Малоразмерные турбореактивные двигатели (МТРД) в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА)

2.5 Удельный расход топлива: сравнение с крупными авиадвигателями (1.1–1.3 против 0.6–0.8 кг/(кгс·ч))

Удельный расход топлива (УРТ) — это, пожалуй, главный параметр, который отделяет малые турбореактивные двигатели от их крупных собратьев. Для двигателей класса 50–200 кгс типичные значения на максимальном режиме лежат в диапазоне 1.1–1.3 кг/(кгс·ч), что почти вдвое выше, чем у современных турбовентиляторных двигателей для большой авиации (0.6–0.8 кг/(кгс·ч)). Это не случайность и не недостаток конструкции — это фундаментальное следствие физики масштабирования. Как справедливо отмечается в научной литературе, производительность малых двигателей нельзя напрямую выводить из характеристик крупных установок, поскольку различия в масштабе приводят к существенно иным термодинамическим и пропульсивным характеристикам.

Отсутствие двухконтурности

У большинства малых ТРД, используемых в БПЛА, степень двухконтурности равна нулю — это классические одноконтурные турбореактивные двигатели. Весь воздух проходит через горячий тракт: компрессор камера сгорания турбина. В результате пропульсивный КПД таких двигателей на дозвуковых скоростях оказывается существенно ниже, чем у турбовентиляторов. Двухконтурный двигатель пропускает часть воздуха через «холодный» контур, создавая дополнительную тягу без сжигания топлива. Как отмечается в авиационной литературе, перемещение большой массы воздуха с малой скоростью энергетически эффективнее, чем разгон малой массы до высокой скорости. Именно поэтому практически все современные пассажирские самолёты оснащаются высокодвухконтурными турбовентиляторными двигателями. В классе малых тяг инженеры сознательно жертвуют экономичностью в пользу простоты, компактности и высокой тяговооружённости.

Низкая температура цикла

Как уже было показано в предыдущем разделе, температура газа перед турбиной (TIT) в МТРД ограничена диапазоном 600–800°C. Это напрямую ограничивает термический КПД цикла Брайтона. В крупных авиадвигателях, напротив, применяются сложные системы внутреннего охлаждения лопаток, позволяющие поднимать температуру газа до 1200–1500°C и выше. Термический КПД цикла Брайтона напрямую зависит от отношения TIT к температуре на входе в компрессор: чем выше TIT, тем выше КПД. Ограничение по температуре «стоит» МТРД 15–20% термического КПД по сравнению с большими двигателями.

Высокая обратная работа

В малых двигателях доля мощности, которую турбина вырабатывает просто для привода компрессора (а не для создания тяги), оказывается аномально высокой. Согласно результатам моделирования микро-ТРД, обратная работа (back work ratio) составляет от 0.67 до 0.81 от всей мощности турбины в диапазоне частот вращения 60 000–108 000 об/мин. Это означает, что до 80% энергии, вырабатываемой турбиной, уходит на то, чтобы просто вращать компрессор, и лишь малая часть остаётся для создания реактивной тяги.

Потери на «ветряное трение»

На сверхвысоких оборотах, характерных для МТРД (60 000–100 000 об/мин и выше), резко возрастают потери на трение вращающихся элементов о воздух в зазорах — так называемые «ветряные потери». Эти потери растут экспоненциально с ростом оборотов и могут «съедать» значительную часть полезной мощности. В крупных двигателях с их относительно низкими оборотами (у турбовентиляторов N1 обычно составляет 3 000–4 000 об/мин) эти потери пренебрежимо малы.

Сравнительная таблица УРТ для разных классов двигателей

| Класс двигателя | Типичный УРТ, кг/(кгс·ч) | Основные причины высокого УРТ |

| Микро-ТРД (до 50 кгс) | 1.3–2.2 | Низкий КПД компонентов, малые размеры, предельные масштабные эффекты |

| Малые ТРД (50–200 кгс) | 1.1–1.3 | Отсутствие двухконтурности, низкая TIT, высокая обратная работа |

| Средние ТРДД (большая авиация) | 0.6–0.8 | Высокая степень двухконтурности, высокие TIT и π, малые относительные потери |

Для иллюстрации: двигатель Swiwin SW800Pro при максимальной тяге 80 кгс потребляет до 1850 г/мин топлива, что при пересчёте даёт УРТ около 1.39 кг/(кгс·ч). На крейсерском режиме (около 65 кгс) расход снижается до 1500 г/мин, что соответствует УРТ около 1.38 кг/(кгс·ч). Европейский эталон PBS TJ100 имеет заявленный удельный расход топлива 0.116–0.118 кг/Н·ч, что в пересчёте на кг/(кгс·ч) составляет примерно 1.14–1.16 кг/(кгс·ч). Для сравнения, российский турбовентиляторный двигатель ПД-8 имеет удельный расход топлива на крейсерском режиме всего 0.61 кг/(кгс·ч), а двигатель ПС-90А — 0.595 кг/(кгс·ч).

Резюмирующий вывод

Высокий удельный расход топлива МТРД — это плата за компактность, высокую тяговооружённость и доступность. Отсутствие двухконтурности, низкая температура цикла, высокая обратная работа (до 80% мощности турбины уходит на привод компрессора) и потери на «ветряное трение» на сверхвысоких оборотах делают экономичность малых двигателей принципиально более низкой, чем у большой авиации. Преодоление этого разрыва требует либо перехода на двухконтурные схемы (что в малых размерах конструктивно сложно из-за роста диаметра, веса и стоимости), либо внедрения рекуперации тепла, которая, по оценкам, может снизить УРТ на 20–30%. Именно рекуперация рассматривается сегодня как наиболее перспективное направление повышения экономичности МТРД.

3.1 Физические и технологические причины выбора центробежного компрессора для МТРД

Выбор типа компрессора — центробежного или осевого — определяет фундаментальную архитектуру всего двигателя. В классе малых тяг (50–200 кгс) центробежный компрессор является доминирующим решением, и это не дань традиции, а следствие физических законов и технологических ограничений. Как справедливо отмечается в научной литературе, различные типы турбомашин (осевые и центробежные компрессоры) имеют существенно различные оптимальные области применения, поэтому оптимизация рабочих параметров для малых двигателей не может выполняться независимо, в отличие от полноразмерных установок. Исследования также подтверждают, что по мере уменьшения тяги двигателя оптимальные значения рабочих параметров снижаются, а области компромисса сужаются, что делает масштабный фактор определяющим для эффективности элементов.

Масштабный эффект: снижение числа Рейнольдса

При уменьшении размеров лопаток и каналов число Рейнольдса падает, что увеличивает аэродинамические потери на трение. Осевые компрессоры, состоящие из множества ступеней, страдают от этого гораздо сильнее, так как потери накапливаются на каждой ступени. В центробежных машинах движение газа в основном радиальное, и они менее чувствительны к этому эффекту. В малых размерах осевые ступени имеют сверхмалые высоты рабочих лопаток, что делает их работу крайне неэффективной. Центробежная ступень, напротив, позволяет заменить несколько осевых ступеней, имея при этом значительно большие высоты проточной части и, следовательно, меньшие относительные потери.

Проблема относительного радиального зазора

Абсолютная величина зазора между лопаткой и корпусом не может быть уменьшена пропорционально размерам двигателя из-за ограничений по прочности и тепловым деформациям. В результате относительный зазор (отношение зазора к высоте лопатки) становится значительно больше, что приводит к массовым перетечкам газа и резкому падению КПД осевых ступеней. Центробежные компрессоры менее чувствительны к этому эффекту. Исследования показывают, что на высоких числах Рейнольдса оптимальный зазор компрессорного ротора составляет 50% от проектного, однако при снижении Re до малых значений эффективность осевых ступеней падает катастрофически. Именно поэтому центробежные компрессоры, где рабочее колесо имеет значительно большую высоту лопаток, оказываются более устойчивыми к росту относительных зазоров.

Технологическая простота и стоимость

Изготовление многоступенчатого осевого компрессора с его тонкими, сложными по форме лопатками требует прецизионного оборудования и высококвалифицированного труда. Центробежный компрессор, напротив, имеет более простую конструкцию с менее критичными допусками, что делает его значительно дешевле и проще в производстве. Как отмечается в литературе, осевые компрессоры более капризны, и для модельных (малых) двигателей альтернативы центробежному компрессору просто нет. Центробежная ступень, несмотря на некоторую потерю общего КПД по сравнению с осевым компрессором такой же степени сжатия, даёт значительный выигрыш по длинновым размерам и массе, что критически важно для компактных силовых установок БПЛА.

Устойчивость к повреждениям и загрязнениям

Центробежные компрессоры более устойчивы к попаданию посторонних предметов и менее чувствительны к эрозии лопаток, что повышает их надёжность и ресурс. В условиях эксплуатации БПЛА, особенно при взлёте и посадке с неподготовленных площадок, риск попадания пыли, песка и мелких частиц в воздухозаборник весьма высок. Осевой компрессор с его узкими каналами и тонкими лопатками крайне уязвим к таким воздействиям — даже незначительная эрозия профиля приводит к срыву потока и помпажу. Центробежное колесо, обладая большей массой и более грубыми профилями, значительно лучше переносит абразивный износ.

Широкий рабочий диапазон

Центробежные компрессоры имеют более широкий рабочий диапазон и менее склонны к срыву потока, что критически важно для БПЛА, работающих в широком диапазоне режимов и высот. Осевые компрессоры, напротив, имеют узкий рабочий диапазон и критичны к изменениям режима — малейшие возмущения потока могут привести к помпажу. Для БПЛА, где двигатель работает в условиях постоянного маневрирования, изменения высоты и скорости, устойчивость к срыву потока является важнейшим требованием. Центробежный компрессор, имея более пологую характеристику, обеспечивает стабильную работу во всём диапазоне эксплуатационных режимов.

Резюмирующий вывод

В малых размерах осевой компрессор теряет свои преимущества в эффективности, становясь сложным, дорогим и капризным, в то время как центробежный сохраняет свою работоспособность и технологичность. Именно поэтому в МТРД класса 50–200 кгс центробежный компрессор является практически безальтернативным решением. Одноступенчатый центробежный компрессор, обычно изготавливаемый из алюминиевого сплава, обеспечивает степень повышения давления 2–4, что вполне достаточно для малых двигателей, а его простая конструкция в сочетании с высокой надёжностью и широким рабочим диапазоном делает его оптимальным выбором для силовых установок беспилотных летательных аппаратов.

3.2 Сравнительный анализ: степень сжатия, устойчивость к помпажу, простота изготовления, габариты

Выбор между центробежным и осевым компрессором для малого турбореактивного двигателя — это многокритериальная задача, где каждый параметр имеет свою цену. В классе МТРД решающими становятся четыре ключевых критерия: степень сжатия, устойчивость к помпажу, простота изготовления и габариты. Именно по этим параметрам центробежная схема демонстрирует неоспоримые преимущества, делающие её практически безальтернативной для двигателей тягой 50–200 кгс.

Степень сжатия за ступень

Центробежный компрессор обеспечивает высокую степень повышения давления за одну ступень. Традиционные значения составляли 4:1, однако современные материалы (титановые сплавы) и совершенствование аэродинамики позволили поднять этот показатель до 8:1 и выше в одноступенчатой конструкции. Для малого ТРД это означает, что требуемое общее давление (π_c 4–7) достигается всего за одну-две ступени.

Осевой компрессор в этом отношении принципиально уступает. Степень сжатия одной ступени здесь не превышает 1,15–1,35, а в реальных конструкциях составляет 1,2–1,3. Для достижения даже скромного общего давления 4:1 требуется 10–12 ступеней, а для π_c = 7 — до 15–20 ступеней. Каждая дополнительная ступень — это не только усложнение конструкции, но и накопление потерь, снижающих общий КПД.

Устойчивость к помпажу

Помпаж — опасное явление срыва потока в компрессоре, сопровождающееся пульсациями давления, вибрациями и потенциальным разрушением двигателя. Для БПЛА, работающих в широком диапазоне высот и скоростей, устойчивость к помпажу критична.

Центробежные компрессоры имеют широкий рабочий диапазон и высокий запас по помпажу. Чтобы вызвать помпаж в центробежном компрессоре, нужно практически перекрыть входной канал. Поток воздуха в центробежной машине движется в основном радиально, и даже при значительных возмущениях на входе компрессор продолжает устойчиво работать, выдавая лишь пульсации давления без катастрофических последствий.

Осевые компрессоры, напротив, имеют узкий рабочий диапазон и критичны к изменениям режима. Они склонны к помпажу при малейших возмущениях потока — достаточно нарушить обтекание лопаток, чтобы вызвать срыв. Для обеспечения приемлемого запаса по помпажу в осевых компрессорах требуются сложные системы антипомпажного регулирования, переменная геометрия направляющих аппаратов и перепуск воздуха, что ещё больше усложняет конструкцию.

Простота изготовления и стоимость

Технологичность — ещё один аргумент в пользу центробежной схемы. Центробежный компрессор имеет простую конструкцию с менее строгими допусками. Рабочее колесо может изготавливаться литьём или механической обработкой из алюминиевых или титановых заготовок. Диффузор и улитка также относительно просты в производстве.

Осевой компрессор требует сложной и дорогой оснастки. Десятки прецизионных лопаток сложного аэродинамического профиля, точные пазы в дисках и корпусе, высокие требования к допускам — всё это делает осевой компрессор значительно более дорогим в производстве. Для массовых и одноразовых систем БПЛА эта разница в стоимости становится критическим фактором.

Габариты и компоновка

Здесь проявляется классический компромисс. Центробежный компрессор — короткий по оси, но большого диаметра. Это увеличивает лобовое сопротивление, но сокращает длину двигателя, что упрощает интеграцию в фюзеляж БПЛА. Осевой компрессор — длинный, но малого диаметра, что увеличивает длину двигателя, но снижает лобовое сопротивление.

Для БПЛА, где важна компактность и аэродинамическое качество, этот компромисс решается в пользу центробежной схемы. Короткий двигатель легче разместить в ограниченном объёме, он даёт меньше проблем с центровкой и требует менее жёсткой силовой рамы. Увеличение лобового сопротивления компенсируется снижением массы и упрощением воздухозаборника.

КПД при малых размерах

Вопреки распространённому мнению, в малых размерах КПД центробежного компрессора оказывается выше, чем у осевого. Это объясняется меньшей чувствительностью центробежных машин к масштабным эффектам — росту относительных зазоров и падению чисел Рейнольдса. В то же время эксергетический КПД центробежного компрессора при оптимальных режимах может достигать 89,45%, что сопоставимо с показателями осевых машин в их расчётной точке, но при существенно более широком рабочем диапазоне.

Сводная таблица

| Критерий | Центробежный компрессор | Осевой компрессор |

| Степень сжатия за ступень | Высокая: 4:1 – 8:1. Достаточно 1–2 ступеней. | Низкая: 1,15–1,35:1. Требуется 10–20 ступеней. |

| Устойчивость к помпажу | Высокая. Широкий рабочий диапазон. Помпаж требует перекрытия входа. | Низкая. Узкий диапазон, склонность к срыву при малых возмущениях. |

| Простота изготовления | Высокая. Простая конструкция, литьё или мехобработка. | Низкая. Сложная оснастка, десятки прецизионных лопаток, высокие допуски. |

| Габариты | Короткий, большого диаметра. Увеличивает лобовое сопротивление. | Длинный, малого диаметра. Увеличивает длину двигателя. |

| КПД при малых размерах | Высокий. Меньшая чувствительность к масштабным эффектам. Эксергетический КПД до 89,45%. | Низкий. Сильная деградация КПД из-за зазоров и низких Re. |

Резюмирующий вывод

По совокупности критериев — высокая степень сжатия на ступень, широкая устойчивость к помпажу, простота изготовления и приёмлемые габариты — центробежный компрессор является оптимальным выбором для МТРД. В классе тяг 50–200 кгс осевой компрессор теряет свои традиционные преимущества в эффективности, становясь сложным, дорогим и капризным, в то время как центробежный сохраняет свою работоспособность и технологичность. Именно поэтому подавляющее большинство серийных малых турбореактивных двигателей для БПЛА используют одно- или двухступенчатый центробежный компрессор, обеспечивая оптимальный баланс между характеристиками, стоимостью и надёжностью.

3.3 При каком уровне тяги переход на осевую или осецентробежную схему становится оправданным

Выбор типа компрессора для турбореактивного двигателя не является вопросом инженерных предпочтений — он напрямую определяется уровнем развиваемой тяги, который, в свою очередь, задаёт массовый расход воздуха и геометрические размеры проточной части. Как показывают результаты многокритериальной оптимизации, для каждого диапазона тяг существует своя наиболее рациональная конструктивная схема турбокомпрессора, и эти границы имеют чёткие количественные выражения.

С уменьшением размерности двигателя области оптимальных параметров рабочего процесса существенно сужаются. При снижении тяги от 100 до 0,1 кН оптимальная степень повышения давления уменьшается в 6 раз — с 18 до 2,7. Масштабный фактор становится определяющим: уменьшение массового расхода воздуха ведёт к уменьшению размеров лопаток и росту относительных радиальных зазоров, что особенно сильно сказывается на эффективности осевых турбомашин. Именно поэтому с уменьшением тяги радиальные и центробежные схемы становятся всё более эффективными.

Порог для чисто осевого компрессора

Согласно результатам оптимизации, выполненной с использованием САПР ASTRA CAD в Самарском национальном исследовательском университете, осевой компрессор становится оптимальным для двигателей с тягой от 7 кН (~714 кгс) и выше. Это объясняется тем, что при больших расходах воздуха, характерных для двигателей данного класса, преимущества осевого компрессора в КПД (достигающего 90–94% в совершенных конструкциях) начинают перевешивать его конструктивную сложность и высокую стоимость. При больших диаметрах проточной части относительные радиальные зазоры перестают быть критическим фактором, и многоступенчатая осевая схема позволяет достичь высокой степени повышения давления при сравнительно малом лобовом диаметре.

Порог для осецентробежной схемы

При снижении тяги до 1,3 кН (~133 кгс) более предпочтительной становится схема с осецентробежным компрессором. В диапазоне тяг от 1,3 до 7 кН осецентробежный компрессор в сочетании с осевой турбиной является наиболее рациональным решением.

Осецентробежная схема представляет собой компромиссное решение: одна или несколько осевых ступеней обеспечивают предварительное сжатие с высоким КПД, а завершающая центробежная ступень даёт высокую степень сжатия за один шаг и обеспечивает устойчивость работы во всём диапазоне режимов. Такая схема позволяет получить часть преимуществ осевой ступени в увеличении степени сжатия, сохраняя при этом простоту и надёжность центробежной. Как показывают исследования, осецентробежные компрессоры с пятью осевыми и одной центробежной ступенью успешно применяются в соответствующих классах двигателей.

Область применения центробежного компрессора

Для двигателей с тягой менее 1,3 кН, то есть для всего интересующего нас диапазона 50–200 кгс (~0,5–2 кН), одноступенчатый центробежный компрессор является наиболее эффективным и практически безальтернативным вариантом. В диапазоне от 0,7 до 1,3 кН оптимальной является схема «центробежный компрессор + осевая турбина», а при тягах ниже 0,7 кН предпочтительной становится радиально-осевая турбина.

Это объясняется тем, что в малых размерах осевые ступени теряют свои преимущества: из-за низких чисел Рейнольдса возрастают аэродинамические потери, а рост относительных радиальных зазоров приводит к массовым перетечкам газа и резкому падению КПД. Центробежный компрессор, напротив, сохраняет работоспособность в этих условиях благодаря радиальному движению потока, менее чувствительному к масштабным эффектам.

Количественные оценки выигрыша

Исследования, выполненные в Московском авиационном институте, показывают, что замена одноступенчатого центробежного компрессора (со степенью сжатия ~4 на расчётном режиме) на осецентробежный (со степенью сжатия ~5,7) в двигателях этого класса может улучшить основные параметры двигателя на 10–15% во всём диапазоне скоростей и высот.

В частности, в базовых режимах полёта БПЛА — крейсерском (M = 0,8, H = 8000 м) и взлётном (M = 0, H = 0 м) — тяга возрастает на 8%, а расход топлива снижается на 12%. Это убедительно доказывает, что даже небольшое усложнение компрессорной схемы может дать ощутимый выигрыш в лётных характеристиках.

Практические примеры

В реальных конструкциях эта закономерность находит прямое подтверждение. PBS TJ100 — эталонный двигатель класса 50–200 кгс — выполнен по классической схеме с одноступенчатым центробежным компрессором и осевой турбиной. Это решение обеспечивает выдающуюся надёжность и ресурс (TBO 300 часов) при тяге 1100–1250 Н.

В то же время для малых турбовальных и турбовинтовых установок, где требуются бо́льшие степени сжатия, широко применяются осецентробежные схемы с 3–5 осевыми ступенями и одной центробежной. Например, двигатель ТВД-1500Б использует четырёхступенчатый осецентробежный компрессор с регулируемым направляющим аппаратом.

Резюмирующий вывод

Переход на осевые или осецентробежные схемы становится технологически и экономически оправданным только при значительном росте тяги: осецентробежная схема целесообразна начиная с порога примерно в 130–140 кгс (1,3 кН) , а чисто осевой компрессор становится оптимальным при тяге, превышающей 700 кгс (7 кН) .

Для основного класса МТРД, рассматриваемого в данной книге (50–200 кгс, ~0,5–2 кН), центробежный компрессор остаётся безальтернативным решением. Именно эта схема обеспечивает оптимальный баланс между степенью сжатия, устойчивостью к помпажу, простотой изготовления и надёжностью в условиях жёстких масштабных ограничений. Любое усложнение компрессорной схемы в этом классе тяг, хотя и даёт потенциальный выигрыш в 10–15% по основным параметрам, сопряжено со значительным ростом конструктивной сложности, массы и стоимости, что для большинства применений МТРД оказывается экономически неоправданным.

3.4 Современные тенденции в проектировании компрессоров МТРД

Несмотря на устойчивое доминирование центробежной схемы в классе малых турбореактивных двигателей, проектирование компрессоров активно эволюционирует под влиянием трёх взаимосвязанных факторов: появления новых конструкционных материалов, внедрения цифровых методов расчёта и революционных аддитивных технологий. Эти тенденции постепенно раздвигают границы эффективности, которые ещё недавно казались непреодолимыми.