Турбовентиляторный двигатель Turbo Union RB199 для Panavia Tornado
Turbo-Union RB199
Турбореактивный двигатель RB199: разработка Rolls-Royce, MTU и Aeritalia для Panavia Tornado. Высокая тяга, экономичность, ключевые характеристики и история создания.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Турбовентиляторный реактивный двигатель Turbo Union RB199 был разработан и построен в начале 1970-х годов компанией Turbo Union – совместным предприятием Rolls Royce, MTU и Aeritalia. Единственным серийным применением двигателя стал самолет Panavia Tornado.
Aircraft turbofan jet engine
The Turbo Union RB199 is a turbofan jet engine designed and built in the early 1970s by Turbo Union, a joint venture between Rolls Royce, MTU and Aeritalia. The only production application was the Panavia Tornado.
Проектирование и разработка
RB199 возник в 1969 году в связи с необходимостью создания двигателя для нового европейского многоцелевого боевого самолета (MRCA), получившего название Panavia MRCA. Требования к двигателю, предъявляемые к спецификации Panavia MRCA, значительно превосходили характеристики существующих двигателей по соотношению тяги к весу, расходу топлива и габаритам. Окончательный выбор двигателя для MRCA был сделан между новой европейской разработкой, осуществленной в рамках сотрудничества Turbo Union с двигателем RB199, и предложением компании Pratt & Whitney – двигателем JTF16. Впоследствии Panavia MRCA получил название Panavia Tornado. Передовые исследования двигателей, проводившиеся в Bristol Siddeley, уже были выполнены в поддержку проекта BAC/Dassault AFVG и основывались на двухконтурной схеме Pegasus. В Rolls Royce, где велась разработка трехвального двигателя RB211, трехвальная схема считалась более предпочтительной. Компания Rolls Royce приобрела Bristol Siddeley в 1967 году, поэтому конфигурация RB199 была определена совместно – как трехвальный двигатель. Общая концепция проектирования для международной совместной программы – три вала и степень двухконтурности (BPR) около 1,2 – была определена Rolls Royce. Степень двухконтурности была выбрана для обеспечения большой дальности полета и низкого расхода топлива, особенно на малых режимах. Выбранная степень двухконтурности также обеспечивала более высокую тягу на форсаже по сравнению с меньшими значениями, используемыми в аналогичных двигателях. Проектирование отдельных модулей было распределено между Rolls Royce, MTU и Fiat в соответствии с их имеющимся опытом. Rolls Royce разработала вентилятор, используя знания, полученные при работе с Pegasus в уменьшенном масштабе, камеру сгорания, турбину высокого давления (HP) и форсажную камеру. В форсажной камере использовались методы холодного горения, описанные Сотераном, основанные на их опыте работы с прямоточными воздушно-реактивными двигателями и камерным сгоранием (PCB) в передних соплах Pegasus. Fiat, имея опыт производства турбин для двигателя Viper, разработала турбину низкого давления (LP) и финальное сопло. MTU разработала компрессоры промежуточного давления (IP) и высокого давления (HP), турбину IP и реверсор тяги. Трехвальная схема снижает степень повышения давления на каждом компрессоре, что исключает необходимость использования переменных статоров. Для соответствия требованиям к короткому форсажу, основанному на принципе смешения с последующим сгоранием, как в современных двигателях, было невозможно из-за чрезмерной длины и веса. В RB199 использовалась гораздо более короткая схема смешения/сгорания. Первый запуск RB199 состоялся 27 сентября 1971 года в Патчвее, Великобритания. Летные испытания проводились на летающей лаборатории Avro Vulcan с двигателем, установленным в гондоле, представляющей собой конструкцию, аналогичную используемой на самолете Tornado. Vulcan впервые совершил полет с RB199 в 1972 году. Эксплуатация в составе Королевских ВВС, ВМС Германии и ВВС Германии и Италии в европейских условиях выявила типичные механизмы отказов лопаток турбины: термическую усталость, ползучесть и усталость при высоких циклах (HCF). В связи с этим была начата разработка по замене первоначальных равноосных лопаток на лопатки из монокристалла, которые обладают большей долговечностью при высоких температурах. Испытания на устойчивость к попаданию песка были проведены и успешно пройдены в рамках квалификации для ввода в эксплуатацию, однако эксплуатация в пустынных условиях с Королевскими ВВС Саудовской Аравии выявила новые проблемы. Частые полеты в воздухе, содержащем частицы песка различного размера, приводили к образованию отложений на лопатках турбины высокого давления из-за попадания песка через камеру сгорания. Кроме того, песок, попадавший с охлаждающим воздухом через лопатки, забивал охлаждающие отверстия. Для повышения ресурса лопаток в европейских условиях эксплуатации были внедрены лопатки из монокристалла, а также были изменены конфигурации охлаждающих отверстий для снижения негативного влияния песка на охлаждение лопаток. Благодаря внедрению этих изменений в обработку лопаток и систему охлаждения, "самолеты Tornado, участвовавшие в операции "Desert Storm", выполняли одни из самых сложных задач среди всех самолетов союзников, при этом их надежность не уступала показателям мирного времени, и ни один двигатель не был отклонен из-за дефектов лопаток турбины высокого давления". Оглядываясь на программу RB199 в 2002 году, главный инженер RB199, доктор Гордон Льюис, заключил: "Окончательный серийный образец обеспечивал удовлетворительную надежность и характеристики".
The RB199 originated with a requirement, in 1969, to power a new European multirole combat aircraft (MRCA) called the Panavia MRCA. The engine requirements to meet the Panavia MRCA specification were significant advances over current engines in thrust to weight ratio, fuel consumption and size. The final selection of the engine for the MRCA was made between a new European collaboration, Turbo Union, with the RB199, and Pratt & Whitney who proposed the JTF16. The Panavia MRCA would later be called the Panavia Tornado. Advanced engine studies at Bristol Siddeley had already been done to support the BAC/Dassault AFVG and were based on the Pegasus two spool arrangement. At Rolls Royce, where the three shaft RB211 engine was in development, three shafts were considered better. Rolls Royce took over Bristol Siddeley in 1967 so the configuration for the RB199 was decided jointly, a three shaft engine. The overall design concept for the international collaborative program, three shafts and a bypass ratio (BPR) of about 1.2, was decided by Rolls Royce. The bypass ratio was chosen for long range, with low fuel consumption, particularly when throttled back. The selected BPR also gave a higher reheat boost than with smaller values used on similar engines. The design of the individual modules was shared between Rolls Royce, MTU and Fiat according to their existing expertise. Rolls Royce designed the fan using scaled down Pegasus knowledge, the combustor, the high pressure (HP) turbine and the reheat. The reheat used cold air combustion techniques, described by Sotheran and which were derived from their experience with ramjets and plenum chamber burning (PCB) in Pegasus front nozzles. Fiat had built turbines for the Viper so designed the low pressure (LP) turbine as well as the final nozzle. MTU designed the intermediate pressure(IP) and high pressure (HP) compressors, the IP turbine, and the thrust reverser. A three spool arrangement reduces the pressure ratio on each compressor so no variable stators were needed. To meet the short afterburner requirement an arrangement known as mix then burn, as used in current engines, was not possible because it was too long and heavy. The RB199 used a much shorter arrangement known as mix/burn. The RB199 first ran on 27 September 1971 at Patchway, UK. It was flight tested using an Avro Vulcan with the engine installed in a nacelle that was representative of the Tornado aircraft. The Vulcan first flew with the RB199 in 1972. Service flying with the Royal Air Force, German Navy and German and Italian Air Forces in the European environment showed normal failure mechanisms for turbine blades, thermal fatigue, creep and high cycle fatigue (HCF) so development started on replacing the initial production equiaxed blades with single crystal ones which last longer at high temperatures. Sand ingestion tests had been done and passed as part of the qualification for service introduction but operating in desert conditions with the Royal Saudi Air Force produced new problems. Frequent flying in air carrying different sizes of sand particles caused deposits on the HP turbine blades from sand passing through the combustor. In addition, sand carried with the cooling air through the blades blocked the cooling holes. Single crystal blades were being introduced to improve the life of the blades for the European operating conditions and revised cooling hole arrangements were introduced at the same time to reduce the detrimental effect of sand on blade cooling. With incorporation of these blade processing and cooling changes "Desert Storm Tornado aircraft flew some of the most arduous missions of any Allied aircraft with reliability no worse than peacetime and no engines were rejected for HP Turbine blade defects." Looking back on the RB199 program in 2002 Chief Engineer for the RB199, Dr. Gordon Lewis, concluded "The final production standard provided satisfactory reliability and performance."