Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как сделать самолеты еще менее прожорливыми

Как сделать самолеты еще менее прожорливыми?

Новое, более «зеленое» поколение лайнеров должно потреблять меньше топлива, производить меньше вредных выбросов и меньше шума — с этим согласны все. Однако достичь всех этих целей одновременно крайне непросто.

Стандартом современной гражданской авиации являются турбовентиляторные двигатели. По сути это разновидность двухконтурного турбореактивного двигателя, общий принцип работы которого достаточно прост. При полете самолета набегающий воздух всасывается внутрь двигателя компрессором низкого давления (имеющего привод от вала турбины). Далее часть воздуха направляется внутрь двигателя и участвует как окислитель в сжигании топлива, а другая часть идет в обход камеры сгорания и вырывается назад через сопло, создавая реактивную тягу.

Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя. Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности». Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.

Преимущества турбовентиляторного двигателя также хорошо известны. Во-первых, если б? льшая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во-вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.

Но совершенству нет предела, и как только цены на нефть, а значит, и на авиационный керосин начинают расти, авиаперевозчики и авиаконструкторы сразу задумываются о том, как бы сделать самолеты еще менее прожорливыми.

Пусть жжет и дует

Одно из направлений поисков — повышение термоэффективности двигателей, то есть увеличение КПД за счет роста температуры и давления в камере сгорания и сопле. Естественный барьер на этом пути — прочность и термоустойчивость конструкционных материалов, из которых делают лопатки турбин, стенки камеры сгорания и сопла, так что прорыв здесь возможен прежде всего благодаря прогрессу в области создания материалов с более оптимальными свойствами.

Другое направление — повышение КПД, а значит, и экономичности двигателя путем увеличения степени двухконтурности. Если на килограмм сожженного топлива мы сможем продуть через двигатель еще больше воздуха, создающего реактивную тягу, но не принимающего участия в сжигании керосина, можно нарастить мощность силовой установки, не увеличивая расход топлива. Или уменьшить расход топлива, сохраняя прежнюю тягу.

Лежащее как бы на поверхности решение — увеличение диаметра вентилятора — имеет серьезные «но». Большой вентилятор повлечет за собой увеличение размера и веса мотогондолы, и тут о себе во весь голос заявят два главных врага авиаконструктора — вес и лобовое сопротивление. На преодоление этих двух факторов потребуется дополнительная мощность двигателя, и может получиться так, что весь экономический эффект от роста степени двухконтурности сойдет на нет. О том, как справиться с этой проблемой, конструкторы думают уже несколько десятилетий.

Вентилятор — на свободу!

В середине 1980-х в небе над калифорнийской пустыней Мохаве можно было видеть очень странный летательный аппарат. Вернее, сам аппарат имел знакомые очертания пассажирского лайнера MD-80, вот только один из его двигателей был обычным «турбовентилятором», а другой имел на заднем конце двухрядный винт. Разумеется, никто бы не пустил такой гибрид в рейс, и над пустыней взлетала и садилась всего лишь летающая лаборатория MD-81, на которой испытывался двигатель GE-36 типа Ultra High Bypass (UHB, ультравысокая двухконтурность), произведенный корпорацией General Electric. Другое название силовой установки — Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтекателя»). Собственно, этим о конструкции двигателя все сказано. Для радикального повышения степени двухконтурности вентилятор значительно увеличили в диаметре, при этом ради снижения веса и лобового сопротивления с него сняли кольцевой обтекатель.

Нетрудно заметить, что в этом случае вентилятор фактически становится воздушным винтом (в случае с UDF- толкающим), а двигатель, который на Западе называют propfan, а в нашей литературе винтовентиляторным, обнаруживает родство со старым добрым турбовинтовым мотором.

То, что турбовинтовые двигатели экономичнее турбореактивных, было известно и ранее. В гражданской авиации от них почти повсеместно отказались лишь по двум причинам. Первая — высокий уровень шума, создаваемого винтом. Вторая — скоростные ограничения. Дело в том, что при увеличении скорости вращения винта до такого значения, при котором концы лопастей приближаются к скорости звука, эффективность винта резко падает и дальнейшее повышение числа оборотов не дает адекватного прироста тяги. Таким образом, скоростной барьер турбовинтовых самолетов — примерно 650−700 км/ч.

UDF компании GE-36 как раз имел задачу преодоления скоростных ограничений для винтовых моторов, что позволило бы ему на равных конкурировать с турбовентиляторными двигателями. Этому способствовали, во-первых, саблевидные лопасти винта — такая форма позволяет справляться с возникающим при сверхзвуковом движении кончиков лопастей «волновым кризисом». Кроме того, в конструкции был применен биротативный винт (он же вентилятор). Это означало, что пропеллер состоял из двух рабочих колес (по восемь лопастей на каждом), вращавшихся в противоположные стороны. Биротативная схема значительно повышает эффективность винта — масса отбрасываемого назад воздуха увеличивается и соответственно растет тяга. Испытания показали, что двигатель новой конструкции по показателям топливной эффективности может на 30−35% превзойти «турбовентиляторы».

Когда клюет петух?

Интерес к энергосберегающим технологиям в авиадвигателестроении проснулся не случайно. В 1970-х мировую экономику лихорадило из-за энергетических кризисов, вызванных событиями на Ближнем Востоке, которые привели к заметному росту цен на нефть, съедавшему прибыли авиакомпаний. Инициатором разработки экономичных двигателей выступило агентство NASA, которое предложило свою конструкцию винтовентиляторного двигателя, а также сподвигло на свершения уже упомянутую General Electric и ее конкурента Pratt&Whitney. P&W в сотрудничестве с компанией Allison Engines предложила силовую установку под названием Pratt & Whitney/Allison 578-DX. В ней также использовался толкающий винт с саблевидными лопастями, однако механизм привода пропеллера более напоминал традиционные турбовинтовые двигатели (вращение передавалось с вала компрессора низкого давления через редуктор, а у GE винты были связаны непосредственно с валом компрессора низкого давления и с вращающимся в противоположном направлении статором того же компрессора). В 1986—1987 годах двигатель GE был протестирован на летающих лабораториях MD-81 и Boeing 727. P&W обкатывал свою конструкцию на том же MD-81.

Читать еще:  Lexus rx350 двигатель характеристики

Однако летные испытания винтовентиляторных двигателей совпали по времени с серьезным падением цен на топливо, и соображения экономичности отошли на второй план. А на первый вышла проблема акустического загрязнения. Никому не хотелось без особого резона возвращаться в эру винтовой авиации с ее ужасным шумом. И агентство NASA завершило программу жирной точкой.

Петух клюнул два десятилетия спустя, когда в последний докризисный год цены на нефть добрались до $180 за баррель, и примерно тогда же гранды мирового двигателестроения заговорили о винтовентиляторах вновь.

Битвы за тишину

General Electric расконсервировала испытательные стенды, на которых тестировались GE-36. К делу вновь подключилась NASA (обеспечивая 50% финансирования), и было объявлено о том, что новый прототип двигателя с открытым вентилятором (по мотивам GE-36) пройдет испытания в аэродинамической трубе. В проекте (а конкретно в разработке лопастей биротационного винта) принимает участие французская промышленная группа SAFRAN в лице двигателе-строительного подразделения Snecma). GE и SAFRAN давно сотрудничают в рамках совместного предприятия CFM. Кстати, сообщалось и о том, что Snecma привлекала в качестве партнера по разработке перспективных двигателей для гражданской авиации российских ученых из Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).

О собственном проекте винтовентиляторного двигателя с открытым биротативным вентилятором (open rotor) объявила и корпорация Rolls Royce.

Можно было бы с уверенностью говорить о возрождении винтовой авиации, если бы не одно «но»: за прошедшие десятилетия требования к уровню шума для гражданских авиадвигателей только ужесточились. Смогут ли винтовентиляторные двигатели вписаться в эти жесткие стандарты?

И представители партнерства NASA-GE-SAFRAN, и конкуренты из Rolls Royce в один голос заявляют, что оптимизация шумовых характеристик новых двигателей для них первостепенная задача. Технологические тонкости этих изысканий пока публике не предъявлены, но общее направление более-менее ясно. Шум винта находится в прямой зависимости от скорости вращения пропеллера, а также длины и ширины лопастей. Значит, лопасти следует сделать короче и тоньше. При высокой эффективности биротативного винта с большим количеством саблевидных лопастей он может обеспечивать достаточную тягу, имея меньшую скорость вращения. Применение редуктора позволит лопастям не раскручиваться до сверхзвуковых скоростей, что значительно уменьшит шум.

Конечно, неверно было бы сказать, что гранды мирового авиапрома связывают будущее авиации исключительно с винтовентиляторными двигателями. Существуют и альтернативные конструкции, также направленные на повышение топливной эффективности при снижении шумовых характеристик. Корпорация Pratt&Whitney, в 1980-х конкурировавшая с GE в области двигателей с открытым толкающим ротором, сегодня двигает на рынок несколько иной перспективный продукт. Он называется PurePower PW1000G и по сути является турбовентиляторным двигателем классической схемы, где вентилятор заключен в кольцевом обтекателе. При этом с целью повышения степени двухконтурности диаметр вентилятора существенно увеличен. Но, как известно, при увеличении длины лопаток вентилятора растет линейная скорость на их концах, что делает двигатель слишком шумным. Решить эту проблему за счет снижения скорости вращения вала турбины низкого давления (именно он вращает вентилятор) нельзя, так как это скажется на термоэффективности двигателя и приведет к снижению КПД. Выход был найден в планетарном редукторе, поставленном между валом турбины и вентилятором. В итоге вентилятор вращается медленнее и по уровню шума вписывается в современный стандарт (20 дБ).

Еще одна из существующих концепций повышения степени двухконтурности двигателя предусматривает установку внутри кольцевого обтекателя аналога биротативного пропеллера.

Победит ли какая-то из ныне конкурирующих конструкций или им уготовано мирное сосуществование — очевидно, что в основе их всегда будет оставаться компромисс между топливоэффективностью и уровнем шума. А цены на нефть, как всегда, сыграют здесь не последнюю роль.

Разница между турбореактивным двигателем и турбовентиляторным двигателем

Турбореактивный двигатель против турбореактивного двигателя Турбореактивный двигатель — это газотурбинный двигатель, работающий на воздухе, во время работы выполняющий цикл внутреннего сгорания. Он

Содержание:

Турбореактивный двигатель против турбореактивного двигателя

Турбореактивный двигатель — это газотурбинный двигатель, работающий на воздухе, во время работы выполняющий цикл внутреннего сгорания. Он также относится к типу реактивных двигателей авиационных маршевых двигателей. Сэр Фрэнк Уиттл из Соединенного Королевства и Ханс фон Охайн из Германии независимо разработали практическую концепцию двигателей в конце 1930-х годов, но только после Второй мировой войны реактивный двигатель стал широко используемым методом движения.

Турбореактивный двигатель имеет несколько недостатков при работе на дозвуковых скоростях, таких как эффективность и шум; поэтому для минимизации этих проблем были построены усовершенствованные варианты на основе турбореактивных двигателей. Турбовентиляторные двигатели были разработаны еще в 1940-х годах, но не использовались из-за меньшей эффективности до 1960-х годов, когда Rolls-Royce RB.80 Conway стал первым серийным турбовентиляторным двигателем.

Подробнее о турбореактивном двигателе

Холодный воздух, поступающий через впускное отверстие, сжимается до высокого давления в последовательных ступенях осевого компрессора. В обычном реактивном двигателе воздушный поток проходит несколько ступеней сжатия, и на каждой ступени давление повышается до более высокого уровня. Современные турбореактивные двигатели могут создавать соотношения давлений до 20: 1 благодаря усовершенствованным ступеням компрессора, спроектированным с улучшенной аэродинамикой и изменяемой геометрией компрессора для обеспечения оптимального сжатия на каждой ступени.

Читать еще:  Что такое роторно лопастной двигатель

Повышение давления воздуха также увеличивает температуру, и при смешивании с топливом образуется горючая газовая смесь. Сгорание этого газа увеличивает давление и температуру до очень высокого уровня (1200 oC и 1000 кПа), и газ проталкивается через лопатки турбины. В секции турбины газ воздействует на лопатки турбины и вращает вал турбины; в обычном реактивном двигателе эта работа вала приводит в действие компрессор двигателя.

Затем газ направляется через сопло, и это создает большую тягу, которую можно использовать для приведения в действие самолета. На выходе скорость газа может быть намного выше скорости звука. Работа реактивного двигателя идеально моделируется циклом Брайтона.

Турбореактивные двигатели неэффективны при полете на малых скоростях, а оптимальная производительность лежит за пределами Маха 2. Другой недостаток турбореактивных двигателей заключается в том, что турбореактивные двигатели очень шумны. Однако они по-прежнему используются в крылатых ракетах средней дальности из-за простоты изготовления и малой скорости.

Подробнее о турбовентиляторном двигателе

Турбореактивный двухконтурный двигатель — это усовершенствованная версия турбореактивного двигателя, в котором работа вала используется для приведения в действие вентилятора, который забирает большое количество воздуха, сжимает и направляет его через выхлоп для создания тяги. Часть воздухозаборника используется для приведения в действие реактивного двигателя в активной зоне, а другая часть направляется отдельно через несколько компрессоров и направляется через сопло без сгорания. Благодаря этому оригинальному механизму турбовентиляторные двигатели менее шумны и развивают большую тягу.

Двигатель с высоким байпасом

Коэффициент байпасирования воздуха определяется как отношение между массовым расходом воздуха, проходящего через диск вентилятора, который обходит сердечник двигателя, не подвергаясь сгоранию, к массовому расходу, проходящему через сердечник двигателя, который участвует в сгорании, для получения механического энергия для вращения вентилятора и создания тяги. В конструкции с большим байпасом большая часть тяги создается за счет потока в байпасе, а в конструкции с низким байпасом — за счет потока через сердечник двигателя. Двигатели с большим байпасом обычно используются в коммерческих целях из-за их меньшего шума и топливной эффективности, а двигатели с низким байпасом используются там, где требуется более высокое соотношение мощности к весу, например, в военных истребителях.

В чем разница между турбореактивными и турбовентиляторными двигателями?

• Турбореактивные двигатели были первым воздушным газотурбинным двигателем для самолетов, в то время как турбовентиляторный двигатель представляет собой усовершенствованный вариант турбореактивного двигателя, использующий реактивный двигатель для приведения в действие вентилятора для создания тяги (турбовентилятор имеет газовую турбину в основе).

• Турбореактивные двигатели эффективны на более высоких скоростях (сверхзвуковых) и производят большой шум, в то время как турбореактивные двигатели эффективны как на дозвуковых, так и на околозвуковых скоростях и производят меньше шума.

• Турбореактивные двигатели в настоящее время используются в определенных военных целях, но турбовентиляторные двигатели остаются наиболее предпочтительным выбором для двигателей как военных, так и коммерческих самолетов.

• В турбореактивном двигателе тяга создается исключительно выхлопом газовой турбины, в то время как в турбовентиляторных двигателях часть тяги создается за счет байпасного потока.

Что такое двухконтурный реактивный двигатель

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

Хотел я написать про историю авиационных двигателей, да, видно, руки уже не дойдут. Однако несколько слов сказать всё же стоит.

Несколько лет назад русские патриоты очень обижались, что страны Западной Европы запретили посадки российских самолетов в их аэропортах под предлогом шумности. Понятно, что шумность рассматривалась патриотами как надуманный предлог для того, что уязвить Россию и ущемить ее в конкурентной борьбе. Конечно, Запад люто ненавидит Россию и старается подгадить при любой возможности, но будем объективны.

Американцы еще в 1960 годах начали массовое производство турбо-вентиляторных двигателей с высоким соотношением площадей вентилятор-турбина (high bypass ratio turbofan). Эти двигатели более экономичны и менее шумны. Их можно отличить внешне по очень большому — более 2 метров — входному воздухозаборному отверстию двигателя, в котором виден огромный вентилятор.

Судьба авиационного двигателестроения совершила интересный зигзаг. Первые самолеты приводились в движение воздушным винтом-пропеллером, но при ограниченных скоростях вращения, которые обеспечивали поршневые двигатели, нужно было делать лопасти пропеллеров очень длинными, в результате чего скорости движения их концов приближались к скорости звука, что делало пропеллер неэффективным. Кроме того, невозможен был сверхзвуковой полет на пропеллерах.

Поэтому произошел переход на турбо-реактивные двигатели, которым пропеллер был не нужен. Потом решили помочь реактивному двигателю присоединенным к турбине воздушным винтом традиционной для поршневых двигателей конфигурации, который по указанным выше причинам был неэффективен.

И вот кому-то пришла в голову гениальная мысль: турбина вращается очень быстро; надо приделать к ней винт с короткими, чтобы уменьшить линейную скорость концов, но многочисленными лопастями и заключить всю эту конструкцию в трубу. Так был создан турбо-вентиляторный двигатель, переставший быть реактивным и вернувшийся назад к пропеллерному принципу — воздушный винт гонит мощную струю воздуха назад, — но в гораздо более эффективном и элегантном исполнении.

А что же отечественный авиапром? Заточенный на военные двигатели, он еще 2-3 десятилетия после появления турбо-вентиляторов продолжал клепать турбо-реактивные двигатели разработки 1950-х годов. Конечно, это были шумные прожорливые вонючие монстры, и Европу можно понять, когда она, в конце концов, не вытерпела.

Читать еще:  Эпика двигатель как дизель

А на картинке — новое поколение турбо-вентилятора с редуктором, понижающим обороты вентилятора до более оптимальных значений.

1959 Декабрь—Прошёл государственные испытания первый советский двухконтурный ТРД Д-20П (применялся на пассажирском самолёте Ту-124). Отсюда: http://www.airshow.ru/photos/index_r.htm

Так что извините, написанное Вами не соответствует действительности. Все массовые советские пассажирские самолёты летали с двухконтурными двигателями.
По комфорту лучшее, на чём лично я летал — Ил-86. Могу сравнивать с B747, B767, B737, MD10. Конечно только эконом-класс.
А Вы летаете бизнес-классом?

Я же объяснил, что турбо-вентилятор не является реакти

Я же объяснил, что турбо-вентилятор не является реактивным двигателем. А турбо-реактивный двигатель, сколько бы контуров он ни имел, не является турбо-вентиляторным.

Советские самолеты еще долго после падение советской власти летали на не подходящих для гражданской авиации двигателях. Я не уверен, производились ли вообще в СССР или России широкопрофильные турбо-вентиляторы — скорее всего, нет, поскольку для современных магистральных российских пассажирских самолетов двигатели импортируются.

неправильно

вентилятор — это и есть второй контур.

турбовентиляторный это тот же турбореактивный двухконтурный (ТРДД) — фокус в степени двухконтурности.

и ещё вы упустили одну разновидность трд — винтовентиляторную.

вы правы в одном:

в том, что приоритет в развитии двигателестроения (да и вообще — техники) в советские времена делался на военные двигатели. а там экономичность и низкий уровень шума, да и ресурс, чего греха таить, не самые главные параметры.

причин отставания отечественного двигателестроения несколько и все они довольно глубокие. вряд ли мы здесь достаточно компетентны, чтобы всерьёз обсуждать эту тему.

Авиация Воздушно-реактивный двигатель — Двухконтурный турбореактивный двигатель

На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя. В основу двухконтурных ТРД, в англоязычной литературе — Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД.

Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора.

Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур.

Где G1 и G2 расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.

Если вернуться к формулам и то принцип присоединения массы можно истолковать следующим образом. В ТРДД, согласно формуле заложен принцип повышения полетного КПД двигателя, за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета. Уменьшение тяги, которое, согласно формуле, вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счёт увеличения расхода воздуха через двигатель. Следствием увеличения расхода воздуха через двигатель является увеличение площади фронтального сечения входного устройства двигателя, следствием чего является увеличение диаметра входа в двигатель, что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности — тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.

Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М.

Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением потоков за турбиной и без смешения.

В ТРДД со смешением потоков потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.

Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолёте Як-40 — 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолёте L-39 — 3358 мм.

ТРДД как и ТРД могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолётов.

Управление вектором тяги / Отклонение вектора тяги

Специальные поворотные сопла, на некоторых ТРДД, позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняют управление самолётом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением маневренности и сокращением разбега самолёта при взлете и пробега при посадке, до вертикальных взлета и посадки включительно. ОВТ используется исключительно в военной авиации.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель

Порою в популярной литературе ТРДД с высокой степенью двухконтурности называют турбовентиляторными. В англоязычной литературе этот двигатель называется turbofan с добавлением уточнения high bypass, сокращённо — hbp. ТРДД с высокой степенью двухконтурности выполняются, как правило, без камеры смешения. По причине большого входного диаметра таких двигателей их сопло внешнего контура достаточно часто делают укороченным с целью снижения массы двигателя.

Область применения ТРДД

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день в самолётном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространенным классом ВРД, используемых на самолётах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолётов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности Д-18Т.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector