ТВ7-117СТ – турбовинтовой двигатель со свободной турбиной

В начале 1982 года ОКБ им. Ильюшина в инициативном порядке приступило к проектированию нового пассажирского ближнемагистрального самолёта Ил-114. Самолёт должен был заменить на местных воздушных линиях Ан-24, а на некоторых региональных направлениях — турбореактивные Ту-134 и Як-40. Новый самолёт требовал новый двигатель — современный, мощный и экономичный. Разработка такого двигателя велась в ленинградском ОКБ им. Климова.

Турбовинтовые двигатели по конструкции делятся на двухвальные или со свободной турбиной и одновальные. В первом случае между газогенератором и трансмиссией не существует механической связи, привод между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамический. От свободной турбины идёт отдельный вал, который через редуктор передаёт вращательный момент на винт. Во втором случае, как видно из названия, турбина с компрессором и винт расположены на одном валу.

 

Применение свободной турбины имеет ряд преимуществ, в том числе и возможность работы силового агрегата самолёта на земле в качестве вспомогательной силовой установки — без вращения воздушного винта, при этом работающий газогенератор обеспечивает самолёт электрическим током и воздухом высокого давления для бортовых систем.

Конструктивные особенности семейства ТВД ТВ7-117СТ

• • одновальный осецентробежный компрессор, состоящий из пяти осевых и одной центробежной ступени;
  • входной направляющий аппарат и направляющие аппараты первых двух ступеней — регулируемые;
  • кольцевая противоточная камера сгорания;
  • 2-х ступенчатая осевая турбина компрессора с четырьмя охлаждаемыми венцами;
  • 2-х ступенчатая осевая свободная турбина;
  • вал отбора мощности с выводами вперед;
  • соосный редуктор винта, расположенный непосредственно перед компрессором.

Применение осецентробежного компрессора, в котором соединены аэродинамические преимущества осевых ступеней, имеющих высокий КПД, и центробежных, расширяющих диапазон устойчивой работы, является наилучшим решением для малоразмерных газотурбинных двигателей с высокими параметрами термодинамического цикла. Кольцевая противоточная камера сгорания, которая расположена вокруг узла турбины, позволила уменьшить длину двигателя, получить хорошие эмиссионные характеристики и низкий уровень дымления.

В семействе двигателей ТВ7-117 узел турбины представляет собой результат компромиссов, причиной которых является, в частности, малый размер турбинных лопаток. «Представьте, что рабочая лопатка первой ступени турбины ТВ7-117 чуть больше ногтя большого пальца. Вращаясь с огромной скоростью, такая деталь должна тысячи часов работать при температуре окружающих газов в полторы тысячи градусов!. Само по себе это уже технологическое чудо. Тем не менее, это чудо в российском двигателе реализовано и является огромным достижением отечественного двигателестроения», — рассказал кандидат технических наук, математик, в 90-х годах начальник двигательного сектора ЦИАМ Андрей Злобин.

Унифицированный газогенератор, созданный в «ОДК-Климов», может применяться в двигателях как гражданских, так и военных самолётов и вертолётов. На его базе были разработаны

• • ТВ7-117СТ для лёгкого военно-транспортного самолёта Ил-112В,
  • ТВ7-117СТ-01 — гражданская модификация для пассажирского самолёта Ил-114-300
  • и турбовальный ТВ7-117В для вертолёта Ми-38.

Основные характеристики воздушного винта АВ 112-114 Режим работы Тяга, кгс Мощность, л.с. Взлётный V=0 3710 2800 Взлётный V=200 км/час 2660 2800 Крейсерский V=550 км/час 810 1900 Реверс тяги V=200 км/час -2200 400 Габаритные размеры Диаметр винта, м 3,9 Масса винта, кг 190

Все двигатели семейства имеют модульную конструкцию, которая включает редуктор, верхнюю и нижнюю коробки приводов, центральный привод, осевой компрессор, турбокомпрессор, свободную турбину и выходное устройство. Замена модулей может производиться непосредственно в условиях эксплуатации, что значительно снижает материальные и временные затраты на сервисное обслуживание и ремонт. В соответствии со второй стратегией управления ресурсами (СУР2) двигатель может эксплуатироваться без обязательной отправки в ремонт после достижения назначенного ресурса, и остаётся на крыле до исчерпания минимальной циклической наработки одной из основных деталей. Эксплуатация может быть продолжена после замены исчерпавшей свой ресурс детали или модуля, в который входит деталь.

Модернизированная силовая установка для Ил-114-300 включает форсированный турбовинтовой двигатель ТВ7-117СТ-01, воздушный винт АВ-112-114 с регулятором винта РСВ-34С-114, систему автоматического управления типа FADEC (САУ) БАРК-65СТМ и агрегаты топливной системы НР-65СМ, НП-65, АЗРТ-65.

Лопасти воздушного винта разработаны в ПАО «НПП «Аэросила», изготавливаются из современных полимерных композиционных материалов и оборудованы электротепловой противообледенительной защитой. Конструкция крепления лопастей позволяет производить их замену непосредственно в эксплуатации.

Повышенных показателей по мощности и другим основным параметрам конструкторам «ОДК-Климов» удалось достичь за счёт применения новых материалов и совершенствования конструкции. БАРК-65СТМ контролирует работу не только двигателя, но и воздушного винта, улучшает тем самым эксплуатационные характеристики ТВ7-117СТ-01 и обеспечивает его оптимальный режимы работы на взлёте, посадке и в крейсерском полёте. Такое совместное управление позволяет полностью использовать потенциал силовой установки и повысить её эффективность, обеспечивая в итоге самолёту конкурентные технические характеристики.

Характеристики двигателя ТВ7-117СТ/СТ-01* Наименование ТХ ТВ7-117СТ ТВ7-117СТ-01 Чрезвычайный режим, мощность, л.с. 3600 — Взлётный режим мощность, л.с. 2900 3100 уд. расход топлива, г/л.с. час 200 Крейсерский режим мощность, л.с. 2000 уд. расход топлива, (Н=6 км, V=500 км/час, МСА) г/л.с. час 175 Габаритные размеры, мм длина 2151 максимальный диаметр 886 950 Сухая масса, кг 499 510 Удельная масса, M/Nвзл. кг/л.с. 0,160 Ресурс межремонтный, ч (циклов)** 3875 (2500) Ресурс назначенный, ч (циклов)** 7750 (5000) * По данным ОДК
** При эксплуатации по СУР2

Основанием для выполнения опытно-конструкторских работ по двигателю стали:

• • Поручение Президента Российской Федерации от 3 ноября 2015 г. № Пр-2291;
  • Приказ № 106 от 28 июня 2016 г. ПАО «ОАК» «О запуске программы создания регионального самолёта на базе самолёта Ил-114-300»;
  • ТЗ на ОКР «Модернизация пассажирского самолёта Ил-114-300 с двумя двигателями ТВ7-117СМ/СТ»;
  • ТЗ на составную часть ОКР «Разработка турбовинтового двигателя со свободной турбиной ТВ7-117СТ-01 для самолёта Ил-114-300».

Финансирование разработки и производства ТВ7-117СТ-01 осуществляется за счёт собственных средств АО «ОДК-Климов» и средств государственной программы «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы», утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации №2509-р от 24 декабря 2012 года.

В 2017 году для сокращения издержек производства Департамент Минобороны по обеспечению ГОЗ и Департамент авиационной промышленности Минпромторга согласовали предложение ОАК и ОДК об унификации силовых установок самолётов Ил-114-300 и Ил-112В. Так как изначально двигатель ТВ7-117СТ с воздушным винтом АВ-112 разрабатывался в интересах Минобороны, был оформлен единый директивный план-график работ по созданию, сертификации и поставке по Общим техническим требованиям ВВС двигателя ТВ7-117СТ для самолёта Ил-112В и гражданской версии — ТВ7-117СТ-01 по Авиационным правилам для самолётов Ил-114-300.

ТВД ТВ7-117СТ на транспортном самолёте Ил-112В (30 марта 2021 г.)

Стендовые испытания ТВ7-117СТ-01 на модернизированном испытательном стенде «ОДК-Климов» начались в сентябре 2016 г. Лётным испытаниям двигателя предшествовал комплекс работ, выполненных в «Климове» и нацеленных на исключение опасных отказов. ЦИАМ провёл экспертизу результатов этих работ и выдал рекомендации и требования по безопасному выполнению испытательных полётов.

На летающей лаборатории Ил-76ЛЛ на базе ЛИИ им. М.М. Громова в Жуковском двигатель прошёл четыре этапа испытаний. На первом, начавшемся в сентябре 2017 года, было выполнено около 20 полётов. В конце 2018 года прошли испытания второго этапа с шестью контрольными полётами. В декабре 2019-го завершился третий этап лётных испытаний.

Основной задачей третьего этапа была проверка работоспособности воздушного винта АВ-112-114 и других узлов. Кроме того, в ходе наземных гонок и полётов было проверено функционирование новых агрегатов системы управления и программно-математическое обеспечение САУ БАРК-65СТМ. Было выполнено девять испытательных полётов и четырнадцать наземных гонок.

В октябре 2019 года ТВ7-117СТ-01 прошёл макетную комиссию – обязательный этап сертификации. Макетная комиссия оценила соответствие конструкции и характеристик представленного образца требованиям сертификационного базиса. Также комиссия оценила полноту учёта требований к лётной годности и охране окружающей среды и признала этап макета выполненным.

Программу сертификационных испытаний двигателя на соответствие нормам авиационных правил (АП-33) с выдачей сертификата типа планировалось завершить в 2020 году. Однако форс-мажорные обстоятельства из-за пандемии коронавируса не позволили уложиться в установленные сроки. В августе 2020 года по итогам завершившихся испытаний СУ на Ил-76ЛЛ было подтверждено соответствие характеристик двигателя установленным требованиям, синхронизированы графики испытаний, сертификации, производства как двигателей, так и самолётов Ил-112В и Ил-114-300.

Фото © Объединённая двигателестроительная корпорация

30 марта 2019 года двигатели ТВ7-117СТ впервые подняли в воздух новый лёгкий военно-транспортный самолёт Ил-112В, а 16 декабря 2020 года совершил первый полёт самолёт Ил-114-300 с двигателями ТВ7-117СТ-01.

Эти ТВД могут эксплуатироваться во всех климатических условиях: на суше, на море, в любом климатическом районе, включая морской, тропический и холодный климаты, при воздействии морского тумана и морской воды. Работоспособность СУ обеспечивается в диапазоне температуры наружного воздуха от минус 60°С до +50°С. Диапазон температуры топлива на входе в подкачивающий насос — от минус 50°С до +70°С. Устойчивая работа обеспечивается до 6500 м. Максимальная высота запуска двигателя на земле и в воздухе – 6500 м. Максимальная высота взлёта и посадки – 6000 м.

По заказу АО «ОДК-Климов» Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» проводит работы по цифровому двойнику ТВ7-117СТ-01. Уже выполнено первоначальное наполнение цифрового двойника математическими моделями и получены первые положительные результаты – выработаны предложения по снижению массы двигателя в статорной части. По результатам испытаний идёт валидация «цифрового двойника», оптимизация обвязки двигателя, постановка расчётов и оптимизация массы роторных деталей.

Уральский завод гражданской авиации (УЗГА, Екатеринбург), на котором планируется серийное производство 44-местных ТВРС-44, предполагает оснащать это ВС двумя двигателями ТВ7–117СТ-02 или двумя канадскими PW127C. Оба двигателя имеют практически одинаковые технические параметры по мощности, расходу топлива и удельной массе, но, учитывая, что компания Pratt & Whitney не застрахована от политических мотивов канадского правительства, идущего в русле санкционной истерики Вашингтона, нет гарантий, что поставка этих СУ в Россию будет продолжаться и в будущем.

В тоже время, двигатели ТВ7-117СТ/СТ-01 состоят полностью из российских деталей, узлов и комплектующих, а их производство ведётся предприятиями Объединённой двигателестроительной корпорации: АО «ОДК-Климов» (СПб), АО «ММП имени В. В. Чернышёва» (Москва), Омское моторостроительное объединение им. П.И. Баранова, Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК» (Москва).

Андрей Величко,
для сайта «Авиация России»