Турбовентиляторные двигатели ещё покрутятся

Несмотря на общественный запрос на более эффективные и экологически чистые двигатели — и моду на разработки гибридной и электрической тяги, турбовентиляторных «старичков» списывать со счетов ещё очень рано.

За всю историю коммерческой авиации реактивные силовые установки перешли с 20% до 40% общего КПД, и в сообществе разработчиков есть понимание, что планка в 60% вполне может быть взята.

Как обычно, по мере повышения эффективности работы самолёта — двигателя и планера, — каждый новый шаг вперёд становится сложнее.

Термодинамическая эффективность масштабируется с размером двигателя. Большие двигатели эффективнее зачастую потому, что приводят более крупные самолёты, которые — в свою очередь — являются более эффективными. Но чтобы увеличивать эффективность самолёта при его неизменных размерах, нужно уменьшать двигатель. А уменьшение силовой установки снижает её эффективность — в этом и есть сейчас наш главный вызов.

Алан Эпстейн (Alan Epstein), вице-президент по технологиям и окружающей среде Pratt & Whitney, выступление на форуме Американского института аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics) в Атланте

Основные тезисы эволюции турбовентиляторных двигателей

  • Увеличение операционной эффективности на 15-20% считается вполне доступным.
  • Оставшийся потенциал модернизации турбовентиляторных двигателей эквивалентен их эволюции за предыдущие 60 лет.
  • Pratt & Whitney идёт по пути использования редукторного привода: вентилятор отделён им от компрессора низкого давления и турбины, и каждый из модулей работает на оптимальной скорости. Вентилятор — медленнее, компрессор низкого давления и турбина — с большими оборотами.
  • Safran тестирует открытый ротор.
  • GE Avaition фокусируется на термодинамических улучшениях и пересчитывает циклы.
  • Rolls-Royce повышает коэффициент компрессии — целевой показатель 60:1 — и тоже использует редуктор, уменьшая с его помощью турбину и компрессор.

Pratt & Whitney

Первый полёт Irkut MC-21-300
Российский магистральный самолёт Irkut MC-21-300 впервые взлетел с аэродрома Иркутского авиазавода при помощи двух Pratt & Whitney PW1400G — эти двигатели будут устанавливаться и серийно, до появления рабочих экземпляров ПД-14

Ключевыми факторами для повышения эффективности силовых установок в Pratt & Whitney видят развитие своей системы редукторного привода (уже реализованной на двигателях семейства PW1000G) и дальнейшее снижение коэффициента компрессии вентилятора, понижающее шумность и расход топлива.

Над второй технологией производитель работает в исследовательском центре NASA в Кливленде, штат Огайо (Glenn Research Center) в рамках программы Continuous Low-Energy, Emissions and Noise (CLEEN) Федерального управления гражданской авиации США (Federal Aviation Administration, FAA), нацеленной на снижение расхода топлива на 33%, эмиссии углекислоты на 60% и уровня шума на 32 дБ — к 2030 году относительно уровня 2000 года.

Ранее на эту тему:  Проблемы с двигателями Pratt & Whitney бьют по Airbus

Safran

До середины 2020-х годов, по ожиданиям французского производителя авиадвигателей Safran, отрасль сохранит текущую траекторию повышения эффективности моторов за счёт увеличения диаметров вентиляторов, повышения степени двухконтурности (соотношения воздуха, обтекающего камеру сгорания, и проходящего сквозь неё) и роста термодинамической эффективности за счёт более высоких рабочих температур. При этом с ростом диаметра вентилятора вырастет и аэродинамическое сопротивление — и с этим ещё предстоит бороться.

В текущей схеме компания видит возможности изыскать ещё плюс 10-15 процентных пунктов общего КПД — а за этой границей считает перемены неизбежными.

Ранее на эту тему:  Rolls-Royce и Safran открыли совместное предприятие в Польше

Одним из вариантов предлагается концепция propfan, или противовращения с открытым ротором (counterrotating open-rotor, CROR). Несмотря на то, что идея не нова, однако все попытки её реализовать терпели неудачу, специалисты Safran считают, что с достижениями в области моделирования и лёгких высокопрочных материалов их открытый ротор окажется успешным. В настоящее время во французском Истре работает демонстрационный образец CROR, обладающий степенью двухконтурности около 35. И на нём выявлен ряд проблем.

Первая среди них — уровень шума, производимого открытым вентилятором.

В Safran считают, что сумели его преодолеть, доведя то актуальных стандартов, и теперь переходят к тестам элементов управления, вибрации и способов её контроля. Если и эти показатели удастся обуздать без серьёзного вмешательства в конструкцию, то получившийся двигатель будет обладать на 15% большей топливной эффективностью по сравнению с сегодняшними лидерами.

И тогда проявится вторая — ключевая — проблема.

Для использования открытого ротора придётся вносить изменения в конструкцию планера. Готовы ли к этому авиапроизводители и покупатели — авиакомпании?

GE Aviation

Испытания двигателя GEnx-2B67 для Boeing 747-8
Испытания двигателя GEnx-2B67 для Boeing 747-8

General Electric также видит у турбовентиляторного двигателя ещё долгую судьбу.

Придумывая улучшения в термодинамической части, повышая давление компрессоре и температуру в турбине, уменьшая коэффициент сжатия в вентиляторе и расширяя обходной поток, а также облегчая всю конструкцию целиком, в GE вынашивают и более амбициозные решения.

В будущем компания предполагает модифицировать весь цикл и использовать адаптивные циклы — преимущественно, в двигателях для военных самолётов. Производитель изучает концепции движения с усилением давления на основе модифицированного цикла Брайтона и сжигания с постоянным объёмом для силовых установок боевых машин шестого поколения по заказу ВВС США.

Компания также продолжает разрабатывать вращающиеся и статические детали из керамического матричного композита (ceramic matrix composite, CMC), которые способны выдерживать более высокие температуры по сравнению с металлическими и имеют при этом почти в три раза меньшую массу. В дополнение к существующей производственной площадке в Эшвилле (Asheville), штат Северная Каролина, GE инвестирует более 200 миллионов долларов в новый объект в Хантсвилле (Huntsville), штат Алабама, используя в том числе 21,9 миллион долларов ассигнований на научные исследования от ВВС США. Ожидается, что на этих двух объектах будут получены матрицы из кремний-карбидного волокна для массового производства деталей CMC в 2018 году.

Ранее на эту тему:  GE начинает 18-месячную сертификацию GE9X

В частности, эти наработки будут использованы в двигателях CFM LEAP совместного предприятия GE и французской Safran, для каждого из которых требуется 18 композитных турбинных кожухов, а также в разработке GE9X, который будет использовать новый материал в камере сгорания и для 42 лопаток турбины высокого давления. Ожидается, что к середине 2020 года спрос на композиты вырастет в десять раз.

Повышение температуры в камере сгорания и снижение массы двигателя за счёт применения кремний-карбидных деталей позволит, по расчётам производителя, сократить потребление топлива на 20%.

Rolls-Royce

И британский гигант считает, что у турбовентиляторных двигателей есть хороший потенциал эволюции и роста производительности. И, как и конкуренты, предупреждает, что добиваться положительных результатов становится всё труднее.

Технологический пакет Vision 10 для нового двигателя UltraFan предусматривает редукторный привод вентилятора, степень двухконтурности 15:1 и коэффициент компрессии 70:1.

Фундаментальные изменения коснутся конструкции компрессора и турбины. Традиционная архитектура ядра Trent подвергается пересмотру: работа, выполняемая турбиной среднего давления, частично переносится на турбину высокого давления.

Ранее на эту тему:  Rolls-Royce провёл первые испытания под нагрузкой коробки для UltraFan

Основным архитектурным изменением UltraFan является включение редукторной системы Power Gearbox (PGB), которая будет управлять большим вентилятором с увеличенной степенью двухконтурности и позволит избавиться от турбины и компрессора низкого давления. Конструкторы Rolls-Royce назвали такую конфигурацию «два с половиной вала», при этом коробка приводов весит меньше удаляемых из двигателя компонентов, что позволяет получить заметный суммарный выигрыш в общей массе.

Эволюция двигателей Rolls-Royce
Эволюция двигателей Rolls-Royce: этапы развития идеи отказа от турбины низкого давления с помощью UltraGear

Добровольная поддержка вместо рекламы

Команда проекта Aeronautica.online благодарна вам за уделённое внимание.

Если считаете, что мы достойны вашей поддержки, предлагаем инструмент для оценки (буквальной) наших усилий. Сумма в активном окне легко корректируется в любую сторону.