Турбовинтовентиляторные двигатели

      В поисках увеличения экономичности силовых установок для дозвуковых самолётов инженерная мысль  продолжала искать методы совершенствования ТВД. Кроме того, исследования возможностей этого типа показали, что в существующем виде они практически исчерпали себя ввиду ограничений, накладываемых винтами (увеличение скорости обтекания концевых частей лопастей до трансзвуковых и даже сверхзвуковых). Поэтому возникла идея замены многолопастных винтов винтами меньшего диаметра, способными снимать с двигателя большие мощности и работающие на более высоких скоростях полёта. Такие двигатели получили название винтовентиляторные – ВВД или “Prop-Fan”, по-английски. Название введено в 1975 году американской фирмой “Гамильтон стандарт”, ведущей в США по разработке воздушных винтов. Хотя первые попытки создать универсальный двигатель на основе объединения ТРД и ТВД относятся ещё к 1944 году (двигатель Metropolitan Vickers F.3).

ВВД занимает промежуточное положение между ТВД и ТРДД. Для этих трёх типов общее  то, что избыток мощности газогенератора подается на движители: воздушный винт (ТВД), винт-вентилятор (ТВВД), вентилятор (ТРДД), для ТВД и ТВВД эти движители являются основными, а для ТРДД – только при высоких степенях двухконтурности.

      Основное же различие состоит в конструктивном исполнении движителя, у ТВД – 3-4 лопасти с небольшой хордой профиля (скорость полёта самолёта, оснащенного таким двигателем, составляет 450-750 км/ч). У ТРДД – одно или многоступенчатый вентилятор тоннельного типа (30-50 лопаток в ступени), скорости полёта на дозвуковых ТРДД  составляют 920-1100 км/ч, у ТВВД – 1-2 (противоположного вращения) бестоннельные вентиляторы, т.е. не имеющие внешнего корпуса. В состав каждого вентилятора входят по 8-10 и более стреловидных лопастей, скорость полёта самолёта – до 1000 км/ч. Винтовентиляторы могут размещаться в передней части двигателя (тянущий тип) или в задней (толкающий).

      Основные преимущества ТВВД:

- высокая экономичность;

- значительная скорость полёта самолёта;

- возможность получения больших мощностей статической тяги (до 30000 э.л.с. и более);

- быстрый набор самолётами крейсерского режима полёта.

           

Для сравнения обратимся к таблице:

Таблица удельного расхода топлива  

Таблица зависимости тягового КПД (%)

от числа М полёта

Тип двигателя Время разра­ботки Удельный расход топлива, кг/кгс тяги ч   Тип двигателя Тяговый КПД, %/ М полёта  
ТРД нач. 50-х 1.0   ТРДД (с боль­шой степенью двухконтур­ности)

60%/0.6

65%/0.75

 
ТРД (1поколение) сер. 60-х 0.85  

ТВВД

(1 винт-вентилятор)

75%/0.85

85%/0.7

 
ТРДД (2поколение) нач. 80-х 0.67  

ТВВД

(2 винт-вентилятора)

85%/0.85

90%/0.7

 
ТРДД (3 поколение, высокой степени двухконтурности) нач. 90-х 0.53  
ТВВД сер. 80-х 0.28-0.33  

   Но ТВВД присущ один существенный недостаток: он очень шумен на низких частотах. И если бы винт-вентилятор не позволял на четверть снизить расход топлива по сравнению с обычными пропеллерами, то конструкторы отступились бы. А так решили укротить его “буйный характер”. Нашлись и решения: двигатель размещается в хвостовой части самолёта, кроме того,  разрабатываются новые, более эффективные средства шумоизоляции, в том числе и резонансные панели. Другое решение – “контурный пропеллерный двигатель”, его особенность – винт-вентилятор закрыт кольцом, как вентилятор в ТРДД, которое препятствует распространению вихрей, стекающих с лопастей.

   Помимо этого специалисты считают, что для снижения уровня шума лопасти пропеллера должны быть изогнуты как можно больше, а также расширятся к концам, что обеспечит ещё и оптимальное распределение нагрузок по радиусу диска, отметаемого винтом.

   Кроме того, аэродинамически выгоднее создать соосные винты, число лопастей которых различно: на переднем вентиляторе их больше, чем на заднем (что и реализовано на двигателе Д-27, выполненном по формуле 8+6).

   Помимо этого необходимо решить ещё ряд проблем:

- управление шагом лопастей, в связи с особенностями их конструкции;

- аэроупругие вибрации;

- разработка высокопрочного редуктора;

- надёжность работы воздухозаборника в условиях реверса переднерасположенного вентилятора;

- жёсткость условий работы заднерасположенного винтовентилятора (влияние высоких  температур выхлопных газов).

   Но и эти проблемы оказались технически разрешимы.

   Работы в области ТВВД ведутся и в США: фирмы “Пратт энд Уитни” и “Аллисон” разрабатывают двигатель по проекту 578-DХ мощностью в 9000 э.л.с. с редукторным приводом двух шестилопасных вентиляторов. Фирма “Дженерал электрик” совместно с французской “Снекма” работает над двигателем мощностью 11500 э.л.с., в котором лопасти изменяемого шага установлены на корпусах ступеней ТНД.

   В настоящее время испытание этих ТВВД завершены и фирмы считают технологию их производства разработанной. Однако специалисты МО США считают необходимым сначала изучить опыт эксплуатации ТВВД на гражданских самолётах, а потом уже на военных.

   В Великобритании НИОКР в области ТВВД ведут фирмы “Роллс-Ройс”, “Даути-Роток”, “БАК”.

   В странах СНГ установка ТВВД предполагалась на военно-транспортном самолёте Ан-70 (Д-27) и на пассажирском Ил-114. И хотя пока реализована только первая задача, экспериментальные ТВВД испытывались в СССР ещё в конце 80-х годов на летающих лабораториях на базе самолётов Ил-76 и Ан-32. Так, первый советский ТВВД Д-236Т (спроектирован на базе Д-36) был создан в 1985 году.

   ТВВД, равному Д-27, пока ещё не разработано в мире: его мощность 14000 э.л.с., расход топлива на взлётном режиме 125 г/КВт ч, 96 г/КВт – на крейсерском, масса двигателя 1650 кг. Двигатель разработан Запорожским моторостроительным конструкторским бюро “Прогресс” совместно с ЦАГИ и ЦИАМ (Россия), а вентиляторы СВ-27 созданы в российском Ступино (конструкторское бюро “Аэросила”).

   Основные данные двигателя Д-27 приведены ниже.

Обозначение, страна-разработчик Мощностьэ.л.с./Суд, кг/КВт ч Максимальная мощность, э.л.с. Суд, кг/э.л.с. Расход воздуха, кг/с Степень повышения давления Температура газов, °С Степень двухконтурности Сухая масса, кг Длина х диаметр, м На каком ВТС устанавливается
Д-27, СССР* 0.120/4950 13880 0.230 28.0 22.1   5.6 1650 4.20х0.63 Ан-70

   В области создания ТВВД страны СНГ с двигателем Д-27 по состоянию на середину 90-х годов опережали подобные разработки за рубежом на 5-6 лет, но с каждым днём это отставание сокращается, причина – плохое финансирование новых разработок да и авиапромышленности стран СНГ в целом. Хочется надеяться, что передовые позиции хотя бы в этой области не будут утрачены.

   Теперь рассмотрим подробнее некоторые технические подробности работы ТВВД.

   Почему традиционный винт перестал удовлетворять потребностям практики? Причина вот в чём: тяга, создаваемая винтом, линейно зависит от массы воздуха, которую он отбрасывает, т.е. от расхода воздуха. Её увеличение обычно достигалось за счёт большей скорости вращения лопастей, увеличения диаметра и количества лопастей. Но, как оказалось позднее, этот путь совершенствования пропеллера имеет естественные ограничения. Увеличивать скорость вращения бесконечно нельзя:  винт начнёт “буксовать” – воздушный поток не поспевает за ним, срываясь с лопастей. Делать большим диаметр винта – значит, поднимать его всё выше над  землёй, что не всегда возможно технологически и, к тому же, чем длиннее лопасть, тем больше скорость её концевых участков, что приводит к уменьшению эффективности работы винта в целом.

   Известно, что скорость обтекания воздушного винта складывается из вектора скорости полёта и вектора окружной скорости вращения лопастей. Практически лопасть представляет собой сильно нагруженное крыло, работающее в непрерывно изменяющихся условиях. При увеличении скорости вращения лопастей винта большого диаметра его сила тяги резко падает. Дело в том, что, когда концы лопастей достигают почти звуковой скорости, возникает явление сжимаемости воздуха. Это приводит к увеличению его сопротивления и потере силы тяги – винт “запирается”.

   Опять бессонные ночи, поиски, испытания, споры. А в спорах и рождается истина: а что, если лопасть винта сделать как крыло сверхзвукового самолёта? Оно, как известно, имеет стреловидную форму, меньшее удлинение, его профиль гораздо тоньше!

   Главные принципы нового поколения пропеллеров просты, всё остальное оказалось гораздо сложнее. Но тут на помощь конструкторам пришли ЭВМ, которые смогли учесть всё разнообразие факторов, действующих на лопасти винта в полёте, и помогли выбрать их оптимальную форму: лопасти стали шире своих предшественников, имеют поперечное сечение небольшой толщины, чтобы винт “запирался” на возможно большей скорости. Для этого же лопасти делают изогнутыми. Наибольший изгиб делается у концов, где линейная скорость является максимальной, благодаря этому лопасти имеют форму, по выражению одного из конструкторов, “кривых турецких сабель”. У оснований лопасти изогнуты вперёд для их балансировки относительно оси изменения угла атаки.

    Новые лопасти потребовали и новой технологии изготовления, применения более прочных и лёгких материалов, создания новых механизмов управления винтом, т.е. винт-вентилятор заставил появиться на свет двигательную установку совершенно нового типа. Её и назвали турбовинтовентиляторной или “проп-фэн”, по-английски, а на деле – это двигатель ХХI века.

   А после получения информации об ТВВД, установленных на Ан-70, зарубежные специалисты сразу же включили в проект своего общеевропейского транспортного самолёта А.400М требование оснастить его СУ, тоже состоящей из ТВВД, да и форма, и размеры проекта этого самолёта существенно изменились после появления его “собрата” Ан-70. Россия также планировала, как один из вариантов СУ, установку ТВВД на своём перспективном транспортном самолёте Ту-330 ( настоящее время планируется установка двух ТРДД). При этом ожидается, что удельный расход топлива у самолёта A.400М составляет, по предварительным оценкам, 0.268 кг/КВт ч, а у Ан-70 – 0.096 кг/КВт ч. И, хотя эти цифры могут, естественно, очень даже измениться в процессе работ, не стоит забывать, что пока это только проекты, а Д-27 – уже реальный двигатель.