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

Устройство и принцип работы турбовентиляторного двигателя

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.

Учебный комплекс «Устройство и принцип работы газотурбинного двигателя ДГ90» с действующим макетом

Данный комплекс позволяет с помощью трехмерной графики и наглядного действующего макета изучить устройство, принцип работы и конструкцию газотурбинного двигателя ДГ90.

В данном комплексе реализованы подробные трехмерные модели, полностью аналогичные реальным узлам и деталям исследуемого двигателя.

Программное обеспечение содержит трехмерные разрезы основных элементов двигателя, а также позволяет проиллюстрировать процесс его работы с помощью интерактивной анимации и текстовых аннотаций.

По каждому элементу двигателя приведена справочная информация об устройстве и принципе его действия.

ПО позволяет изучать работу основных систем двигателя. Комплекс может поставляться в комплекте с физическим действующим макетом двигателя, приводимым в действие компрессором.

Действующий макет позволяет изучить кинематику подвижных частей турбин и компрессоров двигателя и провести демонстрацию работы с возможностью включения и отключения различных ступеней компрессора действующей физической модели прямо из приложения.

Физическая модель двигателя позволяет повысить наглядность моделируемых процессов и лучше соотнести виртуальную копию двигателя с физической реализацией.

Перечень лабораторных работ, проводимых на данном стенде:

  • Изучение конструкции и принципа работы двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД);
  • Тестирование знаний конструкции и назначения основных элементов реактивных двигателей;
  • Отработка на модели визуализации типовых аварийных ситуаций;
  • Изучение схем систем двигателя и расположения основных узлов на цифровой копии.

Комплектация 1

Состав:

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором.

Программное обеспечение комплекса позволяет с помощью трехмерной графики и анимации изучить устройство и конструкцию двигателя, а также продемонстрировать процесс работы двигателя по этапам с визуализацией внутренних процессов.

Стоимость: 624 830,00

Комплектация 2

Состав:

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором;
  3. Комплект виртуальной реальности.

Программное обеспечение комплекса позволяет с помощью трехмерной графики и анимации изучить устройство и конструкцию двигателя, а также продемонстрировать процесс работы двигателя по этапам с визуализацией внутренних процессов.
Также данный комплекс содержит в составе систему виртуальной реальности, позволяющей оперировать виртуальной копией двигателя в реальном времени и масштабе, а также более детально изучить его внутреннее строение.

Стоимость: 798 400,00

Комплектация 3

Состав:

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором;
  3. Комплект виртуальной реальности;
  4. Действующий физический макет двигателя выполненный с помощью трехмерной печати.

Дополнительный модуль в виде действующего трехмерного макета сопряженного и гармонизированного с виртуальной копией двигателя.

Макет имеет настольное исполнение и приводится в движение сжатым воздухом.

Материалы: пластик и металл.

Как функционирует газотурбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель — представляет собой тепловой силовой агрегат, который осуществляет свою работу по принципу реорганизации тепловой энергии в механическую.

Ниже подробно рассмотрим, как работает газотурбинный двигатель, а также его устройство, разновидности, преимущества и недостатки.

Отличительные черты газотурбинных двигателей

Сегодня наиболее широко подобный тип моторов используется в авиации. Увы, но из-за особенностей устройства они не могут применяться для обычных легковых автомобилей.

По сравнению с другими агрегатами внутреннего сгорания газотурбинный движок обладает наибольшей удельной мощностью, что является его основным плюсом. Помимо этого такой двигатель способен функционировать не только на бензине, но и на множества других видах жидкого горючего. Как правило, он работает на керосине либо на дизельном горючем.

Газотурбинный и поршневой двигатель, которые устанавливаются на «легковушках» за счет сжигания топлива изменяют химическую энергию горючего в тепловую, а затем и в механическую.

Но сам процесс у данных агрегатов немного различается. И в том и в другом движке сначала осуществляется забор (то есть воздушный поток поступает в мотор), затем происходит сжатие и впрыск горючего, после этого ТВС загорается, вследствие чего сильно расширяется и в результате выбрасывается в атмосферу.

Различие состоит в том, что в газотурбинных аппаратах все это проходит в одно время, но в различных частях агрегата. В поршневом же все осуществляется в одной точке, но по очередности.

Проходя через турбинный мотор, воздух сильно сжимается в объеме и благодаря этому увеличивает давление почти в сорок раз.

Единственное движение в турбине это вращательное, когда как в иных агрегатах внутреннего сгорания, помимо вращения коленвала также происходит движение поршня.

КПД и мощность газотурбинного двигателя выше чем у поршневого, несмотря на то, что вес и размеры меньше.

Для экономного потребления топлива газовая турбина оснащена теплообменником — диском из керамики, который функционирует от двигателя с небольшой частотой вращения.

Устройство и принцип работы агрегата

По своей конструкции движок не очень сложный, он представлен камерой сгорания, где оборудованы форсунки и свечи зажигания, которые необходимы для подачи горючего и добычи искрового заряда. Компрессор оснащен на валу вместе с колесом, обладающим особыми лопатками.

Помимо этого мотор состоит из таких составляющих как — редуктор, канал впуска, теплообменник, игла, диффузор и выпускной трубопровод.

Во время вращения компрессорного вала, воздушный поток, поступающий через канал впуска, захватывается его лопастями. После увеличения скорости компрессора до пятисот м в секунду, он нагнетается в диффузор. Скорость у воздуха на выходе диффузора снижается, но давление увеличивается. Затем воздушный поток оказывается в теплообменнике, где происходит его нагрев за счет отработанных газов, а после этого воздух подается в камеру сгорания.

Читать еще:  Ваз щелчки двигателя не заводится

Вместе с ним туда попадает горючее, которое распыляется через форсунок. После того как топливо перемешивается с воздухом, создается топливно-воздушная смесь, которая загорается благодаря искре получаемой от свечи зажигания. Давление в камере при этом начинает увеличиваться, а турбинное колесо приводится в действие за счет газов попадающих на лопатки колеса.

В итоге осуществляется передача крутящего момента колеса на трансмиссию авто, а отходящие газы выбрасываются в атмосферу.

Плюсы и минусы двигателя

Газовая турбина, как и паровая, развивает большие обороты, что позволяет ей набирать хорошую мощность, несмотря на свои компактные размеры.

Охлаждается турбина очень просто и эффективно, для этого не нужно каких-либо дополнительных приборов. У нее нет трущихся элементов, а подшипников совсем немного, за счет чего движок способен функционировать надежно и долгое время без поломок.

Главный минус подобных агрегатов в том, что стоимость материалов, из которых они изготавливаются довольно высокая. Цена на ремонт газотурбинных двигателей тоже немалая. Но, несмотря на это они постоянно совершенствуются и разрабатываются во многих странах мира, включая нашу.

Газовую турбину не устанавливают на легковые автомобили, прежде всего из-за постоянной нужды в ограничении температуры газов, которые поступают на турбинные лопатки. Вследствие этого понижается КПД аппарата и повышается потребление горючего.

Сегодня уже придуманы некоторые методы, которые позволяют повысить КПД турбинных двигателей, например, с помощью охлаждения лопаток или применения тепла выхлопных газов для обогрева воздушного потока, который поступает в камеру. Поэтому вполне возможно, что через некоторое время разработчики смогут создать экономичный двигатель своими руками для автомобиля.

Среди главных преимуществ агрегата можно также выделить:

  • Низкое содержание вредоносных веществ в выхлопных газах;
  • Простота в обслуживании (не нужно менять масло, а все детали обладают износостойкостью и долговечностью);
  • Нет вибраций, поскольку есть возможность запросто сбалансировать вращающейся элементы;
  • Низкий уровень шума во время работы;
  • Хорошая характеристика кривой крутящего момента;
  • Заводиться быстро и без затруднений, а отклик двигателя на газ не запаздывает;
  • Повышенная удельная мощность.

Виды газотурбинных двигателей

По своему строению данные агрегаты разделяются на четыре типа. Первый из них это турбореактивный, его в большинстве своем устанавливают на военные самолеты, обладающие высокой скоростью. Принцип работы заключается в том, что газы, выходящие на большой скорости из мотора, через сопло толкают самолет вперед.

Другой тип — турбиновинтовой. Его устройство от первого отличается тем, что он имеет еще одну секцию турбины. Данная турбина составлена из ряда лопаток, которые забирают остаток энергии у газов, прошедших через турбину компрессора и благодаря этому осуществляют вращение воздушного винта.

Винт может располагаться как в задней части агрегата, так и в передней. Отходящие газы выводятся через выхлопные трубы. Такой реактивный аппарат оснащается на самолетах, летающих на низкой скорости и на малой высоте.

Третий тип — турбовентиляторный, который похож по своей конструкции на предыдущий двигатель, но у него 2-я турбинная секция забирает энергию у газов не полностью и поэтому подобные движки также обладают выхлопными трубами.

Главная особенность такого двигателя в том, что его вентилятор, закрытый в кожух, работает от турбины низкого давления. Поэтому движок называют еще 2-х контурным, поскольку воздушный поток проходит через агрегат, являющейся внутренним контуром и через свой внешний контур, необходимый только лишь для направления потока воздуха, который толкает мотор вперед.

Самые новейшие самолеты оборудованы именно турбовентиляторными двигателями. Они эффективно функционируют на большой высоте, а также отличаются экономичностью.

Последний тип — турбовальный. Схема и устройство газотурбинного двигателя этого типа почти такая же, как и у прошлого движка, но от его вала, который присоединен к турбине, приводится в действие практически все. Чаще всего его устанавливают в вертолеты, и даже на современные танки.

Двухпоршневой и малоразмерный двигатель

Наиболее распространен двигатель с двумя валами, оборудованный теплообменником. В сравнении с агрегатами, у которых всего 1 вал, такие аппараты более эффективные и мощные. 2-х вальный двигатель оснащен турбинами, одна из которых предназначена для привода компрессора, а другая для привода осей.

Подобный агрегат обеспечивает машине хорошие динамические характеристики и сокращает кол-во скоростей в трансмиссии.

Также существуют малоразмерные газотурбинные двигатели. Они состоят из компрессора, газо-воздушного теплообменника, камеры сгорания и двух турбин, одна из которых находятся в одном корпусе со сборником газа.

Малоразмерные газотурбинные двигатели применяются в основном на самолетах и вертолетах, которые преодолевают большие расстояние, а также на беспилотных летательных устройств и ВСУ.

Агрегат со свободно поршневым генератором

На сегодняшний день аппараты этого типа являются наиболее перспективными для авто. Устройство движка представлено блоком, который соединяет поршневой компрессор и 2-х тактовый дизель. В середине находится цилиндр с наличием двух поршней объединенных друг с другом с помощью специального приспособления.

Работа движка начинается с того, что воздух сжимается во время схождения поршней и происходит возгорание горючего. Газы образуются за счет сгоревшей смеси, они способствуют расхождению поршней при повышенной температуре. Затем газы оказываются в газо-сборнике. За счет продувочных щелей в цилиндр попадает пережатый воздух, помогающий очистить агрегат от отработанных газов. Затем цикл начинается заново.

Самолет на атомной тяге и другие шедевры GE Aviation. История реактивных двигателей

Когда Соединенные Штаты Америки вступили в Первую мировую войну, авиация находилась еще в отрочестве. Но уже тогда молодому авиационному ведомству армии США требовались такие самолеты, которые летали бы выше и не теряли бы при этом мощности.
У Сэнфорда Мосса — инженера компании GE и одного из ярчайших умов в отрасли паровых турбин — возникла на этот счет интересная идея. Он был первым в мире, кто додумался, как использовать горячий выхлопной газ для работы турбины, и он предположил, что этот принцип можно применить и к аэропланам.

Мосс и его бюро начали проектировать устройство под названием «турбокомпрессор», выхлопные газы которого использовались для работы небольшой турбины. Она, в свою очередь, увеличивала давление воздуха в цилиндрах и придавала двигателю больше энергии — особенно на больших высотах, где воздух более разрежен.

В 1918 году Мосс отвез это устройство на гору Пайкс-Пик в Колорадо (высота 4267 м, см. рис. выше) и доказал, что авиационный двигатель Liberty V-12 с компрессором работает на такой высоте гораздо лучше, чем обычный двигатель. Правительству это решение понравилось, и компания GE получила соответствующий заказ.

Мосс приспособил свой турбокомпрессор, который он испытывал на горе Пайкс-Пик, для установки на самолете.
Благодаря этому контракту GE вошла в сферу авиастроения, и с этого начался ее взлет. В 2013 году авиаподразделение компании получило $ 22 млрд. выручки с изготовления авиакомпонентов, авионики и, конечно же, собственно двигателей. Сейчас в мире эксплуатируется более 30 тыс. единиц авиатехники GE/ двигателей от GE — начиная от турбовинтовых самолетов сельхозавиации и самолетов местного сообщения до самых больших и самых мощных в мире реактивных двигателей самолетов «Боинг-777».

Читать еще:  Что такое конденсат в двигателе автомобиля

Давайте, познакомимся с историей подразделения GE Aviation.

Первый авиационный турбокомпрессор: в 1921 году на биплане Ле Пера (см. выше), оборудованном турбокомпрессором Мосса, был поставлен мировой рекорд высоты — 12435 метров. В 1937 Говард Хьюз использовал это устройство для своего рекордного трансконтинентального перелета из Ньюарка (Нью-Джерси) в Лос-Анджелес, который длился 7 часов 28 минут и 25 секунд. Авиаподразделение GE изготавливало турбокомпрессоры в течение нескольких десятилетий. Более современные версии этой технологии использовались на американских бомбардировщиках В-17, В-24 и В-29 во время Второй мировой войны. Так как тогда GE еще не изготавливала двигатели полностью, она работала с поршневыми двигателями Pratt & Whitney и Curtiss-Wright.

Первый реактивный двигатель в США: осенью 1941 года засекреченная группа инженеров GE под названием «Хаш-хаш бойз» («Ребята Шшш!», на фото выше) использовала двигатель Фрэнка Уиттла для разработки первого американского реактивного двигателя. Прототип поднялся в воздух в 1942 году, а в 1944 году реактивный двигатель поступил в производство. Он использовался для самолета «Локхид Р-80 Шутинг Стар» — первого реактивного истребителя в арсенале ВВС США.

Первый коммерческий реактивный двигатель в США: в 1947 году двигатель J47, произведенный GE, стал первым реактивным двигателем, сертифицированным для коммерческой авиации в США. Компания произвела их более 35 000 единиц по цене $ 32 000 каждый. Они применялись для широкого круга задач. Один такой двигатель использовался в реактивном автомобиле «Спирит оф Америка», а два других приводили в движение реактивный поезд, который до сих пор считается самым быстрым в мире (см. выше).

Первые сверхзвуковые двигатели: в 1948 г. компания GE наняла немецкого пионера авиации Герхарда Ноймана, который незамедлительно приступил к работам по реактивному двигателю. Он создал революционную конструкцию, благодаря которой летчики могли поворачивать лопатки у статора двигателя (см. выше). При этом менялось внутреннее давление, и самолет мог лететь быстрее скорости звука. Когда в GE начали испытывать первый реактивный двигатель с поворотными лопатками Ноймана, инженеры даже подумали, что их приборы неисправны — такова была вырабатываемая мощность.

В 1960-е гг. самолеты «XB-70 Валькирия» с двигателем GE (см. выше) достигали скорости более чем 3 Маха — это в три раза больше скорости звука.

Два экспериментальных реактора для испытания реактивных атомных двигателей в Арко, штат Айдахо. Графические материалы предоставлены: Wtshymanski.
Атомный реактивный двигатель: в 1954 GE поставила атомный реактивный двигатель на испытательный стенд в Арко, штат Айдахо. Он проработал в безотказном режиме более 100 часов перед тем, как проект был отправлен в архив. Предполагалось, что в самолете будет использоваться тепло от атомного реактора — самолет с такими двигателями теоретически мог бы оставаться в воздухе и сутками, и неделями. Хотя ВВС США и приспособили бомбардировщик «В 36 Peacemaker» под установку атомного реактора, на практике эти двигатели никогда не использовались.

Первый турбовентиляторный двигатель с высокой степенью двухконтурности: в 1960-х гг. инженеры GE занялись разработкой нового мощного реактивного двигателя, который мог бы поднимать тяжелые грузы и переносить их на дальние расстояния, но при этом и мог более эффективно расходовать топливо. В итоге был создан двигатель TF39 (см. выше), обеспечивавший тягу в более чем 18 000 килограммов). Хотя он разрабатывался для военных задач, последующие версии этого двигателя (семейство CF 6) использовались и для пассажирских самолетов — «Боинг-747», «DC 10», «Локхид L1011» и «Эйрбас А-300». Двигатели типа CF-6 и сейчас используются для президентского борта № 1 США.

Первый турбовентилятор с открытым ротором: после нефтяного кризиса в 1970-е гг. GE и NASA разработали забавно выглядящий двигатель под названием «турбовентилятор с открытым ротором» (см. рис. выше, а также основной рисунок). Этот двигатель, названный GE36, стал своего рода гибридом между реактивным и винтовым двигателем. В этой экономичной машине впервые были использованы лопатки, изготовленные из легких и прочных углеродно-волоконных композитных материалов. GE до сих пор является единственной компанией-производителем реактивных двигателей, которая использует эти материалы для лопаток таких двигателей. В 1988 г. пассажирский лайнер «MD-80» с двигателем GE36 совершил полет из США в Англию на авиашоу в Фарнборо (смотрите архивную съемку демонстрационного полёта).

Самый большой и самый мощный двигатель в мире: хотя турбовентилятор с открытым ротором и не стал популярным, технология производства углеродно волоконных лопаток позволила инженерам GE создать новую линию массивных турбовентиляторов с высокой степенью двухконтурности. К этому относится и двигатель GE90-115B (см. выше) (самый мощный в мире реактивный двигатель, с тягой более 52 000 килограммов), двигатель GEnx, а также GE9X — самый большой в мире двигатель с вентилятором диаметром 3,25 метра (этот двигатель до сих пор находится в разработке).

Первые двигатели с деталями, изготовленными на 3D-принтере, и из новых керамических материалов: реактивный двигатель LEAP — первый реактивный двигатель с топливными форсунками, выполненными на 3D-принтере, и с компонентами, изготовленными из прочных композитных материалов с керамической матрицей (КМКМ), которые весят гораздо меньше, чем материалы даже из высокосортных сплавов. Двигатель LEAP, который на 15% экономичнее сравнимых с ним двигателей GE, был разработан компанией CFM International — совместным предприятием GE Aviation и Snecma (Safran), Франция. CFM получила заказов и гарантий более чем на $100 млрд. США на более 7700 двигателей LEAP, даже если они и не будут введены в эксплуатацию до 2016 г.

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.

Читать еще:  Двигатель b20b на каком бензине

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.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector