Введение

Семейство турбовентиляторных авиационных двигателей

Семейство турбовентиляторных авиационных двигателей Rolls Royce Trent – это семейство высокообходных турбовентиляторов, производимых компанией Rolls Royce. Они продолжают трехкатушную архитектуру RB211 с максимальной тягой, начиная с… Разработка началась с RB211 524L в июне 1988 года, а прототип впервые был запущен в августе 1990 года. Первым вариантом стал Trent 700, представленный на Airbus A330 в марте 1995 года, затем Trent 800 для Boeing 777 (1996), Trent 500 для A340 (2002), Trent 900 для A380 (2007), Trent 1000 для Boeing 787 (2011), Trent XWB для A350 (2015) и Trent 7000 для A330neo (2018). Существуют также морские и промышленные варианты, такие как RR MT30.

Разработка

Несмотря на успех RB211, на крупном гражданском рынке турбовентиляторных двигателей доминировали General Electric и Pratt & Whitney, а доля Rolls Royce составляла всего 8% на момент приватизации в апреле 1987 года. В июне Rolls Royce изучала возможность запуска RB211 700 – разработки для двухдвигательного Airbus A330, дальнемагистрального Boeing 767 и MD 11, созданной на базе 524D4D от 747-400, с потенциалом для увеличения тяги. К июню 1988 года Rolls Royce инвестировала более 540 миллионов долларов в разработку модернизированного RB 211 524L с новым вентилятором, заменяющим вентилятор для 524G/H, и четвертой ступенью турбины низкого давления, увеличенной с трех. В сентябре 1988 года на авиасалоне в Фарнборо была подтверждена разработка 524L, оцениваемая в 300 миллионов фунтов стерлингов, для оснащения MD 11 и A330, и представлена полномасштабная модель, разработанная Фрэнком Уиттлом. В июне 1989 года RB211 524L Trent был утвержден для A330, а его первый запуск состоялся 27 августа 1990 года в Дерби. К сентябрю 1992 года разработка Trent 600 для MD 11 была прекращена, а прототипы были переоборудованы в двигатели Trent 700 для A330 с новым вентилятором. В соответствии с традицией Rolls Royce называть свои реактивные двигатели в честь рек, этот двигатель получил название в честь реки Трент в Мидлендсе Англии. Правительство Великобритании предоставило Rolls Royce 450 миллионов фунтов стерлингов в виде возвратных инвестиций с выплатой процентов для разработки двигателя RB.211 и семейства Trent до Trent 900. В 1997 году Rolls Royce получила 200 миллионов фунтов стерлингов за варианты Trent 8104, 500 и 600, а в 2001 году – 250 миллионов фунтов стерлингов за варианты Trent 600 и 900; помощь для варианта Trent 1000 не запрашивалась. Новые предлагаемые самолеты требовали большей тяги, а клиенты хотели, чтобы двухдвигательные Boeing 777 и Airbus A330 могли выполнять полеты с расширенным радиусом действия (Extended range Twin engine Operations) с момента ввода в эксплуатацию. Rolls Royce приняла решение предлагать двигатель для каждого крупного гражданского авиалайнера, основанный на общей базовой конструкции для снижения затрат на разработку, а трехвальная конструкция обеспечивала гибкость, позволяя масштабировать каждую ступень независимо. Семейство двигателей получило название в честь реки Трент, название, которое ранее использовалось для RB.50, первого рабочего турбовинтового двигателя Rolls Royce, и RB.203 1960-х годов – турбовентиляторного двигателя с двухконтурной схемой и первого трехвального двигателя, предназначенного для замены Spey, но так и не запущенного в производство. В 2019 году Rolls Royce поставила 510 двигателей Trent.

Дизайн

Как и его предшественник RB211, Trent использует концентрическую трехкатушечную конструкцию, а не двухкатушечную. Семейство двигателей Trent сохраняет аналогичную компоновку, но каждая катушка может быть масштабирована индивидуально и вращаться ближе к оптимальной скорости. Уровень шума в основной части и выбросы отработавших газов ниже, чем у RB211. Полые титановые лопасти вентилятора с внутренней ферменной структурой Уоррена обеспечивают прочность, жесткость и устойчивость к повреждениям при малом весе. Для работы при температурах выше температуры плавления, охлаждающий воздух отбирается от компрессора через лазерно просверленные отверстия в полых лопатках турбины, изготовленных из монокристалла никелевого сплава и покрытых теплозащитным покрытием. Каждая лопатка турбины извлекает до [значение] из газового потока. В апреле 1998 года RB211 524HT был представлен для Boeing 747-400 с основной частью Trent 700, заменив предыдущий RB211 524G/H с улучшением TSFC на 2%, снижением выбросов NOx до 40% и охлаждением турбины на 50 °C. Катушка Trent 800 LP вращается со скоростью 3300 об/мин, а диаметр его вентилятора достигает скорости [значение] м/с. Вентилятор Trent 900 обеспечивает низкую среднюю скорость струи при взлете для снижения шума Airbus A380.

Первый Трент 600

В начале программы McDonnell Douglas MD 11 в конце 1986 года двигатели предлагались только GE CF6 80C2 или PW4000, но Rolls Royce изучал возможность предложения RB211 524D4D, установленного на 747-400. К июню 1988 года Rolls Royce инвестировал более 540 миллионов долларов в разработку модернизированного RB 211 524L с новым вентилятором для моделей 524G/H и четвертой ступенью турбины низкого давления, увеличенной с трех. К февралю 1992 года было построено четыре двигателя Trent 600 с вентилятором. К сентябрю 1992 года три двигателя были переоборудованы в Trent 700 для A330 с вентилятором. К марту 1997 года Boeing изучал производные модели 777-200X/300X для внедрения в сентябре 2000 года: GE предлагала GE90-102B, P&W – PW4098, а Rolls Royce – Trent 8100. Rolls Royce также изучала Trent 8102 с тягой более. К декабрю 1997 года максимальная взлетная масса 300X выросла до. Проект Trent 8104 должен был быть завершен к июню 1998 года, а ввод 200X в эксплуатацию был перенесен на середину 2002 года. Повышенная тяга достигалась за счет новых лопастей вентилятора со стреловидностью, при сохранении диаметра вентилятора. Первый запуск Trent 8104 состоялся 16 декабря 1998 года, и через пять дней двигатель превысил тягу в 110 000 фунтов (490 кН), после чего к середине 1999 года к испытаниям присоединились еще два двигателя. Лопасти вентилятора со стреловидностью обеспечивают на 2-3% больший расход воздуха при той же скорости и с тем же диаметром вентилятора, что дает дополнительную тягу, а эффективность вентилятора увеличивается на 1%. Роторы и статоры компрессора высокого давления и статоры компрессора промежуточного давления были спроектированы с применением 3D-аэродинамики. По мере увеличения максимальной взлетной массы 777-200X/300X до 340 500 кг, требования к тяге изменились. Диаметр вентилятора должен был достичь 2,9 м (114 дюймов) для увеличения тяги. К июню 1999 года 8104 послужила основой для предлагаемого Trent 8115 с тягой 115 000 фунтов (510 кН), с уменьшенной на 2,5% геометрически и на 5% аэродинамически сердцевиной и увеличенным вентилятором, сохраняя архитектуру Trent 800: восьмиступенчатый компрессор промежуточного давления и шестиступенчатый компрессор высокого давления, приводимые в действие одноступенчатой турбиной и пятиступенчатой турбиной низкого давления. В июле 1999 года Boeing выбрал General Electric GE90 вместо Trent 8115 и предложения P&W для оснащения 777 с увеличенной дальностью полета, поскольку GE предложила существенно профинансировать разработку самолета – примерно на 100 миллионов долларов. Rolls Royce позже отказалась от Trent 8115, но продолжила работу над Trent 8104 в качестве демонстратора технологии.

Трент 500

Trent 500 используется исключительно на более крупных модификациях A340-500/600. Он был выбран в июне 1997 года, впервые запущен в мае 1999 года, совершил первый полет в июне 2000 года и получил сертификат 15 декабря 2000 года. В эксплуатацию он был введен в июле 2002 года, и до прекращения производства A340 в 2011 году было поставлено 524 двигателя с самолетами. Сохраняя трехкаскадную архитектуру семейства Trent, он использует вентилятор диаметром 2,47 м (97,5 дюймов) от Trent 700 и уменьшенную версию ядра от Trent 800. Он развивает тягу до 275 кН (61 900 фунтов силы) при взлете и имеет степень двухконтурности до 8,5:1 в крейсерском режиме.

Второй Трент 600

В марте 2000 года Boeing планировал запустить более дальнодействующий 767-400ERX, оснащенный двигателями, с поставками, запланированными на 2004 год. В июле Rolls Royce должен был поставлять Trent 600 для 767-400ERX и Boeing 747X, в то время как Европейский Союз ограничивал предложение Engine Alliance для самолетов с четырьмя двигателями. Trent 600 был разработан на основе Trent 500 с увеличенным диаметром вентилятора для повышения степени двухконтурности и снижения расхода топлива. Boeing предлагал 767-400ERX увеличенной дальности с более высокой максимальной взлетной массой (MTOW) и большей тягой для улучшения взлетно-посадочных характеристик. В 2001 году от проекта 767-400ERX отказались в пользу Sonic Cruiser. Когда Boeing запустил 747-8 в ноябре 2005 года, он оснащался исключительно двигателями General Electric GEnx.

Трент 1000

Rolls Royce Trent 1000 – один из двух вариантов двигателя для Boeing 787 Dreamliner, конкурирующий с General Electric GEnx. Первый запуск состоялся 14 февраля 2006 года, а первый полет – 18 июня 2007 года. 7 августа 2007 года двигатель получил совместный сертификат EASA/FAA, а 26 октября 2011 года был введен в эксплуатацию. Двигатель имеет степень двухконтурности более 10:1, вентилятор диаметром в метр и сохраняет характерную трехкатушную схему серии Trent. Модернизированный Trent 1000 TEN, использующий технологии Trent XWB и Advance3, обеспечивает до 3% снижения расхода топлива. Первый запуск состоялся в середине 2014 года, сертификат EASA был получен в июле 2016 года, первый полет на 787 – 7 декабря 2016 года, а ввод в эксплуатацию – 23 ноября 2017 года. В начале 2016 года были обнаружены усталостные трещины лопаток промежуточной турбины, вызванные коррозией, что привело к приостановке эксплуатации до 44 самолетов и обошлось Rolls Royce как минимум в £ миллионов. К началу 2018 года доля Trent 1000 в оформленных заказах составляла %. Trent 7000 – версия с отбором воздуха для Airbus A330neo.

Трент 1500

Когда MTOW A340 600HGW впервые совершил полет в ноябре 2005 года, Airbus изучал усовершенствованную версию более крупных модификаций A340, планировавшуюся к вводу в эксплуатацию в 2011 году. Она должна была составить более серьезную конкуренцию 777-300ER, обеспечивая на 8-9% меньший расход топлива по сравнению с A340-600: улучшенные двигатели General Electric GEnx или Trent 1500 могли бы снизить это преимущество на 6-7%. Trent 1500 сохранил бы диаметр вентилятора и обтекатель Trent 500 – 2,47 м, но получил бы более компактную и продвинутую сердцевину Trent 1000 и модернизированную турбину низкого давления для увеличения степени двухконтурности с 7,5-7,6:1 до 9,5:1. Последний A340 был поставлен в 2011 году, после чего его заменила обновленная конструкция A350XWB.

Трент 7000

Rolls Royce Trent 7000 используется исключительно на Airbus A330neo. Объявлен 14 июля 2014 года, он впервые был запущен 27 ноября 2015 года. Первый полет состоялся 19 октября 2017 года на борту A330neo. 20 июля 2018 года он получил сертификат типа EASA как вариант Trent 1000. Первая поставка была осуществлена 26 ноября. Программа ANTLE была направлена на снижение выбросов на 12%, выбросов NOx на 60%, стоимости приобретения на 20%, стоимости жизненного цикла на 30% и стоимости разработки на 50%, одновременно повышая надежность на 60%. Фаза испытаний завершилась к лету 2005 года. Двигатель ANTLE был разработан на базе Rolls Royce Trent 500. Rolls Royce Deutschland отвечала за компрессор высокого давления, Rolls Royce UK – за камеру сгорания и турбину высокого давления, итальянская Avio – за турбину среднего давления, а ITP – за турбину низкого давления (LPT) и внешний корпус, с инвестициями в размере 20,5 млн евро и долей в 20% в программе. Он оснащен новым 5-ступенчатым компрессором высокого давления, обедненной камерой сгорания, турбиной высокого давления без направляющих аппаратов и турбиной среднего давления с изменяемой геометрией. Также были установлены новая коробка передач Hispano Suiza, новая распределенная система управления Goodrich и новая масляная система Techspace Aero.

Система низкого давления (ALPS)

После летных испытаний в 2014 году лопастей вентилятора CTi с титановым передним кромкой и карбоновым корпусом, в 2017 году были проведены испытания в помещении и на открытом воздухе, включая исследования при встречном ветре, шума и зазора на концах лопастей, картирование флаттера, испытания характеристик и условий обледенения. Ядро будет объединено с вентилятором Trent XWB 84 и турбиной Trent 1000 LP для наземных испытаний в середине 2017 года. Демонстратор Advance3 был отправлен из производственного предприятия в Бристоле на испытательный стенд в Дерби в июле 2017 года для оценки до начала 2018 года. В начале 2018 года демонстратор достиг 90% мощности, обеспечив давление P30 в задней части компрессора высокого давления (HP), при этом измерялись нагрузки на подшипники, изменяющиеся в зависимости от конфигурации компрессора. Камера сгорания с обедненной смесью не создавала колебаний, а дальнейшие испытания охватят поглощение воды, шум, рентгеновские снимки работающего двигателя, а также тепловые обследования центральной и горячей зон. К началу 2019 года двигатель отработал более 100 часов. UltraFan нацелен на степень двухконтурности 15:1 и общую степень давления 70:1. UltraFan сохраняет ядро Advance, но также включает в себя турбовентиляторную архитектуру с редуктором и лопастями вентилятора с переменным шагом. Вентилятор изменяет шаг для оптимизации на каждом этапе полета, устраняя необходимость в реверсе тяги. Rolls Royce планировал использовать лопасти вентилятора из углеродного композита вместо обычных полых титановых лопастей. Ожидалось, что такая комбинация снизит вес на один двигатель. Вентилятор с переменным шагом облегчает работу вентилятора с низким отношением давлений. Rolls Royce сотрудничала с Industria de Turbo Propulsores для испытания технологий ионного покрытия (IP) лопастей турбины. В Далевице под Берлином Rolls Royce построила стенд для испытаний мощности, имитирующий условия нагрузки в полете, рассчитанный на редукторные системы, и наняла 200 инженеров. Отношение начальной испытательной передачи составит около 4:1, а тяга может достигать . Этот испытательный стенд представляет собой инвестицию в размере 84 миллиона евро (94 миллиона долларов США). После первоначального набора испытаний вентиляторной установки на низких скоростях и литья лопастей турбины IP второго поколения из титанового алюминия, первоначальный проект концепции демонстратора UltraFan должен был быть окончательно утвержден в 2017 году. Диаметр UltraFan должен был составить . Лопасти вентилятора с титановыми передними кромками были оценены в рамках программы ALPS. В начале 2018 года была проведена проверка на выносливость и надежность третьей коробки передач. На авиасалоне ILA Berlin Air Show в апреле 2018 года было подтверждено проведение летных испытаний на Boeing 747-200 компании Rolls Royce. Более высокая степень двухконтурности и более низкое отношение давления вентилятора вызывают неустойчивость вентилятора на низких скоростях, которая устраняется лопастями с переменным шагом вместо сопла с переменной геометрией. К июлю 2018 года конфигурация UltraFan была зафиксирована. Детальное проектирование и изготовление компонентов должны были обеспечить проведение наземных испытаний в 2021 году. В феврале 2019 года ввод в эксплуатацию был отложен до 2027 года для переоборудования существующих самолетов после полномасштабных наземных испытаний в 2021 году. К февралю 2020 года Rolls Royce производила лопасти вентилятора из углеродного волокна диаметром в Бристоле, Великобритания, что позволяло экономить до на двухдвигательном самолете за счет использования композитного корпуса вентилятора. К марту 2022 года Rolls Royce перевезла редукторную силовую установку, испытанную в , из Далевица на свой британский завод для сборки. К маю 2023 года был проведен первый запуск демонстратора со степенью двухконтурности 14:1, лопастями вентилятора из углеродного титана, ядром Advance3 и новой камерой сгорания. В ноябре 2023 года было объявлено, что демонстратор достиг, по крайней мере, максимальной мощности в тестах, превысив проектные характеристики в 80 000 фунтов силы и отработав более 70 часов.

Технические характеристики

+Газотурбинные двигатели вариант тяги масса степень двухконтурности давление конфигурация вентилятора крейсерский удельный расход топлива первый запуск применение Trent 600 (1) 8 IPC, 6 HPC, 1 HPT, 1 IPT, 4 LPT 1990 MD 11 Trent 700 5.0:1 26 лопастей 1992 Airbus A330 Trent 800 6.4:1 33.9–40.7:1 8 IPC, 6 HPC, 1 HPT, 1 IPT, 5 LPT 26 лопастей 1993 Boeing 777 200/200ER/300 Trent 500 7.6:1 36.3:1 26 лопастей 1999 Airbus A340 500/600 Trent 600 (2) 41:1 26 лопастей отказ от Boeing 747X767 400ER Trent 900 8.7–8.5:1 37–39:1 24 лопастей 2003 Airbus A380 Trent 1000 10:1 50:1 8 IPC, 6 HPC, 1 HPT, 1 IPT, 6 LPT 20 лопастей 2006 Boeing 787 Trent 7000 2015 Airbus A330neo Trent XWB 9.6:1 8 IPC, 6 HPC, 1 HPT, 2 IPT, 6 LPT 22 лопастей 2010 Airbus A350 XWB