Создание и развитие научных центров мирового уровня, выполняющих исследования и разработки по приоритетам научно-технологического развития в рамках федерального проекта «Развитие масштабных научных и научно-технологических проектов по приоритетным исследовательским направлениям» национального проекта «Наука и университеты». Результаты выполнения программы лаборатории «Газовая динамика и силовая установка» за 2022 год (промежуточный отчет). НЦМУ Сверхзвук

Цель работы – разработка методик и моделей в обеспечение создания перспективной силовой установки сверхзвукового пассажирского самолета. В отчете представлены результаты выполнения программы исследований лаборатории «Газовая динамика и силовая установка» НЦМУ «Сверхзвук» по соглашению от 24.06.2021 г. № 075-15-2021-605 с Министерством науки и высшего образования РФ в 2022 году. Представлены результаты разработки среды схемного анализа и выполнено исследование схемно-геометрических показателей двигателей СПС. Показано, что применение одноступенчатого вентилятора целесообразно при значениях степени двухконтурности 3.5 и более. Двухступенчатому вентилятору соответствует применение трёхступенчатой ТНД при значениях степени двухконтурности больше 3. Приведены результаты исследования влияния стационарной окружной неравномерности полного давления на входе в двигатель на характеристики СУ СПС. Показано влияние ограничения по параметру стационарной окружной неравномерности на выбор площади входа нерегулируемого сверхзвукового ВЗУ смешанного сжатия. Даны предложения по согласованию ВЗУ с двигателем с учетом ограничения параметра стационарной окружной неравномерности. Приведены оценки изменения запасов газодинамической устойчивости вентилятора и компрессора высокого давления ТРДД при работе с неравномерным потоком воздуха на входе в вентилятор. Представлены результаты доработки инженерной математической модели СУ СПС в части модели ВЗУ. Приведены результаты верификации инженерной модели ВЗУ по результатам численного моделирования для трех схем ВЗУ. С помощью уточненной инженерной модели СУ СПС выполнена оценка влияния проектных параметров двигателя на эффективные характеристики СУ. Сформирован перечень требований к математической модели ТРДД СПС с повенцовым описанием турбомашин. Определён состав программных модулей, отвечающих за повенцовый расчёт турбомашин в составе программы расчёта двигателя. Представлены программные решения и их интеграция в программу расчёта двигателя. Осуществлена адаптация математических моделей интеграции силовой установки и летательного аппарата, необходимых для решения задачи многодисциплинарной оптимизации параметров СУ для 3-х двигательного варианта сверхзвукового пассажирского самолёта. В качестве целевых показателей совершенства СПС рассмотрен вектор критериев, включающий практические дальности полёта по дозвуковому и сверхзвуковому профилям, длину взлетно-посадочной полосы, уровень шума самолета в контрольных точках, а также уровень звукового удара, оцениваемый по разработанной инженерной ММ. Приведены результаты работы по формированию алгоритма поэтапной оценки рисков, возникающих при разработке двигателей для перспективных СПС. Сформирован реестр рисков. На основе экспертных оценок возможности возникновения и масштаба возможного ущерба от реализации рисков построена карта рисков. На основе применения программы «ВиВ Трекер», создание которой было завершено в рамках НЦМУ «Сверхзвук», представлены результаты исследования распространения акустических возмущений, характерных для вентилятора ТРДД, по каналу нерегулируемого ВЗУ и их излучение в дальнем поле. Отмечено, что на взлетном режиме в выбранном ВЗУ течение сопровождается крупными отрывами от острых кромок в сочетании с разгоном до сверхзвуковых скоростей в окрестности горла. Выявлено, что под воздействием турбулентности и неоднородности потока кольцевая периодическая структура возмущений вентилятора быстро разрушается, происходит размазывание тонов в сочетании со снижением частоты. Представлены результаты исследования эжекторных выходных устройств. С помощью программы «ВиВ Трекер» выполнен ряд расчетов взлетной конфигурации. Получено, что значения уровня шума находятся в диапазоне известных характеристик секторных сопел. По структуре течения отмечено, что исследованные варианты геометрии выходных устройств не полностью раскрывают потенциал снижения шума. Приведены результаты экспериментального исследования возможности снижения шума выхлопной струи двигателя СПС с помощью струйных шумоглушителей. Показано, что снижение шума выхлопной струи при заданной массе инжектируемой воды в первом приближении пропорционально импульсу инжектируемых струй воды. При этом эффективность снижения шума составляет 0.5-0.6 дБ на расход воды, равный 1% от расхода газа выхлопной струи. На основе результатов компьютерного моделирования показано, что инжекция воды сильно изменяет поле течения выхлопной струи, снижая ее среднерасходную скорость за сечением впрыска. При этом впрыск практически не оказывает влияния на тягово-расходные характеристики сопла. Разработан эскизный проект и техническое задание на реконструкцию акустического стенда. Приведены результаты экономических и инженерных оценок реконструкции. Представлены результаты численного исследования взаимодействия скачка уплотнения с толстым пограничным слоем для полетных режимов СПС, при варьировании числа Маха набегающего потока от 1.2 до 2 и числа Рейнольдса. Получена двумерная поверхность значений критического отношения давления. Приведены результаты расчетных исследований нерегулируемого ВЗУ смешенного сжатия с верхним расположением на ЛА при установке на поверхности фюзеляже и на клин слива. В крейсерских условиях полета при числе Маха 1.9 получены интегральные характеристики ВЗУ, в том числе коэффициенты расхода, восстановления полного давления, а также уровни стационарной окружной неравномерности.» На основе разработанной параметрической модели ВЗУ с применением перепуска пограничного слоя получены результаты адаптации геометрии для повышения устойчивости ВЗУ на режиме внутреннего сжатия. Приведены оценки составляющих эффективной тяги на нескольких режимах. Представлены результаты разработки редуцированного кинетического механизма химических реакций в камере сгорания двигателя СПС, состоящего из 38 компонентов и позволяющего описывать горение керосина. Показано, что с использованием разработанного механизма возможно описать экспериментальные данные для времени индукции и скорости распространения ламинарного фронта пламени, а также результаты расчетов индексов эмиссии NOx с использованием реакторной модели для различных режимов полета. Экспериментально исследованы процессы воспламенения и горения смеси н-декан/воздух. Построена модель, позволяющая рассчитывать излучение полосы молекулы OH и требующаяся для диагностики процессов горения. Разработана кинетическая модель, описывающая образование и убыль электронно-возбужденных радикалов OH. Приведены основные требования к камере сгорания (КС) СПС в части технических и экологических характеристик. Даны обоснования использования технологии богато-бедного горения, проведен анализ предельных и целевых значений эмиссии вредных веществ. Представлен разработанный предварительный облик КС СПС. На базе полной модели КС разработана упрощенная модель для параметрического численного исследования. Приведены результаты анализа и выбора паттернов моделей аэродинамики и горения для проведения расчётных исследований процессов внутри КС. В рамках отработки технологии применения деталей из керамических композиционных материалов (ККМ) в горячих частях двигателя СПС приведены результаты разработки конструктивно-технологического облика рабочей лопатки первой ступени ТНД с оптимальной технологической укладкой монослоев. Представлена отработка технологии формирования армирующего каркаса и матрицы ККМ SiCf/SiCm и Cf/SiCm на образцах и кольцах для экспериментальных исследований. Разработана модель узла продувочного канала газовоздушного контура с нагружающим устройством для испытаний образцов, конструктивно-подобных элементов и деталей в составе высокотемпературного стенда на статическую прочность и усталость.