Как это работает. Турбореактивный двухконтурный двигатель
Фото: ОАК
22 апреля 1941 года конструктор Архип Люлька получил авторское свидетельство на схему турбореактивного двухконтурного двигателя. Сегодня по схеме Люльки выпускается большинство турбореактивных двухконтурных двигателей в мире.
Об устройстве турбореактивных двухконтурных двигателей и новых возможностях, которые они принесли в авиацию, – в нашем материале.
История создания
Поршневые двигатели, аналогичные тем, которые и сегодня стоят под капотом любой легковушки, поднимали в небо самолеты в первые сорок лет истории авиации. Во время Второй мировой войны, когда скорость боевых машин имела критическое значение, стало понятно, что поршневые самолеты подошли к своему пределу, и нужно искать что-то новое.
Этим новым стал реактивный двигатель.
Еще в 1903 году, когда взлетали первые самолеты братьев Райт, Константин Циолковский предложил применять реактивную тягу для преодоления притяжения Земли в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В СССР самым успешным проектом ТРД стали работы авиаконструктора Архипа Люльки. Разрабатывать тему он начал еще в 1930-е годы. Осенью 1940 года группа конструктора в Ленинграде закончила проект двигателя, получившего название РД-1. В 1941 году Люлька запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, которая и сегодня является эталоном для подобных силовых установок во всем мире.
Турбореактивный двигатель РД-1
К началу Великой Отечественной войны команда Люльки успела на 70% выполнить двигатель РД-1 в металле, но эвакуация на Урал прервала работы. Когда стало известно, что немцы достигли успеха в реактивном двигателестроении, об Архипе Люльке вспомнили.
Вместе с командой саперов конструктор смог вывезти из блокадного Ленинграда чертежи и детали своего реактивного первенца и возобновить разработки. В 1947 году состоялся первый полет истребителя-перехватчика Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработанными в конструкторском бюро Архипа Люльки. Это была победа конструктора и начало длительного сотрудничества с КБ Павла Сухого.
Принцип работы турбореактивного двигателя
Если говорить совсем просто, не погружаясь в глубины термодинамики, то турбореактивный двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию в механическую работу. В качестве носителя энергии выступает атмосферный воздух, который, сжимаясь и расширяясь в двигателе, приводит самолет в движение.
Для получения максимального полезного эффекта в ТРД воздух перед сжатием необходимо охладить, а перед расширением нагреть. Поэтому механизм турбореактивного двигателя можно условно разделить на устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения.
Сам процесс работы двигателя можно описать следующим образом. Воздух затягивается внутрь установки посредством компрессора с рядами рабочих лопаток на оси и затем сжимается. Далее в камере сгорания воздух смешивается с продуктами горения топлива, нагревается и расширяется. Затем расширенный газ на огромной скорости подается на турбину, также оснащенную лопатками, которая в свою очередь вращает компрессор. После этого раскаленный газ вырывается наружу через реактивное сопло, толкая самолет вперед. Скорость самолета при этом зависит от массы и скорости выходящих газов.
Самой нагруженной частью ТРД является турбина, скорость вращения которой может составлять до 30 тыс. оборотов в минуту. А температура в камере сгорания может подниматься до 1,5 тыс. °C.
Чем отличается двухконтурный ТРД
В 1950-е годы, когда турбореактивные двигатели распространились в авиации, встал вопрос об их «прожорливости», то есть об уменьшении потребления топлива при сохранении мощности.
Конструктор предложил добавить в установку еще один воздушный контур. При этом поступающий в двигатель воздух делится на два потока. Один поток, как и в прежних ТРД, поступает во внутренний контур. Другой поток воздуха проходит по внешнему контуру, минуя нагрев, и выбрасывается сразу в сопло вместе с горячими газами, что и создает дополнительную тягу.
Таким образом при сохранении нужной скорости можно экономить топливо. На дозвуковых скоростях турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) обеспечивает экономный режим, а при необходимости самолет может выходить в режим форсажа и достигать сверхзвуковых скоростей. По этой схеме сегодня работает большинство турбореактивных двигателей в мире.
Двигатель АЛ-31Ф М2. Фото: wikimedia.org
Важным параметром в ТРДД является степень двухконтурности, то есть соотношение объемов газов, проходящих по внешнему и внутреннему контуру.
Чем выше показатель, тем менее «прожорлив» двигатель. Для военных самолетов, где расход топлива не так критичен, как большая тяга, применяются ТРДД с низкой степенью двухконтурности. А в пассажирских самолетах основная тяга двигателя создается за счет внешнего контура, поэтому они более экономичны, что влияет на стоимость перелетов.
Архип Люлька не дожил всего год до окончания государственных испытаний своего детища в 1985 году, но застал его массовый старт. Производство первого советского ТРДД, получившего название АЛ-31Ф в честь своего создателя, началось в 1981 году. Этот турбореактивный двухконтурный двигатель стал основой для целого семейства силовых установок, предназначенных для военной авиации. ОКБ имени А. Люльки – филиал ПАО «ОДК-УМПО» продолжает модернизировать АЛ-31 – возможности для его развития еще далеко не исчерпаны.
ЦИАМ представит на МФД-2022 перспективные российские двигатели для местных воздушных линий и малой авиации
24 Октября 2022
Малоразмерные авиационные двигатели разного типа и назначения станут одной из важных тем экспозиции Центрального института авиационного моторостроения имени П.
И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») на Международном форуме двигателестроения – 2022.
На стенде будут представлены демонстраторы перспективных отечественных поршневых (АПД), роторно-поршневых, электрических и малоразмерных газотурбинных двигателей в диапазоне мощности 70-500 л.с. Институт является головным исполнителем работ по созданию демонстраторов технологий для этих двигателей, формируя научно-технический задел для обеспечения плавного перехода от научно-исследовательской к опытно-конструкторской работе и ускорения передачи изделий в серийное производство.
Турбореактивный одноконтурный ТРД-70 и турбореактивный двухконтурный ТРДД-200, тягой соответственно 70 и 200 кгс, относятся к семейству перспективных малоразмерных двигателей-демонстраторов низкой стоимости, разрабатываемых ЦИАМ по заказу Минпромторга России. Они создаются на базе унифицированного газогенератора, особенностью которого являются сокращенное до минимума число деталей и объединенные функции конструктивных элементов.
Посетители экспозиции ЦИАМ смогут увидеть двигатель-демонстратор АПД-500 (мощность 500 л.с.), адаптированный ЦИАМ для авиационного применения из автомобильного мотора линейки двигателей ЕМП ФГУП «НАМИ». НИР, заказчиком которой также является Минпромторг России, будет завершена в этом году. АПД-500 успешно прошел серию наземных и высотно-климатических испытаний, в т.ч. в составе силовой установки экспериментального самолета на базе Як-18Т. В перспективе он сможет применяться для ремоторизации учебно-тренировочных и сельскохозяйственных самолетов, а также для перспективных ЛА, в т.ч. двухдвигательных.
Еще одна поршневая инновация – разрабатываемый ЦИАМ свободнопоршневой авиационный поршневой двигатель. Отсутствие в двигателе механизма – преобразователя возвратно-поступательных движений поршней во вращение выводного вала упрощает конструкцию, снижает его массу, повышает надежность силовой установки.
Такие двигатели предполагается использовать в паре с линейным электрогенератором в составе силовых установок для легкомоторных «более электрических» самолетов.
В развитие технологий «электрического» будущего авиации на стенде будет демонстрироваться разрабатываемый ЦИАМ отказоустойчивый 6‑фазный электродвигатель-демонстратор ЭД-360 (мощность 360 кВт) для силовой установки легкого вертолета. Будет представлена информация и о других реализуемых ЦИАМ проектах по отработке технологий гибридных и электрических силовых установок, в том числе о работах по направлениям «Интеллектуальный двигатель» и «Электрический ГТД», нацеленным на поиск новых эффективных методов управления двигателями.
Направление роторно-поршневых двигателей будет представлено демонстратором авиационного РПД-100Т, разработанным по заказу Фонда перспективных исследований. Односекционный РПД-100Т блочно-модульной конструкции, укомплектованный деталями из композиционных материалов и отечественной системой турбонаддува, обладает высокими удельными характеристиками, малыми габаритами и широким диапазоном условий эксплуатации, которые подтверждены результатами ресурсных и высотно-климатических испытаний на стендах ЦИАМ.
ЦИАМ работает не только над новыми конструктивными схемами, но и исследует применение в двигателях будущего перспективных материалов и технологий. На стенде можно будет увидеть демонстраторы элементов и узлов двигателей, в которых использованы новейшие решения. Это, например, унифицированный редуктор малоразмерного ГТД, напечатанная методом селективного лазерного спекания полая лопатка ТНД с бандажной полкой, спроектированная методом топологической оптимизации; сегмент соплового аппарата турбины из алмаз-карбидкремниевого материала; «ветвистый» теплообменник и многие другие интересные экспонаты.
Также на стенде будут представлены демонстраторы элементов перспективной силовой установки для сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) нового поколения: модель плоского сопла ТРДД с эжектором и экранирующими элементами планера СПС; сверхзвуковой пространственный воздухозаборник и шумоподавляющее секторное сопло.
МФД-2022 пройдет с 26 по 28 октября 2022 года в 57 павильоне ВДНХ, г.
Москва. Организаторы форума – Минпромторг России и АССАД. В рамках МФД состоится Научно-технический конгресс по двигателестроению. Приглашаем посетить стенд ЦИАМ на МФД-2022 и принять участие в мероприятиях Конгресса.
Как работают реактивные двигатели?
Мэтью Джонстон
Пилоты должны хорошо разбираться во всех аспектах управления самолетом, чтобы обеспечить безопасный и эффективный полет. В этом руководстве рассматривается вопрос: как работают реактивные двигатели?
1. Разработка реактивного двигателя
2. Принципы и механика реактивных двигателей
3. Реактивное топливо
4. В чем разница между реактивными двигателями и турбовинтовыми двигателями?
Для тех, кто родился в реактивном веке, эта технология легко воспринимается как нечто само собой разумеющееся.
Даже на реактивном самолете дальние путешествия, такие как из Флориды на Гавайи, могут занять несколько часов, но представьте себе полет без мощных реактивных двигателей, которые могут обеспечить реактивные двигатели. Пилотам, которые летают на реактивных самолетах, требуется рейтинг типа и другие сертификаты, выходящие за рамки частного сертификата, а те, кто уполномочен действовать в качестве командира пилота (PIC), посвящают учебное время изучению того, как работают реактивные двигатели. Четкое понимание этого позволяет пилотам летать безопасно, более эффективно и с большим пониманием того, как двигатель работает с аэродинамическими силами, чтобы приземлиться, совершить крейсерский полет и снова взлететь.
Разработка реактивного двигателя
Чтобы в полной мере оценить важность реактивного двигателя и его место в авиации, лучше всего знать, как они появились и что они по большей части заменили. Первые мечтатели авиации делали наброски прототипов реактивных двигателей еще до того, как стали возможны воздушные шары и планеры.
До появления реактивных самолетов самолеты приводились (и многие до сих пор) в движение с поршневыми и винтовыми двигателями. В то время как разработка турбовинтовых двигателей помогла увеличить скорость, тягу и мощность самолетов, авиационные инженеры все еще пытались использовать реактивную мощность.
Как и большинство инноваций в области авиации, разработка реактивных двигателей была вызвана войной. Горстка первых пионеров авиации, в том числе Сэмюэл Лэнгли, финансировалась военным министерством США для обеспечения полета человека с двигателем, чтобы его можно было использовать в качестве оружия. Хотя первый полет братьев Райт состоялся всего за несколько лет до начала Первой мировой войны, авиационные технологии быстро продвинулись во время войны до такой степени, что воздушные бои между самолетами происходили в самолетах с открытой кабиной.
Вторая мировая война подтолкнула ученых и инженеров к разработке не только ракет и ракетной техники, но и реактивных двигателей.
Еще в 1939 году реактивные двигатели существовали, но в основном в лабораториях. Немецкий физик Ганс ван Охайн разработал работоспособный реактивный двигатель, который можно было использовать в истребителе. Сам самолет был построен компанией Messerschmitt и получил название Me 262. Как и все реактивные самолеты, самолет потреблял огромное количество топлива, и инженеры испытывали трудности с этой ранней версией, так как было трудно удерживать его в воздухе, когда расходные материалы были в большом спросе. Он не летал много, но это был сильный первый шаг. В то же время британский новатор Фрэнк Уиттл разработал собственный реактивный двигатель, который использовался в Gloster Meteor. Иногда его использовали в качестве оборонительной меры, но его относительная низкая скорость делала его непрактичным для ведения боевых действий за границей.
После войны применение реактивных двигателей перешло к пассажирским авиалиниям. Как только это стало возможным, авиаперелеты стали намного дешевле и доступнее.
Считается, что эпоха реактивных самолетов началась в 1958 году, когда ныне несуществующая авиакомпания Pan American Airlines начала полеты за границу на самолетах Boeing 707.
Принципы и механика реактивных двигателей
Огромная скорость реактивного двигателя работает в соответствии с Третьим законом физики («Каждое действие равно противодействию».) Третий закон приводится в действие тяга, создаваемая газовыми турбинами внутри. В передней части реактивного двигателя вентилятор всасывает воздух. (Если вы посмотрите на реактивный двигатель пассажирского реактивного самолета, вы увидите лопасти этого вентилятора.) Затем воздух удерживается внутри двигателя, где компрессор подает его под давлением. Компрессор содержит несколько вентиляторов, все они снабжены лопастями и закреплены на валу.
После того, как эти вентиляторы выполнили свою работу по сжатию воздуха, подается топливо. Затем зажигается искра, в результате чего смесь топлива и воздуха воспламеняется.
Затем эта комбинация быстро расширяется и направляется через сопло, расположенное в задней части двигателя. Эта концентрированная энергия и есть тяга, которая приводит в движение самолет. Реакция происходит с экстремальной скоростью, и турбины большинства современных реактивных двигателей вращаются более 10 000 раз в минуту. В просторечии многие летные инструкторы описывают этот процесс своим ученикам как «сосать, сжимать, хлопать, дуть».
Реактивное топливо
Что в топливной смеси вызывает такую мощную реакцию? Реактивное топливо технически известно как авиационное турбинное топливо или ATF. В то время как в первоначальных экспериментах с реактивным двигателем использовалась энергия пара, а ранние поршневые двигатели работали на бензине. Современные реактивные двигатели летают на топливе на основе керосина, и делают это с конца Второй мировой войны, и в мире авиации это обычно сокращается как «автур».
ATF обычно прозрачная или светло-желтая.
Он состоит из смеси углеводородов и по соображениям безопасности обрабатывается в соответствии с международными спецификациями и стандартами. В коммерческой авиации большинство реактивных двигателей используют топливо, известное как Jet A и Jet A-1. Разница между Jet A и Jet A-1 в том, что Jet A замерзает при 40 градусах ниже нуля, а Jet A-1 — при -53 градусах. В большинстве самолетов авиации общего назначения с газотурбинными двигателями используется состав под названием Jet B, тип характеристик, специально разработанный для холодной погоды.
В чем разница между реактивными двигателями и турбовинтовыми двигателями?
Реактивные двигатели не используют пропеллеры; так сказать, «пропеллеры» находятся внутри двигателя самолета в функции вентилятора. Однако они неэффективны, а авиакеросин стоит дорого. Турбовинтовые самолеты — это сочетание современных технологий и инновационного использования легких материалов.
Если турбовинтовой самолет считается переходным летательным аппаратом между поршневыми и реактивными самолетами, то почему самолеты с ними до сих пор летают? Турбовинтовые становятся все реже, но они все еще используются на региональных авиалиниях и самолетах авиации общего назначения.
Их предпочитают многие пилоты, потому что они, как правило, менее автоматизированы и гораздо более эффективны при коротких поездках. Например, имеет смысл запустить реактивный двигатель, чтобы лететь из штата Мэн в Неваду, но более короткий перелет из Колорадо в Нью-Мексико более эффективен при меньшем количестве топлива. В этих обстоятельствах чаще всего выбирают турбовинтовые самолеты.
Мэтью Джонстон
Г-н Мэтью А. Джонстон имеет более чем 23-летний опыт работы на различных должностях в сфере образования и в настоящее время является президентом Калифорнийского университета аэронавтики. Он поддерживает членство и является поддерживающим участником нескольких ассоциаций по продвижению и защите авиации, включая Ассоциацию университетской авиации (UAA), Региональную ассоциацию авиакомпаний (RAA), AOPA, NBAA и EAA с программой Young Eagles. Он гордится своим сотрудничеством с авиакомпаниями, авиационными предприятиями и отдельными авиационными профессионалами, которые вместе с ним работают над развитием Калифорнийского университета аэронавтики как лидера в обучении авиационных специалистов.
«Самые удивительные машины из когда-либо созданных»: как работают реактивные двигатели
Когда вы садитесь в самолет, вы могли заметить этот маленький водоворот или белое пятно в самой середине двигателя, медленно вращающееся, как оптическая иллюзия. За этим водоворотом скрывается, вероятно, самая сложная инженерная конструкция из когда-либо созданных: один из реактивных двигателей, приводящих в движение ваш самолет.
«Контакта металл-металл нет. Они могут работать тысячи часов — 60 000 часов — в зависимости только от воздуха и топлива. Компоненты невероятно долговечны», — сказал доктор Магди Аттиа, профессор аэрокосмической техники в Авиационный университет Эмбри-Риддла.
Чудо современной техники (Фото Даррена Мерфа / The Points Guy)Я поговорил с доктором Аттиа и Джеймсом Спейчем, директором по маркетингу Pratt & Whitney Commercial Engines, чтобы понять, как работает реактивный двигатель.
Аттиа — давний эксперт в области аэрокосмической техники; у него есть несколько аэрокосмических патентов на его имя, а также множество рецензируемых публикаций.
Он также руководит исследовательским центром газовых турбин в университете. Спейч — инженер-механик, проработавший в Pratt 45 лет; он набрался опыта, работая над ранними компьютерными моделями реактивных двигателей и над PW4000, преемником первого двигателя, разработанного Праттом для Boeing 747. Подробнее об этом позже.
Думаю, мы в надежных руках.
Перво-наперво: много воздуха. Действительно много.Принцип работы реактивных двигателей состоит в том, что они всасывают воздух, много воздуха, смешивают его с топливом и выбрасывают образовавшиеся газы наружу с большой скоростью. Это двигает двигатель вперед за счет реакции, а также прикрепленный к нему самолет.
Но современные реактивные двигатели работают не совсем так. На самом деле, большая часть тяги, генерируемой современным реактивным двигателем, создается просто перемещением невероятный объем воздуха, все сразу, очень быстро. Полный 90% воздух, поступающий в двигатели, проходит насквозь, не смешиваясь с топливом и не воспламеняясь.
Лопасти вентилятора в передней части являются рабами ядра двигателя, и это ядро заставляет эти вентиляторы выполнять всю тяжелую работу.
На заре реактивного двигателя в самолетах использовался тип реактивного двигателя, который больше не предназначен для коммерческого использования: турбореактивный двигатель, в котором весь воздух, всасываемый в двигатель, проходит через его сердцевину. В наши дни реактивные самолеты вместо этого используют турбовентиляторные двигатели, которые выталкивают почти весь воздух, который они заглатывают9.0092 вокруг ядра двигателя. Они тише и намного эффективнее турбореактивных двигателей.
Самые большие реактивные лайнеры, находящиеся в эксплуатации сегодня, имеют двигатели с чрезвычайно высокой степенью двухконтурности, в которых существует высокое соотношение между воздухом, ускоряемым через двигатель, минуя ядро, и воздухом, поступающим в ядро самого двигателя. Огромный диаметр этих двигателей, таких как у Boeing 777, связан с необходимостью иметь гигантский вентилятор спереди.
гражданских турбореактивных двигателя перестали летать с Concorde, которые даже использовали то, что можно найти только на сверхзвуковых истребителях и бомбардировщиках: форсажные камеры — буквально впрыскивая топливо в выхлопную трубу для создания огромной тяги — чтобы помочь ускориться на взлете, а позже в полете — преодолеть звуковой барьер.
Конкорд взлетает с включенными форсажными камерами (Фото: Aviation-images.com/UIG через Getty Images)В наши дни вы не увидите, как пламя вырывается из хвостовой части гражданских самолетов при взлете.
Энергия тяги — это ключ Теория, применяемая на практике с турбовентиляторными двигателями, называется эффективностью тяги. Гораздо эффективнее перемещать большой объем воздуха с относительно низкой скоростью, чем перемещать небольшой объем воздуха с более высокой скоростью.
(Аттия повторял мне это изречение наизусть). «Как правило, при взлете от 70% до 80% тяги обеспечивается байпасом, а около 20% обеспечивается самой активной зоной. Когда самолет достигает крейсерской высоты, эта величина стремится к 9От 5% до 100% тяги обеспечивается байпасом», — сказал Аттиа. Турбореактивные двигатели, как и на «Конкорде», вообще не имели байпаса, что делало их очень дорогими в эксплуатации. Чтобы заставить этот реактивный рев , двигатели должны были сжигать много топлива
«Сосать, сжимать, хлопать, дуть» — так пилоты запоминают различные этапы работы двигателя
Упрощенный макет Сердечник реактивного двигателя и вентилятор Изображение предоставлено Pratt & Whitney, изменено авторомВсасывание
Передний вентилятор всасывает воздух. 10 процентов этого воздуха уходит в так называемую «сердцевину» двигателя. 90 процентов ускоряются и перемещаются вокруг ядра.
Сжатие
Воздух, попавший в ядро, проходит через ряд маленьких вращающихся лопастей, прикрепленных к валу, называемому компрессором .
Акт вращения воздуха вызывает крутящий момент, который заставляет воздух ускоряться и увеличивает его давление.
Взрыв
Затем топливо впрыскивается в сжатый воздух и воспламеняется в камере сгорания.
Выдувание
Затем быстро расширяющаяся горячая газовая смесь проходит через другой набор лопастей вентилятора, называемый турбиной . Эти газы улавливаются маленькими лопастями турбины, заставляя турбину вращаться.
Невероятная турбина.
Вращающаяся турбина вращает вал, который заставляет компрессоры вращаться и крутит вентилятор на самом переднем плане. Ключевой вывод: весь смысл сердечника двигателя в том, чтобы вращать вентилятор спереди, а не обеспечивать большую часть тяги.
«Турбина преобразует тепловую энергию, вырабатываемую при сгорании, обратно в механическую энергию. Это маленькие лопасти турбины, которые вращаются и соединены с валом, который соединен с самим компрессором и вентилятором», — объяснил Аттиа.
Этот вал турбины вращается со скоростью около 20 000 об/мин, что очень, очень быстро.
Итак, сколько воздуха необходимо, чтобы обеспечить движение вперед, достаточное для работы крыльев и создания подъемной силы?
53 грузовика UPS Обычный реактивный двигатель пропускает 53 грузовика UPS воздуха в секунду. (Фото Дэвида Л. Райана/The Boston Globe через Getty Images)Типичный реактивный двигатель потребляет около 1500 кг воздуха в секунду. Плотность воздуха на уровне моря составляет около 1,2 килограмма на кубический метр. Доктор Аттиа сделал для нас краткие подсчеты: типичный грузовик UPS имеет объем 23 кубометра, и, соответственно, реактивный двигатель тянет в объеме примерно 53 грузовика UPS стоимостью воздуха — 9 кубических метров.0092 в секунду.
— Массовый расход воздуха — самая важная часть уравнения тяги, — сказал Аттиа. Спейч согласился с этим, отметив, что компания Pratt & Whitney в течение 20 лет сосредоточилась на эффективности тяги: «нагнетая много воздуха», как он выразился.
Энергия, создаваемая лопастями вентилятора, ошеломляет. И у каждого производителя двигателей, кажется, есть красочный способ объяснить энергию, заключенную в одной лопасти. Один производитель сказал, что энергия одной работающей лопасти вентилятора может запустить небольшой автомобиль над семиэтажным зданием. Другой: достаточно поднять девять двухэтажных автобусов (или 13 слонов-быков)9.0007 Я поближе познакомился с турбовентиляторным двигателем с редуктором P&W (1900G) на самолете Embraer E2-190. Изображение предоставлено Embraer.
Лопасти вентилятора двигателей Pratt изготовлены из высокопрочного алюминиевого сплава с титановой передней кромкой. Другие производители реактивных двигателей используют полые титановые лопасти или лопасти, обернутые углеродным волокном. Забавный факт: сами лопасти вентилятора представляют собой мини-крылья, создающие подъемную силу.
Подойдя к двигателю, вы заметите, насколько близко концы вентилятора расположены к корпусу двигателя.
На самом деле, P&W изготовила их с такой точностью, что они немного трутся о внутреннюю резиновую оболочку, миллиметры, что создает небольшую канавку в резине. Допуски должны быть невероятно малы.
В полете лопасти вентилятора вращаются со скоростью около 3000 об/мин. Чуть выше — и наконечники вентиляторов начинают работать на сверхзвуке, производя огромное количество шума в виде пронзительного гула. Напротив, вал низкого давления вращается со скоростью 12 000 об/мин, а вал высокого давления — около 20 000 об/мин. Итак, как вы замедляете это вращение — переходя от высоких оборотов в задней части двигателя к более низким оборотам в передней части?
Назад к конструкции двигателя.
Прямо через середину сердечника проходит «вал внутри вала». Один вал вращает турбину низкого давления, компрессор низкого давления и вентилятор, которые вы можете видеть на схеме выше.
Другой вал вращает турбину высокого давления и компрессор высокого давления. Каждый компонент должен вращаться с разной скоростью для каждого этапа.
Чтобы замедлить скорость переднего вентилятора, «вам нужно больше ступеней низкого давления, чтобы вентилятор работал с меньшей скоростью, чем вал высокого давления», — сказал Спейч, имея в виду обычный двухконтурный двигатель. дизайн. Эти дополнительные ступени увеличивают вес и отрицательно сказываются на эффективности использования топлива.
И здесь на помощь приходит турбовентиляторный двигатель с редуктором, или GTF. Это самое значительное достижение в технологии двигателей за последние 20 лет.
Во-первых, со временем P&W придумала, как сделать легкую коробку передач. Текущая коробка передач весит около 250 фунтов; первые попытки были ближе к 600 фунтам. Редуктор снижает скорость вращения в три раза. Если вал низкого давления работает со скоростью 10 000 об/мин, коробка передач будет уменьшать скорость вращения самого вентилятора до 3 000 об/мин, но — что очень важно — без добавления дополнительных ступеней более низкого давления.
Пратт работал над ним с тех пор, как Спейч присоединился к компании, и активно тестировал его в течение 20 лет.
«С шестерней вы можете вращать вентилятор медленнее, но позволить остальным компонентам вращаться с наиболее эффективной для них скоростью», — объяснил Спейч. В свою очередь, вам нужно меньше ступеней низкого давления и меньший вес компонентов, чтобы вентилятор работал на этой более низкой скорости.
«Шестерня пробралась в двигатель», сказал Спейч. «Все эти знания… и, наконец, сегодня технология догнала нас».
Повышение эффективности с течением времени JT9D — первый двигатель для Boeing 747. Изображение предоставлено Pratt & Whitney. Спейч работает в P&W с середины 1970-х годов и присоединился к ней сразу после того, как P&W запустила JT9D, на котором был установлен первый Boeing 747. «У этих первых двигателей коэффициент двухконтурности был примерно 4,5:1», — сказал Спейч. Они также были сделаны со стальными корпусами вентиляторов и компонентами из кованой стали, что было довольно тяжелым.
Сравните это с двигателем GTF, который может похвастаться коэффициентом двухконтурности 12:1. Сообщается, что двигатель обеспечивает 15-процентный прирост эффективности использования топлива. «Это огромно в этом пространстве», — решительно сказал Аттиа.
Спейч отметил, что его компания добилась повышения эффективности более чем на 15%. «Я помню, когда повышение эффективности использования топлива на один-два процента означало находку для золотой жилы», — сказал он, вспоминая свою карьеру в компании. В настоящее время GTF летает на пяти платформах: серии Airbus A320Neo, Airbus A220, самолетах Embraer E-2, российском Иркут МС-21 и Mitsubishi MRJ. (Последние два еще не находятся в коммерческой эксплуатации.) Вы будете летать на них в США вместе с Hawaiian, Delta и Spirit среди прочих.
«Когда дело доходит до аэродинамики, материалов, конструкций, физики… всего — все доведено до предела», — сказал Аттиа. «Я думаю, что это самые удивительные машины, когда-либо созданные человеком».