Турбовентиляторный реактивный двигатель
Реактивный двигатель в свое время дал возможность самолетам преодолевать звуковой барьер и летать на больших скоростях, что стало настоящим прорывом как в гражданской, так и в военной авиации. Но, как это частенько бывает, не все в нем оказалось идеальным. Увеличение мощности повлекло за собой увеличение расхода топлива, что не могло не сказаться на стоимости перелетов. С тех пор авиаконструкторы постоянно ищут решения, позволяющие объединить высокую эффективность с экономичностью. Одним из возможных вариантов является двухконтурный турбореактивный двигатель и в частности его вид – турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД).
Турбовентиляторные реактивные двигатели – это все те же газотурбинные двигатели (ГТД), в семейство которых входят практически все современные авиационные силовые установки. ГТД относятся к тепловым машинам, в которых тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую. Главной особенностью всех ГТД является наличие турбины – вала с лопастями, которые воспринимают часть выработанной энергии и приводят в движение мотор. Наиболее простыми по строению считаются обычные турбореактивные двигатели (ТРД), состоящие из компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. Но, как было отмечено выше, такая конструкция хоть и обеспечивает необходимую мощность, при этом потребляет много топлива. Самыми же экономными в плане расхода топлива считаются турбовинтовые двигатели (ТВД), у которых тягу создает не реактивный поток, а винт, приводимый в движение турбиной. Правда, самолеты, оснащенные такими моторами, не могут преодолевать звуковой барьер, так что их возможности ограничены. Они используются в гражданской авиации на самолетах, летающих на большие расстояния с дозвуковой скоростью. Авиаконструкторы ищут возможность соединить эти два основных типа ГТД, чтобы получить эффективный и экономичный силовой агрегат, и турбовентиляторный реактивный двигатель – это как раз один из результатов их работы.
Перед тем, как перейти непосредственно к ТВРД, стоит обратить внимание на такое понятие, как двухконтурность реактивных моторов. Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) представляют собой обычные реактивные моторы, оснащенные дополнительным – внешним – контуром, который «обволакивает» их корпус. Между внешним и внутренним корпусом есть кольцевой канал, по которому проходит воздушный поток. То есть, при работе двигателя воздушный поток, который всасывает компрессор, попадает не только во внутренний контур, но и во внешний, что увеличивает расход воздуха и повышает эффективность работы. Степень двухконтурности таких двигателей определяется отношением количества воздуха, которое проходит через внешний контур, к количеству воздуха во внутреннем. Чем больше это значение, тем эффективнее работа силового агрегата.
Устройство
А теперь самое время перейти к турбовентиляторному реактивному двигателю, который как раз и является одним из видов ТРДД со степенью двухконтурности больше 2-х. ТВРД, как двухконтурный двигатель, состоит из первого контура – обычного ТРД, и второго. Первый контур включает в себя вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления и сопло. Второй контур представляет собой кольцевой канал с неподвижными лопатками внутри и соплом.
Компрессор высокого давления (КВД), как правило, осевой и состоит из нескольких ступеней, каждую из которых формируют подвижные и неподвижные лопатки, закрепленные на валу. Чем больше ступеней, тем выше степень сжатия воздуха. Подвижные лопатки расположены впереди, они засасывают и сжимают воздушный поток, который потом попадает на неподвижные лопасти, задающие ему осевое направление.
Вентилятор – это своего рода тот же компрессор, его даже порой называют компрессором низкого давления и считают одной из ступеней КВД. Обычно он одноступенчатый, чего вполне достаточно для предварительно сжатия воздуха, но в некоторых случаях встречаются и двух- и трехступенчатые вентиляторы.
Камера сгорания может быть кольцевой или трубчатой. Ее поверхность имеет отверстия для лучшего вентилирования и охлаждения. В самой камере установлены форсунки для подачи топлива.
Турбина высокого давления – это основа мотора. Собственно, это тот же компрессор, только с обратным принципом работы: в случае с турбиной не она воздействует на газовый поток, а поток воздействует на нее, отдавая часть своей энергии. Ее конструкция состоит из неподвижных лопаток, выпрямляющих поток расширенных газов, и подвижных лопаток, которые и создают крутящий момент. Как и компрессор, она может иметь несколько ступеней.
Турбина низкого давления – это свободная турбина, вращающая вентилятор. Она тоже вращается под воздействием расширенных газов Две турбины не связаны между собой механически и работают независимо одна от другой. Вал второй турбины при этом обычно находится внутри вала первой, но есть конструкции, предусматривающие наличие трех валов.
Принцип работы
Принцип работы ТВРД заключается в следующем. Поток воздуха захватывается вентилятором и, частично сжимаясь, направляется по двум направлениям: в первый контур к компрессору и во второй на неподвижные лопатки. Вентилятор при этом играет роль не винта, создающего тягу, а компрессора низкого давления, увеличивающего количество воздуха, проходящего через двигатель. В первом контуре поток сжимается и нагревается при проходе через компрессор высокого давления и попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с впрыснутым топливом и воспламеняется, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Поток расширяющихся горячих газов направляется на турбину высокого давления и вращает ее лопатки. Эта турбина вращает компрессор высокого давления, который закреплен с ней на одном валу. Далее газы вращают турбину низкого давления, приводящую в движение вентилятор, после чего попадают в сопло и вырываются наружу, создавая реактивную тягу.
В это же время во втором контуре поток воздуха, захваченный и сжатый вентилятором, попадает на неподвижные лопатки, выпрямляющие направление его движения так, чтобы он перемещался в осевом направлении. При этом воздух дополнительно сжимается, после чего попадает в сопло второго контура и выходит наружу, создавая дополнительную тягу. Два контура обычно не смешиваются между собой, но есть и исключения.
Преимущества и недостатки турбовентиляторных двигателей
Преимущества
Чем же так привлекателен турбовентиляторный реактивный двигатель? В первую очередь он дает возможность экономии топлива без потерь мощности, что так важно для реактивных двигателей. Кроме того, этот мотор менее шумный, чем его «сородичи». Еще одно преимущество – наличие упрощенной реверсной системы тяги. При торможении самолета используется тяга внешнего контура.
Недостатки
Что же касается недостатков, не обошлось и без них. Любые дополнительные компоненты конструкции двигателей – это дополнительный вес, что для авиации очень важно, а дополнительный контур немалых размеров – это довольно существенное увеличение массы мотора. Еще один минус – большие габариты, что ведет к повышению значения лобового сопротивления воздуха во время полета. ТВРД можно безошибочно узнать по характерному виду: они напоминают бочонки с большим сечением. Большой диаметр этих моторов – залог высокой степени двухконтурности, в некоторых моделях через него проходит до 80% воздушного потока. В целях экономии и уменьшения веса второй контур выполняют не по всей длине двигателя, а немного меньше, в результате чего из объемного «бочонка» сзади выглядывает конус первого контура.
Применение
Турбовентиляторные реактивные двигатели успешно используются на современных самолетах отечественного и зарубежного производства. Из «родных» стоит выделить ПС-90А и Д-18Т; из зарубежных — General Electric GE90, CFM56-5А/B, CFM56-5C2.
Сфера применения ТВРД очень широкая. Это наиболее востребованный вид авиационных реактивных двигателей на сегодняшний день, который значительно потеснил свой прототип – классический ТРД. Благодаря своей экономичности, он используется и в гражданской, и в военной авиации. Им оснащаются пассажирские и грузовые самолеты, летающие на дальние и средние расстояния, хотя раньше в целях экономии на них устанавливались ТВД. Сейчас же появилась возможность летать быстро и сравнительно недорого, и все благодаря ТВРД.
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.
