Sergey Zhuravlev, project manager per la creazione di un motore a turbina a gas. Sergey Zhuravlev: in Russia è stato creato un motore a turbina a gas ultra-piccolo

Kholodny Maxim Vitaliyovych

Università aerospaziale nazionale intitolata a M. E. Zhukovsky "Kharkiv Aviation Institute"

Micro GTE

7.1. Aviazione e astronautica

I disegni modificati dalla direzione del concorso potranno essere forniti nelle dimensioni originali a beneficio dell'esperto.

introduzione

Pertinenza dell'argomento di ricerca. La miniaturizzazione delle apparecchiature di bordo, la creazione di sistemi di controllo e carichi target con una massa di centinaia di grammi, consente di creare veicoli aerei senza equipaggio (UAV) con un peso al decollo di pochi chilogrammi, dotati di navigazione satellitare e radio sistemi di comunicazione, con la capacità di operare in quasi ogni regione del globo come parte di un complesso sistema aereo controllato a distanza (RCAS).

Uno dei problemi più importanti nella creazione di UAV per tutte le stagioni è la creazione di un sistema di propulsione (PS) che fornisca, da un lato, un'elevata velocità di crociera dell'UAV e, dall'altro, una durata di volo sufficiente. I requisiti per superare la deriva del vento, volare in condizioni di turbolenza superficiale e ottenere tempestivamente informazioni suggeriscono la necessità di garantire una velocità di volo di crociera al livello di M = 0,5 e una durata di volo di almeno 30 minuti.

Tenendo conto della diminuzione dei numeri di Reynolds, nonché dell'aumento dell'area bagnata dal flusso in relazione al volume e alla massa al diminuire delle dimensioni fisiche dell'aereo, il compito di raggiungere velocità di volo elevate è complicato da un aumento sproporzionato nella spinta richiesta al diminuire delle dimensioni dell’UAV. L'uso di un motore a respirazione d'aria (WRE) come sistema di propulsione apre la possibilità di garantire caratteristiche ad alta velocità, tuttavia, la creazione di micro-WRE di design tradizionale con una spinta fino a 50-200 N, adatti per l'installazione su un UAV ultraleggero, incontra notevoli difficoltà legate principalmente alla degenerazione su larga scala del processo di lavoro.

Pertanto, il compito di creare motori a reazione a bassa spinta (getti MTW) sembra rilevante.

I problemi del creare i motori a respirazione d'aria a bassa spinta basati su motori turbogetto sono prodotti da società private: Francia - Vibraye (JPX-t240...), Giappone - Sophia-Precision (J-450...), Germania - JetCat (P-80.. .), Austria - Schneidtr-Sanchez (FD-3). I motori delle aziende sopra elencate sono destinati ad aeromodelli, ma, a quanto pare, in mancanza di meglio, vengono utilizzati su aerei senza pilota civili e militari.

Nonostante l'apparente semplicità della progettazione dei micromotori a turbina a gas rispetto a quelli a grandezza naturale, la loro fabbricazione è anche associata a difficoltà di produzione dovute al fatto che contengono gli stessi elementi strutturali di base degli analoghi a grandezza naturale: un compressore, un apparato a ugelli, una turbina (operante a una temperatura superiore a 700 gradi Celsius e velocità periferiche periferiche di 500 m/s).

A temperature e velocità periferiche così elevate, nella parte radice della pala, le sollecitazioni di rottura possono raggiungere i 700 MPa e oltre. Da cui possiamo trarre una semplice conclusione: per la produzione di turbine di questi campioni VRM sono stati utilizzati acciai o leghe resistenti al calore - analoghi degli acciai domestici: KhN62BMKTYu con una resistenza temporanea di 520-550 MPa ad una temperatura operativa di 700 gradi Celsius, KhN50VMKTSR -540 MPa a 900 gradi, che determina un elevato costo finale del controllo remoto.

Nel nostro Paese non vengono prodotti motori a turbina a gas a bassa spinta adatti per l'installazione su UAV con un peso al decollo fino a 100 kg.

Obiettivo di ricerca è stato lo sviluppo di un sistema di controllo per UAV basato su un motore micro-turbojet.

Durante lo sviluppo, come analogo è stato scelto un motore seriale dell'AMT-Olimpus con una spinta di 230 N e un diametro di 130 mm.

Tavolo. Caratteristiche del motore originale e del suo analogo seriale

Caratteristiche	AMT Olimpo	TRD con cartiera e cartiera
Diametro DU (mm) Lunghezza del telecomando (mm) Diametro del compressore (mm) Diametro turbina (mm) Velocità di rotazione (rpm) Rapporto di compressione Consumo di carburante (ml/min) Flusso di massa d'aria (kg/s)

A causa dell'elevato costo e della scarsità dei suddetti acciai, si è deciso di utilizzare i materiali disponibili e di ridurre le velocità periferiche massime da 475 m/s (analogiche) a 300 m/s, che inevitabilmente, data la stessa sezione centrale del motore , ha comportato una diminuzione del consumo d'aria e, di conseguenza, , a parità di velocità di scarico dall'ugello, una diminuzione della spinta frontale.

Nel tentativo di sviluppare un motore con la stessa spinta frontale, ma con velocità periferiche inferiori alla periferia delle pale della turbina e sulla base dell'esperienza nella realizzazione di motori a turbina a gas in scala reale con compressore centrifugo, si è optato per un motore a doppia turbina compressore centrifugo laterale (CBC), che rappresenta un'innovazione nella classe micro-GTE. Questa soluzione progettuale consente di raddoppiare il flusso d'aria senza aumentare il diametro del diffusore.

Novità - consiste in una nuova soluzione progettuale e tecnologica che consente di tecnologicizzare al massimo l'unità più complessa di un motore a turbogetto con una macchina per pasta di carta e pasta di carta: il diffusore, e di abbandonare completamente le connessioni bullonate e saldate (Fig. 3, 6).

Metodi di ricerca si trattava di modellazione numerica dei processi di lavoro nei motori aerei per la respirazione d'aria basata su modelli complessi del processo di lavoro e sull'esecuzione di test su scala reale di un campione funzionante di un motore a turbina a gas.

Gruppo rotore: ogiva, turbocompressore centrifugo bifacciale, albero, turbina.

Turbina – monostadio assiale attivo-reattivo con grado di reattività pari a 0,5.

Viene presentata una delle opzioni del disco; i calcoli della resistenza sono stati eseguiti utilizzando il pacchetto CosmosWorks - Fig. 9.

Un modello 3D del gruppo turbina è mostrato in Fig. 10. Sono visibili i singoli segmenti del bordo della pala. Uno dei tre segmenti è evidenziato in tono scuro. Questo design del bordo della lama consente, a differenza di quello in fusione solida, di utilizzare l'acciaio necessario in varie zone di carico, consentendo di risparmiare materiale. Nelle zone di giunzione della corona segmentata sono presenti giunti di dilatazione che riducono le pretensionamenti nel disco. Durante la fusione di un segmento si ha una quasi totale assenza di cavità da ritiro, rispetto ad un disco fuso pieno, a causa dei minori spessori relativi. Questa è la prima volta che un progetto di turbina di questo tipo viene sviluppato in un motore a turbina a microgas a bassa spinta.

L'attrezzatura tecnologica utilizzata nella fabbricazione del motore è mostrata in Fig. 10-11. Le singole fasi dei processi tecnologici sono mostrate in Fig. 13.

Compressore – centrifuga monostadio bifacciale con girante semiaperta.

Alcuni elementi del processo tecnologico per la realizzazione di un turbocompressore, Fig. 15-18.

La camera di combustione - tipo ad anello, flusso diretto. Nella Figura 19,20.

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Una descrizione a parte merita la pompa ad ingranaggi con boccole flottanti; non è inferiore ai modelli industriali utilizzati nell'industria automobilistica; fornisce una caduta di pressione fino a 1 MPa con una portata di soli 20 ml/s, ed un velocità di rotazione di 12.000 giri/min.

Prove al fuoco.

Implementazione di soluzioni progettuali. Vista generale del micromotore a turbina a gas progettato e dei suoi singoli componenti mostrati nelle figure. Tutti gli elementi di design sono stati realizzati personalmente dall'autore dell'articolo.

Conclusioni. Oggi, l'uso di micromotori a turbina a gas su aerei con un peso al decollo di circa 100 kg e superiore sembra essere la prospettiva più ragionevole. Con un livello di spinta di 200-300 N, i motori a microturbina a gas possono fornire elevate velocità di volo subsoniche per gli UAV di classe leggera. Dal punto di vista della perfezione della massa, un sistema di propulsione con un motore a turbina a gas di piccole dimensioni è attraente. Il basso peso specifico dei motori a microturbina a gas è particolarmente pronunciato per brevi durate di volo (fino a 30 minuti). Quando si limita la durata del volo a 15-20 minuti. Sulla base di un micromotore a turbina a gas, è possibile creare un UAV altamente manovrabile con un rapporto spinta-peso superiore a 0,5.

Elenco delle fonti utilizzate

1. . Teoria dei motori aeronautici. -Oborongiz. –1958

2. . Modellazione numerica dei processi termofisici nella costruzione di motori. – Kharkov, KhAI. –2005

3. . . Turbine radiali-assiali a bassa potenza. -Mosca, Mashgiz. –1963

4. . Microturbine d'aria. – Mosca, Ingegneria Meccanica. –1970

5. , Borovsky e calcolo delle unità di potenza per motori a razzo liquidi. –Mosca, Ingegneria Meccanica. –1986

6. . . Test di motori a reazione dell'aviazione. –Mosca, Ingegneria Meccanica. –1967

7. Artemenko N.P., et al. Cuscinetti idrostatici di rotori di macchine ad alta velocità. –Charkov, Osnova. –1992

8. . Teoria, calcolo e progettazione di motori aeronautici e centrali elettriche. –Mosca, Ingegneria Meccanica. –2003

9. , . Calcolo delle turbine dei motori aeronautici. –Mosca, Ingegneria Meccanica. –1974

10. Centrali elettriche per elicotteri // ed. . –Oborongiz, Mosca. –1959

11. Tecnologie di approvvigionamento e lavorazione nella produzione di velivoli aerospaziali // Libri di testo, ecc. - Kharkov, KhAI. –1999

12. Progettazione di motori a turbina a gas per aviazione // ed. . –Mosca, Voenizdat. –1961

Il problema dei motori leggeri per piccoli aerei è stato scritto circa un anno fa, due anni fa e dieci anni fa. Sono in fase di adozione programmi di sviluppo dell'aviazione generale; l'Istituto centrale di ingegneria dei motori aeronautici TsIOM im. AV. Baranova. Il governo sta adottando programmi di assistenza per i produttori di apparecchiature GA. Gli aerei nazionali compaiono sulla stampa e in televisione. Da qualche parte volano, da qualche parte vengono messi alla prova.

Ma ancora, come negli anni precedenti, si parla e si scrive della mancanza di un motore leggero domestico. Un grande paese non ha esitato a prendere un motore straniero, ad adattarlo alle capacità della nostra produzione, a migliorare qualcosa, a perdere qualità da qualche parte, ma alla fine ha il nostro motore nazionale, che può servire da modello e prototipo per un intera linea di motori modernizzati. La storia nazionale dello sviluppo dell'aviazione è piena di esempi simili e non ha senso citarli qui.

Dov'è il carrello?

Quindi, in un paese enorme, non è praticamente rimasta alcuna infrastruttura per la produzione di motori a pistoni a bassa potenza. Quelli che sarebbero in grado di sollevare i nostri piccoli aerei e metterli su quella che viene chiamata “l’ala”.

Tuttavia, c’è una via d’uscita da questa situazione. La soluzione potrebbe non essere la più veloce o la più semplice, ma esiste. Questo è lo sviluppo dei nostri motori domestici micro e mini GTE (motore a turbina a gas).

Enormi aziende, consorzi e tutti i tipi di imprese unitarie dello Stato federale (chi non sa che questa è l’impresa unitaria dello Stato federale) stanno studiando il problema, sviluppando progetti concettuali, creando imprese con partecipazione straniera e controllando gli investimenti pubblici. Probabilmente, trascorso un certo periodo di tempo, come risultato di tutti questi sforzi aziendali, ci ritroveremo con una sorta di prodotto finito.

CIAM conduce attività di ricerca e sviluppo

FSUE “Istituto Centrale di Ingegneria dei Motori Aeronautici dal nome. PI Baranova conduce attività di ricerca e sviluppo su vasta scala per la creazione di promettenti motori a turbina a gas e a pistoni a beneficio degli sviluppatori di veicoli aerei senza pilota, piccoli aerei ed elicotteri. AviaPort offre una presentazione sistematica degli interventi del capo del settore CIAM (piccoli motori a turbina a gas) Vladimir Lomazov e del capo del settore CIAM (PD) Alexander Kostyuchenkov alla II conferenza internazionale “Unmanned Aviation - 2015”.

• «… Lavora su promettenti motori a pistoni

In Russia attualmente non esiste alcuna produzione di motori aeronautici a pistoni per droni, aerei leggeri ed elicotteri, il che costringe i progettisti nazionali a utilizzare motori aeronautici di fabbricazione straniera. A causa dell’enorme bisogno di tali motori, CIAM sta conducendo ricerca e sviluppo e sviluppando progetti per promettenti motori aeronautici a pistoni da utilizzare in veicoli aerei senza pilota, velivoli leggeri ed elicotteri”.

• «… Requisiti di base per i motori degli aerei

I criteri principali durante la creazione di motori avanzati erano il costo di funzionamento, la durata assegnata tra le revisioni e l'efficienza del carburante, che insieme determinano il costo per ora di volo. I calcoli hanno dimostrato che per i motori di questa classe il costo di un'ora di volo non dovrebbe essere superiore a 500 rubli per ora di volo (esclusi i costi di carburante e lubrificanti), la risorsa tecnica dovrebbe essere di almeno 8.000 ore. Con tali indicatori, il costo del ciclo di vita sarà di 3,2 milioni di rubli ai prezzi odierni”.

• “...Nuove tecnologie per realizzare motori a turbina a gas di piccola taglia

CIAM sta lavorando per introdurre le ultime tecnologie per ridurre il peso e migliorare la qualità dei singoli componenti e parti. È stato accertato che il costo di produzione di una girante compressore è diminuito di quasi 20 volte rispetto ad una classica girante a pale inserite. Grazie all'utilizzo delle moderne tecnologie di fusione, il prezzo del rotore è ridotto di circa 15-18 volte rispetto al rotore di un'unità di potenza ausiliaria standard delle stesse dimensioni presente sugli aerei nazionali. Come prototipo, è stato prodotto e sarà testato sul cavalletto un generatore di avviamento con la capacità di girare fino a 90mila giri, che è posizionato su un albero senza cambio e riduce significativamente il peso del motore. Fornisce una potenza fino a 4 kW e pesa solo 700 grammi, rispetto ai 10 kg di oggi”.

(basato sui materiali del portaleaeroporto http://www.aviaport.ru/news/2015/05/08/338921.html

Laboratorio di Meccanica Intellettuale "Audit Analyst" (AA+)

Dietro questo nome intrigante si nasconde un gruppo di appassionati che ha sviluppato, creato e sta attualmente testando il primo prototipo di un micromotore a turbina a gas.

Sergey Zhuravlev Direttore generale, ispiratore e generatore di idee del Laboratorio con la sua idea tra le mani.

Questo è ciò che Sergey Zhuravlev, Direttore Generale del Laboratorio di Meccanica Intellettuale “Audit Analyst” (AA+), dice del suo team:

"Chi siamo noi?

Un team di sviluppatori di modelli e prototipi di sistemi complessi (ecosistemi), e di algoritmi per la loro gestione, sia in ambito tecnico che umanitario.

Le nostre competenze si basano sul nostro concetto di organizzazione di una comunità di ricerca e sviluppo, di produzione distribuita (in rete) e sul processo continuo di miglioramento della linea di prodotti high-tech nel complesso di test e installazione. Non riteniamo necessario acquistare macchinari e costruire una fabbrica. La Russia ha già così tanto eccesso di capacità produttiva e di acquisto delle attrezzature più moderne che necessita di essere caricata di lavoro”.

Sergei è pieno di ottimismo e sano realismo, e ha tutte le ragioni per farlo.

“Abbiamo avuto la rara opportunità di entrare nell’élite globale dei piccoli produttori di turbine. Minimizzazione e localizzazione, robotizzazione e autonomia - tendenzeXXIsecoli in cui è ancora possibile integrarsi su un piano di parità con i leader nella fornitura di energia di piccoli aerei, velivoli senza pilota ed energia locale. La Russia ha scuole molto forti di fisica, matematica, scienza dei materiali e ingegneria. Le loro potenzialità permettono, in un volume minimo di turbina, di raggiungere valori massimi di efficienza, soprattutto operativa, con poco sforzo e risorse”.

Un prototipo di un motore a turbina a gas a bassa spinta della serie MkA

Va sottolineato che lo sviluppo di turbine a gas a bassa spinta è solo uno dei settori in cui è impegnato il Laboratorio AA+, e questo progetto è completamente privato, e forse è per questo che, dopo tutti i calcoli, gli studi e le prove, finiscono con un prototipo già pronto.

Così casualmente, sul davanzale della finestra, su un taccuino con calcoli e diagrammi, si inserì il primo motore sperimentale a turbina a gas MkA a bassa spinta. Il capostipite di una serie di motori di diversa potenza che possono essere utilizzati in vari settori.

Il motore è già in fase di test su un banco in laboratorio. Ecco alcuni dei suoi parametri già chiaramente definiti:

Dati di base del prototipo di motore a turbina a gas a bassa spinta della serie MkA (microaviazione):

• Peso – 2060 gr.
• Lunghezza – 324,00 mm
• Diametro principale – 115,00 mm
• Larghezza con tralicci – 128,00 mm

Caratteristiche di performance:

• Spinta massima – 200N
• Spinta di lavoro – 160N
• Consumo di carburante (alla massima spinta) – 460,00ml\ min
• Carburante utilizzato: cherosene/diesel
• Velocità di rotazione massima: 120.000 giri/min

“Il motore sviluppato differisce dagli analoghi studiati dal nostro ufficio di progettazione per design, materiali e caratteristiche. E anche attraverso un’integrazione ponderata in una gamma di prodotti.”

Dmitri Rybakov

Vicedirettore per l'innovazione presso il gruppo di società Unmanned Systems

Il gruppo di società Unmanned Systems è così fiducioso nelle prospettive della serie di motori sviluppati dal Laboratorio che ha iniziato a progettare un promettente UAV appositamente per loro.

Sono assolutamente sicuro che tra qualche tempo vedremo i motori leggeri, potenti ed economici del Laboratorio AA+ non solo su aerei leggeri, autogiri ed elicotteri, ma anche su aerei di grandi dimensioni.

In conclusione, vorrei citare un'altra dichiarazione di Sergei Zhuravlev:

“Il nostro team ha deciso di sviluppare un piccolo motore a turbina a gas con grandi ambizioni. Nel presentarvelo, siamo orgogliosi di non aver copiato analoghi esistenti nel mondo, ma utilizzando moderni metodi di analisi e modellazione, le tecnologie e i materiali più recenti, abbiamo creato un dispositivo energetico altamente complesso come piattaforma per soluzioni scientifiche e tecniche con un grande potenziale di sviluppo e gamma di applicazioni.

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La storia dei motori a turbina a gas risale all'inizio del XX secolo. Nel 1903, l'inventore norvegese Agidus Elling fu il primo a creare un motore funzionante con una turbina a gas da 11 CV. (il motore dell'aereo dei fratelli Wright, decollato nello stesso anno, aveva una potenza di 12 CV). Pochi anni dopo, Charles Curtis, l’inventore della turbina a vapore, depositò una domanda di brevetto in cui descriveva il progetto di una turbina a gas, e ne ottenne il brevetto nel 1914. Nel 1918, la General Electric (GE), fondata da Thomas Edison a metà degli anni '70 del XIX secolo, iniziò a lavorare sui turbocompressori per motori aeronautici e due decenni più tardi la divisione turbine a gas dell'azienda (oggi considerata una delle più grandi al mondo nel suo segmento) campo) iniziò a lavorare sui motori degli aerei a reazione. ).

Nel 1930, l'inventore e ufficiale della Royal Air Force Frank Whittle sviluppò e brevettò il primo motore a turbina a gas da utilizzare come propulsione a reazione. Mentre Whittle risolveva i problemi tecnici associati alla progettazione del motore, il tedesco Hans von Ohain fu il primo a creare e testare un aereo a reazione nel 1939.

Dall'aviazione all'energia

Nella seconda metà del 20° secolo, i motori a turbina a gas divennero la base dell’aviazione moderna. Naturalmente, i motori migliorarono e aumentarono di dimensioni. Oggi il record appartiene ai motori della serie GE90, installati sul Boeing 777. Il diametro delle ventole di questo motore è di 3,4 m, ha un compressore a 22 pale e la sua spinta è di 52.000 kg (e oltre 57.600 kg durante i test), ovvero 10 000 volte superiore alla potenza del motore dei fratelli Wright, utilizzato 100 anni fa.

I moderni motori a turbina a gas (GTE) vengono utilizzati non solo nel settore aeronautico, ma anche nel settore energetico, dove vengono utilizzati per produrre elettricità. I gas caldi prodotti dalla combustione del gas naturale nella camera di combustione passano attraverso la turbina, facendola girare e azionando l'albero del generatore. I motori a turbina a gas sono ampiamente utilizzati nelle centrali elettriche durante i periodi di picco di carico. In termini di dimensioni e potenza, tali motori a turbina a gas sono significativamente superiori ai loro fratelli aeronautici. Ad esempio, il record mondiale è detenuto dall'avanzato motore a turbina a gas Siemens SGT5-8000H: la massa di questo gigante è di 440 tonnellate, può produrre 340 MW in un ciclo semplice e quasi il doppio in un ciclo combinato. L'efficienza di questo motore è quasi del 40% e nel ciclo combinato circa il 60%. Oltre agli aerei e alle centrali elettriche, i motori a turbina a gas vengono utilizzati anche nei serbatoi, nelle navi, nelle locomotive diesel, nelle locomotive e vengono utilizzati anche come generatori ausiliari.

Cos'è il MEMS. Questa abbreviazione sta per Micro-Electro-Mechanical Systems - sistemi microelettromeccanici. MEMS è una combinazione di elementi meccanici, sensori e attuatori assemblati su un substrato di silicio con circuiti elettronici. Sia la meccanica che l'elettronica sono prodotte utilizzando tecnologie standard del settore microelettronico. Questo approccio consente di ottenere dispositivi unici che combinano le capacità di calcolo dell'elettronica con la sensibilità dei sensori meccanici di dimensioni microscopiche: si tratta di un prodotto finito su un unico chip. Le tecnologie dell'industria microelettronica consentono di produrre tali dispositivi in ​​grandi serie, il che ha un effetto molto positivo sull'affidabilità e sul prezzo. I MEMS sono ampiamente utilizzati nella vita di tutti i giorni - in particolare, gli accelerometri (sensori di accelerazione) appartengono a questa classe, il più grande consumatore della quale è l'industria automobilistica moderna: sono questi sensori che inviano segnali per attivare gli airbag in caso di collisione. Matrici di proiettori DLP, giroscopi a stato solido e testine di stampa piezoelettriche sono tipici rappresentanti dei MEMS.

Dal grande al piccolo

Le nuove tecnologie consentono di creare motori non solo giganteschi, ma anche piccoli (e anche molto piccoli). L'azienda giapponese IHI Aerospace produce un generatore portatile a turbina a gas Dynajet 2.6 con una potenza di 2,6 kW e un peso di 67 kg. Ma questo è ben lungi dall'essere un limite: il motore, creato dal Politecnico federale di Zurigo, misura solo pochi centimetri e può generare quasi 100 W di elettricità per diversi giorni. Ma i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) sono andati più lontano nella direzione della miniaturizzazione, sviluppando un motore a turbina a gas che misura solo circa 1 mm di dimensione.

Nonostante una differenza di dimensioni così impressionante tra un gigante come il GE90 e il motore millimetrico del MIT, a un esame più attento si scopre che hanno molto in comune. Sono simili nel design: un compressore, una camera di combustione e una turbina, azionata da un flusso di prodotti della combustione. Il carburante viene iniettato nel flusso all'uscita del compressore, miscelato con aria, bruciato e fatto ruotare da una turbina che aziona il compressore e il generatore. Tuttavia, ovviamente, la creazione di un motore a turbina a gas così piccolo pone ai progettisti molte sfide che i creatori dei tradizionali motori a turbina a gas non devono affrontare.

Lavoratori delle microturbine

A metà degli anni ’90, un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology iniziò a lavorare su un progetto micro-GTE. “Ho pensato alla domanda: se un grande motore a turbina a gas può fornire elettricità a un’intera città, perché non possiamo realizzare un motore molto piccolo in grado di soddisfare il fabbisogno elettrico di una persona? - ricorda Alan Epstein, professore del MIT e leader del gruppo di ricerca. “E il prezzo dei dispositivi MEMS (sistemi microelettromeccanici) non è troppo alto adesso, quindi il costo energetico di una centrale elettrica così personale può essere paragonabile a quello di un grande motore a turbina a gas (0,3-0,5 dollari per 1 W).”

Sviluppato presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia (ETH), il motore a turbina a gas in miniatura è costruito secondo il design classico con un compressore centrifugo e una turbina assiale (schema sotto).

Micro-GTE è costituito dagli stessi elementi fondamentali dei suoi “fratelli maggiori”, ma le dimensioni stesse richiedono approcci e tecnologie fondamentalmente diversi. Secondo Epstein, molti problemi sono della stessa natura fondamentale: disposizione, carichi meccanici, problemi di corrosione. Tuttavia, per alcuni aspetti, lo sviluppo dei micromotori a turbina a gas è più semplice: ad esempio, gli alberi microscopici sono molto rigidi nella flessione, il che aiuta a eliminare il tradizionale problema della flessione degli alberi nei motori di grandi dimensioni. Le variazioni termiche di tali dimensioni non rappresentano una grande minaccia e non c'è nemmeno bisogno di manutenzione e riparazione (i motori a microturbina a gas non possono essere riparati; li sostituiscono semplicemente con uno nuovo). E alcuni sono più complessi: “Le nostre due maggiori sfide sono l’impatto della precisione produttiva sulle prestazioni della coppia albero-cuscinetto”, nonché il compromesso tra requisiti di progettazione (termodinamica, combustione, carichi, fluidodinamica ed elettromeccanica) e processi produttivi. la tecnologia presenta il motore. Questo rimane il nostro problema più importante fino ad oggi."

Il motore ha un diametro di pochi centimetri ed è in grado di generare fino a 100 W di potenza all'albero. Una fonte di elettricità così completamente autonoma sarà molto utile e in alcuni casi del tutto insostituibile.

“Sebbene i componenti siano gli stessi, la tecnologia per la produzione dei micro-GTE è naturalmente completamente diversa e si basa su tecnologie dell'industria dei semiconduttori. Utilizzando la fotolitografia, è possibile creare con elevata precisione e in serie parti e assiemi con dimensioni che vanno da 1 a 10.000 micron, spiega il professor Epstein. — Le parti vengono incise da wafer di silicio monocristallino con uno spessore di 0,5–1 mm e un diametro di 100–300 mm, quindi vengono incollate insieme e si ottiene un pacchetto con diversi motori finiti. Se necessario, il pacco viene tagliato a pezzi e si ottengono i singoli motori. I motori stessi possono essere di diverse dimensioni: non è la litografia a limitarci dall'alto, ma piuttosto la profondità e la precisione dell'incisione. Per dimensioni piccole, inferiori a 1 mm, il limite principale è la viscosità dell’aria, che incide fortemente negativamente sulle prestazioni del motore”. Un pacchetto può includere dozzine o addirittura centinaia di micromotori. Idealmente, la creazione di tutti i dispositivi dalla confezione avviene in parallelo, il che porta al vantaggio più importante di questa tecnologia: il basso costo del prodotto finito. "Motori simili in futuro potrebbero essere realizzati esattamente allo stesso modo dei chip elettronici e dei sensori delle automobili", afferma Epstein.

Il motore a turbina a gas, sviluppato al MIT, è costituito da un compressore centrifugo e una turbina radiale con rotori dal diametro rispettivamente di 8 e 6 mm. Il diagramma seguente mostra uno schema di uno dei primi motori prototipo. L'aria compressa dal compressore passa attraverso canali disposti sulla superficie esterna della camera di combustione, raffreddandola e sottraendo calore, il che aumenta l'efficienza e riduce la temperatura delle pareti esterne del turbomotore a gas. I rotori sono supportati da cuscinetti ad aria radiali e cuscinetti reggispinta idrostatici sul semiasse. Quest'ultimo, insieme al pistone di bilanciamento, sopporta i carichi assiali. Il motore viene avviato utilizzando aria compressa proveniente da una fonte esterna. Secondo i calcoli, la velocità di rotazione del compressore è di circa 1,2 milioni di giri al minuto. (non è un errore di battitura, esattamente milioni!), la velocità lineare del bordo esterno del rotore può raggiungere i 500 m/s. Le pale del compressore e della turbina hanno un'altezza di 400 micron. Il motore a turbina a gas pompa 0,35 g di aria al secondo, generando 11 g di spinta e 17 W di potenza all'albero. Il generatore non è mostrato; in futuro potrà essere integrato nel progetto.

Microenergia per il futuro

Perché sono necessari tali motori? Il progetto del micromotore al MIT è ora finanziato dalle forze armate statunitensi, che vedono un grande potenziale in queste nuove tecnologie. I piccoli motori, caricati con speciali cartucce di idrogeno, possono essere utilizzati sia in piccoli veicoli aerei senza pilota (UAV) che in dispositivi elettronici convenzionali. È l'alimentazione dell'elettronica militare mobile che molto probabilmente diventerà una prova di forza per i primi micro-GTE seriali, che appariranno sul mercato, come sperano gli sviluppatori, molto presto, tra qualche anno.

I Micro-GTE possono essere utilizzati anche per scopi civili - al posto delle batterie di telefoni cellulari, laptop, fotocamere digitali, ma anche come micromotori economici per l'agricoltura, sensori vari e persino giocattoli per bambini. “Per le moderne batterie agli ioni di litio, la potenza specifica dell’energia immagazzinata è di circa 120-150 Wh/kg. Questo, ovviamente, non è il limite; le nuove batterie allo zolfo-litio hanno il doppio delle prestazioni: circa 300-350 Wh/kg. Ma anche nel prossimo futuro i micro-GTE saranno fuori concorrenza: ci aspettiamo valori dell'ordine di 500-700 W h/kg. E in un lontano futuro - 1200-1500 W h/kg, tenendo conto della massa del motore stesso e della fornitura di carburante", afferma ottimisticamente Alan Epstein.

Del problema dei motori leggeri per piccoli aerei si è parlato solo sulla stampa gialla. Hanno scritto un anno fa, due anni e dieci anni fa. Sono in fase di adozione programmi di sviluppo dell'aviazione generale; l'Istituto centrale di ingegneria dei motori aeronautici TsIOM im. AV. Baranova. Il governo sta adottando programmi di assistenza per i produttori di apparecchiature GA. Gli aerei nazionali compaiono sulla stampa e in televisione. Lampeggiano e scompaiono. Da qualche parte volano, da qualche parte vengono messi alla prova.

Solo nei campi e negli aeroporti GA continuano a volare Cessna, Robinson e Teknam stranieri. E le auto di progettazione russa, senza contare la Yakov, ovviamente, sembrano più una curiosità. E, come negli anni precedenti, tutti parlano e scrivono della mancanza di un motore leggero domestico. Perché non farlo almeno come si faceva ai vecchi tempi sovietici. Un grande paese non ha esitato a prendere un motore straniero, ad adattarlo alle capacità della nostra produzione, a migliorare qualcosa, a perdere qualità da qualche parte, ma alla fine ha il nostro motore nazionale, che può servire da modello e prototipo per un intera linea di motori modernizzati. La storia nazionale dello sviluppo dell'aviazione è piena di esempi simili e non ha senso citarli qui.

Dov'è il carrello?

Quindi, in un paese enorme, non è praticamente rimasta alcuna infrastruttura per la produzione di motori a pistoni a bassa potenza. Quelli che sarebbero in grado di sollevare i nostri piccoli aerei e metterli su quella che viene chiamata “l’ala”.

Tuttavia, c’è una via d’uscita da questa situazione. La soluzione potrebbe non essere la più veloce o la più semplice, ma esiste. Questo è lo sviluppo dei nostri motori domestici micro e mini GTE (motore a turbina a gas).

Enormi aziende, consorzi e tutti i tipi di imprese unitarie dello Stato federale (chi non sa che questa è l’impresa unitaria dello Stato federale) stanno studiando il problema, sviluppando progetti concettuali, creando imprese con partecipazione straniera e controllando gli investimenti pubblici. Probabilmente, trascorso un certo periodo di tempo, come risultato di tutti questi sforzi aziendali, ci ritroveremo con una sorta di prodotto finito.

CIAM conduce attività di ricerca e sviluppo

L'impresa unitaria dello Stato federale "Istituto centrale di ingegneria dei motori aeronautici intitolato a P.I. Baranov" conduce ricerche e sviluppi su vasta scala sulla creazione di promettenti motori a turbina a gas e a pistoni nell'interesse degli sviluppatori di veicoli aerei senza pilota, piccoli aerei ed elicotteri. AviaPort offre una presentazione sistematica degli interventi del capo del settore CIAM (piccoli motori a turbina a gas) Vladimir Lomazov e del capo del settore CIAM (PD) Alexander Kostyuchenkov alla II conferenza internazionale "Unmanned Aviation - 2015".

«… Lavora su promettenti motori a pistoni

In Russia attualmente non esiste alcuna produzione di motori aeronautici a pistoni per droni, aerei leggeri ed elicotteri, il che costringe i progettisti nazionali a utilizzare motori aeronautici di fabbricazione straniera. A causa dell’enorme bisogno di tali motori, CIAM sta conducendo ricerca e sviluppo e sviluppando progetti per promettenti motori aeronautici a pistoni da utilizzare in veicoli aerei senza pilota, velivoli leggeri ed elicotteri”.

«… Requisiti di base per i motori degli aerei

I criteri principali durante la creazione di motori avanzati erano il costo di funzionamento, la durata assegnata tra le revisioni e l'efficienza del carburante, che insieme determinano il costo per ora di volo. I calcoli hanno dimostrato che per i motori di questa classe il costo di un'ora di volo non dovrebbe essere superiore a 500 rubli per ora di volo (esclusi i costi di carburante e lubrificanti), la risorsa tecnica dovrebbe essere di almeno 8.000 ore. Con tali indicatori, il costo del ciclo di vita sarà di 3,2 milioni di rubli ai prezzi odierni”.

“...Nuove tecnologie per realizzare motori a turbina a gas di piccola taglia

CIAM sta lavorando per introdurre le ultime tecnologie per ridurre il peso e migliorare la qualità dei singoli componenti e parti. È stato accertato che il costo di produzione di una girante compressore è diminuito di quasi 20 volte rispetto ad una classica girante a pale inserite. Grazie all'utilizzo delle moderne tecnologie di fusione, il prezzo del rotore è ridotto di circa 15-18 volte rispetto al rotore di un'unità di potenza ausiliaria standard delle stesse dimensioni presente sugli aerei nazionali. Come prototipo, è stato prodotto e sarà testato sul cavalletto un generatore di avviamento con la capacità di girare fino a 90mila giri, che è posizionato su un albero senza cambio e riduce significativamente il peso del motore. Fornisce una potenza fino a 4 kW e pesa solo 700 grammi, rispetto ai 10 kg di oggi”.

(basato sui materiali del portaleaeroporto http://www.aviaport.ru/news/2015/05/08/338921.html

Laboratorio di Meccanica Intellettuale "Audit Analyst" (AA+)

Dietro questo nome intrigante si nasconde un gruppo di appassionati che ha sviluppato, creato e sta attualmente testando il primo prototipo di un micromotore a turbina a gas.

Sergey Zhuravlev Direttore generale, ispiratore e generatore di idee del Laboratorio con la sua idea tra le mani.

Questo è ciò che Sergey Zhuravlev, Direttore Generale del Laboratorio di Meccanica Intellettuale "Audit Analyst" (AA+), dice del suo team:

"Chi siamo noi?

Un team di sviluppatori di modelli e prototipi di sistemi complessi (ecosistemi), e di algoritmi per la loro gestione, sia in ambito tecnico che umanitario.

Le nostre competenze si basano sul nostro concetto di organizzazione di una comunità di ricerca e sviluppo, di produzione distribuita (in rete) e sul processo continuo di miglioramento della linea di prodotti high-tech nel complesso di test e installazione. Non riteniamo necessario acquistare macchinari e costruire una fabbrica. La Russia ha già così tanto eccesso di capacità produttiva e di acquisto delle attrezzature più moderne che necessita di essere caricata di lavoro”.

Sergei è pieno di ottimismo e sano realismo, e ha tutte le ragioni per farlo.

“Abbiamo avuto la rara opportunità di entrare nell’élite globale dei piccoli produttori di turbine. Minimizzazione e localizzazione, robotizzazione e autonomia - tendenzeXXIsecoli in cui è ancora possibile integrarsi su un piano di parità con i leader nella fornitura di energia di piccoli aerei, velivoli senza pilota ed energia locale. La Russia ha scuole molto forti di fisica, matematica, scienza dei materiali e ingegneria. Le loro potenzialità permettono, in un volume minimo di turbina, di raggiungere valori massimi di efficienza, soprattutto operativa, con poco sforzo e risorse”.

Un prototipo di un motore a turbina a gas a bassa spinta della serie MkA

Va sottolineato che lo sviluppo di turbine a gas a bassa spinta è solo uno dei settori in cui è impegnato il Laboratorio AA+, e questo progetto è completamente privato, e forse è per questo che, dopo tutti i calcoli, gli studi e le prove, finiscono con un prototipo già pronto.

Così casualmente, sul davanzale della finestra, su un taccuino con calcoli e diagrammi, si inserì il primo motore sperimentale a turbina a gas MkA a bassa spinta. Il capostipite di una serie di motori di diversa potenza che possono essere utilizzati in vari settori.

Il motore è già in fase di test su un banco in laboratorio. Ecco alcuni dei suoi parametri già chiaramente definiti:

Dati di base del prototipo di motore a turbina a gas a bassa spinta della serie MkA (microaviazione):

Peso – 2060 gr.

Lunghezza – 324,00 mm

Diametro principale – 115,00 mm

Larghezza con tralicci – 128,00 mm

Caratteristiche di performance:

Spinta massima – 200N

Spinta di lavoro – 160N

Consumo di carburante (alla massima spinta) – 460,00ml\ min

Carburante utilizzato: cherosene/diesel

Velocità di rotazione massima: 120.000 giri/min

“Il motore sviluppato differisce dagli analoghi studiati dal nostro ufficio di progettazione per design, materiali e caratteristiche. E anche attraverso un’integrazione ponderata in una gamma di prodotti.”

Dmitri Rybakov

Vicedirettore per l'innovazione presso il gruppo di società Unmanned Systems

Il gruppo di società Unmanned Systems è così fiducioso nelle prospettive della serie di motori sviluppati dal Laboratorio che ha iniziato a progettare un promettente UAV appositamente per loro.

Sono assolutamente sicuro che tra qualche tempo vedremo i motori leggeri, potenti ed economici del Laboratorio AA+ non solo su aerei leggeri, autogiri ed elicotteri, ma anche su aerei di grandi dimensioni.

In conclusione, vorrei citare un'altra dichiarazione di Sergei Zhuravlev.