Турбина всему голова

В эволюционном развитии гражданской авиации настал момент для нового перелома

Michael E. Iacovella / Edelman

Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.

Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.

Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.

Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.

K. Aainsqatsi / wikipedia.org

Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.

Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.

В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.

Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.

Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.

Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300

Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором

Hamilton Sundstrand Corporation

Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.

Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором

Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.

Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.

Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.

С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) – это двигатель, занимающий промежуточное положение между турбовинтовым (ТВД) и турбовентиляторным реактивным двигателем (ТВРД). Уже по его названию можно сделать вывод, что в себе он сочетает преимущества использования воздушного винта и вентилятора.

Как известно, ТВД является наиболее экономичным типом моторов, использование которого позволяет значительно сократить расходы на топливо, но при этом он довольно шумный и не может развивать сверхзвуковые скорости. Тяга в ТВД образуется преимущественно за счет вращения лопастей воздушного винта, имеющего довольно большой диаметр, а реактивная ее составляющая не превышает 10-20%.

В свою очередь, ТВРД представляет собой реактивный двухконтурный двигатель, конструкция и принцип работы которого позволяют уменьшить расход топлива в сравнении с обычными турбореактивными двигателями. Самолеты с ТВРД могут развивать сверхзвуковые скорости, а экономия топлива обеспечивается наличием второго контура – кольцевого канала, опоясывающего внутренний корпус. Вентилятор в таком двигателе не создает непосредственно тягу, как воздушный винт, а является, по сути, компрессором низкого давления, нагнетающим воздух в первый и второй контур.

Особенности двигателя

ТВВД оснащается одним или двумя винтовентиляторами, которые одновременно нагнетают воздух в первый контур, представляющий собой обычный турбореактивный двигатель, и создает дополнительную тягу. ТВВД – это вид двухконтурных турбореактивных двигателей с очень высокой степенью двухконтурности (в среднем 20-50, но может доходить и до 90). Под степенью двухконтурности имеется в виду отношения количества воздуха, прошедшего по второму контуру, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более эффективным является двигатель.

ТВВД, как и другие представители семейства газотурбинных двигателей, состоит из компрессора, камеры сгорания топлива, газовой турбины и сопла. Кроме того, этот тип мотора имеет дополнительную турбину, приводящую в движение винтовентилятор через редуктор. В этом отношении ТВВД схож с ТВД, где воздушный винт тоже соединен с приводной турбиной через редуктор, понижающий угловую скорость вращения и увеличивающую момент, правда, лопасти винтовентилятора меньше лопастей винта почти в 2 раза и он играет немного другую роль в общей работе мотора. Турбина в двигателе вращается со скоростью, достигающей 20-30 тыс. оборотов, но ни винт, ни винтовентилятор не могут эффективно работать при такой скорости, именно поэтому и используется редуктор. Вместе с тем его наличие в конструкции – это «слабое звено». Обычно в ТВВД используются планетарные редукторы, а они считаются самыми неэффективными среди всех видов шестеренчатых передач. Они чувствительны к повышенным нагрузкам, требовательны к качеству масла и к его рабочим параметрам. Вместе с тем особенности геометрии лопастей винтовентилятора позволяют повысить его КПД до 80-90% при полетах на дозвуковых скоростях, что перекрывает все конструктивные недостатки.

ТВВД установленный на самолете АН-70

Принцип работы

Принцип работы ТВВД в общих чертах напоминает принцип работы двухконтурного турбореактивного двигателя, коим он в определенной степени и является. Поток воздуха попадает в первый контур – корпус двигателя. Там он попадает в осевой компрессор на его подвижные лопатки, которые сжимают его и вытесняют в направлении неподвижные лопаток, придающих ему осевое направление движения. Ряд неподвижных и подвижных лопаток – это ступень компрессора, и чем больше таких ступеней, тем выше степень сжатия воздуха.

После сжатия в компрессоре воздушный поток под давлением поступает в камеру сгорания, где находятся топливные форсунки и воспламенители. Сама камера сгорания может быть кольцевой или же состоять из нескольких отдельных жаровых труб. В ней воздух перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом, образуя топливный заряд, который воспламеняется и сгорает, образуя расширенные газы.

Продукты горения в виде газов, находящихся под высоким давлением, выходят из камеры сгорания и попадают на лопасти турбины. Турбина, как и компрессор, имеет неподвижные и подвижные лопатки, только устанавливаются они наоборот: сначала газы проходят через неподвижные лопасти, выравнивая свое направление, а затем попадают на подвижные, отдавая им часть своей энергии. За счет воздействия газов на лопатки турбина вращается, приводя в движение компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Как и компрессор, турбина состоит из нескольких ступеней, но их количество не превышает 5-ти.

В турбовинтовентиляторном двигателе кроме основной турбины есть еще одна, вращающая винтовентилятор, и эти турбины работают независимо одна от другой. Вал привода вентилятора обычно размещается внутри вала привода компрессора, при расположении винтовентилятора в передней части двигателя. Если винтовентилятор располагается в задней части ТВВД, то свободная турбина связана напрямую с винтами через корпус, что упрощает конструкцию. Турбина винтовентилятора размещена за основной турбиной и приводится в движение все теми же газами.

После прохождения турбин отработанные газы, все еще имеющие высокую скорость и температуру, выходят наружу через сопло, образуя реактивную тягу. Сопло в самом простом исполнении – это сужающаяся труба, но в некоторых случаях можно регулировать ее сечение и даже направленность выхода реактивного потока.

Виды компоновок турбовинтовентиляторных двигателей

На сегодняшний момент в мире встречаются ТВВД 2 основных компоновок, по расположению винтовентилятора.

а — винтовентилятор впереди; б — винтовентилятор в обтекателе; в — винтовентилятор сзади

В отличие от ТВРД ТВВД не имеет второго контура, как такового, то есть у него нет внешнего корпуса. Винтовентилятор может оснащаться обтекателем, который иногда ошибочно принимается за внешний корпус второго контура, но это совсем не обязательно – он может выполняться и полностью открытым. Сам винтовентилятор – это винт с укороченными лопастями сложной геометрической формы. Их саблевидная форма позволяет не просто пропускать воздух, создавая тягу, но и частично сжимать его и направлять на компрессор, а также уменьшать волновое аэродинамическое сопротивление. Двигатель может иметь один винтовентилятор или два, вращающихся в противоположные стороны. Разное направление вращения – это еще одна причина использования планетарного редуктора.

В сравнении с турбовинтовым двигателем турбовинтовентиляторный менее шумный, при его работе уровень вибраций гораздо ниже. Если же сравнить его с турбовентиляторным реактивным двигателем, то, благодаря высокой степени двухконтурности, он сжигает меньше топлива при одинаковой мощности (экономия составляет порядка 25-30%).

Использование

Несмотря на свою высокую эффективность, ТВВД пока не нашли массового применения в авиации. На сегодняшний день одним из немногих таких двигателей, который действительно используется на самолетах, является Д-27. Это творение Запорожского машиностроительного конструкторского бюро «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко, которое изначально планировалось устанавливать на самолеты АН-70, АН-120, ЯК-44 и БЕ-42. Из всех перечисленных этот двигатель был установлен только на самолет АН-70, который и сейчас успешно используется в гражданской авиации. Остальные же разработки были остановлены или полностью прекращены, что особенно жаль, учитывая, что аналогов Д-27 нет во всем мире.

Из других разработок ТВВД стоит также отметить Д-236 на основе Д-36 и НК-93. К сожалению, ни первый, ни второй так и не были установлены на действующие модели самолетов, а тестировались исключительно на стендах.

Как было отмечено выше, ТВВД в «чистом виде» представлены только моделью Д-27, но среди двигателей зарубежного производства есть модели, напоминающие их по своему строению и принципу работы. Среди них наиболее известным является GE36 (Ultra High Bypass Turbofan или Unducted fan UDF) – двигатель с открытым ротором. Это не ТВВД в привычном понимании, но все же общие черты у них есть. В случае с GE36 открытые лопасти винта расположены не перед компрессором, а на задней части корпуса двигателя, поэтому он не нагнетает воздух в первый контур, как вентилятор или винтовентилятор. Привод винта осуществляется за счет свободной турбины, а его лопасти имеют сложную саблевидную форму. Использование такого двигателя позволяет сэкономить до 35% топлива в сравнении с ТВРД, но при этом при работе он создает много шума. Пока GE36 не устанавливается на самолеты, но работы по его усовершенствованию все же продолжаются.

Двигатель General Electric GE36

ТВВД – это перспективное направление в разработке авиационных двигателей, дающее возможность экономии расхода топлива при полетах на дозвуковых скоростях без потерь мощности. Возможно, в будущем все же возобновятся работы по их конструированию и усовершенствованию.

На последок видео работы турбовинтовентиляторного двигателя в совокупи с машиной КБ Антонова АН- 70 и полет АН-70 с ТВВД Д-27.