- Як зробити літаки ще менше ненажерливими? Реактивна цивільна авіація, багато в чому визначила вигляд...
- Нехай пече і дме
- Вентилятор - на свободу!
- Коли клює півень?
- Битви за тишу
- Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
- Новий погляд
- Нехай пече і дме
- Вентилятор - на свободу!
- Коли клює півень?
- Битви за тишу
- Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
- Новий погляд
- Нехай пече і дме
- Вентилятор - на свободу!
- Коли клює півень?
- Битви за тишу
Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
Реактивна цивільна авіація, багато в чому визначила вигляд сучасного світу, як і раніше залишається джерелом стурбованості для екологів і піднімає ряд проблем перед авіакомпаніями і авіапромисловістю
Нове, більш «зелене» покоління лайнерів має споживати менше палива, проводити менше шкідливих викидів і менше шуму - з цим згодні всі. Однак досягти всіх цих цілей одночасно вкрай непросто.
Стандартом сучасної цивільної авіації є турбовентиляторні двигуни. По суті це різновид двоконтурного турбореактивного двигуна, загальний принцип роботи якого досить простий. При польоті літака, що набігає повітря всмоктується всередину двигуна компресором низького тиску (що має привід від вала турбіни). Далі частина повітря спрямовується всередину двигуна і бере участь як окислювач в спалюванні палива, а інша частина йде в обхід камери згоряння і виривається назад через сопло, створюючи реактивну тягу.
Реактивну тягу також створює струмінь розжарених газів, що виходить з сопла двигуна. Ставлення обсягів повітря, прокачувати через зовнішній контур і через камеру згоряння, називається «ступенем двоконтурного». Двигуни, у яких ступінь двоконтурного висока і становить від 2 до 10, називають турбовентиляторними, а має порівняно великий діаметр перше колесо компресора низького тиску - вентилятором.
Новий погляд
Поки «вінтовентілятори» нового покоління знаходяться на ранніх стадіях проектування, інтерес до них зростає і з'являються перші ескізи літаків, які будуть сконструйовані спеціально під цей тип двигуна. На зображенні показаний проект Королівського британського суспільства аеронавтики з двома двигунами, оснащеними гвинтами типу, що штовхає. Рік тому авіаконцерн Airbus запатентував концепцію літака «зі зниженим шкідливим впливом на навколишнє середовище». Ескізи представлені для одно- і двомоторного варіантів, причому в тексті спеціально зазначено, що перевага буде віддана двигунів з відкритим ротором. Силові установки будуть поставлені над задньою частиною фюзеляжу (приблизно як в британському проекті) на спеціальну захисну плиту. Вона послужить заслоном для шуму гвинтів. На зображенні - комп'ютерна модель вінтовентіляторниє двигуна з відкритим ротором, який розробляється альянсом NASA, General Electric і SAFRAN.
Переваги турбовентиляторного двигуна також добре відомі. По-перше, якщо б? Більша частина реактивної тяги створюється продувається повітрям, а не реактивними газами, підвищується паливна ефективність, а значить, економічність і екологічність всієї силової установки. По-друге, на виході з сопла (або сопел) холодне повітря змішується з гарячими газами, знижуючи загальний тиск суміші. Це робить двигун менш гучним.
Але досконалості немає меж, і як тільки ціни на нафту, а значить, і на авіаційний гас починають рости, авіаперевізники та авіаконструктори відразу замислюються про те, як би зробити літаки ще менше ненажерливими.
Нехай пече і дме
Один з напрямків пошуків - підвищення термоеффектівності двигунів, тобто збільшення ККД за рахунок зростання температури і тиску в камері згоряння і соплі. Природний бар'єр на цьому шляху - міцність і термостійкість конструкційних матеріалів, з яких роблять лопатки турбін, стінки камери згоряння і сопла, так що прорив тут можливий насамперед завдяки прогресу в області створення матеріалів з більш оптимальними властивостями.
Інший напрямок - підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна шляхом збільшення ступеня двоконтурності. Якщо на кілограм спаленого палива ми зможемо продути через двигун ще більше повітря, що створює реактивну тягу, але не приймає участі в спалюванні гасу, можна наростити потужність силової установки, не збільшуючи витрату палива. Або зменшити витрату палива, зберігаючи колишню тягу.
Що лежить як би на поверхні рішення - збільшення діаметра вентилятора - має серйозні «але». Великий вентилятор спричинить за собою збільшення розміру та ваги мотогондоли, і тут про себе на повний голос заявлять два головних ворога авіаконструктора - вага і лобове опір. На подолання цих двох чинників потрібна додаткова потужність двигуна, і може вийти так, що весь економічний ефект від зростання ступеня двоконтурності зійде нанівець. Про те, як впоратися з цією проблемою, конструктори думають вже кілька десятиліть.
Вентилятор - на свободу!
В середині 1980-х в небі над каліфорнійською пустелею Мохаве можна було бачити дуже дивний літальний апарат. Вірніше, сам апарат мав знайомі обриси пасажирського лайнера MD-80, ось тільки один з його двигунів був звичайним «турбовентилятор», а інший мав на задньому кінці дворядний гвинт. Зрозуміло, ніхто б не пустив такий гібрид в рейс, і над пустелею злітала і сідала лише літаюча лабораторія MD-81, на якій випробовувався двигун GE-36 типу Ultra High Bypass (UHB, Ультрависока двоконтурний), вироблений корпорацією General Electric. Інша назва силової установки - Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтічника»). Власне, цим про конструкцію двигуна все сказано. Для радикального підвищення ступеня двоконтурності вентилятор значно збільшили в діаметрі, при цьому заради зниження ваги і лобового опору з нього зняли кільцевої обтічник.
Неважко помітити, що в цьому випадку вентилятор фактично стає повітряним гвинтом (у випадку з UDF- штовхає), а двигун, який на Заході називають propfan, а в нашій літературі вінтовентіляторниє, виявляє спорідненість зі старим добрим турбогвинтовим мотором.
У турбовентиляторних двигуні PW 1000G компанії Pratt & Whitney для оптимізації швидкостей вала турбіни низького тиску і вентилятора збільшеного діаметру застосовується планетарний редуктор. PW 1000G представляє ще один напрямок сучасної конструкторської думки, націлене на вдосконалення турбовентиляторних двигунів. До продуктів Pratt & Whitney серії Pure Power ( «чиста енергія») вже проявили інтерес японська корпорація Mitsubushi і канадський концерн Bombardier. Нещодавно корпорація «Іркут» офіційно оголосила про те, що двигун PW 100G прийнятий в якості одного з варіантів силової установки для перспективного російського середньомагістрального лайнера MC-21.
Те, що турбогвинтові двигуни економічніше турбореактивних, було відомо і раніше. У цивільній авіації від них майже повсюдно відмовилися лише з двох причин. Перша - високий рівень шуму, створюваного гвинтом. Друга - швидкісні обмеження. Справа в тому, що при збільшенні швидкості обертання гвинта до такого значення, при якому кінці лопатей наближаються до швидкості звуку, ефективність гвинта різко падає і подальше підвищення числа обертів не дає адекватного приросту тяги. Таким чином, швидкісний бар'єр турбогвинтових літаків - приблизно 650-700 км / ч.
UDF компанії GE-36 як раз мав завдання подолання швидкісних обмежень для гвинтових моторів, що дозволило б йому на рівних конкурувати з двигунами турбовентиляторів. Цьому сприяли, по-перше, шаблевидні лопаті гвинта - така форма дозволяє справлятися з виникаючим при надзвуковому русі кінчиків лопатей «хвильовим кризою». Крім того, в конструкції був застосований біротатівний гвинт (він же вентилятор). Це означало, що пропелер складався з двох робочих коліс (по вісім лопатей на кожному), що оберталися в протилежні сторони. Біротатівная схема значно підвищує ефективність гвинта - маса відкидається назад повітря збільшується і відповідно зростає тяга. Випробування показали, що двигун нової конструкції за показниками паливної ефективності може на 30-35% перевершити «турбовентилятор».
Коли клює півень?
Інтерес до енергозберігаючих технологій в авіадвигунобудуванні прокинувся не випадково. У 1970-х світову економіку лихоманило через енергетичних криз, викликаних подіями на Близькому Сході, які привели до помітного зростання цін на нафту, з'їдає прибутку авіакомпаній. Ініціатором розробки економічних двигунів виступило агентство NASA, яке запропонувало свою конструкцію вінтовентіляторниє двигуна, а також сподвигло на звершення вже згадану General Electric і її конкурента Pratt & Whitney. P & W у співпраці з компанією Allison Engines запропонувала силову установку під назвою Pratt & Whitney / Allison 578-DX. У ній також використовувався штовхає гвинт з шаблевидними лопатями, проте механізм приводу пропелера більше нагадував традиційні турбогвинтові двигуни (обертання передавалося з вала компресора низького тиску через редуктор, а у GE гвинти були пов'язані безпосередньо з валом компресора низького тиску і з обертовим в протилежному напрямку статором того ж компресора). У 1986-1987 роках двигун GE був протестований на літаючих лабораторіях MD-81 і Boeing 727. P & W обкатував свою конструкцію на тому ж MD-81.
Однак льотні випробування вінтовентіляторниє двигунів збіглися за часом з серйозним падінням цін на паливо, і міркування економічності відійшли на другий план. А на перший вийшла проблема акустичного забруднення. Нікому не хотілося без особливого резону повертатися в еру гвинтовий авіації з її жахливим шумом. І агентство NASA завершило програму жирною крапкою.
Півень клюнув два десятиліття по тому, коли в останній докризовий рік ціни на нафту дісталися до $ 180 за барель, і приблизно тоді ж гранди світового двигунобудування заговорили про вінтовентіляторах знову.
PW 1000G Pure Power. Тип: турбовентиляторний двигун в редуктором. Ступінь двоконтурності: 12. Компресор НД: 2-3 ступені. Компресор ВД: 8 ступенів. Турбіна НД: 3 ступені. Турбіна ВД: 2 ступені.
Битви за тишу
General Electric розконсервувала випробувальні стенди, на яких тестувалися GE-36. До справи знову підключилася NASA (забезпечуючи 50% фінансування), і було оголошено про те, що новий прототип двигуна з відкритим вентилятором (за мотивами GE-36) пройде випробування в аеродинамічній трубі. У проекті (а конкретно в розробці лопатей біротаціонного гвинта) бере участь французька промислова група SAFRAN в особі двигуні-будівельного підрозділу Snecma). GE і SAFRAN давно співпрацюють в рамках спільного підприємства CFM. До речі, повідомлялося і про те, що Snecma приваблювала в якості партнера по розробці перспективних двигунів для цивільної авіації російських вчених з Центрального інституту авіаційного моторобудування імені П.І. Баранова (ЦИАМ).
Про власний проект вінтовентіляторниє двигуна з відкритим біротатівним вентилятором (open rotor) оголосила і корпорація Rolls Royce.
Можна було б з упевненістю говорити про відродження гвинтовий авіації, якби не одне «але»: за минулі десятиліття вимоги до рівня шуму для цивільних авіадвигунів тільки посилилися. Чи зможуть вінтовентіляторниє двигуни вписатися в ці жорсткі стандарти?
І представники партнерства NASA-GE-SAFRAN, і конкуренти з Rolls Royce в один голос заявляють, що оптимізація шумових характеристик нових двигунів для них першочергове завдання. Технологічні тонкощі цих досліджень поки публіці не пред'явлені, але загальний напрямок більш-менш ясно. Шум гвинта знаходиться в прямій залежності від швидкості обертання пропелера, а також довжини і ширини лопатей. Значить, лопаті слід зробити коротше і тонше. При високій ефективності біротатівного гвинта з великою кількістю шаблеподібних лопатей він може забезпечувати достатню тягу, маючи меншу швидкість обертання. Застосування редуктора дозволить лопатей не розкручувалася до надзвукових швидкостей, що значно зменшить шум.
Звичайно, не так було б сказати, що гранди світового авіапрому пов'язують майбутнє авіації виключно з гвинтовентиляторними двигунами. Існують і альтернативні конструкції, також спрямовані на підвищення паливної ефективності при зниженні шумових характеристик. Корпорація Pratt & Whitney, в 1980-х конкурувала з GE в області двигунів з відкритим штовхає ротором, сьогодні рухає на ринок дещо інший перспективний продукт. Він називається PurePower PW1000G і по суті є турбовентиляторних двигуном класичної схеми, де вентилятор укладений в кільцевому обтічнику. При цьому з метою підвищення ступеня двоконтурності діаметр вентилятора істотно збільшений. Але, як відомо, при збільшенні довжини лопаток вентилятора зростає лінійна швидкість на їх кінцях, що робить двигун занадто гучним. Вирішити цю проблему за рахунок зниження швидкості обертання валу турбіни низького тиску (саме він обертає вентилятор) не можна, так як це позначиться на термоеффектівності двигуна і призведе до зниження ККД. Вихід був знайдений в планетарному редукторі, поставленому між валом турбіни і вентилятором. В результаті вентилятор обертається повільніше і за рівнем шуму вписується в сучасний стандарт (20 дБ).
Ще одна з існуючих концепцій підвищення ступеня двоконтурності двигуна передбачає установку всередині кільцевого обтічника аналога біротатівного пропелера.
Чи переможе якась з нині конкуруючих конструкцій або їм уготовано мирне співіснування - очевидно, що в основі їх завжди буде залишатися компроміс між топлівоеффектівностью і рівнем шуму. А ціни на нафту, як завжди, зіграють тут не останню роль.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2010 ).
Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
Реактивна цивільна авіація, багато в чому визначила вигляд сучасного світу, як і раніше залишається джерелом стурбованості для екологів і піднімає ряд проблем перед авіакомпаніями і авіапромисловістю
Нове, більш «зелене» покоління лайнерів має споживати менше палива, проводити менше шкідливих викидів і менше шуму - з цим згодні всі. Однак досягти всіх цих цілей одночасно вкрай непросто.
Стандартом сучасної цивільної авіації є турбовентиляторні двигуни. По суті це різновид двоконтурного турбореактивного двигуна, загальний принцип роботи якого досить простий. При польоті літака, що набігає повітря всмоктується всередину двигуна компресором низького тиску (що має привід від вала турбіни). Далі частина повітря спрямовується всередину двигуна і бере участь як окислювач в спалюванні палива, а інша частина йде в обхід камери згоряння і виривається назад через сопло, створюючи реактивну тягу.
Реактивну тягу також створює струмінь розжарених газів, що виходить з сопла двигуна. Ставлення обсягів повітря, прокачувати через зовнішній контур і через камеру згоряння, називається «ступенем двоконтурного». Двигуни, у яких ступінь двоконтурного висока і становить від 2 до 10, називають турбовентиляторними, а має порівняно великий діаметр перше колесо компресора низького тиску - вентилятором.
Новий погляд
Поки «вінтовентілятори» нового покоління знаходяться на ранніх стадіях проектування, інтерес до них зростає і з'являються перші ескізи літаків, які будуть сконструйовані спеціально під цей тип двигуна. На зображенні показаний проект Королівського британського суспільства аеронавтики з двома двигунами, оснащеними гвинтами типу, що штовхає. Рік тому авіаконцерн Airbus запатентував концепцію літака «зі зниженим шкідливим впливом на навколишнє середовище». Ескізи представлені для одно- і двомоторного варіантів, причому в тексті спеціально зазначено, що перевага буде віддана двигунів з відкритим ротором. Силові установки будуть поставлені над задньою частиною фюзеляжу (приблизно як в британському проекті) на спеціальну захисну плиту. Вона послужить заслоном для шуму гвинтів. На зображенні - комп'ютерна модель вінтовентіляторниє двигуна з відкритим ротором, який розробляється альянсом NASA, General Electric і SAFRAN.
Переваги турбовентиляторного двигуна також добре відомі. По-перше, якщо б? Більша частина реактивної тяги створюється продувається повітрям, а не реактивними газами, підвищується паливна ефективність, а значить, економічність і екологічність всієї силової установки. По-друге, на виході з сопла (або сопел) холодне повітря змішується з гарячими газами, знижуючи загальний тиск суміші. Це робить двигун менш гучним.
Але досконалості немає меж, і як тільки ціни на нафту, а значить, і на авіаційний гас починають рости, авіаперевізники та авіаконструктори відразу замислюються про те, як би зробити літаки ще менше ненажерливими.
Нехай пече і дме
Один з напрямків пошуків - підвищення термоеффектівності двигунів, тобто збільшення ККД за рахунок зростання температури і тиску в камері згоряння і соплі. Природний бар'єр на цьому шляху - міцність і термостійкість конструкційних матеріалів, з яких роблять лопатки турбін, стінки камери згоряння і сопла, так що прорив тут можливий насамперед завдяки прогресу в області створення матеріалів з більш оптимальними властивостями.
Інший напрямок - підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна шляхом збільшення ступеня двоконтурності. Якщо на кілограм спаленого палива ми зможемо продути через двигун ще більше повітря, що створює реактивну тягу, але не приймає участі в спалюванні гасу, можна наростити потужність силової установки, не збільшуючи витрату палива. Або зменшити витрату палива, зберігаючи колишню тягу.
Що лежить як би на поверхні рішення - збільшення діаметра вентилятора - має серйозні «але». Великий вентилятор спричинить за собою збільшення розміру та ваги мотогондоли, і тут про себе на повний голос заявлять два головних ворога авіаконструктора - вага і лобове опір. На подолання цих двох чинників потрібна додаткова потужність двигуна, і може вийти так, що весь економічний ефект від зростання ступеня двоконтурності зійде нанівець. Про те, як впоратися з цією проблемою, конструктори думають вже кілька десятиліть.
Вентилятор - на свободу!
В середині 1980-х в небі над каліфорнійською пустелею Мохаве можна було бачити дуже дивний літальний апарат. Вірніше, сам апарат мав знайомі обриси пасажирського лайнера MD-80, ось тільки один з його двигунів був звичайним «турбовентилятор», а інший мав на задньому кінці дворядний гвинт. Зрозуміло, ніхто б не пустив такий гібрид в рейс, і над пустелею злітала і сідала лише літаюча лабораторія MD-81, на якій випробовувався двигун GE-36 типу Ultra High Bypass (UHB, Ультрависока двоконтурний), вироблений корпорацією General Electric. Інша назва силової установки - Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтічника»). Власне, цим про конструкцію двигуна все сказано. Для радикального підвищення ступеня двоконтурності вентилятор значно збільшили в діаметрі, при цьому заради зниження ваги і лобового опору з нього зняли кільцевої обтічник.
Неважко помітити, що в цьому випадку вентилятор фактично стає повітряним гвинтом (у випадку з UDF- штовхає), а двигун, який на Заході називають propfan, а в нашій літературі вінтовентіляторниє, виявляє спорідненість зі старим добрим турбогвинтовим мотором.
У турбовентиляторних двигуні PW 1000G компанії Pratt & Whitney для оптимізації швидкостей вала турбіни низького тиску і вентилятора збільшеного діаметру застосовується планетарний редуктор. PW 1000G представляє ще один напрямок сучасної конструкторської думки, націлене на вдосконалення турбовентиляторних двигунів. До продуктів Pratt & Whitney серії Pure Power ( «чиста енергія») вже проявили інтерес японська корпорація Mitsubushi і канадський концерн Bombardier. Нещодавно корпорація «Іркут» офіційно оголосила про те, що двигун PW 100G прийнятий в якості одного з варіантів силової установки для перспективного російського середньомагістрального лайнера MC-21.
Те, що турбогвинтові двигуни економічніше турбореактивних, було відомо і раніше. У цивільній авіації від них майже повсюдно відмовилися лише з двох причин. Перша - високий рівень шуму, створюваного гвинтом. Друга - швидкісні обмеження. Справа в тому, що при збільшенні швидкості обертання гвинта до такого значення, при якому кінці лопатей наближаються до швидкості звуку, ефективність гвинта різко падає і подальше підвищення числа обертів не дає адекватного приросту тяги. Таким чином, швидкісний бар'єр турбогвинтових літаків - приблизно 650-700 км / ч.
UDF компанії GE-36 як раз мав завдання подолання швидкісних обмежень для гвинтових моторів, що дозволило б йому на рівних конкурувати з двигунами турбовентиляторів. Цьому сприяли, по-перше, шаблевидні лопаті гвинта - така форма дозволяє справлятися з виникаючим при надзвуковому русі кінчиків лопатей «хвильовим кризою». Крім того, в конструкції був застосований біротатівний гвинт (він же вентилятор). Це означало, що пропелер складався з двох робочих коліс (по вісім лопатей на кожному), що оберталися в протилежні сторони. Біротатівная схема значно підвищує ефективність гвинта - маса відкидається назад повітря збільшується і відповідно зростає тяга. Випробування показали, що двигун нової конструкції за показниками паливної ефективності може на 30-35% перевершити «турбовентилятор».
Коли клює півень?
Інтерес до енергозберігаючих технологій в авіадвигунобудуванні прокинувся не випадково. У 1970-х світову економіку лихоманило через енергетичних криз, викликаних подіями на Близькому Сході, які привели до помітного зростання цін на нафту, з'їдає прибутку авіакомпаній. Ініціатором розробки економічних двигунів виступило агентство NASA, яке запропонувало свою конструкцію вінтовентіляторниє двигуна, а також сподвигло на звершення вже згадану General Electric і її конкурента Pratt & Whitney. P & W у співпраці з компанією Allison Engines запропонувала силову установку під назвою Pratt & Whitney / Allison 578-DX. У ній також використовувався штовхає гвинт з шаблевидними лопатями, проте механізм приводу пропелера більше нагадував традиційні турбогвинтові двигуни (обертання передавалося з вала компресора низького тиску через редуктор, а у GE гвинти були пов'язані безпосередньо з валом компресора низького тиску і з обертовим в протилежному напрямку статором того ж компресора). У 1986-1987 роках двигун GE був протестований на літаючих лабораторіях MD-81 і Boeing 727. P & W обкатував свою конструкцію на тому ж MD-81.
Однак льотні випробування вінтовентіляторниє двигунів збіглися за часом з серйозним падінням цін на паливо, і міркування економічності відійшли на другий план. А на перший вийшла проблема акустичного забруднення. Нікому не хотілося без особливого резону повертатися в еру гвинтовий авіації з її жахливим шумом. І агентство NASA завершило програму жирною крапкою.
Півень клюнув два десятиліття по тому, коли в останній докризовий рік ціни на нафту дісталися до $ 180 за барель, і приблизно тоді ж гранди світового двигунобудування заговорили про вінтовентіляторах знову.
PW 1000G Pure Power. Тип: турбовентиляторний двигун в редуктором. Ступінь двоконтурності: 12. Компресор НД: 2-3 ступені. Компресор ВД: 8 ступенів. Турбіна НД: 3 ступені. Турбіна ВД: 2 ступені.
Битви за тишу
General Electric розконсервувала випробувальні стенди, на яких тестувалися GE-36. До справи знову підключилася NASA (забезпечуючи 50% фінансування), і було оголошено про те, що новий прототип двигуна з відкритим вентилятором (за мотивами GE-36) пройде випробування в аеродинамічній трубі. У проекті (а конкретно в розробці лопатей біротаціонного гвинта) бере участь французька промислова група SAFRAN в особі двигуні-будівельного підрозділу Snecma). GE і SAFRAN давно співпрацюють в рамках спільного підприємства CFM. До речі, повідомлялося і про те, що Snecma приваблювала в якості партнера по розробці перспективних двигунів для цивільної авіації російських вчених з Центрального інституту авіаційного моторобудування імені П.І. Баранова (ЦИАМ).
Про власний проект вінтовентіляторниє двигуна з відкритим біротатівним вентилятором (open rotor) оголосила і корпорація Rolls Royce.
Можна було б з упевненістю говорити про відродження гвинтовий авіації, якби не одне «але»: за минулі десятиліття вимоги до рівня шуму для цивільних авіадвигунів тільки посилилися. Чи зможуть вінтовентіляторниє двигуни вписатися в ці жорсткі стандарти?
І представники партнерства NASA-GE-SAFRAN, і конкуренти з Rolls Royce в один голос заявляють, що оптимізація шумових характеристик нових двигунів для них першочергове завдання. Технологічні тонкощі цих досліджень поки публіці не пред'явлені, але загальний напрямок більш-менш ясно. Шум гвинта знаходиться в прямій залежності від швидкості обертання пропелера, а також довжини і ширини лопатей. Значить, лопаті слід зробити коротше і тонше. При високій ефективності біротатівного гвинта з великою кількістю шаблеподібних лопатей він може забезпечувати достатню тягу, маючи меншу швидкість обертання. Застосування редуктора дозволить лопатей не розкручувалася до надзвукових швидкостей, що значно зменшить шум.
Звичайно, не так було б сказати, що гранди світового авіапрому пов'язують майбутнє авіації виключно з гвинтовентиляторними двигунами. Існують і альтернативні конструкції, також спрямовані на підвищення паливної ефективності при зниженні шумових характеристик. Корпорація Pratt & Whitney, в 1980-х конкурувала з GE в області двигунів з відкритим штовхає ротором, сьогодні рухає на ринок дещо інший перспективний продукт. Він називається PurePower PW1000G і по суті є турбовентиляторних двигуном класичної схеми, де вентилятор укладений в кільцевому обтічнику. При цьому з метою підвищення ступеня двоконтурності діаметр вентилятора істотно збільшений. Але, як відомо, при збільшенні довжини лопаток вентилятора зростає лінійна швидкість на їх кінцях, що робить двигун занадто гучним. Вирішити цю проблему за рахунок зниження швидкості обертання валу турбіни низького тиску (саме він обертає вентилятор) не можна, так як це позначиться на термоеффектівності двигуна і призведе до зниження ККД. Вихід був знайдений в планетарному редукторі, поставленому між валом турбіни і вентилятором. В результаті вентилятор обертається повільніше і за рівнем шуму вписується в сучасний стандарт (20 дБ).
Ще одна з існуючих концепцій підвищення ступеня двоконтурності двигуна передбачає установку всередині кільцевого обтічника аналога біротатівного пропелера.
Чи переможе якась з нині конкуруючих конструкцій або їм уготовано мирне співіснування - очевидно, що в основі їх завжди буде залишатися компроміс між топлівоеффектівностью і рівнем шуму. А ціни на нафту, як завжди, зіграють тут не останню роль.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2010 ).
Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
Реактивна цивільна авіація, багато в чому визначила вигляд сучасного світу, як і раніше залишається джерелом стурбованості для екологів і піднімає ряд проблем перед авіакомпаніями і авіапромисловістю
Нове, більш «зелене» покоління лайнерів має споживати менше палива, проводити менше шкідливих викидів і менше шуму - з цим згодні всі. Однак досягти всіх цих цілей одночасно вкрай непросто.
Стандартом сучасної цивільної авіації є турбовентиляторні двигуни. По суті це різновид двоконтурного турбореактивного двигуна, загальний принцип роботи якого досить простий. При польоті літака, що набігає повітря всмоктується всередину двигуна компресором низького тиску (що має привід від вала турбіни). Далі частина повітря спрямовується всередину двигуна і бере участь як окислювач в спалюванні палива, а інша частина йде в обхід камери згоряння і виривається назад через сопло, створюючи реактивну тягу.
Реактивну тягу також створює струмінь розжарених газів, що виходить з сопла двигуна. Ставлення обсягів повітря, прокачувати через зовнішній контур і через камеру згоряння, називається «ступенем двоконтурного». Двигуни, у яких ступінь двоконтурного висока і становить від 2 до 10, називають турбовентиляторними, а має порівняно великий діаметр перше колесо компресора низького тиску - вентилятором.
Новий погляд
Поки «вінтовентілятори» нового покоління знаходяться на ранніх стадіях проектування, інтерес до них зростає і з'являються перші ескізи літаків, які будуть сконструйовані спеціально під цей тип двигуна. На зображенні показаний проект Королівського британського суспільства аеронавтики з двома двигунами, оснащеними гвинтами типу, що штовхає. Рік тому авіаконцерн Airbus запатентував концепцію літака «зі зниженим шкідливим впливом на навколишнє середовище». Ескізи представлені для одно- і двомоторного варіантів, причому в тексті спеціально зазначено, що перевага буде віддана двигунів з відкритим ротором. Силові установки будуть поставлені над задньою частиною фюзеляжу (приблизно як в британському проекті) на спеціальну захисну плиту. Вона послужить заслоном для шуму гвинтів. На зображенні - комп'ютерна модель вінтовентіляторниє двигуна з відкритим ротором, який розробляється альянсом NASA, General Electric і SAFRAN.
Переваги турбовентиляторного двигуна також добре відомі. По-перше, якщо б? Більша частина реактивної тяги створюється продувається повітрям, а не реактивними газами, підвищується паливна ефективність, а значить, економічність і екологічність всієї силової установки. По-друге, на виході з сопла (або сопел) холодне повітря змішується з гарячими газами, знижуючи загальний тиск суміші. Це робить двигун менш гучним.
Але досконалості немає меж, і як тільки ціни на нафту, а значить, і на авіаційний гас починають рости, авіаперевізники та авіаконструктори відразу замислюються про те, як би зробити літаки ще менше ненажерливими.
Нехай пече і дме
Один з напрямків пошуків - підвищення термоеффектівності двигунів, тобто збільшення ККД за рахунок зростання температури і тиску в камері згоряння і соплі. Природний бар'єр на цьому шляху - міцність і термостійкість конструкційних матеріалів, з яких роблять лопатки турбін, стінки камери згоряння і сопла, так що прорив тут можливий насамперед завдяки прогресу в області створення матеріалів з більш оптимальними властивостями.
Інший напрямок - підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна шляхом збільшення ступеня двоконтурності. Якщо на кілограм спаленого палива ми зможемо продути через двигун ще більше повітря, що створює реактивну тягу, але не приймає участі в спалюванні гасу, можна наростити потужність силової установки, не збільшуючи витрату палива. Або зменшити витрату палива, зберігаючи колишню тягу.
Що лежить як би на поверхні рішення - збільшення діаметра вентилятора - має серйозні «але». Великий вентилятор спричинить за собою збільшення розміру та ваги мотогондоли, і тут про себе на повний голос заявлять два головних ворога авіаконструктора - вага і лобове опір. На подолання цих двох чинників потрібна додаткова потужність двигуна, і може вийти так, що весь економічний ефект від зростання ступеня двоконтурності зійде нанівець. Про те, як впоратися з цією проблемою, конструктори думають вже кілька десятиліть.
Вентилятор - на свободу!
В середині 1980-х в небі над каліфорнійською пустелею Мохаве можна було бачити дуже дивний літальний апарат. Вірніше, сам апарат мав знайомі обриси пасажирського лайнера MD-80, ось тільки один з його двигунів був звичайним «турбовентилятор», а інший мав на задньому кінці дворядний гвинт. Зрозуміло, ніхто б не пустив такий гібрид в рейс, і над пустелею злітала і сідала лише літаюча лабораторія MD-81, на якій випробовувався двигун GE-36 типу Ultra High Bypass (UHB, Ультрависока двоконтурний), вироблений корпорацією General Electric. Інша назва силової установки - Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтічника»). Власне, цим про конструкцію двигуна все сказано. Для радикального підвищення ступеня двоконтурності вентилятор значно збільшили в діаметрі, при цьому заради зниження ваги і лобового опору з нього зняли кільцевої обтічник.
Неважко помітити, що в цьому випадку вентилятор фактично стає повітряним гвинтом (у випадку з UDF- штовхає), а двигун, який на Заході називають propfan, а в нашій літературі вінтовентіляторниє, виявляє спорідненість зі старим добрим турбогвинтовим мотором.
У турбовентиляторних двигуні PW 1000G компанії Pratt & Whitney для оптимізації швидкостей вала турбіни низького тиску і вентилятора збільшеного діаметру застосовується планетарний редуктор. PW 1000G представляє ще один напрямок сучасної конструкторської думки, націлене на вдосконалення турбовентиляторних двигунів. До продуктів Pratt & Whitney серії Pure Power ( «чиста енергія») вже проявили інтерес японська корпорація Mitsubushi і канадський концерн Bombardier. Нещодавно корпорація «Іркут» офіційно оголосила про те, що двигун PW 100G прийнятий в якості одного з варіантів силової установки для перспективного російського середньомагістрального лайнера MC-21.
Те, що турбогвинтові двигуни економічніше турбореактивних, було відомо і раніше. У цивільній авіації від них майже повсюдно відмовилися лише з двох причин. Перша - високий рівень шуму, створюваного гвинтом. Друга - швидкісні обмеження. Справа в тому, що при збільшенні швидкості обертання гвинта до такого значення, при якому кінці лопатей наближаються до швидкості звуку, ефективність гвинта різко падає і подальше підвищення числа обертів не дає адекватного приросту тяги. Таким чином, швидкісний бар'єр турбогвинтових літаків - приблизно 650-700 км / ч.
UDF компанії GE-36 як раз мав завдання подолання швидкісних обмежень для гвинтових моторів, що дозволило б йому на рівних конкурувати з двигунами турбовентиляторів. Цьому сприяли, по-перше, шаблевидні лопаті гвинта - така форма дозволяє справлятися з виникаючим при надзвуковому русі кінчиків лопатей «хвильовим кризою». Крім того, в конструкції був застосований біротатівний гвинт (він же вентилятор). Це означало, що пропелер складався з двох робочих коліс (по вісім лопатей на кожному), що оберталися в протилежні сторони. Біротатівная схема значно підвищує ефективність гвинта - маса відкидається назад повітря збільшується і відповідно зростає тяга. Випробування показали, що двигун нової конструкції за показниками паливної ефективності може на 30-35% перевершити «турбовентилятор».
Коли клює півень?
Інтерес до енергозберігаючих технологій в авіадвигунобудуванні прокинувся не випадково. У 1970-х світову економіку лихоманило через енергетичних криз, викликаних подіями на Близькому Сході, які привели до помітного зростання цін на нафту, з'їдає прибутку авіакомпаній. Ініціатором розробки економічних двигунів виступило агентство NASA, яке запропонувало свою конструкцію вінтовентіляторниє двигуна, а також сподвигло на звершення вже згадану General Electric і її конкурента Pratt & Whitney. P & W у співпраці з компанією Allison Engines запропонувала силову установку під назвою Pratt & Whitney / Allison 578-DX. У ній також використовувався штовхає гвинт з шаблевидними лопатями, проте механізм приводу пропелера більше нагадував традиційні турбогвинтові двигуни (обертання передавалося з вала компресора низького тиску через редуктор, а у GE гвинти були пов'язані безпосередньо з валом компресора низького тиску і з обертовим в протилежному напрямку статором того ж компресора). У 1986-1987 роках двигун GE був протестований на літаючих лабораторіях MD-81 і Boeing 727. P & W обкатував свою конструкцію на тому ж MD-81.
Однак льотні випробування вінтовентіляторниє двигунів збіглися за часом з серйозним падінням цін на паливо, і міркування економічності відійшли на другий план. А на перший вийшла проблема акустичного забруднення. Нікому не хотілося без особливого резону повертатися в еру гвинтовий авіації з її жахливим шумом. І агентство NASA завершило програму жирною крапкою.
Півень клюнув два десятиліття по тому, коли в останній докризовий рік ціни на нафту дісталися до $ 180 за барель, і приблизно тоді ж гранди світового двигунобудування заговорили про вінтовентіляторах знову.
PW 1000G Pure Power. Тип: турбовентиляторний двигун в редуктором. Ступінь двоконтурності: 12. Компресор НД: 2-3 ступені. Компресор ВД: 8 ступенів. Турбіна НД: 3 ступені. Турбіна ВД: 2 ступені.
Битви за тишу
General Electric розконсервувала випробувальні стенди, на яких тестувалися GE-36. До справи знову підключилася NASA (забезпечуючи 50% фінансування), і було оголошено про те, що новий прототип двигуна з відкритим вентилятором (за мотивами GE-36) пройде випробування в аеродинамічній трубі. У проекті (а конкретно в розробці лопатей біротаціонного гвинта) бере участь французька промислова група SAFRAN в особі двигуні-будівельного підрозділу Snecma). GE і SAFRAN давно співпрацюють в рамках спільного підприємства CFM. До речі, повідомлялося і про те, що Snecma приваблювала в якості партнера по розробці перспективних двигунів для цивільної авіації російських вчених з Центрального інституту авіаційного моторобудування імені П.І. Баранова (ЦИАМ).
Про власний проект вінтовентіляторниє двигуна з відкритим біротатівним вентилятором (open rotor) оголосила і корпорація Rolls Royce.
Можна було б з упевненістю говорити про відродження гвинтовий авіації, якби не одне «але»: за минулі десятиліття вимоги до рівня шуму для цивільних авіадвигунів тільки посилилися. Чи зможуть вінтовентіляторниє двигуни вписатися в ці жорсткі стандарти?
І представники партнерства NASA-GE-SAFRAN, і конкуренти з Rolls Royce в один голос заявляють, що оптимізація шумових характеристик нових двигунів для них першочергове завдання. Технологічні тонкощі цих досліджень поки публіці не пред'явлені, але загальний напрямок більш-менш ясно. Шум гвинта знаходиться в прямій залежності від швидкості обертання пропелера, а також довжини і ширини лопатей. Значить, лопаті слід зробити коротше і тонше. При високій ефективності біротатівного гвинта з великою кількістю шаблеподібних лопатей він може забезпечувати достатню тягу, маючи меншу швидкість обертання. Застосування редуктора дозволить лопатей не розкручувалася до надзвукових швидкостей, що значно зменшить шум.
Звичайно, не так було б сказати, що гранди світового авіапрому пов'язують майбутнє авіації виключно з гвинтовентиляторними двигунами. Існують і альтернативні конструкції, також спрямовані на підвищення паливної ефективності при зниженні шумових характеристик. Корпорація Pratt & Whitney, в 1980-х конкурувала з GE в області двигунів з відкритим штовхає ротором, сьогодні рухає на ринок дещо інший перспективний продукт. Він називається PurePower PW1000G і по суті є турбовентиляторних двигуном класичної схеми, де вентилятор укладений в кільцевому обтічнику. При цьому з метою підвищення ступеня двоконтурності діаметр вентилятора істотно збільшений. Але, як відомо, при збільшенні довжини лопаток вентилятора зростає лінійна швидкість на їх кінцях, що робить двигун занадто гучним. Вирішити цю проблему за рахунок зниження швидкості обертання валу турбіни низького тиску (саме він обертає вентилятор) не можна, так як це позначиться на термоеффектівності двигуна і призведе до зниження ККД. Вихід був знайдений в планетарному редукторі, поставленому між валом турбіни і вентилятором. В результаті вентилятор обертається повільніше і за рівнем шуму вписується в сучасний стандарт (20 дБ).
Ще одна з існуючих концепцій підвищення ступеня двоконтурності двигуна передбачає установку всередині кільцевого обтічника аналога біротатівного пропелера.
Чи переможе якась з нині конкуруючих конструкцій або їм уготовано мирне співіснування - очевидно, що в основі їх завжди буде залишатися компроміс між топлівоеффектівностью і рівнем шуму. А ціни на нафту, як завжди, зіграють тут не останню роль.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2010 ).
Як зробити літаки ще менше ненажерливими?Коли клює півень?
Коли клює півень?
Коли клює півень?
По-перше, якщо б?
Коли клює півень?
Чи зможуть вінтовентіляторниє двигуни вписатися в ці жорсткі стандарти?
Як зробити літаки ще менше ненажерливими?
По-перше, якщо б?
Коли клює півень?