Что такое турбовентиляторный двигатель

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.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторным двигателем в популярной литературе обычно называют ТРДД с высокой (выше 2) степенью двухконтурности. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевом направлении). Соответственно, большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности — без смешения потоков.

Устройство внутреннего контура таких двигателей подобно устройству ТРД, последние ступени турбины которого являются приводом вентилятора.

Внешний контур таких ТРДД, как правило, представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, заканчивается внешний контур соплом.

По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе невысока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности имеют двух- или трёхвальную конструкцию.

Достоинства и недостатки

Главным достоинством таких двигателей является их высокая экономичность.

Недостатки — большие масса и габариты. Особенно — большой диаметр вентилятора, который приводит к значительному лобовому сопротивлению воздуха в полете.

Область применения таких двигателей — дальне- и среднемагистральные коммерческие авиалайнеры, военно-транспортная авиация.

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.

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

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторным двигателем в популярной литературе обычно называют турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) с высокой (выше 2) степенью двухконтурности. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полёта, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевом направлении). Соответственно, большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности — без смешения потоков. Экономичность турбовентиляторных двигателей обусловлена тем, что в отличие от обычного ТРДД энергия реактивной струи в виде давления и высокой температуры не теряется на выходе из двигателя, а преобразуется во вращение вентилятора, который создает дополнительную тягу, тем самым повышается КПД. В турбовентиляторном двигателе вентилятор может создавать до 70-80 % всей тяги двигателя. [1] [2]

Устройство внутреннего контура таких двигателей подобно устройству турбореактивного двигателя (ТРД), последние ступени турбины которого являются приводом вентилятора.

Внешний контур таких ТРДД, как правило, представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, заканчивается внешний контур соплом.

По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе невысока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности имеют двух- или трёхвальную конструкцию.

Содержание

• 1 Достоинства и недостатки
• 2 См. также
• 3 Примечания
• 4 Литература

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

Главным достоинством таких двигателей является их высокая экономичность.

Недостатки — большие масса и габариты. Особенно — большой диаметр вентилятора, который приводит к значительному лобовому сопротивлению воздуха в полёте.

Область применения таких двигателей — дальне- и среднемагистральные коммерческие авиалайнеры, военно-транспортная авиация.