Наукова діяльність кафедри конструкції авіаційних двигунів
факультету авіаційних двигунів
Національного аерокосмічного університету
ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут»

У 1972 році за клопотанням генеральних і головних конструкторів проєктних конструкторських бюро, наказом Міністерства авіаційної промисловості СРСР на нашій кафедрі було відкрито Галузеву лабораторію термічної міцності, керівником якої був призначений старший науковий співробітник, к.т.н. Симбірський Дмитро Федорович. У розвиток лабораторії великий внесок зробив старший науковий співробітник Григор’єв Л.С. Завідувач кафедри Олександр Михайлович Фрід був палким прихильником і керівником проєктно-конструкторських розробок нових авіаційних двигунів, активно підтримував роботи лабораторії термоміцністі і її тісний науковий зв’язок з авіаційними конструкторськими бюро.

Штатний склад лабораторії термічної міцності в 1979 році складав 45 працівників. Особливу роль у її развиток внесли: Анікін А.Я., Маштильова А.П., Олійник О.В., Скрипка О.І., Гольцов О.С., Бут Є.Н., Гусєв Ю.О., Волков В.Г., Посікан Т.В., Проненко С.И. та ін.

Плівкові термопари

Розроблені лабораторією плівкові засоби вимірювання температурного стану і методи дослідження термонапруженого стану елементів газотурбінних двигунів знайшли широке застосування в провідних конструкторських бюро авіадвигунобудування країни, а насамперед у Запоріжжі в ЗМКБ Івченко-Прогрес. Лабораторією термічної міцності були закладені теоретичні основи нового перспективного наукового напрямку діагностики теплового стану конструктивних елементів двигунів літальних апаратів. 

Діагностика газотурбінних двигунів

Наприкінці сімдесятих років минулого століття на кафедрі набув широкого розвитку новий науковий напрям — діагностика авіаційних газотурбінних двигунів. Керівником цього напрямку з перших днів був тоді ще доцент Єпіфанов Сергій Валерійович. Очолюваний ним відділ, проводить роботи з розробки програмного комплексу налагодження, систем діагностування двигуна ПС-90; моделювання перехідних режимів двигунів АІ-25, Д-36 і ТВ3-117; реалізації алгоритмів проточної частини двигуна Д-18 на літаках Ан-124 і Ан-225; методичні та програмні засоби для забезпечення бортових і наземних засобів обробки і діагностування авіаційних і газоперекачувальних газотурбінних двигунів. 

Проблемна науково-дослідна лабораторія діагностики авіаційних двигунів

У 1997 році рішенням Міністерства освіти України в Харківському авіаційному інституті на кафедрі 203 була створена Проблемна науково-дослідна лабораторія діагностики авіаційних двигунів.

Основні напрями наукових досліджень

Це тільки умовне, більш загальне розшарування напрямів, та насправді всі вони можуть бути тісно пов’язані між собою

Проєктування систем автоматичного управління та діагностики газотурбінних двигунів

Провідний фахівець напряму — Сергій Валерійович Єпіфанов

Авіадвигунобудування — одна з небагатьох високотехнологічних галузей економіки України, яка має світовий рівень. Підтримка цього рівня неможлива без впровадження цифрових електронних систем управління і контролю двигунів, основною складовою яких є алгоритми управління і діагностування. Ці алгоритми базуються на використанні математичних моделей робочого процесу двигунів і їх систем. Адекватність моделей забезпечується їх узгодженням з експериментальними даними, отриманими під час випробувань і експлуатації.

Роботи з параметричної діагностики двигунів розпочаті в 1975 році під керівництвом проф. Симбірського Д. Ф. і проф. Єпіфанова С. В. Роботи з алгоритмів управління розпочато в 1989 році під керівництвом проф. Єпіфанова С. В. Результати реалізовано на двигунах Д-18Т (літак Ан-124 «Руслан»), Д-436-148 (Ан-148), АІ-222К-25 (літак L-15), ТВ3-117ВМА-СБМ1 (Ан-140), ПС-90 (Іл-96, Ту-204), Д-27 (Ан-70), АІ-450МС (Ан-148), МС-14 (Ан-3), ТВ3-117ВМА- СБМ1В (вертоліт Мі-8) і ряді інших.

Основні напрями робіт:

Параметричне діагностування

Методичне, алгоритмічне і програмне забезпечення для параметричного діагностування газотурбінних двигунів авіаційного і наземного застосування.

Математичне моделювання

Математичне моделювання робочого процесу газотурбінних двигунів на сталих і перехідних режимах роботи. Розробка математичних моделей об'єктів управління (двигуна, виконавчих і вимірювальних пристроїв) для аналізу і синтезу систем автоматичного управління на різних етапах життєвого циклу.

Програмна реалізація

Розробка і програмна реалізація алгоритмів управління двигунами і енергетичними установками.

Ідентифікація робочого процесу

Ідентифікація робочого процесу двигунів із використанням математичних моделей різного рівня з використанням інформації, зареєстрованої при випробуваннях і в експлуатації.

Виявлення дефектів

Виявлення дефектів деталей і вузлів двигунів за вібраційними характеристиками

Моніторинг теплового та термонапруженого стану деталей авіаційних двигунів

Провідний фахівець напряму — Євген Вікторович Марценюк

Одним з основних вимог до авіаційних двигунів є забезпечення високого рівня надійності впродовж заданого періоду — ресурсу. Забезпечення сучасного рівня ресурсу двигунів не можливе, якщо немає безперервного контролю (моніторингу) вичерпання ресурсів окремих деталей у реальних умовах експлуатації за інформацією, яка реєструється в польоті. Для цього необхідно використовувати комплекс математичних моделей, що включають у себе моделі робочого процесу двигуна, граничних умов теплообміну деталей, чинників навантаження деталей, температурного стану деталей, напружено-деформованого стану деталей і пошкоджуваності матеріалів. На кафедрі запропоновані нові підходи до формування цього комплексу моделей, які дозволяють із необхідною точністю виконувати моніторинг ресурсу деталей за польотними даними.

Роботи з вимірювання температур і визначення температурного стану деталей ГТД розпочато в 1968 році під керівництвом проф. Симбірського Д. Ф. Напрямок, що пов’язаний з моніторингом ресурсу, засновано проф. Симбирским Д. Ф. і проф. Олійником О. В. в 1997 році. Результати реалізовано в системах моніторингу ресурсу основних деталей двигунів Д-18Т (літак Ан-124 «Руслан»), Д-436-148 (Ан-148), АІ-450МС (Ан-148), Д-27 (Ан-70) .

Основні напрями робіт:

Моніторинг стану деталей

Моніторинг вичерпання ресурсів основних деталей газотурбінних двигунів в експлуатації та під час еквівалентно-циклічних випробувань на основі математичних моделей температурного і напруженого стану.

Експериментальне вимірювання температур і деформацій

Вимірювання температур і деформацій деталей двигунів, що працюють в умовах підвищених температур, з використанням плівкових перетворювачів.

Вібродіагностика та віброакустика авіаційних двигунів і технічних систем

Провідний фахівець напряму — Валентин Семенович Чигрин

Коливальні процеси, де б вони не виникали, поширюються на сусідні вузли й деталі, на всю конструкцію літального апарата, спричиняючи не тільки дискомфорт для екіпажу й пасажирів, але й відмови автоматики літака й двигуна, резонансні явища і навіть руйнування елементів конструкції. Генерування й поширення коливань у машинах, а також методи боротьби з ними вивчає віброакустика.

З іншого боку, вібрації й шум двигуна мають достатньо багато інформації про стан, режим роботи двигуна та його окремих вузлів, а також про майбутнє руйнування будь-якого вузла або деталі. Тому вібродіагностика є одним із сучасних напрямків технічного діагностування, у якому в якості діагностичних сигналів використовують різноманітні коливальні процеси.

Методи вібродіагностики застосовують під час проєктування, виробництва, експлуатації й ремонту двигунів. Вони є ефективними для:

- виявлення дисбалансу деталей, що обертаються;

- дефектів підшипників, зубчастих передач, насосів, паливних форсунок;

- пульсацій тиску в газоповітряному тракті (помпаж, обертовий зрив, вібраційне горіння) і та ін.;

- дають можливість оцінювати стан двигуна та його елементів на будь-яку глибину;

- повністю автоматизувати процес діагностування аж до видачі рекомендацій екіпажу щодо дій в особливих випадках у польоті;

- одержувати прогноз на деякий інтервал часу, що робить можливою експлуатацію за фактичним технічним станом.

Визначено причину руйнування картера поршневого двигуна МАN за аналізом його вібраційних характеристик. Виконано у процесі льотних випробувань дослідження і аналіз вібрацій турбогвинтового двигуна пасажирського літака, визначено джерела вібрацій і причини руйнування двигуна в польоті, сформульовано рекомендації щодо зміни конструкції двигуна і вузлів кріплення з метою зниження рівня вібрацій. Розроблено методику виявлення за вібраційними характеристиками обертового зриву в компресорі з метою попередження розвитку помпажу. На замовлення Європейської космічної агенції виконано дослідження вібрацій термогідроакумулятора для космічної станції під час польоту ракети-носія на орбіту, сформульовано рекомендації щодо зміни конструкції термогідроакумулятора й вузлів його кріплення.

Основні напрями робіт:

Визначення технічного стану конструкцій за вібраційними характеристиками

Дослідження вібрацій газотурбінних і поршневих двигунів, підшипникових вузлів і зубчастих пердач із ціллю визначення їх технічного стану за вібраційними характеристиками, виявлення джерел підвищених вібрацій.

Віброперетворювачі та обробка вібросигналів

Вибір типів і характеристик датчиків для вимірювання вібрацій і місць їх встановлення на досліджуваному об'єкті, визначення АЧХ і калібрування датчиків, реєстрація, обробка і аналіз вібросигналів.

Акустичний аналіз та зменшення шуму газотурбінних двигунів

Дослідження акустичних властивостей пристроїв для зниження шуму авіаційних двигунів, розробка шумопоглинаючих пристроїв.

Розрахунковий аналіз газодинамічних, теплофізичних і термохімичних процесів в гарячих вузлах газотурбінних двигунів (в тому числі камерах згоряння)

Провідний фахівець напряму — Дмитро Анатолійович Долматов

Основна тенденція останніх двох десятиліть — переміщення центру ваги фундаментальних і прикладних наукових робіт у бік чисельних досліджень фізичних об’єктів і явищ. Вона пов’язана зі швидким розвитком технічних і програмних засобів і в повній мірі відноситься до завдань прогнозування і реконструкції характеристик і теплового стану «гарячих» вузлів газотурбінних двигунів (в тому числі камер згоряння), випробувального та експлуатаційного обладнання газотурбінної техніки, що в свою чергу стало методологічної основою їх оптимального проєктування, доробки та діагностики.
Проблеми, з якими доводиться стикатися при вирішенні цих завдань, є одними з найважчих у сучасній математичній фізиці і математичному моделюванні, що обумовлено геометричною і фізичної складністю об’єктів газотурбінної техніки, присутністю в них таких явищ, як турбулентність, конвективний, променистий і зв’язаний теплообмін, фазові і хімічні перетворення.
Напрямок, пов’язаний із чисельним моделюванням, розвивався с.н.с. Костюком В. Є. з 1985 року спочатку в рамках наукової школи проф. Нечаєва Ю. Н. стосовно процесів у камерах згоряння, а з 2003 року в складі Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського був розширений щодо інших «гарячих» вузлів випробувального та експлуатаційного обладнання об’єктів газотурбінної техніки. Результати впроваджені в практику дослідно-конструкторських робіт підприємств газотурбобудування колишнього СРСР і України, а саме МНВП «Сатурн» ім. А. М. Люльки, ПМКБ, ДП НВКГ «Зоря» — «Машпроект» (Миколаїв), ДП «Івченко-Прогрес» (Запоріжжя), «Мотор Січ» (Запоріжжя), ПАТ «Турбоатом» (Харків), ПАТ МНВО ім. М. В. Фрунзе (Суми).

За останні 5 років на кафедрі виконано дослідження за наступними темами:

- формування наукових основ створення систем автоматичного керування, забезпечення теплового режиму та інтенсифікації процесів згоряння авіаційних двигунів 2015-17 рр.  Б/т №Д203–5/2015–Ф (Д/Р 0115U003330);

- розробка методики формування алгоритмів діагностування проточної частини двигунів пасажирських літаків 2017-18 рр. Х/д №W063/11DMAC/YZD1040UA-203-17/2017 (замовник: ChinaMachineryInvestmentGroupLtd., HongKong);

- розробка структури перспективної системи автоматичного керування авіаційного газотурбінного двигуна 2018-19 рр. Х/д №203-6/2018 (замовник: ДП «Івченко-Прогрес», м Запоріжжя, Україна);

- формування технологій створення адаптивних систем керування газотурбінних двигунів пасажирських і транспортних літаків 2019-20рр. Б/т №Д203-3/2019П (Д/Р№0119U100942);

- розробка комплексу динамічних математичних моделейдвигуна АІ-322 2020-21рр. Х/д №203-10/2020 (замовник: ПрАТ «ФЕД», Харків, Україна);

- модернізація та підтримка комплексу динамічних математичних моделейдвигуна АІ-322 2021 р. Х/д№203-18/2020 (замовник: ПрАТ «ФЕД», Харків, Україна).