CFM International CFM56

Исследования в на тот момент новом поколении коммерческих реактивных двигателей, турбовентиляторов с высокой степенью двухконтурности в тяговом классе «10 тонн» (89 кН) начались в конце 1960-х годов. Snecma, которая до этого специализировалась на военных двигателях, была в поисках партнёра для выхода на рынок коммерческой авиации. Французская компания рассматривала американские Pratt & Whitney и GE Aviation и британскую Rolls-Royce в качестве потенциальных партнёров.

В то время Pratt & Whitney доминировала на коммерческом рынке. GE Aviation нуждалась в конкурентоспособном продукте, и у них со Snecma уже был опыт совместной работы при создании CF6-50 для Airbus A300. Pratt & Whitney рассматривала возможность модернизации своего JT8D и не была заинтересована в привлечении сторонних компаний в свой успешный проект, в то время как Rolls-Royce был обременён финансовыми проблемами, мешавшими ему вкладываться в исследования. Эта ситуация сделала GE Aviation лучшим и единственно возможным партнёром французов в выходе на новый рынок.

И во время Парижского авиашоу 21 июня 1971 года Рене Раво (René Ravaud, Snecma) и Герхард Нойманн (Gerhard Neumann, GE) подписали соглашение о создании совместного предприятия с равными долями участия.

Важной причиной участия GE в совместном предприятии — а не создания «10-тонного» двигателя самостоятельно — было то обстоятельство, что проект Snecma был единственным источником средств для продвижения исследований на тот конкретный момент. Американский производитель планировал сделать ставку на свою разработку для Airbus — серию CF6, — но встала перед дилеммой, вызванной анонсированной в 1972 году программой ВВС США Advanced Medium STOL Transport (AMST), которая включала требование разработать «10-тонный» двигатель для нового транспортного самолёта. В портфеле GE уже был отвечающий тяговым характеристикам F101 для стратегических сверхзвуковых бомбардировщиков B-1 Lancer — и «ограниченная» технология CF6.

Опасаясь, что кто-то из конкурентов (Pratt & Whitney и авиационное подразделение General Motors) имеет больше шансов выиграть госконтракт, GE обратилась за экспортной лицензией на F101 — только так можно было привлечь французского партнёра к разработке гражданской силовой установки на основе этой модели.

Формальное обращение за лицензией произошло в 1972 году.

Профильное управление Государственного департамента США рекомендовало отклонить заявку по соображениям национальной безопасности. В частности, потому, что основная технология была элементом стратегической национальной системы обороны (бомбардировщик В-1), причём она была разработана на деньги Министерства обороны (то есть, государственные — и не могла считаться абсолютной собственностью GE), а экспорт этой технологии во Францию ​​мог сократить занятость американских специалистов.

Так как сделка затрагивала интересы национальной безопасности, её обсуждали на самом высоком уровне. В 1971 году президент Франции Жорж Помпиду (Georges Pompidou) провёл переговоры с президентом США Ричардом Никсоном (Richard Nixon), касающиеся исключительно заключения этого контракта. Затем детали обсуждались Помпиду и Генри Киссинджером (Henry Kissinger) в 1972-м. В президентской администрации существовала уверенность, что проект может стать началом конца американского превосходства в авиационной промышленности. В ответ GE проводила лоббистскую кампанию под лозунгом, что половина рынка лучше, чем ничего: якобы, не будучи вовлечённой в СП, Snecma займётся исследованиями самостоятельно, разработает двигатель без участия GE и займёт вообще весь гражданский рынок.

Официальный отказ был подписан советником по национальной безопасности Генри Киссинджером 19 сентября 1972 года.

Несмотря на неудачу с лицензией, GE и Snecma не отступили. Кульминацией их усилий стала встреча Никсона и Помпиду в Рейкьявике в 1973 году, когда двигатель стал основной темой повестки переговоров. Современные источники утверждают, что соглашение о CFM56 содержало условие производства основного ядра — той части, что будет аналогична военному F101, — на территории США. Лишь затем двигатели будут перевозиться во Францию для монтажа следующих компонентов. Кроме этого, совместное предприятие выплачивало США авторский гонорар в размере 80 миллионов долларов (по 20 000 долларов за каждый двигатель из расчёта в 4 000 единиц, планируемых к реализации в будущем) в счёт доли государственных инвестиций при разработке F101. Наконец, из рассекреченных в 2007 году документов стало ясно, что одним из важнейших условий стало снятие французскими властями тарифных ограничений на импортируемые в Европу американские самолёты.

После получения экспортной лицензии GE и Snecma завершили создания совместного предприятия — CFM International (CFMI), — с равными долями участия, по 50%. Предприятие было официально зарегистрировано 24 сентября 1974 года. За CFMI закреплялись две основные роли: управлять совместной программой и продавать и обслуживать двигатель, будучи единой точкой взаимодействия с клиентами. CFMI отвечает за текущие решения в рамках проекта, стратегические шаги требуют одобрения руководства GE и Snecma.

Состав совета директоров CFMI в настоящее время равномерно формируется обоими участниками: по 5 членов. Два вице-президента, по одному от каждой компании, и президент — как правило, выходец из Snecma, работающий в штаб-квартире CFMI в Цинциннати, штат Огайо, — поблизости от центрального офиса GE.

GE Aviation производит компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, Snecma выпускает вентилятор, компрессор низкого давления и турбину низкого давления. Первоначально во Франции собирали и коробку приводов с частью интеграционных компонентов в конструкцию планера, но для большей эффективности процесса со временем эта часть работы была переведена на мощности GE.

Работа над CFM56 началась до официального создания CFM International. У обоих производителей были свои сборочные линии — в США и Франции, соответственно, — и работа велась «через океан». Так как экспортная лицензия на основу двигателя получена не была, ядро двигателя прибывало из GE на завод Snecma и помещалось в специальную закрытую комнату, куда не имел доступ даже президент французской компании. Компоненты производства Snecma (передняя и задняя части двигателя) перемещались в это помещение, где сотрудники GE устанавливали их на американскую основу, а затем собранный двигатель вывозился в США для завершения работ.

Первый двигатель CFM56 был запущен на испытательном стенде GE в июне 1974 года, второй — в октябре 1974 года. Второй экземпляр был отправлен во Францию, где его запустили 13 декабря 1974 года.

Полёт двигателя состоялся в феврале 1977 года, когда им заменили одну из четырёх силовых установок Pratt & Whitney JT8D на McDonnell Douglas YC-15, модели-конкурсанте проекта Advanced Medium STOL Transport (AMST) ВВС США. Вскоре после этого второй CFM56 был установлен на Sud Aviation Caravelle в лётном испытательном центре Snecma во Франции. Этот двигатель имел слегка отличающуюся конфигурацию с длинным обводным каналом и смешанным потоком выхлопных газов — против короткого канала и не смешиваемым потоком на первом, американском образце. Именно на нём впервые была применена система управления тягой.

После стендовых и лётных испытаний двигателя CFMI искала клиентов помимо потенциального военного контракта AMST. Наиболее вероятным представлялось получение контрактов на модернизацию силовых установок самолётов Douglas DC-8 и Boeing 707, включая разработанный на базе последнего военный летающий танкер KC-135.

Заметного интереса к новинке проявлено не было. Лишь Boeing решил использовать CFM56 для своей новой модификации, так как он удовлетворял ограничениям по шумности, введение которых обсуждалось в то время. В 1977 году Boeing 707 начал лётные испытания с двигателями CFM56, а с 1978 года производитель официально предложил модель 707-320 с франко-американским двигателем в качестве опции — этот вариант был обозначен как 707-700.

Но ни один заказ получен не был, и совместную программу свернули в 1980 году.

Однако существование Boeing 707 и успешное прохождение ими сертификации стало хорошим подспорьем в конкурсе на модернизацию танкеров KC-135 для ВВС США. С момента объявления о начале конкурса в 1977 году CFMI преследовала цель, так как призом были более 600 самолётов, на каждом из которых требовалось заменить по 4 силовые установки. Как обычно в судьбе CFM56, здесь свою роль сыграла международная политика.

В попытке повысить шансы совместного продукта перед чисто американскими конкурентами Pratt & Whitney TF33 и обновлённым Pratt & Whitney JT8D, в 1978 году французское правительство объявило, что модернизирует свои 11 самолётов KC-135 с помощью CFM56, разместив тем самым первый заказ на двигатель.

Но больше подвижек не было.

К апрелю 1979-го в CFM International всерьёз считали, что заказ французского правительства станет последним. С момента основания предприятия прошло пять лет, но ни одного коммерческого пользователя не просматривалось. Проект AMST, главный потенциальный рынок, был свёрнут, и CFM56 был в считанных днях от закрытия.

Но в это время американская компания United Airlines принимает решение в рамках модернизации своего флота из 30 самолётов Douglas DC-8-61 установить на них CFM56 вместо морально устаревающих Pratt & Whitney JT3D. Практически сразу аналогичные контракты заключили Delta Air Lines и Flying Tigers. Одновременно производитель этих самолётов, McDonnell Douglas, представил на рынке обновление семейства DC-8 — максимально удлинённую версию Super 70, оснащённую CFM56 в базовой комплектации.

Заказы посыпались один за другим.

В январе 1980 года ВВС США выбрали CFM56 победителем своего конкурса. Объявление сопровождалось множеством упрёков со стороны армейского начальства к предшественнику, Pratt & Whitney J57, которого называли «самой шумной, грязной и самой прожорливой силовой установкой из всех летающих» в то время. Переоборудованный самолёт был обозначен KC-135R — и с новыми двигателями он уменьшил расход топлива на 50%, снизил на 24 дБ шумность и сократил разбег аж на 1 100 метров. Следом за военно-воздушными, в 1982 году военно-морские силы США выбрали CFM56-2 для запуска своего варианта Boeing 707, E-6 Mercury. В 1984 году Королевские ВВС Саудовской Аравии заказали установку CFM56-2 на свой вариант военного 707-го, E-3 Sentry. Оснащение CFM56-2 стало стандартной конфигурацией для E-3, приобретаемых французскими и британскими ВВС.

Первые серийные гражданские машины — ими стали Douglas DC-8-70 — на CFM56 взлетели в 1982 году.

В 1980-е годы у двигателей выявилось два серьёзных недостатка.

Было зафиксировано несколько случаев отказа вентилятора, в том числе один сбой, ставший причиной авиакатастрофы самолёта Boeing 737-400 авиакомпании British Midland в Кегворте — крупнейшего авиационного инцидента в истории Великобритании, унёсшего жизни 47 человек.

А некоторые модификации испытывали проблемы при пролёте сквозь интенсивный дождь и град.

Эти изъяны устранялись дальнейшими доработками, превратившими CFM56 к середине 1990-х годов в один из самых надёжных продуктов на рынке.

CFM56 имеет одноступенчатый вентилятор, а большинство вариантов имеют трёхступенчатый усилитель на вале низкого давления (или четырёхступенчатый в вариантах -5B и -5C). Усилитель принято называть компрессором низкого давления (LPC), поскольку он находится на вале низкого давления и сжимает поток до того, как он достигнет компрессора высокого давления. Исходный вариант CFM56-2 имел 44 лопасти вентилятора с наконечником, в более поздних вариантах по мере развития технологии широкой хорды их число уменьшили до 22 — в последнем варианте, CFM56-7.

Вентилятор CFM56 имеет лопасти вентилятора с основанием типа «ласточкин хвост», что позволяет заменять их без снятия всего двигателя. Производитель утверждает, что CFM56 был первым авиадвигателем, обладающим этой способностью. Этот способ прикрепления полезен в тех случаях, когда нужно ремонтировать или заменять только несколько лопастей вентилятора — например, после столкновений с птицами.

Диаметр вентилятора варьируется у различных моделей CFM56, и это изменение напрямую влияет на характеристики двигателя. Например, у моделей CFM56-2 и CFM56-3 вал низкого давления вращается с одинаковой скоростью. Диаметр же вентилятора меньше на варианте -3, что снижает скорость вращения лопаток вентилятора. Меньшая скорость позволяет лопастям вентилятора работать более эффективно (на 5,5% в данном случае), что увеличивает общую топливную экономичность двигателя (удельный расход топлива ниже почти на 3%).

Компрессор высокого давления (HPC), который и был предметом экспортного лицензирования, осевой и имеет девять ступеней во всех вариантах CFM56. В его основе лежит технология «GE1/9 core» (что и означает одноступенчатую ​​турбину с девятью ступенями компрессора) с компактным сердечником ротора. Небольшой радиус лопаток компрессора позволяет облегчить что весь двигатель, так как вспомогательные устройства в системе (подшипники, системы смазки) могут быть объединены с работающей на авиационном топливе основной топливной системой. По программе модернизации Tech56 CFMI разработала шестиступенчатый компрессор высокого давления, опционально устанавливаемый в двигатели с 2007 года.

Большинство вариантов CFM56 имеют кольцевую камеру сгорания.

Кольцевая камера сгорания представляет собой непрерывное кольцо, в котором топливо впрыскивается в воздушный поток и поджигается, поднимая давление и температуру потока. Впрыск топлива регулируется гидромеханической установкой (HMU), производимой Honeywell. HMU регулирует количество подаваемого к двигателю топлива посредством электрогидравлического сервоклапана. Он, в свою очередь, управляет топливным дозатором, который передаёт данные электронно-цифровой системе управления двигателем (FADEC).

В 1989 году CFMI начала работу над двойной кольцевой камерой сгорания: она имеет вторую зону горения, которая используется при высоких уровнях осевого давления. Эта конструкция снижает выбросы как оксидов азота (NOx), так и диоксида углерода (CO2). Первый двигатель CFM56 с обновлённой камерой был введён в эксплуатацию в 1995 году, и конструкция стала серийной после этапа модернизации Tech Insertion на CFM56-5B и CFM56-7B.

На этапе модернизации Tech56 GE разработала новую камеру сгорания — Twin Annular Premixing Swirler burnor, или TAPS. Эта конструкция похожа на двойную кольцевую и тоже имеет две зоны горения. TAPS «закручивает» поток, создавая идеальную топливно-воздушную смесь и ещё сильнее уменьшая генерацию NOx. Испытания в двигателе CFM56-7B показали улучшение на 46% по сравнению с одинарными кольцевыми камерами сгорания и на 22% — по сравнению с двойными кольцевыми.

Аналитические инструменты, разработанные для TAPS, были использованы для модернизации камер предшествующих поколений. В частности, кольцевых камер двигателей CFM56-5B и -7B.

Все варианты CFM56 оснащены одноступенчатой ​​турбиной высокого давления (HPT). В некоторых вариантах лопатки HPT «выращены» из монокристаллического жаропрочного сплава, что дает им высокую прочность и сопротивление ползучести.

Турбина низкого давления (LPT) в большинстве вариантов двигателя имеет четыре ступени, но CFM56-5C обладает пятиступенчатой LPT. Это обусловлено необходимостью приводу вентилятора большего, чем у других представителей семейства, диаметра. По программе модернизации Tech56 в турбине низкого давления оптимизировали аэродинамические свойства лопаток, что позволило сократить их количество на 20% — и уменьшить массу двигателя.

Турбина высокого давления в охлаждается воздухом от компрессора высокого давления. Воздух проходит через внутренние каналы в каждом лезвии и выбрасывается на переднем и заднем краях.

Большинство вариантов двигателя имеют раздельное выпускное сопло вентилятора и газогенератора. Только мощный CFM56-5C, предназначенный для Airbus A340, имеет сопло с смешанным потоком.

Для уменьшения воспринимаемого реактивного шума в условиях взлёта, в сопло газогенератора CFM56 для Airbus A321 опционально встраиваются шевроны.

CFM56 поддерживает несколько систем реверсивной тяги, которые помогают замедлить и остановить самолёт после посадки.

Варианты, построенные для Boeing 737, CFM56-3 и CFM56-7, используют каскадный тип реверса тяги. Он состоит из втулок, скользящих назад и одновременно открывая сетчатые каскады и блокируя специальными дверцами обходной воздушный поток. Заблокированный воздух вынужден выходить через каскады, уменьшая тягу двигателя и замедляя самолёт.

CFM56-5 для Airbus A320 используют поворотно-дверной тип. Они приводят в действие дверцы, поворачивающиеся внутрь обходного воздушного потока и направляющие его наружу, тем самым создавая обратную тягу.

Серия CFM56-2 считается «оригинальным» вариантом CFM56.

Впервые выпущена в 1982 году на модифицируемых самолётах Douglas DC-8-61/-62/-63, оборудованных изначально двигателями Pratt & Whitney JT3D и получивших после замены силовых установок индекс DC-8-71/-72/-73. Модификация коснулась также гондол и пилонов, так как CFM56-2 были тяжелее: новые элементы производились Grumman Aerospace Corporation. Причём в связи с разницей в версиях DC-8-61 и -62/-63 (последние имели улучшенное крыло), первую пришлось дорабатывать сильнее. Максимальная взлётная масса не изменилась, но полезная нагрузка из-за возросшего собственного веса двигателей снизилась. К окончанию программы в 1988 году 110 DC-8-60 было переоборудовано в DC-8-70.

Наиболее массовое применение нашли на переработанных для армии Boeing 707: KC-135, E-6 Mercury и некоторых E-3 Sentry, где двигатель носит название F108.

CFM56-2 имеет вентилятор с 44 лопастями, трёхступенчатый компрессор низкого давления, приводимый в действие четырёхступенчатой турбиной низкого давления, и девятиступенчатый компрессор высокого давления, приводимый в действие одноступенчатой турбиной высокого давления. Камера сгорания является кольцевой. Коэффициент компрессии составляет 24,7:1, диаметр вентилятора — 1620 мм, расход воздуха — около 350 кг/сек.

Первая производная серии CFM56 — вариант CFM56-3 — была предназначена для семейства Boeing 737 Classic (737-300/-400/-500) со статической тягой от 82,3 до 105 кН. «Урезанный вентилятор», взятый у силовой установки CF6-80, имел диаметр 1,524 метра и 38 лопастей против 1,620 метра с 44-мя лопастями у исходной версии, однако базовая компоновка двигателя была сохранена.

Особой задачей для этой серии было достижение достаточного дорожного просвета двигателя из-за относительно малой высоты крыла над поверхностью земли. Для этого двигатели были вынесены вперёд, повёрнуты на 5° (это заодно улучшило отвод отработанных газов), а также именно для этого был уменьшен диаметр вентилятора, а коробка приводов и прочая оснастка двигателя перенесены с нижней части на боковые. Получившееся плоское дно гондолы стало отличительной особенностью Boeing 737 с двигателями CFM56.

Коэффициент компрессии здесь составил 27,5:1, расход воздуха – 297 кг/сек.

Версия была сертифицирована в 1984 году и стала наиболее распространённой моделью в истории авиации: всего было изготовлено 3975 экземпляров.

Серия CFM56-4 была предложена как улучшенная версия CFM56-2, созданная специально для новинки Airbus — узкофюзеляжного самолёта A320. Двигатели обладали вентилятором диаметра 1,73 метра, новым компрессором низкого давления и электронно-цифровой системой управления (FADEC).

Предполагалось, что основным конкурентом версии станет Rolls-Royce RJ500, незадолго до этого отвернутый Boeing при выборе двигателя для 737 Classic.

Но вскоре после запуска проекта CFM56-4 в 1984 году, International Aero Engines предложила совершенно новый двигатель V2500, разработанный именно для Airbus A320. В CFMI решили, что необходима более глубокая переработка модели и закрыли проект, начав работу над серией CFM56-5.

Двигатели серии CFM56-5 проектировались специально для самолётов Airbus A320 и получили очень широкий диапазон тяги — от 98 до 151 кН. В рамках проекта было запущено три варианта: CFM56-5A, CFM56-5B и CFM56-5C.

От собратьев на Boeing 737 Classic эти силовые установки отличались наличием электронно-цифровой системы управления (FADEC) и улучшенными аэродинамическими характеристиками.

Двигатели CFM56-5A

CFM56-5A создавались первыми — для стартовых версий A320 для полётов малой и средней дальности — на основе CFM56-2 и CFM56-3. Диапазон тяги составляет от 98 до 118 кН. Аэродинамические улучшения: обновлённые вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления и камера сгорания, — позволили этому варианту оказаться на 10-11% экономичнее аналога для Boeing 737 Classic.

Двигатели CFM56-5B

При создании силовой установки для более тяжёлых Airbus A321 в конструкцию CFM56-5A внесли ряд изменений. Здесь появилась двойная кольцевая камера сгорания, уменьшающая выбросы (в частности, NOx на 45%), был установлен новый вентилятор в более длинном корпусе и новый компрессор низкого давления с четвёртой ступенью. В итоге получился вариант с диапазоном тяги от 98 до 147 кН, которым начали оснащать не только самые большие, но и средние, и самые малые самолёты семейства A320. Модификация CFM56-5B является самой поставляемой Airbus из силовых установок всех моделей и производителей.

Двигатели CFM56-5C

CFM56-5C — самые мощные двигатели модели CFM56, созданные для четырёхмоторных дальнемагистральных широкофюзеляжных самолётов Airbus A340-200 и A340-300. Главные изменения в этом варианте — увеличенный вентилятор, пятая ступень турбины низкого давления при четырёхступенчатом компрессоре низкого давления от -5B и более эффективное сопло со смешанным выхлопом. Максимальная тяга — в диапазоне от 139 до 151 кН.

Самолёты с двигателями CFM56-5C используются на коммерческих маршрутах с 1993 года.

Для Boeing 737 очередного поколения потребовались новые двигатели — и CFMI взялись за разработку на основе своей предыдущей модели CFM56-3.

Диаметр вентилятора был увеличен до 1550 мм, его лопасти выполнены из титанового сплава, а их число сократилось с 38 до 24. Была применена двойная кольцевая камера сгорания (опционально на модификациях DAC), установлена электронно-цифровая система управления (FADEC), улучшена конструкция газовоздушного тракта.

Получившийся CFM56-7 общей длиной 2,5 метра с диапазоном максимальной тяги от 82 до 122 кН, увеличенной долговечностью, уменьшенным на 8% расходом топлива и на 15% — эксплуатационными расходами был выбран эксклюзивной силовой установкой для 737 Next Generation: моделей Boeing 737-600/-700/-800/-900. Также он устанавливается на военных модификациях Boeing 737: C-40 Clipper, P-8 Poseidon и Boeing Wedgetail.

CFM56-7 был впервые выпущен в коммерческую эксплуатацию 21 апреля 1995 года, а уже через 2 года самолёты Boeing 737NG получили 180-минутный ETOPS (Extended-range Twin-engine Operational Performance Standards/Extended Twin OPerationS — Расширенные Правила Полётов для Двухмоторных Самолётов) от Федерального управления гражданской авиации США (Federal Aviation Administration, FAA): возможность осуществлять полёты над безориентирной местностью длительностью до 180 минут.