0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое турбовентиляторный двигатель

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

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.

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.

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

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.

Читать еще:  Что такое компрессия двигателя и как ее найти

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.

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.

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: этапы развития идеи отказа от турбины низкого давления с помощью UltraGear

Водородные самолеты Airbus

В аэрокосмическом концерне Airbus в сентябре представили модели трех пассажирских самолетов с водородными газотурбинными двигателями. Проект получил название ZEROe (от англ. Zero Emissions — «нулевые выбросы»). Первая модель, Turboprop, — это небольшой гибридный самолет с двумя турбовинтовыми двигателями. Резервуары для хранения жидкого водорода находятся в хвостовой части самолета. Turboprop вмещает 100 пассажиров и может пролететь около 1,8 тыс. км. Крейсерская скорость составляет 612 км/ч. Самолет Turbofan, вторая модель, оснащен двумя турбовентиляторными двигателями, в каждом из которых по восемь лопастей. Вместимость — 200 пассажиров, дальность полета — 3,7 тыс. км, крейсерская скорость — 828 км/ч. Топливные баки также находятся в задней части. Третья модель получила название Blended-Wing Body (в пер. с англ. — «смешанное крыло»). Самолет имеет два турбовентиляторных двигателя и широкий фюзеляж в форме крыла, в котором находятся резервуары с топливом. Он может перевозить 200 пассажиров и преодолевать расстояние до 3,7 тыс. км.

Первые коммерческие полеты запланированы на 2035 год. В Airbus считают, что полноценное использование воздушного транспорта на водородном топливе возможно только в том случае, если его поддержит вся авиационная отрасль, включая авиакомпании, энергетические компании и аэропорты. «Восемнадцать месяцев назад, когда одни говорили о водороде в аэрокосмической промышленности, другие думали, что они немного сумасшедшие, — напомнил директор аэрокосмического направления Университета Крэнфилда Иэн Грей. — Но сейчас водород стал тем, что все рассматривают в качестве решения проблемы нулевых выбросов».

Двигатель для SSJ 100 получит композитные детали

Замена части металлических компонентов SaM146 на композитные позволит снизить его вес и увеличить ресурс.

Kомпания «ОДК — Сатурн» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию, ОДК) испытывает детали из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для турбовентиляторных двигателей SaM146, которые используются на российских самолетах Sukhoi Superjet 100 (SSJ 100) . Детали из таких материалов, способных выдержать температуру более 1000°C, могут использоваться в горячей части газотурбинных двигателей без дополнительного охлаждения.

Испытания проходят в составе силовой установки. Как Show Observer пояснил Дмитрий Карелин, заместитель генерального конструктора «ОДК — Сатурн» по научно-исследовательской работе, речь идет двух статорных деталях холодной части двигателя: панелях перепуска (работают при кратковременных температурах до 150°C) и разделителе потока.

Читать еще:  Двигатель tb48de расход топлива

ПКМ для этих деталей состоит из термопластичной основы (матрицы) и армирующих наполнителей (углеволокна), придающих материалу жест­кость и прочностные характеристики. Новизна подхода заключается в использовании матрицы из термопластичного суперпластика, благодаря чему снижается стоимость изготовления деталей и упрощается их ремонт.

Параллельно в компании изу­чают производство деталей из композитов с 3D-тканой армирующей структурой. Этот вид ПКМ планируется использовать для создания нагруженных деталей двигателя, в том числе лопатки вентилятора.

Детали из композитов, которые заменят металлические компоненты, внедряются в SaM146 для облегчения двигателя и увеличения его ресурса. В перспективе в «ОДК — Сатурн» рассчитывают снизить вес заменяемых деталей на 20–40%. На 10–50% должна уменьшиться и стоимость их производства.

В конечном итоге в «ОДК — Сатурн» рассчитывают использовать ПКМ для создания модуля вентилятора. Впоследствии эти наработки планируется применить в производстве других двигателей ОДК.

На сегодняшний день турбовентиляторный двигатель SaM146, производимый компанией PowerJet — совместным предприятием НПО «Сатурн» и Safran Aircraft Engines, — самый современный продукт, реализованный при непосредственном участии российских авиационных моторостроителей.

В интервью Show Observer Марк Сорель, президент PowerJet, рассказал, что происходит в этой программой сейчас и какие перспективы ее ждут в недалеком будущем.

Господин Сорель, 11 лет назад, в июне 2006 г., НПО «Сатурн» сообщило о сборке первого опытного российско-французского двигателя SaM146. Скажите, пожалуйста, сколько двигателей SaM146 поставлено по состоянию на 1 июля этого года и какова их суммарная наработка?

Поставлено 250 двигателей. С момента ввода в коммерческую эксплуатацию в 2011 г. первого самолета SSJ 100 наработка двигателя SaM146 составила около 650 тыс. летных часов и приблизительно 430 тыс. циклов.

Здорово! Ведь еще в ноябре сообщалось, что наработка SaM146 превысила полмиллиона часов. А сколько двигателей SaM146 вы планируете передать заказчикам в 2017 г. и каковы ваши производственные планы на следующий год?

2017-й является для нас годом увеличения темпов производства, так как наша цель — поставить более 70 силовых установок, это рекордный объем производства для компании PowerJet. В 2018 г. объем производства останется на этом же уровне.

Будем надеяться, что эти планы будут реализованы. В 2016 г. компания «Гражданские самолеты Сухого» произвела 22 SSJ 100, в 2015 г. — 17. Хотя еще в 2014 г. завод выпустил 35 ВС. Кажется, что текущее ежегодное количество выпускаемых SSJ 100 оказалось меньше изначально планируемого уровня. Вас беспокоит ситуация, что SSJ 100 продается не так много, как прогнозировалось на старте этой программы?

Следует отметить, что сегодняшние продажи на рынке региональной авиации не так динамичны, как прогнозировалось 10 лет назад. Но количество поставок не стало ниже изначально планируемого уровня, утвержденного самолетостроителем на текущий и будущий годы. Мы прилагаем все усилия, чтобы следовать графику поставок согласно запросам нашего заказчика — «Гражданских самолетов Сухого». Этот процесс достаточно напряженный, поскольку в настоящее время цепь авиационных поставок загружена из-за большого количества новых программ.

Что касается коммерческого продвижения самолета и силовой установки, то компания PowerJet верит в будущие успехи. Технические и операционные характеристики SSJ 100 очень высоки, осуществляется в данный момент и продолжится в будущем поддержка программы российскими властями, стоимость пассажиро-места очень конкуренто- способна. Но нам не свойственно комментировать кампании продаж, которые ведутся авиастроителем. Как президент компании PowerJet, я хотел бы отметить, что в сравнении с основными конкурентами SSJ 100 оценивается как перспективный самолет. C поставками и перспективами понятно. Но, по некоторым данным, у операторов SSJ 100, особенно имеющих опыт эксплуатации иностранной авиатехники, возникает ряд вопросов к SaM146 — например, низкий ресурс двигателя, трещины в камере сгорания, выходящие за нормативы, и др. Вы согласны с такими претензиями? Что делает PowerJet для исправления этой ситуации?

Прежде всего необходимо напомнить, что двигатель спустя пять лет после ввода в эксплуатацию демонстрирует показатель надежности, аналогичный двигателю CFM56, бестселлеру и эталону на рынке узко- и среднефюзеляжных самолетов. Подобно другим новым двигателям SaM146 проходит этап «детских болезней». Для нас это также возможность усовершенствовать некоторые части двигателя и расширить его ресурс согласно намерениям разработчиков в рамках стандартной процедуры достижения зрелости.

С другой стороны, в рамках нашего коммерческого предложения по обслуживанию мы предлагаем заказчикам решения, адаптированные к их потребностям, чтобы снизить показатель простоя самолета и позволить оптимизировать операции в случае необходимости, — специалистов по технической поддержке под крылом самолета, арендный двигатель, профилактическое техобслуживание, быстрый возрат в цех.

Читать еще:  Что такое очиститель двигателя

У нас есть два ремонтных цеха, сертифицированных в соответствии с требованиями европейских авиационных правил (Part 145): один находится в Сен-Кантен-ан-Ивлин (в окрестностях Парижа), другой — в Рыбинске. Эти два цеха позволяют нам выполнять заявки на техобслуживание и ремонт (ТОиР) от наших заказчиков. Что касается камер сгорания, мы предприняли профилактические меры и разработали решения по ремонту — действия которые повсеместно применяются на сегодняшний день и используются нашими заказчиками во время ТОиР.

Ваша позиция ясна. Еще операторы SSJ 100 информируют, что на рынке не так много арендных двигателей SaM146 и что это обстоятельство отчасти негативным образом влияет на интенсивность эксплуатации SSJ 100. Как, по мнению PowerJet, можно выйти из этой ситуации?

В определенные моменты у нас возникает необходимость дополнительной поставки арендных двигателей. Для того чтобы выполнять эти задачи в долгосрочной перспективе, мы находимся в процессе расширения мощностей благодаря увеличению количества двигателей, предназначенных для техподдержки наших заказчиков, и вводу в эксплуатацию двигателей после ремонта.

Напомним плюсы и минусы турбированного двигателя:

За:

Больше мощности и крутящего момента от двигателя меньшего объема;

Больше крутящего момента на низких оборотах;

Может обеспечить лучшую топливную экономичность при движении в спокойном режиме

Против:

Экономия топлива «испарится», если ездить агрессивно;

Может потребоваться дорогое топливо премиум-класса (скорее всего, так и будет);

Увеличится стоимость ремонта и обслуживания

О принципах работы турбокомпрессора

Как работает турбина? Почему нельзя сразу глушить движок, дополненный таким агрегатом? Ответы на эти вопросы важны, так как, зная их, легче соблюдать особенности эксплуатации турбированного двигателя.

Схематично устройство турбины включает в себя следующие элементы:

  1. Компрессорный хаузинг, следом за которым располагается компрессорное кольцо, отвечающее за сжатие воздуха.
  2. Воздушный фильтр.
  3. Задняя пластина компрессора.
  4. Шарикоподшипник, установленный на валу.
  5. Точки подачи и слива масла.
  6. Турбинный хаузинг.
  7. Турбинное колесо, за счет которого осуществляется преобразование энергии выхлопных газов в энергию вращения вала.

Важно: воздушный фильтр является основным источником возникновения проблем двигателя с турбонаддувом. Этот элемент рекомендуется регулярно менять.

Принцип работы турбокомпрессора заключается в следующем:

  1. Воздух, проходя через воздушный фильтр, пронимает во входное отверстие агрегата.
  2. Воздушные массы подвергаются сжатию. Одновременно с этим в них увеличивается уровень содержания кислорода. На данном этапе возникает нагрев воздуха, вследствие чего снижается его плотность.
  3. Покидая турбокомпрессор, массы воздуха попадают в интеркулер, где происходит их охлаждение. Последний элемент конструкции также предотвращает возможность детонации топливной смеси в двигателе.
  4. На последнем этапе сжатый воздух через дроссель проникает через впускной коллектор в цилиндры мотора.

Как видно, принцип работы подобного двигателя выглядит достаточно простым. Турбодвигатель часть выхлопных газов, возникших вследствие сгорания топливной смеси в цилиндрах, передает обратно в выпускной коллектор турбины. Этот воздушный поток запускает движение вала, на другом конце которого располагается компрессор. В результате последний вновь приступает к сжатию воздуха.

Благодаря чему турбированный двигатель обладает большей мощностью в сравнении с «атмосферным»?

После того как сжатый воздух попадает в цилиндр, в последнем увеличивается уровень содержания кислорода при сохранении прежних параметров цилиндра. Поэтому за один такт сжигается больше топливной смеси, чем в «атмосферном» моторе аналогичного объема.

Плюсы турбированных двигателей

Турбированные моторы имеют следующие преимущества, за которые их выбирают автомобилисты:

  • Повышенная мощность при прежнем объеме. Соответственно, динамические характеристики автомобиля с турбированным двигателем будут лучше, чем автомобиля с атмосферным двигателем того же объема;
  • Лучше экологические свойства, а вместе с тем и большая экономичность. Турбированный двигатель лучше с экологической точки зрения, поскольку топливо сгорание более полно, и меньше отработавших газов и вредных примесей отправляется в атмосферу;
  • Турбированный двигатель работает тише, чем атмосферный;
  • Возможность выбора. Сейчас турбированные двигатели имеются, как бензиновые, так и дизельные;
  • Наличие интеркулера. Поступающий воздух охлаждается, благодаря интеркулеру, что положительно сказывается на эффективности использования топлива и сохранности агрегатов;
  • Для быстрого старта с места нет необходимости сильно повышать обороты.

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

  • увеличение мощности двигателя;
  • повышение КПД двигателя;
  • снижение расхода топлива.

К минусам можно отнести:

  • низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
  • более высокая стоимость;
  • более сложное обслуживание и эксплуатация.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector