Введение

Воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для создания тяги посредством вращения вентилятора – механизм, используемый в реактивных двигателях. Турбовентиляторный двигатель или фенджет – это тип воздушно-реактивного двигателя, широко применяемый в авиационной промышленности. Название "турбовентилятор" объединяет в себе технологию турбореактивного двигателя предыдущего поколения и упоминание о добавленной вентиляторной ступени. Он состоит из газотурбинного двигателя, преобразующего энергию сгорания в механическую, и канального вентилятора, использующего эту механическую энергию для создания потока воздуха назад. Таким образом, в то время как в турбореактивном двигателе весь поступающий воздух проходит через камеру сгорания и турбины, в турбовентиляторном часть воздуха обходит эти компоненты. Турбовентиляторный двигатель можно рассматривать как турбореактивный двигатель, приводящий в движение канальный вентилятор, при этом оба элемента вносят вклад в создание тяги. Отношение массы воздуха, обходящего основную часть двигателя, к массе воздуха, проходящего через нее, называется степенью двухконтурности. Двигатель создает тягу за счет совместной работы этих двух потоков; двигатели, использующие большую долю реактивной тяги по сравнению с тягой вентилятора, называются турбовентиляторами с низкой степенью двухконтурности, а двигатели с преобладающей тягой вентилятора – с высокой степенью двухконтурности. Большинство современных реактивных двигателей, используемых в коммерческой авиации, имеют высокую степень двухконтурности, а большинство современных истребителей – низкую. Форсажные камеры применяются в турбовентиляторных двигателях с низкой степенью двухконтурности, где происходит смешение потоков обходящего воздуха и воздуха из основной камеры сгорания перед форсажной камерой. Современные турбовентиляторные двигатели оснащаются либо большим одноступенчатым вентилятором, либо меньшим многоступенчатым вентилятором. В ранних конструкциях турбина низкого давления и вентилятор объединялись в единый задний блок.

Принципы

Турбовентиляторный двигатель был изобретен для улучшения топливной экономичности турбореактивного двигателя. Это достигается за счет пропускания большего объема воздуха, что увеличивает массу и снижает скорость реактивной струи по сравнению с турбореактивным двигателем. Это осуществляется механически путем добавления канального вентилятора, а не за счет использования сил вязкости путем добавления эжектора, как первоначально предполагал Уиттл. Фрэнк Уиттл представил идею скорости полета 500 миль в час в своем британском патенте № 471,368 от марта 1936 года «Усовершенствования, касающиеся движения летательных аппаратов», в котором он описал принципы, лежащие в основе турбовентиляторного двигателя, хотя в то время он так и не был назван. В то время как турбореактивный двигатель использует газ из своего термодинамического цикла в качестве реактивной струи, для скоростей полета ниже 500 миль в час в его конструкции есть два недостатка, которые устраняются турбовентиляторным двигателем. Во-первых, энергия расходуется впустую, поскольку реактивная струя движется назад значительно быстрее, чем самолет вперед, оставляя очень быстрое следовое течение. Это следовое течение содержит кинетическую энергию, отражающую топливо, использованное для его создания, а не топливо, использованное для движения самолета вперед. Турбовентиляторный двигатель использует эту потерянную скорость и направляет ее на привод канального вентилятора, который продувает воздух в обходные каналы вокруг остальной части турбины. Это снижает скорость реактивной струи, одновременно увеличивая поток воздуха и, следовательно, массу. Другой недостаток заключается в том, что сгорание менее эффективно при более низких скоростях. Любое действие, направленное на снижение расхода топлива двигателя путем увеличения степени сжатия или температуры турбины для достижения более эффективного сгорания, вызывает соответствующее увеличение давления и температуры в выхлопном сопле, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости газа из реактивного сопла (и увеличению кинетической энергии и потерям топлива). Хотя двигатель будет потреблять меньше топлива для создания единицы тяги, больше топлива будет теряться в более быстрой реактивной струе. Другими словами, независимость тепловой и тяговой эффективности, существующая в комбинации поршневого двигателя и воздушного винта, предшествовавшей турбореактивному двигателю, теряется. Напротив, Рот считает восстановление этой независимости наиболее важной особенностью турбовентиляторного двигателя, позволяющей выбирать конкретную тягу независимо от цикла газогенератора. Рабочее тело термодинамического цикла – это единственная масса, ускоряемая для создания тяги в турбореактивном двигателе, что является серьезным ограничением (высокий расход топлива) для скоростей ниже сверхзвуковой. Для дозвуковых скоростей полета скорость реактивной струи должна быть уменьшена, поскольку за создание тяги приходится платить. Энергия, необходимая для ускорения газа внутри двигателя (увеличение кинетической энергии), расходуется двумя способами: путем создания изменения импульса (т.е. силы) и следового течения, которое является неизбежным следствием создания тяги воздушно-реактивным двигателем (или воздушным винтом). Скорость следового течения и топливо, сожженное для его создания, могут быть уменьшены, а необходимая тяга сохранена за счет увеличения ускоряемой массы. Турбовентиляторный двигатель делает это, передавая энергию, доступную внутри двигателя, от газогенератора, канальному вентилятору, который создает вторую, дополнительную массу ускоренного воздуха. Передача энергии от ядра к обточному потоку приводит к снижению давления и температуры газа, поступающего в сопло ядра (более низкая скорость выхлопных газов), и к снижению температуры и давления, создаваемых вентилятором, в сопле вентилятора. Количество передаваемой энергии зависит от того, на какое увеличение давления рассчитан вентилятор (степень повышения давления вентилятора). Наилучший обмен энергией (наименьший расход топлива) между двумя потоками и сравнение скоростей струи зависит от эффективности передачи, которая зависит от потерь в турбине вентилятора и самом вентиляторе. Поток вентилятора имеет более низкую скорость выхлопных газов, обеспечивая гораздо большую тягу на единицу энергии (более низкую удельную тягу). Оба потока воздуха вносят вклад в общую тягу двигателя. Дополнительный воздух для обточного потока увеличивает лобовое сопротивление в воздушном канале входа, но все же наблюдается значительное увеличение чистой тяги. Общая эффективная скорость выхлопа двух выхлопных струй может быть приближена к нормальной дозвуковой скорости полета самолета и приближается к идеальной эффективности Фруда. Турбовентиляторный двигатель ускоряет большую массу воздуха более медленно, чем турбореактивный двигатель, который ускоряет меньшую массу быстрее, что является менее эффективным способом создания одинаковой тяги (см. раздел об эффективности ниже). Отношение массового расхода воздуха, обходящего ядро двигателя, к массовому расходу воздуха, проходящего через ядро, называется степенью двухконтурности. Двигатели с большей тягой реактивной струи по отношению к тяге вентилятора известны как турбовентиляторные двигатели с низкой степенью двухконтурности, а те, у которых значительно больше тяги вентилятора, чем тяги реактивной струи, – как турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности. Большинство коммерческих авиационных двигателей, используемых сегодня, имеют высокую степень двухконтурности. Например, степень двухконтурности 6 означает, что через обходной канал проходит в 6 раз больше воздуха, чем через камеру сгорания. Турбовентиляторные двигатели обычно описываются с точки зрения степени двухконтурности, которая, наряду с общей степенью сжатия, температурой на входе в турбину и степенью повышения давления вентилятора, является важным параметром конструкции. Кроме того, степень двухконтурности указывается для турбовинтовых и бесканальных вентиляторных установок, поскольку их высокая тяговая эффективность придает им характеристики очень высокой степени двухконтурности. Это позволяет отображать их вместе с турбовентиляторными двигателями на графиках, показывающих тенденции снижения удельного расхода топлива (SFC) с увеличением степени двухконтурности. Степень двухконтурности также может быть указана для установок с подъемным вентилятором, где воздушный поток вентилятора удален от двигателя и не проходит мимо ядра двигателя. При постоянном ядре (т.е. фиксированной степени сжатия и температуре на входе в турбину), равных скоростях реактивных струй ядра и обходного потока и определенных условиях полета (т.е. числе Маха и высоте) расход топлива на единицу тяги (SFC) уменьшается с увеличением степени двухконтурности. В то же время общая и чистая тяга увеличиваются, но в разной степени. Существует значительный потенциал для снижения расхода топлива при том же цикле ядра за счет увеличения степени двухконтурности. Это достигается за счет снижения тяги на единицу расхода воздуха (удельной тяги) и, как следствие, снижения потерь кинетической энергии в струях (увеличения тяговой эффективности). Если вся мощность газа от газовой турбины преобразуется в кинетическую энергию в реактивном сопле, самолет лучше всего подходит для высоких сверхзвуковых скоростей. Если вся она передается отдельной большой массе воздуха с низкой кинетической энергией, самолет лучше всего подходит для нулевой скорости (зависания). Для скоростей между ними мощность газа распределяется между отдельным потоком воздуха и потоком собственного сопла газовой турбины в пропорции, которая обеспечивает требуемую производительность самолета. Компромисс между массовым расходом и скоростью также наблюдается с воздушными винтами и роторами вертолетов путем сравнения нагрузки на диск и нагрузки на мощность. Например, тот же вес вертолета может поддерживаться двигателем большой мощности и ротором малого диаметра или, для меньшего расхода топлива, двигателем меньшей мощности и ротором большего диаметра с меньшей скоростью через ротор. Обход обычно относится к передаче мощности газа от газовой турбины к обточному потоку воздуха для снижения расхода топлива и шума реактивной струи. В качестве альтернативы может потребоваться двигатель с форсажной камерой, где единственным требованием к обходу является обеспечение охлаждающего воздуха. Это устанавливает нижний предел степени двухконтурности, и эти двигатели были названы «протекающими» или турбореактивными двигателями с непрерывным отводом воздуха (General Electric YJ 101 BPR 0.25) и турбореактивными двигателями с низкой степенью двухконтурности (Pratt & Whitney PW1120). Низкая степень двухконтурности (0.2) также использовалась для обеспечения запаса устойчивости, а также охлаждения форсажной камеры для Pratt & Whitney J58.

Дюзы

Системы сопел холодного и основного каналов относительно сложны из-за наличия двух раздельных потоков выхлопных газов. В двигателях с высокой степенью двухконтурности вентилятор расположен в коротком канале в передней части двигателя и обычно имеет сужающееся холодное сопло, а задняя часть канала формирует сопло с низким отношением давлений, которое в нормальных условиях достигает критического режима, создавая сверхзвуковые течения вокруг ядра двигателя. Сопло ядра более традиционное, но производит меньшую часть тяги, и в зависимости от конструктивных решений, например, требований к уровню шума, может и не достигать критического режима. В двигателях с низкой степенью двухконтурности оба потока могут смешиваться внутри каналов и использовать общее сопло, которое может быть оснащено форсажной камерой.

Шум

Большая часть воздушного потока через турбовентиляторный двигатель с высокой степенью двухконтурности – это обходной поток с более низкой скоростью: даже при объединении с выхлопными газами двигателя, имеющими значительно более высокую скорость, средняя скорость выхлопных газов существенно ниже, чем у чистого турбореактивного двигателя. Шум турбореактивного двигателя в основном обусловлен реактивным шумом, возникающим из-за высокой скорости выхлопных газов. Следовательно, турбовентиляторные двигатели значительно тише чистых реактивных двигателей той же тяги, и реактивный шум перестает быть основным источником шума. Шум турбовентиляторного двигателя распространяется как вверх по потоку через воздухозаборник, так и вниз по потоку через основное сопло и канал обходного потока. Другими источниками шума являются вентилятор, компрессор и турбина. Шум вентилятора может возникать из-за взаимодействия следов от лопаток вентилятора с полем давления статорных лопаток, расположенных за вентилятором. Его можно минимизировать, обеспечив достаточный осевой зазор между задней кромкой лопатки и входом в статор. На высоких оборотах двигателя, например, при взлете, ударные волны от сверхзвуковых концов лопаток вентилятора, из-за своей неоднородности, создают диссонирующий шум, известный как шум "зубчатой пилы". Все современные турбовентиляторные двигатели оснащены звукопоглощающими панелями в гондоле для снижения уровня шума. Они максимально расширены, чтобы покрыть наибольшую площадь поверхности. Акустические характеристики двигателя могут быть экспериментально оценены посредством наземных испытаний или на специализированных испытательных стендах. В аэрокосмической отрасли шевроны – это "зубчатые" выступы на задних кромках некоторых сопел реактивных двигателей, используемые для снижения шума. Их профилированная форма сглаживает смешение горячих газов из ядра двигателя и более холодного воздуха, проходящего через вентилятор, что уменьшает турбулентность и, следовательно, шум. Примерами таких конструкций являются Boeing 787 и Boeing 747-8, оснащенные двигателями Rolls Royce Trent 1000 и General Electric GEnx.

История

Ранние турбореактивные двигатели были не очень экономичными из-за серьезных ограничений общего коэффициента давления и температуры газов на входе в турбину, обусловленных технологиями и материалами, доступными в то время. Первым турбовентиляторным двигателем, который испытывался только на стенде, был немецкий Daimler Benz DB 670, получивший обозначение 109 007 в Министерстве авиации нацистской Германии, с датой первого запуска 27 мая 1943 года, после испытаний турбомашины с использованием электродвигателя, которые были проведены 1 апреля 1943 года. Разработка двигателя была прекращена с нерешенными проблемами, поскольку военная обстановка для Германии ухудшалась. Позднее в 1943 году британские специалисты наземными испытаниями проверили турбовентилятор Metrovick F.3, который использовал турбореактивный двигатель Metrovick F.2 в качестве газогенератора, с отводом выхлопных газов в компактный задний модуль вентилятора, включающий систему турбины низкого давления с встречно вращающимися лопатками, приводящую в движение два коаксиальных вентилятора с встречным вращением. Улучшенные материалы и внедрение двухкомпрессорных схем, таких как в двигателях Bristol Olympus и Pratt & Whitney JT3C, увеличили общий коэффициент давления и, следовательно, термодинамическую эффективность двигателей. Однако они также имели низкую тяговую эффективность, поскольку чистые турбореактивные двигатели характеризуются высокой удельной тягой и высокой скоростью выхлопных газов, что лучше подходит для сверхзвуковых полетов. Первые турбовентиляторные двигатели с низким двухконтурным отношением были разработаны для повышения тяговой эффективности за счет снижения скорости выхлопных газов до значения, близкого к скорости самолета. Rolls Royce Conway, первый в мире серийный турбовентиляторный двигатель, имел двухконтурное отношение 0,3, аналогичное современному истребительному двигателю General Electric F404. Гражданские турбовентиляторные двигатели 1960-х годов, такие как Pratt & Whitney JT8D и Rolls Royce Spey, имели двухконтурное отношение, близкое к 1, и были сопоставимы со своими военными аналогами. Первым советским авиалайнером, оснащенным турбовентиляторными двигателями, был Туполев Ту-124, представленный в 1962 году. Он использовал двигатель Соловьев Д-20. С 1960 по 1965 год для "Аэрофлота" и других авиакомпаний стран Восточного блока было произведено 164 самолета, некоторые из которых эксплуатировались до начала 1990-х годов. Первым турбовентиляторным двигателем General Electric был задний вентилятор CJ805-23, созданный на базе турбореактивного двигателя CJ805-3. За ним последовал двигатель General Electric CF700 с задним вентилятором и двухконтурным отношением 2,0, разработанный на базе турбореактивного двигателя General Electric J85/CJ610 для привода более крупных самолетов Rockwell Sabreliner 75/80, а также Dassault Falcon 20, с увеличением тяги примерно на 50%. CF700 стал первым малогабаритным турбовентиляторным двигателем, сертифицированным Федеральным управлением гражданской авиации (FAA). В определенный момент времени по всему миру эксплуатировалось более 400 самолетов CF700, имевших опыт работы более 10 миллионов летных часов. Турбовентиляторный двигатель CF700 также использовался для подготовки астронавтов, направлявшихся на Луну в рамках проекта "Аполлон", в качестве силовой установки для лунного посадочного исследовательского аппарата.

Турбовентилятор с низким обходным пультом

Турбовентилятор с высокой удельной тягой и низким отношением двухконтурности обычно оснащен многоступенчатым вентилятором, расположенным за входными направляющими аппаратами, который развивает относительно высокое давление и, следовательно, обеспечивает высокую (смешанную или холодную) скорость выхлопных газов. Воздушный поток в газогенераторе должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную мощность для привода вентилятора. Цикл с меньшим потоком через газогенератор и более высоким отношением двухконтурности может быть достигнут путем повышения температуры газа на входе ротора турбины высокого давления (HP). Чтобы проиллюстрировать один из аспектов, отличающих турбовентилятор от турбореактивного двигателя, можно провести сравнение при одинаковом расходе воздуха (например, для сохранения общего воздухозаборника) и одинаковой чистой тяге (то есть одинаковой удельной тяге). Добавление потока двухконтурности возможно только в том случае, если температура газа на входе турбины не слишком высока, чтобы компенсировать меньший поток через газогенератор. Дальнейшее совершенствование технологий охлаждения турбин и материалов позволит повысить температуру газа на входе турбины, что необходимо из-за увеличения температуры воздуха охлаждения, вызванного общим увеличением степени сжатия. Полученный турбовентилятор, с разумной эффективностью и потерями в канале для добавленных компонентов, вероятно, будет работать при более высоком давлении на сопле, чем турбореактивный двигатель, но с более низкой температурой выхлопных газов для сохранения чистой тяги. Поскольку увеличение температуры по всей длине двигателя (от воздухозаборника до сопла) будет меньше, расход топлива (без форсажа) также снизится, что приведет к улучшению удельного расхода топлива (SFC). Некоторые военные турбовентиляторы с низким отношением двухконтурности (например, F404, JT8D) имеют регулируемые входные направляющие лопатки для направления воздуха на первую ступень ротора вентилятора. Это улучшает запас устойчивости вентилятора к срыву (см. характеристическую карту компрессора).

Послегорящий турбовентилятор

С 1970-х годов большинство реактивных истребителей оснащались турбовентиляторными двигателями с низкой или средней степенью двухконтурности, смешанным выхлопом, форсажной камерой и соплом с регулируемой площадью поперечного сечения. Форсажная камера – это камера сгорания, расположенная за лопатками турбины и непосредственно перед соплом, в которой сжигается топливо, подаваемое из специальных форсажных инжекторов. При включении форсажа в камере сгорания сжигается большое количество топлива, что значительно повышает температуру выхлопных газов, приводя к увеличению скорости выхлопных газов и удельной тяги двигателя. Сопло с переменной геометрией должно открываться, увеличивая площадь горла, чтобы обеспечить прохождение дополнительного объема и возросшего расхода газов при включенном форсаже. Форсаж обычно предназначен для обеспечения значительного увеличения тяги при взлете, транссоническом разгоне и боевых маневрах, однако он очень топливоемок. Следовательно, форсаж можно использовать только на коротких участках полета. В отличие от основного двигателя, где стехиометрические температуры в камере сгорания необходимо снизить до поступления на турбину, форсажная камера при максимальной подаче топлива рассчитана на создание стехиометрических температур на входе в сопло, примерно… При фиксированном общем соотношении топлива и воздуха, общий расход топлива для заданного расхода воздуха через вентилятор будет одинаковым, независимо от удельной тяги двигателя в нефорсажном режиме. Однако турбовентиляторный двигатель с высокой удельной тягой по определению будет иметь более высокое давление в сопле, что приведет к увеличению чистой тяги в форсажном режиме и, следовательно, к снижению удельного расхода топлива (SFC) при форсаже. Однако двигатели с высокой удельной тягой имеют высокий удельный расход топлива в нефорсажном режиме. Ситуация обратная для турбовентиляторного двигателя со средней удельной тягой и форсажной камерой: то есть, низкий SFC при форсаже и высокий SFC в нефорсажном режиме. Первый тип двигателя подходит для боевого самолета, которому необходимо длительное время оставаться в форсажном бою, но при этом вести бой относительно недалеко от аэродрома (например, при пограничных столкновениях). Второй тип двигателя лучше подходит для самолета, которому необходимо пролететь значительное расстояние или длительное время находиться в зоне ожидания перед вступлением в бой. Однако пилот может позволить себе использовать форсаж только в течение короткого периода времени, прежде чем запас топлива самолета станет критически низким. Первым серийным турбовентиляторным двигателем с форсажной камерой был Pratt & Whitney TF30, который первоначально устанавливался на F-111 Aardvark и F-14 Tomcat. Современные низкоконтурные военные турбовентиляторные двигатели включают Pratt & Whitney F119, Eurojet EJ200, General Electric F110, Klimov RD-33 и Saturn AL-31, все из которых оснащены смешанным выхлопом, форсажной камерой и соплом с регулируемой площадью.

Высокообходный турбовентилятор

Для дальнейшего повышения экономии топлива и снижения шума почти все современные реактивные авиалайнеры и большинство военных транспортных самолетов (например, C-17) оснащаются турбовентиляторными двигателями с низкой удельной тягой и высоким отношением обхода. Эти двигатели произошли от турбовентиляторных двигателей с высокой удельной тягой и низким отношением обхода, использовавшихся в таких самолетах в 1960-х годах. Современные боевые самолеты, как правило, используют турбовентиляторные двигатели с низким отношением обхода, а некоторые военно-транспортные самолеты – турбовинтовые двигатели. Низкая удельная тяга достигается заменой многоступенчатого вентилятора на одноступенчатый. В отличие от некоторых военных двигателей, современные гражданские турбовентиляторные двигатели не имеют неподвижных входных направляющих лопаток перед ротором вентилятора. Вентилятор масштабируется для достижения требуемой суммарной тяги. Сердцевина (или газогенератор) двигателя должна генерировать достаточную мощность для привода вентилятора при его номинальном массовом расходе и степени сжатия. Улучшения в технологии охлаждения и материалах турбин позволяют повысить температуру газа на входе в ротор турбины высокого давления, что позволяет уменьшить (и облегчить) сердцевину, потенциально повышая тепловую эффективность сердцевины. Уменьшение массового расхода в сердцевине, как правило, увеличивает нагрузку на турбину низкого давления, поэтому для этого модуля могут потребоваться дополнительные ступени для снижения средней нагрузки на ступень и поддержания эффективности турбины низкого давления. Уменьшение расхода в сердцевине также увеличивает отношение обхода. Отношения обхода, превышающие 5:1, становятся все более распространенными; Pratt & Whitney PW1000G, поступивший в коммерческую эксплуатацию в 2016 году, достигает 12,5:1. Дальнейшее повышение тепловой эффективности сердцевины может быть достигнуто путем повышения общей степени сжатия в сердцевине. Улучшение аэродинамики лопаток может уменьшить количество дополнительных ступеней компрессора, а статоры с переменной геометрией позволяют компрессорам с высоким отношением сжатия работать без срыва на всех положениях дросселя. Первым (экспериментальным) турбовентиляторным двигателем с высоким отношением обхода был AVCO Lycoming PLF1A-2, двигатель, разработанный на базе турбовального двигателя Honeywell T55, который впервые был запущен в феврале 1962 года. PLF1A-2 имел вентиляторную ступень с редуктором, создавал статическую тягу и имел отношение обхода 6:1. General Electric TF39 стал первой серийной моделью, предназначенной для привода военно-транспортного самолета Lockheed C-5 Galaxy. Чем ниже удельная тяга турбовентиляторного двигателя, тем ниже средняя скорость истечения реактивной струи, что, в свою очередь, приводит к высокой скорости снижения тяги с увеличением скорости полета. См. техническое обсуждение ниже, пункт 2. Следовательно, двигатель, рассчитанный на приведение самолета в движение на высокой дозвуковой скорости (например, 0,83 Маха), генерирует относительно высокую тягу на низкой скорости полета, тем самым повышая взлетно-посадочные характеристики. Двигатели с низкой удельной тягой, как правило, имеют высокое отношение обхода, но это также зависит от температуры системы турбин. Турбовентиляторные двигатели на двухдвигательных транспортных самолетах создают достаточную тягу для взлета, чтобы продолжить взлет на одном двигателе, если другой двигатель выходит из строя после критической точки на взлетной дистанции. С этого момента тяга самолета меньше, чем половина тяги двух работающих двигателей, поскольку неработающий двигатель создает сопротивление. Современные двухдвигательные авиалайнеры обычно выполняют очень крутой набор высоты сразу после взлета. Если один двигатель выходит из строя, набор высоты будет более пологим, но достаточным для преодоления препятствий на траектории полета. Двигателестроение в Советском Союзе было менее развито, чем на Западе, и первый широкофюзеляжный самолет, Ил-86, был оснащен двигателями с низким отношением обхода. Яковлев Як-42, среднемагистральный самолет с хвостовым расположением двигателя, вмещающий до 120 пассажиров, представленный в 1980 году, стал первым советским самолетом с двигателями с высоким отношением обхода.

Турбовентилятор с одним валом

Хотя одноствольные турбовентиляторные двигатели встречаются нечасто, они, вероятно, являются самой простой конфигурацией, включающей вентилятор и компрессор высокого давления, приводимые в движение одной турбиной, расположенными на одном валу. Snecma M53, используемый на истребителях Dassault Mirage 2000, является примером одноствольного турбовентиляторного двигателя. Несмотря на простоту схемы турбомашины, M53 требует смесителя с переменной геометрией для обеспечения стабильной работы на малых тягах.

Задние турбовентиляторы

Одним из самых ранних турбовентиляторных двигателей был разработан на базе турбореактивного двигателя General Electric J79 и получил обозначение CJ805 23. Он отличался интегрированным задним вентилятором и турбиной низкого давления (LP), расположенными в выхлопной трубе турбореактивного двигателя. Горячие газы из турбины турбореактивного двигателя расширялись, проходя через турбину LP, при этом лопасти вентилятора являлись радиальным продолжением лопастей турбины. Такая конструкция создавала дополнительный путь утечки газа по сравнению с двигателями с передним вентилятором и являлась проблемой для этого двигателя, поскольку газ высокого давления из турбины просачивался в поток воздуха вентилятора. Позднее задний вентилятор был использован в демонстраторе General Electric GE36 UDF (пропафан) в начале 1980-х годов. В 1971 году Исследовательский центр NASA Lewis предложил концепцию двигателя для сверхзвукового транспортного самолета, который работал бы как турбовентиляторный двигатель с задним расположением вентилятора при взлете и на дозвуковых скоростях, и как турбореактивный двигатель на более высоких скоростях. Это позволило бы сочетать низкий уровень шума и высокую тягу турбовентиляторного двигателя при взлете с высокой экономичностью турбовентиляторного двигателя на дозвуковых скоростях и высокой эффективностью турбореактивного двигателя на сверхзвуковых скоростях.

Базовая двухкольцевая

Многие турбовентиляторные двигатели имеют как минимум базовую двухкатушную конструкцию, в которой вентилятор расположен на отдельной катушке низкого давления (LP), вращающейся концентрически с компрессором или катушкой высокого давления (HP); катушка LP работает с меньшей угловой скоростью, в то время как катушка HP вращается быстрее, а её компрессор дополнительно сжимает часть воздуха для камеры сгорания. BR710 является типичным представителем этой конструкции. При меньших тяговых характеристиках, вместо полностью осевых лопаток, конструкция компрессора HP может быть осецентробежной (например, CFE CFE738), двойной центробежной или даже диагонально-центробежной (например, Pratt & Whitney Canada PW600).

Двухкольцевый

Более высокие общие степени сжатия могут быть достигнуты либо за счет повышения степени сжатия компрессора высокого давления, либо за счет добавления компрессорных (не с обходом) ступеней к катушке низкого давления, между вентилятором и компрессором высокого давления, для повышения давления на последнем. Все крупные американские турбовентиляторные двигатели (например, General Electric CF6, GE90, GE9X и GEnx, а также Pratt & Whitney JT9D и PW4000) используют промежуточные ступени сжатия. Rolls Royce BR715 – еще один пример. Высокие степени двухконтурности, применяемые в современных гражданских турбовентиляторных двигателях, как правило, уменьшают относительный диаметр промежуточных ступеней сжатия, снижая их среднюю окружную скорость. Следовательно, для достижения необходимого повышения давления требуется большее количество промежуточных ступеней сжатия.

Три-копья

Rolls Royce выбрал трехкатушную конфигурацию для своих крупных гражданских турбовентиляторных двигателей (таких как семейства RB211 и Trent), в которой ступени повышения давления двухкатушной схемы разделены на промежуточную катушку (IP), приводимую в действие собственной турбиной. Первым трехкатушным двигателем стал более ранний Rolls Royce RB.203 Trent образца 1967 года. Двигатель Garrett ATF3, установленный на бизнес-джете Dassault Falcon 20, имеет необычную трехкатушную компоновку с хвостовой катушкой, не имеющей общей оси с двумя другими. Конструкторское бюро Ивченко выбрало ту же конфигурацию, что и Rolls Royce, для своего двигателя Lotarev D-36, за которым последовали Lotarev/Progress D-18T и Progress D-436. Военный турбовентиляторный двигатель Turbo Union RB199 также имеет трехкатушную конфигурацию, как и военные двигатели Кузнецова NK-25 и NK-321.

Вентилятор с редукторами

По мере увеличения коэффициента двухконтурности, скорость на конце лопасти вентилятора возрастает по отношению к скорости лопасти турбины низкого давления (ТНД). Это приводит к снижению скорости лопасти ТНД, что требует большего числа ступеней турбины для извлечения необходимой энергии для привода вентилятора. Установка (планетарного) редуктора с подходящим передаточным числом между валом ТНД и вентилятором позволяет и вентилятору, и турбине ТНД работать на оптимальных режимах. Примерами такой конфигурации служат давно известные Garrett TFE731, Honeywell ALF 502/507 и более новый Pratt & Whitney PW1000G.

Военные турбовентиляторы

Большинство рассмотренных выше конфигураций применяется в гражданских турбовентиляторных двигателях, в то время как современные военные турбовентиляторные двигатели (например, Snecma M88) обычно имеют базовую двухкаскадную схему.

Турбина высокого давления

Большинство гражданских турбовентиляторных двигателей используют высокоэффективную двухступенчатую турбину высокого давления для привода компрессора высокого давления. Двигатель CFM International CFM56 использует альтернативный подход: одноступенчатую турбину с высокой удельной работой. Хотя этот подход, вероятно, менее эффективен, он позволяет снизить расход воздуха на охлаждение, вес и стоимость. В двигателях RB211 и Trent с тремя контурами коэффициент повышения давления компрессора высокого давления относительно невелик, поэтому требуется только одна ступень турбины высокого давления. Современные военные турбовентиляторные двигатели также, как правило, используют одноступенчатую турбину высокого давления и компрессор высокого давления с умеренным коэффициентом повышения давления.

Турбина низкого давления

Современные гражданские турбовентиляторные двигатели имеют многоступенчатые турбины низкого давления (от 3 до 7 ступеней). Количество необходимых ступеней зависит от степени двухконтурности цикла двигателя и наличия форсажной камеры (в двухкаскадных двигателях с форсажем). Вентилятор с редуктором может снизить число требуемых ступеней турбины низкого давления в некоторых применениях. Поскольку в военных турбовентиляторных двигателях используются значительно более низкие степени двухконтурности, им требуется всего одна или две ступени турбины низкого давления.

Улучшения цикла

Рассмотрим смешанный турбовентилятор с фиксированным коэффициентом двухконтурности и расходом воздуха. Повышение общего коэффициента давления в системе сжатия приводит к увеличению температуры газа на входе в камеру сгорания. Следовательно, при фиксированном расходе топлива происходит повышение температуры газа на входе в ротор турбины высокого давления (HP). Хотя более значительный нагрев в системе сжатия подразумевает большее падение температуры в системе турбины, температура в смесителе сопла остается неизменной, поскольку в систему подводится одинаковое количество тепла. Однако давление в сопле возрастает, поскольку общий коэффициент давления увеличивается быстрее, чем коэффициент расширения в турбине, что приводит к увеличению давления на входе в горячий смеситель. Как следствие, увеличивается чистая тяга, а удельный расход топлива (расход топлива/чистая тяга) снижается. Аналогичная тенденция наблюдается и для несмешанных турбовентиляторов. Можно повысить топливную эффективность турбовентиляторных двигателей, одновременно увеличивая общий коэффициент давления и температуру газа на входе в ротор турбины высокого давления. Однако для работы при повышенной температуре газа на входе в турбину и температуре на выходе компрессора требуются более совершенные материалы для турбины или улучшенное охлаждение лопаток. Для увеличения температуры на выходе компрессора может потребоваться применение более качественных материалов для компрессора. Общий коэффициент давления можно увеличить за счет повышения коэффициента давления вентилятора (или) компрессора низкого давления (LP) или коэффициента давления компрессора высокого давления (HP). Если последний остается постоянным, то увеличение температуры на выходе компрессора высокого давления (вследствие повышения общего коэффициента давления) подразумевает увеличение механической частоты вращения высокого давления. Однако конструктивные ограничения могут ограничить этот параметр, что, несмотря на увеличение общего коэффициента давления, приведет к снижению коэффициента давления компрессора высокого давления. Согласно простой теории, если поддерживается постоянным отношение температуры газа на входе в ротор турбины к температуре на выходе компрессора высокого давления, то можно сохранить площадь горла турбины высокого давления. Однако это предполагает, что улучшения цикла достигаются при сохранении исходной характеристики расхода на выходе компрессора высокого давления (безразмерный расход). На практике изменения безразмерной скорости компрессора высокого давления и отбор воздуха на охлаждение, вероятно, сделают это предположение недействительным, что потребует некоторой корректировки площади горла турбины высокого давления. Это означает, что направляющие лопатки сопла турбины должны отличаться от исходных. Вероятно, потребуется заменить и направляющие лопатки сопла турбины низкого давления.

Техническое обсуждение

Удельная тяга (чистая тяга/расход воздуха на входе) является важным параметром для турбовентиляторных и реактивных двигателей в целом. Представьте себе вентилятор (приводимый в движение электродвигателем соответствующей мощности), работающий внутри трубы, соединенной с реактивным соплом. Очевидно, что чем выше степень повышения давления в вентиляторе (давление на выходе вентилятора/давление на входе в вентилятор), тем выше скорость струи и соответствующая удельная тяга. Теперь представим, что мы заменяем эту конструкцию эквивалентным турбовентиляторным двигателем – с тем же расходом воздуха и той же степенью повышения давления в вентиляторе. Очевидно, что ядро турбовентиляторного двигателя должно производить достаточную мощность для привода вентилятора посредством турбины низкого давления (LP). Если мы выбираем низкую температуру газа на входе в турбину высокого давления (HP) для газогенератора, расход воздуха в ядре должен быть относительно высоким для компенсации. Соответственно, степень двухконтурности будет относительно низкой. Если мы повысим температуру газа на входе в турбину, расход воздуха в ядре может быть меньше, что увеличит степень двухконтурности. Повышение температуры газа на входе в турбину, как правило, увеличивает тепловую эффективность и, следовательно, повышает топливную экономичность. Естественно, с увеличением высоты происходит снижение плотности воздуха и, следовательно, чистой тяги двигателя. Также существует влияние скорости полета, называемое скоростью снижения тяги. Рассмотрим еще раз приближенное уравнение для чистой тяги: для двигателя с высокой удельной тягой (например, истребителя) скорость струи относительно высока, поэтому интуитивно понятно, что увеличение скорости полета оказывает меньшее влияние на чистую тягу, чем для двигателя со средней удельной тягой (например, учебно-тренировочного), где скорость струи ниже. Влияние скорости снижения тяги на двигатель с низкой удельной тягой (например, гражданский) еще более значительно. На высоких скоростях полета двигатели с высокой удельной тягой могут увеличивать чистую тягу за счет повышения давления на входе, но этот эффект имеет тенденцию уменьшаться на сверхзвуковых скоростях из-за потерь на ударных волнах. Увеличение тяги на гражданских турбовентиляторных двигателях обычно достигается за счет увеличения расхода воздуха в вентиляторе, что предотвращает чрезмерный шум реактивной струи. Однако больший расход воздуха в вентиляторе требует большей мощности от ядра. Этого можно достичь за счет повышения общей степени повышения давления (давление на входе в камеру сгорания/давление на выходе компрессора), чтобы увеличить расход воздуха в ядро, и за счет повышения температуры газа на входе в турбину. Вместе эти параметры, как правило, повышают тепловую эффективность ядра и улучшают топливную экономичность. Некоторые гражданские турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности используют чрезвычайно низкое отношение площадей (менее 1,01) сходяще-расходящееся сопло на обточном (или смешанном) потоке для управления рабочей характеристикой вентилятора. Сопло ведет себя как сопло с изменяемой геометрией. На низких скоростях полета сопло не заклинивает (число Маха меньше 1), поэтому скорость выхлопных газов увеличивается по мере приближения к критическому сечению, а затем незначительно замедляется при достижении расширяющейся части. Следовательно, площадь выходного сечения сопла контролирует согласование вентилятора и, будучи больше критического сечения, немного отклоняет рабочую характеристику вентилятора от помпажа. На более высоких скоростях полета повышение давления на входе увеличивает давление в сопле до точки, где критическое сечение заклинивает (M = 1,0). В этих условиях площадь критического сечения определяет согласование вентилятора и, будучи меньше выходной площади, немного толкает рабочую характеристику вентилятора к помпажу. Это не является проблемой, поскольку запас по помпажу вентилятора намного выше на высоких скоростях полета. Характеристики турбовентиляторных двигателей в нештатных режимах иллюстрируются на картах компрессора и турбины. Поскольку современные гражданские турбовентиляторные двигатели работают при низкой удельной тяге, для создания необходимой степени повышения давления вентилятора им требуется только одна ступень вентилятора. Желаемая общая степень повышения давления для цикла двигателя обычно достигается за счет нескольких осевых ступеней сжатия в ядре. Rolls Royce, как правило, разделяет сжатие в ядре на две части, с промежуточным компрессором (IP), нагнетающим компрессор высокого давления (HP), оба агрегата приводятся в движение турбинами с одной ступенью, установленными на отдельных валах. Следовательно, компрессору высокого давления необходимо развивать лишь умеренную степень повышения давления (например, ~4,5:1). Гражданские двигатели США используют гораздо более высокую степень повышения давления компрессора высокого давления (например, ~23:1 на General Electric GE90) и, как правило, приводятся в движение двухступенчатой турбиной высокого давления. Тем не менее, обычно имеется несколько осевых ступеней промежуточного давления на валу низкого давления, позади вентилятора, для дальнейшего наддува системы сжатия в ядре. Гражданские двигатели имеют многоступенчатые турбины низкого давления, количество ступеней определяется степенью двухконтурности, количеством ступеней сжатия промежуточного давления на валу низкого давления и скоростью вращения лопаток турбины низкого давления. Поскольку военные двигатели обычно должны иметь возможность летать очень быстро на уровне моря, предел температуры газа на выходе компрессора высокого давления достигается при относительно умеренной расчетной общей степени повышения давления по сравнению с гражданским двигателем. Также степень повышения давления вентилятора относительно высока для достижения средней или высокой удельной тяги. Следовательно, современные военные турбовентиляторные двигатели обычно имеют только 5 или 6 ступеней компрессора высокого давления и требуют только одной ступени турбины высокого давления. Турбовентиляторные двигатели военного назначения с низкой степенью двухконтурности обычно имеют одну ступень турбины низкого давления, но двигатели с более высокой степенью двухконтурности нуждаются в двух ступенях. Теоретически, путем добавления ступеней компрессора промежуточного давления, современный военный турбовентиляторный компрессор высокого давления может быть использован в производном гражданском турбовентиляторном двигателе, но ядро, вероятно, будет слишком малым для приложений с высокой тягой.

Аэродинамическое моделирование

Аэродинамика в современных турбовентиляторных двигателях представляет собой сочетание дозвукового, трансзвукового и сверхзвукового обтекания одной лопатки компрессора вентилятора/газа. Необходимо поддерживать поток воздуха, обтекающий лопасти, в узких угловых пределах, чтобы обеспечить его движение против растущего давления. В противном случае воздух может вырваться из воздухозаборника. Для управления двигателем системе полного цифрового управления двигателем (FADEC) требуются точные данные. Критическая температура газа на входе в турбину (TIT) представляет собой слишком агрессивную среду для надежной работы датчиков при температурах и . Поэтому при разработке нового типа двигателя устанавливается зависимость между более легко измеряемой температурой, такой как температура выхлопных газов, и TIT. Мониторинг температуры выхлопных газов используется для контроля температуры двигателя и предотвращения его перегрева.