Как сделать самолеты еще менее прожорливыми?
- До тех пор пока «винтовентиляторы» нового поколения находятся на ранних стадиях проектирования, интерес к ним растет и появляются первые эскизы самолетов, каковые будут сконструированы намерено под данный тип двигателя. На картине продемонстрирован проект Королевского английского общества аэронавтики с двумя двигателями, оснащенными винтами толкающего типа. Годом ранее авиаконцерн Airbus запатентовал концепцию самолета «с пониженным вредным действием на внешнюю среду»
- Эскизы представлены для одно- и двухмоторного вариантов, причем в тексте намерено указано, что предпочтение будет дано двигателям с открытым ротором. Силовые установки будут поставлены над задней частью фюзеляжа (приблизительно как в английском проекте) на особую предохранительную плиту. Она послужит заслоном для шума винтов.
- На картине — компьютерная модель винтовентиляторного двигателя с открытым ротором, что разрабатывается альянсом NASA, General Electric и SAFRAN
Новое, более «зеленое» поколение лайнеров должно потреблять меньше топлива, создавать меньше вредных выбросов и меньше шума — с этим согласны все. Но достигнуть всех этих целей в один момент очень непросто.
Стандартом современной гражданской авиации являются турбовентиляторные двигатели. По сути это разновидность двухконтурного турбореактивного двигателя, неспециализированный принцип работы которого достаточно несложен. При полете самолета набегающий воздушное пространство всасывается вовнутрь двигателя компрессором низкого давления (имеющего привод от вала турбины).
Потом часть воздуха направляется вовнутрь двигателя и участвует как окислитель в сжигании горючего, а вторая часть идет в обход камеры сгорания и вырывается назад через сопло, создавая реактивную тягу.
Реактивную тягу кроме этого формирует струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя. Отношение количеств воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, именуется «степенью двухконтурности». Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и образовывает от 2 до 10, именуют турбовентиляторными, а имеющее относительно громадный диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.
Преимущества турбовентиляторного двигателя кроме этого прекрасно известны. Во-первых, в случае если б? льшая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, увеличивается топливная эффективность, соответственно, экологичность и экономичность всей силовой установки. Во-вторых, на выходе из сопла (либо сопл) холодный воздушное пространство смешивается с тёплыми газами, снижая общее давление смеси.
Это делает двигатель менее шумным.
Но совершенству нет предела, и когда стоимость бареля нефти, соответственно, и на авиакеросин начинают расти, авиаконструкторы и авиаперевозчики сходу вспоминают о том, как бы сделать самолеты еще менее прожорливыми.
Пускай жжет и дует
Одно из направлений поисков — увеличение термоэффективности двигателей, другими словами повышение КПД за счет роста температуры и давления в камере сгорания и сопле. Естественный барьер на этом пути — прочность и термоустойчивость конструкционных материалов, из которых делают лопатки турбин, сопла камеры и стенки сгорания, так что прорыв тут вероятен в первую очередь благодаря прогрессу в области создания материалов с более оптимальными особенностями.
Второе направление — увеличение КПД, соответственно, и экономичности двигателя методом повышения степени двухконтурности. В случае если на килограмм сожженного горючего мы сможем продуть через двигатель еще больше воздуха, создающего реактивную тягу, но не принимающего участия в сжигании керосина, возможно нарастить мощность силовой установки, не увеличивая расход горючего. Либо уменьшить расход горючего, сохраняя прошлую тягу.
Лежащее как бы на поверхности ответ — повышение диаметра вентилятора — имеет важные «но». Громадный вентилятор повлечет за собой веса и увеличение размера мотогондолы, в этот самый момент о себе во целый голос заявят два основных неприятеля авиаконструктора — лобовое сопротивление и вес. На преодоление этих двух факторов потребуется дополнительная мощность двигателя, и может оказаться так, что целый экономический эффект от роста степени двухконтурности сойдет на нет.
О том, как совладать с данной проблемой, конструкторы думают уже много лет.
Вентилятор — на свободу!
В середине 1980-х в небе над калифорнийской пустыней Мохаве возможно было видеть весьма необычный летательный аппарат. Вернее, сам аппарат имел привычные очертания пассажирского лайнера MD-80, вот лишь один из его двигателей был простым «турбовентилятором», а второй имел на заднем финише двухрядный винт.
Очевидно, никто бы не разрешил войти таковой гибрид в рейс, и над пустыней взлетала и садилась всего лишь летающая лаборатория MD-81, на которой испытывался двигатель GE-36 типа Ultra High Bypass (UHB, ультравысокая двухконтурность), произведенный корпорацией General Electric. Второе наименование силовой установки — Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтекателя»). Фактически, этим о конструкции двигателя все сообщено.
Для радикального увеличения степени двухконтурности вентилятор существенно увеличили в диаметре, наряду с этим для лобового сопротивления и снижения веса с него сняли кольцевой обтекатель.
Нетрудно подметить, что в этом случае вентилятор практически делается воздушным винтом (при с UDF- толкающим), а двигатель, что на Западе именуют propfan, а в отечественной литературе винтовентиляторным, обнаруживает родство со ветхим хорошим турбовинтовым мотором.
То, что турбовинтовые двигатели экономичнее турбореактивных, было известно и ранее. В гражданской авиации от них практически везде отказались только по двум обстоятельствам. Первая — большой уровень шума, создаваемого винтом.
Вторая — скоростные ограничения. Дело в том, что при повышении скорости вращения винта до для того чтобы значения, при котором финиши лопастей приближаются к скорости звука, эффективность винта быстро падает и предстоящее увеличение числа оборотов не дает адекватного прироста тяги. Так, скоростной барьер турбовинтовых самолетов — приблизительно 650−700 км/ч.
UDF компании GE-36 именно имел задачу преодоления скоростных ограничений для винтовых моторов, что разрешило бы ему на равных соперничать с турбовентиляторными двигателями. Этому содействовали, во-первых, саблевидные лопасти винта — такая форма разрешает справляться с появляющимся при сверхзвуковом перемещении кончиков лопастей «волновым кризисом». Помимо этого, в конструкции был применен биротативный винт (он же вентилятор).
Это означало, что пропеллер складывался из двух рабочих колес (по восемь лопастей на каждом), вращавшихся в противоположные стороны. Биротативная схема существенно повышает эффективность винта — масса отбрасываемого назад воздуха возрастает и соответственно растет тяга. Опробования продемонстрировали, что двигатель новой конструкции по показателям топливной эффективности может на 30−35% превзойти «турбовентиляторы».
В то время, когда клюет петух?
Интерес к энергосберегающим разработкам в авиадвигателестроении проснулся не просто так. В 1970-х мировую экономику лихорадило из-за энергетических кризисов, вызванных событиями на Ближнем Востоке, каковые стали причиной заметному росту стоимости одного бареля нефти, съедавшему прибыли авиакомпаний.
Инициатором разработки экономичных двигателей выступило агентство NASA, которое предложило свою конструкцию винтовентиляторного двигателя, и сподвигло на свершения уже упомянутую General Electric и ее соперника Pratt&Whitney. P&W в сотрудничестве с компанией Allison Engines внесла предложение силовую установку называющиеся Pratt & Whitney/Allison 578-DX.
В ней кроме этого употреблялся толкающий винт с саблевидными лопастями, но механизм привода пропеллера более напоминал классические турбовинтовые двигатели (вращение передавалось с вала компрессора низкого давления через редуктор, а у GE винты были связаны конкретно с валом компрессора низкого давления и с вращающимся в противоположном направлении статором того же компрессора). В 1986—1987 годах двигатель GE был протестирован на летающих лабораториях MD-81 и Boeing 727. P&W обкатывал собственную конструкцию на том же MD-81.
Но летные опробования винтовентиляторных двигателей совпали по времени с важным падением цен на горючее, и мысли экономичности отошли на второй план. А на первый вышла неприятность звукового загрязнения. Никому не хотелось без особенного резона возвращаться в эру винтовой авиации с ее страшным шумом.
И агентство NASA завершило программу жирной точкой.
Петух клюнул два десятилетия спустя, в то время, когда в последний докризисный год стоимость бареля нефти добрались до $180 за баррель, и приблизительно тогда же гранды мирового двигателестроения заговорили о винтовентиляторах снова.
Битвы за тишину
General Electric расконсервировала испытательные стенды, на которых тестировались GE-36. К делу снова подключилась NASA (снабжая 50% финансирования), и было заявлено о том, что новый прототип двигателя с открытым вентилятором (по мотивам GE-36) пройдет опробования в аэродинамической трубе. В проекте (а конкретно в разработке лопастей биротационного винта) принимает участие французская промышленная несколько SAFRAN в лице двигателе-строительного подразделения Snecma).
GE и SAFRAN в далеком прошлом сотрудничают в рамках СП CFM. Кстати, сообщалось и о том, что Snecma завлекала в качестве партнера по разработке перспективных двигателей для гражданской авиации русских ученых из Центрального университета авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).
О собственном проекте винтовентиляторного двигателя с открытым биротативным вентилятором (open на данный момент) заявила и корпорация Rolls Royce.
Возможно было бы с уверенностью сказать о восстановлении винтовой авиации, если бы не одно «но»: за прошедшие десятилетия требования к уровню шума для гражданских авиадвигателей лишь ужесточились. Смогут ли винтовентиляторные двигатели вписаться в эти твёрдые стандарты?
И представители партнерства NASA-GE-SAFRAN, и соперники из Rolls Royce в один голос заявляют, что оптимизация шумовых черт новых двигателей для них первостепенная задача. Технологические тонкости этих изысканий до тех пор пока публике не предъявлены, но неспециализированное направление более-менее светло. Шум винта находится в прямой зависимости от скорости вращения пропеллера, и длины и ширины лопастей.
Значит, лопасти необходимо осуществить меньше и уже. При высокой эффективности биротативного винта с громадным числом саблевидных лопастей он может снабжать достаточную тягу, имея меньшую скорость вращения. Использование редуктора разрешит лопастям не раскручиваться до сверхзвуковых скоростей, что существенно уменьшит шум.
Само собой разумеется, неверно было бы заявить, что гранды мирового авиапрома связывают будущее авиации только с винтовентиляторными двигателями. Существуют и другие конструкции, кроме этого направленные на увеличение топливной эффективности при понижении шумовых черт. Корпорация Pratt&Whitney, в 1980-х соперничавшая с GE в области двигателей с открытым толкающим ротором, сейчас двигает на рынок пара другой перспективный продукт.
Он именуется PurePower PW1000G и по сути есть турбовентиляторным двигателем хорошей схемы, где вентилятор заключен в кольцевом обтекателе. Наряду с этим с целью увеличения степени двухконтурности диаметр вентилятора значительно увеличен. Но, как мы знаем, при повышении длины лопаток вентилятора растет линейная скорость на их финишах, что делает двигатель через чур шумным.
Решить эту проблему за счет понижения скорости вращения вала турбины низкого давления (именно он вращает вентилятор) запрещено, поскольку это скажется на термоэффективности двигателя и приведет к понижению КПД. Выход был отыскан в планетарном редукторе, поставленном между валом турбины и вентилятором. В итоге вентилятор вращается медленнее и по уровню шума вписывается в современный стандарт (20 дБ).
Еще одна из существующих концепций увеличения степени двухконтурности двигателя предусматривает установку в кольцевого обтекателя аналога биротативного пропеллера.
Победит ли какая-то из сейчас соперничающих конструкций либо им уготовано мирное сосуществование — разумеется, что в базе их постоянно будет оставаться компромисс между топливоэффективностью и уровнем шума. А стоимость бареля нефти, как неизменно, сыграют тут не последнюю роль.
PW 1000G Pure Power
- PW 1000G Pure Power Тип: турбовентиляторный двигатель с редуктором // Степень двухконтурности: 12 // Компрессор НД: 2−3 ступени // Компрессор ВД: 8 ступеней // Турбина НД: 3 ступени // Турбина ВД: 2 ступени
В турбовентиляторном двигателе PW 1000G компании Pratt&Whitney для оптимизации скоростей вала турбины вентилятора и низкого давления увеличенного диаметра используется планетарный редуктор
PW 1000G воображает еще одно направление современной конструкторской мысли, нацеленное на усовершенствование турбовентиляторных двигателей. К продуктам Pratt & Whitney серии Pure Power («чистая энергия») уже показали интерес японская корпорация Mitsubishi и канадский концерн Bombardier. Сравнительно не так давно корпорация «Иркут» официально заявила о том, что двигатель PW 1000G принят в качестве одного из вариантов силовой установки для перспективного русского среднемагистрального лайнера МС-21.
Российская Федерация и СНГ
Интерес к турбовентиляторным двигателям не обошел стороной СССР, а после этого и постсоветское пространство
В середине 1980-х в запорожском ЗМКБ «Прогресс» (сейчас «Запорожское машиностроительное КБ «Прогресс» имени А.Г. Ивченко) было начато проектирование турбовинтовентиляторного двигателя Д-27. Первый пример показался в первой половине 90-ых годов двадцатого века. В нем применена трехвальная схема с двухрядным винтовентилятором, трудящимся по «тянущему» типу (расположенным впереди двигателя).
Двигатель предназначался для новых самолетов КБ Антонова, в частности для военно-транспортного Ан-70, которому предстояло прийти на смену устаревшему АН-12. Потенциальный клиент (русские армейские) отказался от закупок данной автомобили, и в серийное производство не пошли ни Ан-70, ни Д-27. В самарском ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» кроме этого еще с 1980-х разрабатывается перспективный двигатель НК-93. В отличие от схем с открытым ротором, в НК-93 биротативный винтовентилятор заключен вовнутрь корпуса.
Было произведено десять умелых экземпляров, но о серийном производстве речи пока не идет.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№89, март 2010).
<
h4>