевидение, системы зондирования.
— Двигатель для межконтинентальной баллистической ракеты Р-9, над которым вы работали, потом лег в основу чуть ли не всей нашей пилотируемой программы.
— Еще в конце 1950-х я проводил расчетно-экспериментальные работы для улучшения смесеобразования в камерах сгорания двигателя РД-111, который предназначался для той самой ракеты. Результаты работы до сих пор применяются в модифицированных двигателях РД-107 и РД-108 для той же ракеты «Союз», на них было совершено около двух тысяч космических полетов, включая все пилотируемые программы.
— Два года назад я брал интервью у вашего коллеги, лауреата «Глобальной энергии» академика Александра Леонтьева. В разговоре о закрытых для широкой публики специалистах, коим Леонтьев сам когда-то был, он упомянул Виталия Иевлева, тоже много сделавшего для нашей космической отрасли.
— Многие работавшие на оборонку академики были засекречены — это факт. Сейчас многое рассекречено — это тоже факт. Александра Ивановича я знаю прекрасно: он работал над созданием методик расчета и способов охлаждения камер сгорания различных ракетных двигателей. Решить эту технологическую задачу было нелегко, особенно когда мы начали максимально выжимать химическую энергию топливной смеси для получения максимального удельного импульса, повышая среди прочих мер давление в камерах сгорания до 250 атмосфер. Возьмем самый мощный наш двигатель — РД-170. Расход топлива с окислителем — керосином с жидким кислородом, идущим через двигатель, — 2,5 тонны в секунду. Тепловые потоки в нем достигают 50 мегаватт на квадратный метр — это огромная энергия. Температура в камере сгорания — 3,5 тысячи градусов Цельсия. Надо было придумать специальное охлаждение для камеры сгорания, чтобы она могла расчетно работать и выдерживала тепловой напор. Александр Иванович как раз этим и занимался, и, надо сказать, потрудился он на славу. Виталий Михайлович Иевлев — член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, к сожалению, довольно рано умерший, — был ученым широчайшего профиля, обладал энциклопедической эрудицией. Как и Леонтьев, он много работал над методикой расчета высоконапряженных тепловых конструкций. Работы их где-то пересекались, где-то интегрировались, и в итоге получилась прекрасная методика, по которой можно рассчитать теплонапряженность любых камер сгорания; сейчас, пожалуй, пользуясь ею, это может сделать любой студент. Кроме того, Виталий Михайлович принимал активное участие в разработке ядерных, плазменных ракетных двигателей. Здесь наши интересы пересекались в те годы, когда «Энергомаш» занимался тем же.
— В нашей беседе с Леонтьевым мы затронули тему продажи энергомашевских двигателей РД-180 в США, и Александр Иванович рассказал, что во многом этот двигатель — результат наработок, которые были сделаны как раз при создании РД-170, и в каком-то смысле его половинка. Что это — действительно результат обратного масштабирования?
— Любой двигатель в новой размерности — это, конечно, новый аппарат. РД-180 с тягой 400 тонн действительно в два раза меньше РД-170 с тягой 800 тонн. У РД-191, предназначенного для нашей новой ракеты «Ангара», тяга и вовсе 200 тонн. Что же общего у этих двигателей? Все они имеют по одному турбонасосу, но камер сгорания у РД-170 четыре, у «американского» РД-180 — две, у РД-191 — одна. Для каждого двигателя нужен свой турбонасосный агрегат — ведь если однокамерный РД-170 потребляет примерно 2,5 тонны топлива в секунду, для чего был разработан турбонасос мощностью 180 тысяч киловатт, в два с лишним раза превосходящий, например, мощность реактора атомного ледокола «Арктика», то двухкамерный РД-180 — лишь половину, 1,2 тонны. В разработке турбонасосов для РД-180 и РД-191 я участвовал напрямую и в то же время руководил созданием этих двигателей в целом.
— Камера сгорания, значит, на всех этих двигателях одна и та же, только количество их разное?
— Да, и это наше главное достижение. В одной такой камере диаметром всего 380 миллиметров сгорает чуть больше 0,6 тонны топлива в секунду. Без преувеличения, эта камера — уникальное высокотеплонапряженное оборудование со специальными поясами защиты от мощных тепловых потоков. Защита осуществляется не только за счет внешнего охлаждения стенок камеры, но и благодаря хитроумному способу «выстилания» на них пленки горючего, которое, испаряясь, охлаждает стенку. На базе этой выдающейся камеры, равной которой в мире нет, мы изготавливаем лучшие свои двигатели: РД-170 и РД-171 для «Энергии» и «Зенита», РД-180 для американского «Атласа» и РД-191 для новой российской ракеты «Ангара».
— «Ангара» должна была заменить «Протон-М» еще несколько лет назад, но создатели ракеты столкнулись с серьезными проблемами, первые летные испытания неоднократно откладывались, и проект вроде бы продолжает буксовать.
— Проблемы действительно были. Сейчас принято решение о запуске ракеты в 2013 году. Особенность «Ангары» в том, что на основе ее универсальных ракетных модулей можно создать целое семейство ракетоносителей грузоподъемностью от 2,5 до 25 тонн для вывода грузов на низкую околоземную орбиту на базе универсального же кислородно-керосинового двигателя РД-191. «Ангара-1″ имеет один двигатель, «Ангара-3″ — три с общей тягой 600 тонн, у «Ангары-5″ будет 1000 тонн тяги, то есть она сможет выводить на орбиту больше грузов, чем «Протон». К тому же вместо очень токсичного гептила, который сжигается в двигателях «Протона», мы используем экологически чистое топливо, после сгорания которого остаются лишь вода да углекислый газ.
— Как получилось, что тот же РД-170, который создавался еще в середине 1970-х, до сих пор остается, по сути, инновационным продуктом, а его технологии используются в качестве базовых для новых ЖРД?
— Похожая история случилась с самолетом, созданным после Второй мировой Владимиром Михайловичем Мясищевым (дальний стратегический бомбардировщик серии М, разработка московского ОКБ-23 1950-х годов. — «Эксперт»). По многим параметрам самолет опережал свое время лет эдак на тридцать, и элементы его конструкции потом заимствовали другие авиастроители. Так и здесь: в РД-170 очень много новых элементов, материалов, конструкторских решений. По моим оценкам, они не устареют еще несколько десятилетий. В этом заслуга прежде всего основателя НПО «Энергомаш» и его генерального конструктора Валентина Петровича Глушко и членкора РАН Виталия Петровича Радовского, возглавившего фирму после смерти Глушко. (Отметим, что лучшие в мире энергетические и эксплуатационные характеристики РД-170 во многом обеспечиваются благодаря решению Каторгиным проблемы подавления высокочастотной неустойчивости горения за счет разработки антипульсационных перегородок в той же камере сгорания. — «Эксперт».) А двигатель РД-253 первой ступени для ракетоносителя «Протон»? Принятый на вооружение еще в 1965 году, он настолько совершенен, что до сих пор никем не превзойден. Именно так учил конструировать Глушко — на пределе возможного и обязательно выше среднемирового уровня. Важно помнить и другое: страна инвестировала в свое технологическое будущее. Как было в Советском Союзе? Министерство общего машиностроения, в ведении которого, в частности, находились космос и ракеты, только на НИОКР тратило 22 процента своего огромного бюджета — по всем направлениям, включая двигательное. Сегодня объем финансирования исследований намного меньше, и это говорит о многом.
— Не означает ли достижение этими ЖРД неких совершенных качеств, причем случилось это полвека назад, что ракетный двигатель с химическим источником энергии в каком-то смысле изживает себя: основные открытия сделаны и в новых поколениях ЖРД, сейчас речь идет скорее о так называемых поддерживающих инновациях?
— Безусловно нет. Жидкостные ракетные двигатели востребованы и будут востребованы еще очень долго, потому что никакая другая техника не в состоянии более надежно и экономично поднять груз с Земли и вывести его на околоземную орбиту. Они безопасны с точки зрения экологии, особенно те, что работают на жидком кислороде и керосине. Но для полетов к звездам и другим галактикам ЖРД, конечно, совсем непригодны. Масса всей метагалактики — 1056 граммов. Для того чтобы разогнаться на ЖРД хотя бы до четверти скорости света, потребуется совершенно невероятный объем топлива — 103200 граммов, так что даже думать об этом глупо. У ЖРД есть своя ниша — маршевые двигатели. На жидкостных двигателях можно разогнать носитель до второй космической скорости, долететь до Марса, и все.
— Следующий этап — ядерные ракетные двигатели?
— Конечно. Доживем ли мы еще до каких-то этапов — неизвестно, а для разработки ЯРД многое было сделано уже в советское время. Сейчас под руководством Центра Келдыша во главе с академиком Анатолием Сазоновичем Коротеевым разрабатывается так называемый транспортно-энергетический модуль. Конструкторы пришли к выводу, что можно создать менее напряженный, чем был в СССР, ядерный реактор с газовым охлаждением, который будет работать и как электростанция, и как источник энергии для плазменных двигателей при передвижении в космосе. Такой реактор проектируется сейчас в НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Григорьевича Драгунова. В проекте также участвует калининградское КБ «Факел», где создаются электрореактивные двигатели. Как и в советское время, не обойдется без воронежского КБ химавтоматики, где будут изготавливаться газовые турбины, компрессоры, чтобы по замкнутому контуру гонять теплоноситель — газовую смесь.
— А пока полетаем на ЖРД?
— Конечно, и мы четко видим перспективы дальнейшего развития этих двигателей. Есть задачи тактические, долгосрочные, тут предела нет: внедрение новых, более жаростойких покрытий, новых композитных материалов, уменьшение массы двигателей, повышение их надежности, упрощение схемы управления. Можно внедрить ряд элементов для более тщательного контроля за износом деталей и других процессов, происходящих в двигателе. Есть задачи стратегические: к примеру, освоение в качестве горючего сжиженного метана и ацетилена вместе с аммиаком или трехкомпонентного топлива. НПО «Энергомаш» занимается разработкой трехкомпонентного двигателя. Такой ЖРД мог бы применяться в качестве двигателя и первой, и второй ступени. На первой ступени он использует хорошо освоенные компоненты: кислород, жидкий керосин, а если добавить еще около пяти процентов водорода, то значительно увеличится удельный импульс — одна из главных энергетических характеристик двигателя, а это значит, что можно отправить в космос больше полезного груза. На первой ступени вырабатывается весь керосин с добавкой водорода, а на второй тот же самый двигатель переходит от работы на трехкомпонентном топливе на двухкомпонентное — водород и кислород.
Мы уже создали экспериментальный двигатель, правда, небольшой размерности и тягой всего около 7 тонн, провели 44 испытания, сделали натурные смесительные элементы в форсунки, в газогенераторе, в камере сгорания и выяснили, что можно сначала работать на трех компонентах, а потом плавно переходить на два. Все получается, достигается высокая полнота сгорания, но чтобы идти дальше, нужен более крупный образец, нужно дорабатывать стенды, чтобы запускать в камеру сгорания компоненты, которые мы собираемся применять в настоящем двигателе: жидкие водород и кислород, а также керосин. Думаю, это очень перспективное направление и большой шаг вперед. И надеюсь кое-что успеть сделать при жизни.
— Почему американцы, получив право на воспроизведение РД-180, не могут сделать его уже много лет?
— Американцы очень прагматичны. В 1990-х, в самом начале работы с нами, они поняли, что в энергетической области мы намного опередили их и надо у нас эти технологии перенимать. К примеру, наш двигатель РД-170 за один запуск за счет большего удельного импульса мог вывезти полезного груза на две тонны больше, чем их самый мощный F-1, что означало по тем временам 20 миллионов долларов выигрыша. Они объявили конкурс на двигатель тягой 400 тонн для своих «Атласов», который выиграл наш РД-180. Тогда американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить. Я им сразу сказал: вы затратите больше миллиарда долларов и десять лет. Четыре года прошло, и они говорят: да, надо шесть лет. Прошли еще годы, они говорят: нет, надо еще восемь лет. Прошло уже семнадцать лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов. У нас на «Энергомаше» есть стенды, где в барокамере можно испытывать тот же двигатель РД-170, мощность струи которого достигает 27 миллионов киловатт.
— Я не ослышался — 27 гигаватт? Это больше установленной мощности всех АЭС «Росатома».
— Двадцать семь гигаватт — это мощность струи, которая развивается относительно за короткое время. При испытаниях на стенде энергия струи сначала гасится в специальном бассейне, затем в трубе рассеивания диаметром 16 метров и высотой 100 метров. Чтобы построить подобный стенд, в котором помещается двигатель, создающий такую мощность, надо вложить огромные деньги. Американцы сейчас отказались от этого и берут готовое изделие. В результате мы продаем не сырье, а продукт с огромной добавленной стоимостью, в который вложен высокоинтеллектуальный труд. К сожалению, в России это редкий пример хайтек-продаж за границу в таком большом объеме. Но это доказывает, что при правильной постановке вопроса мы способны на многое.
— Борис Иванович, что надо сделать, чтобы не растерять фору, набранную советским ракетным двигателестроением? Наверное, кроме недостатка финансирования НИОКР очень болезненна и другая проблема — кадровая?
— Чтобы остаться на мировом рынке, надо все время идти вперед, создавать новую продукцию. Видимо, пока нас до конца не прижало и гром не грянул. Но государству надо осознать, что без новых разработок оно окажется на задворках мирового рынка, и сегодня, в этот переходный период, пока мы еще не доросли до нормального капитализма, в новое должно прежде всего вкладывать оно — государство. Затем можно передавать разработку для выпуска серии частной компании на условиях, выгодных и государству, и бизнесу. Не верю, что придумать разумные методы созидания нового невозможно, без них о развитии и инновациях говорить бесполезно.
Кадры есть. Я руковожу кафедрой в Московском авиационном институте, где мы готовим и двигателистов, и лазерщиков. Ребята умнющие, они хотят заниматься делом, которому учатся, но надо дать им нормальный начальный импульс, чтобы они не уходили, как сейчас многие, писать программы для распределения товаров в магазинах. Для этого надо создать соответствующую лабораторную обстановку, дать достойную зарплату. Выстроить правильную структуру взаимодействия науки и Министерства образования. Та же Академия наук решает много вопросов, связанных с кадровой подготовкой. Ведь среди действующих членов академии, членов-корреспондентов много специалистов, которые руководят высокотехнологическими предприятиями и научно-исследовательскими институтами, мощными КБ. Они прямо заинтересованы, чтобы на приписанных к их организациям кафедрах воспитывались необходимые специалисты в области техники, физики, химии, чтобы они сразу получали не просто профильного выпускника вуза, а готового специалиста с некоторым жизненным и научно-техническим опытом. Так было всегда: самые лучшие специалисты рождались в институтах и на предприятиях, где существовали образовательные кафедры. У нас на «Энергомаше» и в НПО Лавочкина работают кафедры филиала МАИ «Комета», которой я руковожу. Есть старые кадры, которые могут передать опыт молодым. Но времени осталось совсем немного, и потери будут безвозвратные: для того, чтобы просто вернуться на существующий сейчас уровень, придется затратить гораздо больше сил, чем сегодня надо для его поддержания.
Ирик Имамутдинов
А вот и довольно свежие новости:
Опцион (разрешение) на поставку до 2020 года указанного количества двигателей заключен с американской корпорацией «Орбитал сайенсиз» (Orbital Sciences), выпускающей спутники и ракеты-носители, и компанией «Аэроджет» (Аerojet), являющейся одним из крупнейших в США производителей ракетных двигателей. Речь идет о предварительной договоренности, поскольку опционный договор предполагает право, но не обязательство покупателя совершить покупку на заранее определенных условиях. Два модифицированных двигателя НК-33 используются на первой ступени разработанной в США по контракту с НАСА ракеты-носителя «Антарес» (проектное название «Таурус-2»). Носитель предназначен для доставки грузов на МКС. Первый его запуск запланирован на 2013 год. Двигатель НК-33 разработан для ракеты-носителя Н1, которая должна была доставить советских космонавтов на Луну.
Была еще как то в блоге и довольно спорная информация, описывающая Ионный двигательОригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия - http://infoglaz.ru/?p=19276
masterok.livejournal.com
Такая известная компания как Gеnerаl Еlесtric несмотря на свои крупные размеры хочет улучшить производство, в связи с чем постоянно вводит уникальные технологии. Мало кто удивится, если они станут причиной своеобразной революции.
С чего все начиналось? Производство топливной форсунки положило начало активному использованию 3D-печати. Данный компонент применяется почти в любом типе двигателя. Он ответственный за распыление и подачу топливной жидкости. Конструкция детали обязана отвечать требованиям прочности. Что касается формы, то она должна иметь четкие геометрические пропорции, так как они влияют на скорость подачи и количество используемого топлива.
Еще одно требование, которому должна соответствовать форсунка – это устойчивость к воздействию тепла. Все дело в том, что температурный режим рабочей среды превышает полторы тысячи градусов. Поэтому чтобы детали соответствовали всем заявленным требованиям, компания Gеnеrаl Еlеctriс решила внедрить в производство 3D-технологии.
До того, как было принято это решение, приходилось покупать двадцать разных деталей и спаивать их воедино. Аддитивная технология полностью изменила процесс. Кроме этого, удалось удешевить себестоимость конечной продукции. Об этом заявил генеральный директор фирмы, Грег Моррис.
Как теперь выглядит форсунка? Это целостная деталь, в точности повторяющая все необходимые завитки и изгибы камеры внутреннего сгорания. Применение трехмерной печати было настолько успешным, что таким способом решили также изготовлять топливное сопло. В этом помог лазерный 3D-принтер. Металлический порошок использовали в качестве основного исходного материала.
За счет чего удалось снизить себестоимость? Все дело в том, что аддитивная технология позволила существенным образом увеличить скорость производства. Также удалось сделать конструкцию легче на 25%. Для авиационной отрасли это является неоспоримыми преимуществами.
Внедрение передовых методов в цехах Gеnеrаl Еlеctriс позволит авиакомпаниям сэкономить на обычных форсунках около трех миллиардов долларов. Уже сегодня компания получила заказ на 8 тысяч реактивных двигателей LЕАP, каждый из которых оснащается дюжиной топливных форсунок.
make-3d.ru
Академик РАН Борис Каторгин многое сделал для того, чтобы наши ракетные двигатели стали самыми надежными в мире. Фото: Александр Крупнов
Интересная статейка о прошлом, настоящем и будущем нашей ракетной отрасли и перспектив полетов в космос. почитайте, скажите свое мнение ...Создатель лучших в мире жидкостных ракетных двигателей академик Борис Каторгин объясняет, почему американцы до сих пор не могут повторить наших достижений в этой области и как сохранить советскую фору в будущем.
21 июня на Петербургском экономическом форуме прошло награждение лауреатов премии "Глобальная энергия". Авторитетная комиссия отраслевых экспертов из разных стран выбрала три заявки из представленных 639 и назвала лауреатов премии 2012 года, которую уже привычно называют "нобелевкой для энергетиков". В итоге 33 миллиона премиальных рублей в этом году разделили известный изобретатель из Великобритании профессор Родней Джон Аллам и двое наших выдающихся ученых — академики РАН Борис Каторгин и Валерий Костюк.
Все трое имеют отношение к созданию криогенной техники, исследованию свойств криогенных продуктов и их применению в различных энергетических установках. Академик Борис Каторгин был награжден "за разработки высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на криогенных топливах, которые обеспечивают при высоких энергетических параметрах надежную работу космических систем в целях мирного использования космоса". При непосредственном участии Каторгина, более пятидесяти лет посвятившего предприятию ОКБ-456, известному сейчас как НПО "Энергомаш", создавались жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), рабочие характеристики которых и теперь считаются лучшими в мире. Сам Каторгин занимался разработкой схем организации рабочего процесса в двигателях, смесеобразованием компонентов горючего и ликвидацией пульсации в камере сгорания. Известны также его фундаментальные работы по ядерным ракетным двигателям (ЯРД) с высоким удельным импульсом и наработки в области создания мощных непрерывных химических лазеров.
В самые тяжелые для российских наукоемких организаций времена, с 1991-го по 2009 год, Борис Каторгин возглавлял НПО "Энергомаш", совмещая должности генерального директора и генерального конструктора, и умудрился не только сохранить фирму, но и создать ряд новых двигателей. Отсутствие внутреннего заказа на двигатели заставило Каторгина искать заказчика на внешнем рынке. Одним из новых двигателей стал РД-180, разработанный в 1995 году специально для участия в тендере, организованном американской корпорацией Lockheed Martin, выбиравшей ЖРД для модернизируемого тогда ракетоносителя "Атлас". В результате НПО "Энергомаш" подписало договор на поставку 101 двигателя и к началу 2012 года уже поставило в США более 60 ЖРД, 35 из которых успешно отработали на "Атласах" при выводе спутников различного назначения.
Перед вручением премии "Эксперт" побеседовал с академиком Борисом Каторгиным о состоянии и перспективах развития жидкостных ракетных двигателей и выяснил, почему базирующиеся на разработках сорокалетней давности двигатели до сих пор считаются инновационными, а РД-180 не удалось воссоздать на американских заводах.
— Борис Иванович, в чем именно ваша заслуга в создании отечественных жидкостных реактивных двигателей, и теперь считающихся лучшими в мире?
— Чтобы объяснить это неспециалисту, наверное, нужно особое умение. Для ЖРД я разрабатывал камеры сгорания, газогенераторы; в целом руководил созданием самих двигателей для мирного освоения космического пространства. (В камерах сгорания происходит смешение и горение топлива и окислителя и образуется объем раскаленных газов, которые, выбрасываясь затем через сопла, создают собственно реактивную тягу; в газогенераторах также сжигается топливная смесь, но уже для работы турбонасосов, которые под огромным давлением нагнетают топливо и окислитель в ту же камеру сгорания. — "Эксперт".)
— Вы говорите о мирном освоении космоса, хотя очевидно, что все двигатели тягой от нескольких десятков до 800 тонн, которые создавались в НПО "Энергомаш", предназначались прежде всего для военных нужд.
— Нам не пришлось сбросить ни одной атомной бомбы, мы не доставили на наших ракетах ни одного ядерного заряда к цели, и слава богу. Все военные наработки пошли в мирный космос. Мы можем гордиться огромным вкладом нашей ракетно-космической техники в развитие человеческой цивилизации. Благодаря космонавтике родились целые технологические кластеры: космическая навигация, телекоммуникации, спутниковое телевидение, системы зондирования.
— Двигатель для межконтинентальной баллистической ракеты Р-9, над которым вы работали, потом лег в основу чуть ли не всей нашей пилотируемой программы.
— Еще в конце 1950-х я проводил расчетно-экспериментальные работы для улучшения смесеобразования в камерах сгорания двигателя РД-111, который предназначался для той самой ракеты. Результаты работы до сих пор применяются в модифицированных двигателях РД-107 и РД-108 для той же ракеты "Союз", на них было совершено около двух тысяч космических полетов, включая все пилотируемые программы.
— Два года назад я брал интервью у вашего коллеги, лауреата "Глобальной энергии" академика Александра Леонтьева. В разговоре о закрытых для широкой публики специалистах, коим Леонтьев сам когда-то был, он упомянул Виталия Иевлева, тоже много сделавшего для нашей космической отрасли.
— Многие работавшие на оборонку академики были засекречены — это факт. Сейчас многое рассекречено — это тоже факт. Александра Ивановича я знаю прекрасно: он работал над созданием методик расчета и способов охлаждения камер сгорания различных ракетных двигателей. Решить эту технологическую задачу было нелегко, особенно когда мы начали максимально выжимать химическую энергию топливной смеси для получения максимального удельного импульса, повышая среди прочих мер давление в камерах сгорания до 250 атмосфер. Возьмем самый мощный наш двигатель — РД-170. Расход топлива с окислителем — керосином с жидким кислородом, идущим через двигатель, — 2,5 тонны в секунду. Тепловые потоки в нем достигают 50 мегаватт на квадратный метр — это огромная энергия. Температура в камере сгорания — 3,5 тысячи градусов Цельсия. Надо было придумать специальное охлаждение для камеры сгорания, чтобы она могла расчетно работать и выдерживала тепловой напор. Александр Иванович как раз этим и занимался, и, надо сказать, потрудился он на славу. Виталий Михайлович Иевлев — член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, к сожалению, довольно рано умерший, — был ученым широчайшего профиля, обладал энциклопедической эрудицией. Как и Леонтьев, он много работал над методикой расчета высоконапряженных тепловых конструкций. Работы их где-то пересекались, где-то интегрировались, и в итоге получилась прекрасная методика, по которой можно рассчитать теплонапряженность любых камер сгорания; сейчас, пожалуй, пользуясь ею, это может сделать любой студент. Кроме того, Виталий Михайлович принимал активное участие в разработке ядерных, плазменных ракетных двигателей. Здесь наши интересы пересекались в те годы, когда "Энергомаш" занимался тем же.
— В нашей беседе с Леонтьевым мы затронули тему продажи энергомашевских двигателей РД-180 в США, и Александр Иванович рассказал, что во многом этот двигатель — результат наработок, которые были сделаны как раз при создании РД-170, и в каком-то смысле его половинка. Что это — действительно результат обратного масштабирования?
— Любой двигатель в новой размерности — это, конечно, новый аппарат. РД-180 с тягой 400 тонн действительно в два раза меньше РД-170 с тягой 800 тонн. У РД-191, предназначенного для нашей новой ракеты "Ангара", тяга и вовсе 200 тонн. Что же общего у этих двигателей? Все они имеют по одному турбонасосу, но камер сгорания у РД-170 четыре, у "американского" РД-180 — две, у РД-191 — одна. Для каждого двигателя нужен свой турбонасосный агрегат — ведь если однокамерный РД-170 потребляет примерно 2,5 тонны топлива в секунду, для чего был разработан турбонасос мощностью 180 тысяч киловатт, в два с лишним раза превосходящий, например, мощность реактора атомного ледокола "Арктика", то двухкамерный РД-180 — лишь половину, 1,2 тонны. В разработке турбонасосов для РД-180 и РД-191 я участвовал напрямую и в то же время руководил созданием этих двигателей в целом.
— Камера сгорания, значит, на всех этих двигателях одна и та же, только количество их разное?
— Да, и это наше главное достижение. В одной такой камере диаметром всего 380 миллиметров сгорает чуть больше 0,6 тонны топлива в секунду. Без преувеличения, эта камера — уникальное высокотеплонапряженное оборудование со специальными поясами защиты от мощных тепловых потоков. Защита осуществляется не только за счет внешнего охлаждения стенок камеры, но и благодаря хитроумному способу "выстилания" на них пленки горючего, которое, испаряясь, охлаждает стенку. На базе этой выдающейся камеры, равной которой в мире нет, мы изготавливаем лучшие свои двигатели: РД-170 и РД-171 для "Энергии" и "Зенита", РД-180 для американского "Атласа" и РД-191 для новой российской ракеты "Ангара".
— "Ангара" должна была заменить "Протон-М" еще несколько лет назад, но создатели ракеты столкнулись с серьезными проблемами, первые летные испытания неоднократно откладывались, и проект вроде бы продолжает буксовать.
— Проблемы действительно были. Сейчас принято решение о запуске ракеты в 2013 году. Особенность "Ангары" в том, что на основе ее универсальных ракетных модулей можно создать целое семейство ракетоносителей грузоподъемностью от 2,5 до 25 тонн для вывода грузов на низкую околоземную орбиту на базе универсального же кислородно-керосинового двигателя РД-191. "Ангара-1" имеет один двигатель, "Ангара-3" — три с общей тягой 600 тонн, у "Ангары-5" будет 1000 тонн тяги, то есть она сможет выводить на орбиту больше грузов, чем "Протон". К тому же вместо очень токсичного гептила, который сжигается в двигателях "Протона", мы используем экологически чистое топливо, после сгорания которого остаются лишь вода да углекислый газ.
— Как получилось, что тот же РД-170, который создавался еще в середине 1970-х, до сих пор остается, по сути, инновационным продуктом, а его технологии используются в качестве базовых для новых ЖРД?
— Похожая история случилась с самолетом, созданным после Второй мировой Владимиром Михайловичем Мясищевым (дальний стратегический бомбардировщик серии М, разработка московского ОКБ-23 1950-х годов. — "Эксперт"). По многим параметрам самолет опережал свое время лет эдак на тридцать, и элементы его конструкции потом заимствовали другие авиастроители. Так и здесь: в РД-170 очень много новых элементов, материалов, конструкторских решений. По моим оценкам, они не устареют еще несколько десятилетий. В этом заслуга прежде всего основателя НПО "Энергомаш" и его генерального конструктора Валентина Петровича Глушко и членкора РАН Виталия Петровича Радовского, возглавившего фирму после смерти Глушко. (Отметим, что лучшие в мире энергетические и эксплуатационные характеристики РД-170 во многом обеспечиваются благодаря решению Каторгиным проблемы подавления высокочастотной неустойчивости горения за счет разработки антипульсационных перегородок в той же камере сгорания. — "Эксперт".) А двигатель РД-253 первой ступени для ракетоносителя "Протон"? Принятый на вооружение еще в 1965 году, он настолько совершенен, что до сих пор никем не превзойден. Именно так учил конструировать Глушко — на пределе возможного и обязательно выше среднемирового уровня. Важно помнить и другое: страна инвестировала в свое технологическое будущее. Как было в Советском Союзе? Министерство общего машиностроения, в ведении которого, в частности, находились космос и ракеты, только на НИОКР тратило 22 процента своего огромного бюджета — по всем направлениям, включая двигательное. Сегодня объем финансирования исследований намного меньше, и это говорит о многом.
— Не означает ли достижение этими ЖРД неких совершенных качеств, причем случилось это полвека назад, что ракетный двигатель с химическим источником энергии в каком-то смысле изживает себя: основные открытия сделаны и в новых поколениях ЖРД, сейчас речь идет скорее о так называемых поддерживающих инновациях?
— Безусловно нет. Жидкостные ракетные двигатели востребованы и будут востребованы еще очень долго, потому что никакая другая техника не в состоянии более надежно и экономично поднять груз с Земли и вывести его на околоземную орбиту. Они безопасны с точки зрения экологии, особенно те, что работают на жидком кислороде и керосине. Но для полетов к звездам и другим галактикам ЖРД, конечно, совсем непригодны. Масса всей метагалактики — 1056 граммов. Для того чтобы разогнаться на ЖРД хотя бы до четверти скорости света, потребуется совершенно невероятный объем топлива — 103200 граммов, так что даже думать об этом глупо. У ЖРД есть своя ниша — маршевые двигатели. На жидкостных двигателях можно разогнать носитель до второй космической скорости, долететь до Марса, и все.
— Следующий этап — ядерные ракетные двигатели?
— Конечно. Доживем ли мы еще до каких-то этапов — неизвестно, а для разработки ЯРД многое было сделано уже в советское время. Сейчас под руководством Центра Келдыша во главе с академиком Анатолием Сазоновичем Коротеевым разрабатывается так называемый транспортно-энергетический модуль. Конструкторы пришли к выводу, что можно создать менее напряженный, чем был в СССР, ядерный реактор с газовым охлаждением, который будет работать и как электростанция, и как источник энергии для плазменных двигателей при передвижении в космосе. Такой реактор проектируется сейчас в НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Григорьевича Драгунова. В проекте также участвует калининградское КБ "Факел", где создаются электрореактивные двигатели. Как и в советское время, не обойдется без воронежского КБ химавтоматики, где будут изготавливаться газовые турбины, компрессоры, чтобы по замкнутому контуру гонять теплоноситель — газовую смесь.
— А пока полетаем на ЖРД?
— Конечно, и мы четко видим перспективы дальнейшего развития этих двигателей. Есть задачи тактические, долгосрочные, тут предела нет: внедрение новых, более жаростойких покрытий, новых композитных материалов, уменьшение массы двигателей, повышение их надежности, упрощение схемы управления. Можно внедрить ряд элементов для более тщательного контроля за износом деталей и других процессов, происходящих в двигателе. Есть задачи стратегические: к примеру, освоение в качестве горючего сжиженного метана и ацетилена вместе с аммиаком или трехкомпонентного топлива. НПО "Энергомаш" занимается разработкой трехкомпонентного двигателя. Такой ЖРД мог бы применяться в качестве двигателя и первой, и второй ступени. На первой ступени он использует хорошо освоенные компоненты: кислород, жидкий керосин, а если добавить еще около пяти процентов водорода, то значительно увеличится удельный импульс — одна из главных энергетических характеристик двигателя, а это значит, что можно отправить в космос больше полезного груза. На первой ступени вырабатывается весь керосин с добавкой водорода, а на второй тот же самый двигатель переходит от работы на трехкомпонентном топливе на двухкомпонентное — водород и кислород.
Мы уже создали экспериментальный двигатель, правда, небольшой размерности и тягой всего около 7 тонн, провели 44 испытания, сделали натурные смесительные элементы в форсунки, в газогенераторе, в камере сгорания и выяснили, что можно сначала работать на трех компонентах, а потом плавно переходить на два. Все получается, достигается высокая полнота сгорания, но чтобы идти дальше, нужен более крупный образец, нужно дорабатывать стенды, чтобы запускать в камеру сгорания компоненты, которые мы собираемся применять в настоящем двигателе: жидкие водород и кислород, а также керосин. Думаю, это очень перспективное направление и большой шаг вперед. И надеюсь кое-что успеть сделать при жизни.
— Почему американцы, получив право на воспроизведение РД-180, не могут сделать его уже много лет?
— Американцы очень прагматичны. В 1990-х, в самом начале работы с нами, они поняли, что в энергетической области мы намного опередили их и надо у нас эти технологии перенимать. К примеру, наш двигатель РД-170 за один запуск за счет большего удельного импульса мог вывезти полезного груза на две тонны больше, чем их самый мощный F-1, что означало по тем временам 20 миллионов долларов выигрыша. Они объявили конкурс на двигатель тягой 400 тонн для своих "Атласов", который выиграл наш РД-180. Тогда американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить. Я им сразу сказал: вы затратите больше миллиарда долларов и десять лет. Четыре года прошло, и они говорят: да, надо шесть лет. Прошли еще годы, они говорят: нет, надо еще восемь лет. Прошло уже семнадцать лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов. У нас на "Энергомаше" есть стенды, где в барокамере можно испытывать тот же двигатель РД-170, мощность струи которого достигает 27 миллионов киловатт.
— Я не ослышался — 27 гигаватт? Это больше установленной мощности всех АЭС "Росатома".
— Двадцать семь гигаватт — это мощность струи, которая развивается относительно за короткое время. При испытаниях на стенде энергия струи сначала гасится в специальном бассейне, затем в трубе рассеивания диаметром 16 метров и высотой 100 метров. Чтобы построить подобный стенд, в котором помещается двигатель, создающий такую мощность, надо вложить огромные деньги. Американцы сейчас отказались от этого и берут готовое изделие. В результате мы продаем не сырье, а продукт с огромной добавленной стоимостью, в который вложен высокоинтеллектуальный труд. К сожалению, в России это редкий пример хайтек-продаж за границу в таком большом объеме. Но это доказывает, что при правильной постановке вопроса мы способны на многое.
— Борис Иванович, что надо сделать, чтобы не растерять фору, набранную советским ракетным двигателестроением? Наверное, кроме недостатка финансирования НИОКР очень болезненна и другая проблема — кадровая?
— Чтобы остаться на мировом рынке, надо все время идти вперед, создавать новую продукцию. Видимо, пока нас до конца не прижало и гром не грянул. Но государству надо осознать, что без новых разработок оно окажется на задворках мирового рынка, и сегодня, в этот переходный период, пока мы еще не доросли до нормального капитализма, в новое должно прежде всего вкладывать оно — государство. Затем можно передавать разработку для выпуска серии частной компании на условиях, выгодных и государству, и бизнесу. Не верю, что придумать разумные методы созидания нового невозможно, без них о развитии и инновациях говорить бесполезно.
Кадры есть. Я руковожу кафедрой в Московском авиационном институте, где мы готовим и двигателистов, и лазерщиков. Ребята умнющие, они хотят заниматься делом, которому учатся, но надо дать им нормальный начальный импульс, чтобы они не уходили, как сейчас многие, писать программы для распределения товаров в магазинах. Для этого надо создать соответствующую лабораторную обстановку, дать достойную зарплату. Выстроить правильную структуру взаимодействия науки и Министерства образования. Та же Академия наук решает много вопросов, связанных с кадровой подготовкой. Ведь среди действующих членов академии, членов-корреспондентов много специалистов, которые руководят высокотехнологическими предприятиями и научно-исследовательскими институтами, мощными КБ. Они прямо заинтересованы, чтобы на приписанных к их организациям кафедрах воспитывались необходимые специалисты в области техники, физики, химии, чтобы они сразу получали не просто профильного выпускника вуза, а готового специалиста с некоторым жизненным и научно-техническим опытом. Так было всегда: самые лучшие специалисты рождались в институтах и на предприятиях, где существовали образовательные кафедры. У нас на "Энергомаше" и в НПО Лавочкина работают кафедры филиала МАИ "Комета", которой я руковожу. Есть старые кадры, которые могут передать опыт молодым. Но времени осталось совсем немного, и потери будут безвозвратные: для того, чтобы просто вернуться на существующий сейчас уровень, придется затратить гораздо больше сил, чем сегодня надо для его поддержания.
Ирик Имамутдинов
masterok.livejournal.com
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — реактивный двигатель, в котором воздух является основным компонентом рабочего тела. При этом воздух, поступающий в двигатель из окружающей атмосферы, подвергается сжатию и нагреву.
Нагрев осуществляется в камерах сгорания путем сжигания горючего (керосина и др.) с использованием кислорода воздуха в качестве окислителя. В случае применения ядерного топлива воздух в двигателе нагревается в специальных теплообменниках. По способу предварительного сжатия воздуха ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные (газотурбинные).
В бескомпрессорных ВРД сжатие осуществляется только за счет скоростного напора воздушного потока, набегающего на двигатель в полете. В компрессорных ВРД воздух дополнительно сжимается в компрессоре, приводимом во вращение газовой турбиной, поэтому их называют еще турбокомпрессорными или газотурбинными двигателями (ГТВРД). В компрессорных ВРД нагретый газ высокого давления, отдавая часть своей энергии газовой турбине, вращающей компрессор, попадая в реактивное сопло, расширяется и выбрасывается из двигателя со скоростью, превышающей скорость полета ЛА. Это и создает силу тяги. Такие ВРД относят к двигателям прямой реакции. Если же часть энергии нагретого газа, отданная газовой турбине, становится значительной и турбина при этом приводит во вращение не только компрессор, но и специальный движитель (например, воздушный винт), обеспечивающий к тому же создание основной силы тяги, то такие ВРД называются двигателями непрямой реакции.
Использование воздушной среды в качестве компонента рабочего тела позволяет иметь на борту ЛА только одно горючее, доля которого в объеме рабочего тела в ВРД не превышает 2—6%. Эффект подъемной силы крыла позволяет осуществлять полет с тягой двигателя, которая существенно ниже массы ЛА. Оба эти обстоятельства предопределили преимущественное применение ВРД на ЛА при полетах в атмосфере. Особенно широко распространены компрессорные газотурбинные ВРД, являющиеся основным типом двигателей в современной военной и гражданской авиации.
При больших сверхзвуковых скоростях полета (М > 2,5) повышение давления только за счет динамического сжатия воздуха становится достаточно большим. Это позволяет создавать бескомпрессорные ВРД, которые по виду рабочего процесса подразделяются на прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД). ПВРД состоит из входного устройства (воздухозаборника), камеры сгорания и выходного устройства (реактивного сопла). В сверхзвуковом полете встречный поток воздуха тормозится в каналах воздухозаборника, и его давление повышается. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда через форсунку впрыскивается горючее (керосин). Горение керосиново-воздушной смеси в камере (после предварительного ее воспламенения) осуществляется практически при мало изменяющемся давлении. Нагретый до высокой температуры (более 2000 К) газ высокого давления ускоряется в реактивном сопле и истекает из двигателя со скоростью, превышающей скорость полета ЛА. Параметры ПВРД в значительной степени зависят от высоты и скорости полета.
При скоростях полета, меньших двойной скорости звука (М > 5,0—6,0) обеспечение высокой эффективности ПВРД сопряжено с трудностями организации процесса горения в сверхзвуковом потоке и другими особенностями высокоскоростных течений. ПВРД находят применение в качестве маршевых двигателей сверхзвуковых крылатых ракет, двигателей вторых ступеней зенитных управляемых ракет, летающих мишеней, двигателей реактивных винтов и др.
Реактивное сопло также имеет изменяемые размеры и форму. Взлет самолета с ПВРД обычно производится с помощью ракетных силовых агрегатов (на жидком или твердом топливе). Преимущества ПВРД — способность эффективно работать на высоких скоростях и высотах полета, чем компрессорные ВРД; более высокая экономичность по сравнению с жидкостными ракетными двигателями (так как в ПВРД используется кислород воздуха, а в ЖРД кислород вводится как компонент топлива), простота конструкции и др.
К их недостаткам относят необходимость предварительного разгона JIA другими типами двигателей, низкую эффективность на малых скоростях полета.
В зависимости от скорости ПВРД подразделяют на сверхзвуковые (СПВРД) при М от 1,0 до 5,0 и гиперзвуковые (ГПВРД) при М > 5,0. ГПВРД перспективны для воздушно-космических аппаратов. ПуВРД отличаются от ПВРД наличием специальных клапанов на входе в камеру сгорания и пульсирующим процессом горения. Горючее и воздух поступают в камеру сгорания периодически, когда клапаны открыты. После сгорания смеси давление в камере сгорания повышается, и входные клапаны закрываются. Газы с высоким давлением с большой скоростью устремляются в специальное выходное устройство и выбрасываются из двигателя. К концу их истечения давление в камере сгорания значительно снижается, клапаны снова открываются, и цикл работы повторяется. ПуВРД находили ограниченное применение в качестве маршевых двигателей дозвуковых крылатых ракет, в авиамоделях и др.
enciklopediya-tehniki.ru
Cинхронно-реактивные электродвигатели известны с конца позапрошлого века, однако активное использование электроприводов с такими машинами началось только несколько лет назад. Сегодня компании АВВ, КSB, "Русэлпром" и др. активно разрабатывают электродвигатели данного типа [1, 2].
Зарубежное название синхронно-реактивных электродвигателей - Synchronous Reluctance Motor (SunRM). В России такие машины можно встретить еще и под названием "синхронные двигатели с анизотропной магнитной проводимостью ротора". Конструкция синхронно-реактивного электродвигателя приведена на рис. 1.
Рис. 1. Синхронно-реактивный двигатель.
Принцип действия синхронно-реактивного электродвигателя основан на увлечении магнитным полем тел из ферромагнитных материалов. Ротор стремится занять положение с максимальной магнитной проводимостью. Для расчета, анализа и моделирования процессов в синхронно-реактивных электродвигателях подходят классические методы моделирования на основе обобщенного электромеханического преобразователя в dq-координатах.
С точки зрения производителя электрических машин, синхронно-реактивные двигатели интересны унифицированным с асинхронным двигателем сердечником статора и классической обмоткой переменного тока с числом пазов на полюс и фазу - q>1. Ротор синхронно-реактивного двигателя может выполняться на основе двух технологий: продольной шихтовки пакета ротора (ALA – Axially Laminated Anisotropic) и поперечной шихтовки пакета ротора с немагнитными барьерами (TLA – Transversally Laminated Anisotropic). Фактически ротор синхронно-реактивного любого типа состоит из магнитного барьера и магнитного мостика (проводника). Эффективность преобразования энергии обуславливается в том числе отношением магнитных проводимостей в режимах замыкания силовых линий поля по мостикам и против них. На рис. 2 показан эскиз роторов синхронно-реактивных электродвигателей.
Рис. 2. Конструкции роторов синхронно-реактивных электродвигателей.
Производство роторов ALA-типа трудоемко, требует сборки с чередованием пластин из электротехнической стали с пластинами из немагнитных материалов. Изготовление роторов TLA-типа технологично, но требует применения точного штампового оборудования. Рис. 3 демонстрирует этап процесса сборки роторов ALA- и TLA- конструкции.
Рис. 3. Сборка роторов синхронно-реактивного двигателя.
С точки зрения установочно-присоединительных размеров электродвигатель может быть изготовлен с конструктивными элементами от аналогичного общепромышленного асинхронного двигателя или в варианте повышенной мощности – на один габарит меньше. На рис. 4 показан внешний вид электродвигателя СРД160M6 мощностью 18,5 кВт, частотой вращения 1000 об/мин, изготовленного на основе конструктивных элементов общепромышленного электродвигателя 7AVER160M6ie2, имеющего мощность 15 кВт. Высота оси вращения 160 мм, привязка мощности к габариту по ГОСТу.
Рис. 4. Фотография синхронно-реактивного электродвигателя производства ПАО "НИПТИЭМ".
Использование освоенной технологии и конструктивных деталей, применяемых при производстве общепромышленных асинхронных двигателей, позволяет рассчитывать на низкую стоимость производства синхронно-реактивных двигателей в ближайшем будущем.
В 2015 г. ПАО "НИПТИЭМ" разработало, изготовило и испытало синхронно-реактивные двигатели с ВОВ 160, 315, 540, мощностями 15, 18,5, 110, 500 кВт.
Как видно из экспериментальных данных, приведенных в таблице 1, синхронно-реактивные электродвигатели существенно превосходят асинхронные по энергетическим показателям: потери в роторе отсутствуют, магнитные потери в сердечнике статора ниже, чем у асинхронного двигателя, за счет меньшей величины добавочных потерь холостого хода, однако потери в обмотке статора выше, чем у асинхронного двигателя, за счет худшего коэффициента мощности и большей величины тока статора.
Совокупность положительных эффектов приводит к возможности увеличения мощности электродвигателя на одну ступень при сохранении объема активных частей и обеспечению заданного класса энергоэффективности, или эквивалентного уменьшения объема активных частей при сохранении мощности и класса энергоэффективности.
В таблице 2 приведены основные энергетические характеристики асинхронного электродвигателя и синхронного реактивного двигателя с двумя типами роторов ALA- и TLA-типов.
Двигатели были разработаны в рамках проекта по заказу ФГУП "Крыловский научный центр" филиал ЦНИИ "СЭТ". На рис. 5 приведена фотография изготовленного ПАО "НИПТИЭМ" синхронно-реактивного двигателя 500 кВт 1000 об/мин с TLA-ротором.
Высокое значение коэффициента полезного действия, свойственное СРД, проявляется и для высоконагруженных машин. Однако в них магнитные потери становятся выше, чем в асинхронных двигателях, что объясняется необходимостью работать при больших значениях магнитной индукции. Поэтому крупные синхронно-реактивные двигатели также имеют перспективы использования в технических проектах, направленных на повышение энергетической эффективности.
Некоторые перспективы имеют синхронно-реактивные электродвигатели с пусковой обмоткой на роторе, так как они могут работать при питании от сети переменного тока, однако, на наш взгляд, использование этого режима целесообразно только как неосновного (аварийного). На рис. 5 показан ротор синхронно-реактивного двигателя с дополнительной (успокоительной) короткозамкнутой обмоткой.
Рис.5. Основные элементы водоохлаждаемого синхронно-реактивного двигателя 500 кВт.
Следует отметить, что синхронно-реактивные двигатели обладают рядом положительных черт, присущих синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, таких как отсутствие переходного процесса при "подхвате" вращающейся машины приводом, возможность углового позиционирования ротора. Вместе с тем у них отсутствует синхронный момент сопротивления вращению – cogging torque, пульсации момента, вызванные резким изменением проводимости зубцовых зон ротора и статора, в испытаниях не наблюдаются (притом что, по расчету, величина пульсаций в 5–10 раз выше, чем у асинхронного двигателя). Виброакустические характеристики сравнимы с аналогичными показателями асинхронных машин.
Важным техническим вопросом эксплуатации синхронно-реактивных электродвигателей, подлежащим решению, является вопрос выбора преобразователя частоты. По нашей информации, полностью пригодным преобразователем частоты является ПЧ фирмы ABB серии ASC580. Однако стоит выяснить, возможна ли его покупка с соответствующей прошивкой без приобретения синхронно-реактивного двигателя ABB. При надлежащей настройке датчиковое и бездатчиковое управление синхронно-реактивными двигателями может быть получено с преобразователями частоты других производителей (например, Schneider Electric – ALTIVAR 32, KEB – F5M), но с рядом ограничений на режимы электропривода.
Проведение испытаний синхронно-реактивных электродвигателей без успокоительной обмотки более сложная задача, чем испытания асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Это объясняется более сложной процедурой разделения потерь и необходимостью введения электродвигателя в режим вращения на холостом ходу с номинальным потоком, который не свойственен синхронно- реактивному электроприводу. Облегчить проведение испытаний можно, используя с помощью размещения на роторе съемной короткозамкнутой обмотки для проведения опыта холостого хода.
Захаров А.В., к.т.н., ведущий специалист
по математическому моделированию и расчетам,
ПАО НИПТИЭМ
konstruktor.net
