Состояние двигателестроения за рубежом. Часть1

Введение.

Самолеты гражданского назначения являются основной составляющей мирового рынка авиационной техники, выручка от реализации которых в несколько раз превышает аналогичный показатель для авиационной техники военного назначения. За более чем 70-летний период развития пассажирских самолетов с реактивными двигателями достигнуто уменьшение затрат топлива на пассажирокилометр более чем на 80%, и почти 50% снижения этого показателя достигнуто за счет авиационного двигателя.

Улучшение показателей авиационных двигателей гражданского назначения происходит при постоянном ужесточении требований к снижению уровней шума и эмиссии вредных веществ.
В настоящее время экологические характеристики авиационной техники являются одним из главных показателей, определяющих ее конкурентоспособность на мировом рынке и беспрепятственную эксплуатацию на международных авиалиниях…

В мировом авиадвигателестроении разработкой и выпуском законченных продуктов занято ограниченное число компаний из Америки и Европы, которые являются ведущими производителями авиационных двигателей и несут полную ответственность за их проектирование, производство, продажу и послепродажное обслуживание. К ним относятся:

• General Electric (отделение GE Aviation),
• Rolls-Royce (отделения Civil и Military),
• United Technologies Corporation (компанииPratt & Whitney Pratt & Whitney Canada)
• SAFRAN Group (компания Safran Aircraft Engines).

Независимыми мировыми производителями с полным циклом работ по двигателям также являются компании Honeywell International (подразделение Air Transport & Regional отделения Honeywell Aerospace) и Williams International, которые поставляют двигатели для самолетов деловой авиации и региональных самолетов.
Номенклатура авиационных двигателей, выпускаемых и разрабатываемых зарубежными компаниями, достаточно широка и включает двигатели взлетной тягой Rо > 5…510 кН. Практически во всех диапазонах взлетной тяги среди производителей авиационных двигателей существует жесткая конкуренция, когда заказчику самолета свои предложения представляют две–три компании. Такая конкуренция способствует техническому прогрессу, и практически во всех диапазонах уже появились новые продукты, определяющие мировой уровень развития авиадвигателестроения.

Критические технологии на ближайшую (2020…2025 гг.)перспективу

По состоянию на конец мая 2018 г. лидирующее положение на рынке авиационных двигателей по всему парку
пассажирских самолетов, находящихся в эксплуатации, занимали компании CFM International (совместное предприятие компаний General Electric и Safran, ~ 44%) и General Electric (~ 22%), в сегменте двигателей для магистральных узкофюзеляжных самолетов – компании CFM International (~ 71%, семейство ТРДД CFM56) и Inter national Aero Engines (~ 19%, семейство ТРДД V2500), в сегменте двигателей для региональных самолетов – компании General Electric (~ 72%, семейство ТРДДCF34) и Rolls-Royce (~ 17%, семейство ТРДД AE3007),а в сегменте двигателей для магистральных широкофюзеляжных самолетов – компании General Electric(~ 51%, семейства ТРДД CF6, GE90 и GEnx) и RollsRoyce (~ 28%, семейства ТРДД RB211 и Trent) (рис. 1). Кроме двигателей компаний General Electric и Rolls-Royce в силовых установках (СУ) региональных самолетов применяются ТРДД SaM146 компании PowerJet и ТВД PW100 компании Pratt & Whitney Canada. Семейства ТРДД TFE731 компании Honeywell и ALF502/ALF507 компании Lycoming применяются в СУ региональных самолетов, выпуск которых прекращен. Новыми разработками в этом сегменте являются семейства ТРДД Passport 20 компании General Electric и PW1000G компании Pratt & Whitney. В сегменте двигателей для СУ узкофюзеляжных магистральных самолетов кроме двигателей компаний CFM International и International Aero Engines применяются ТРДД PW6000 (А318) и PW2000 (В757)компании Pratt & Whitney и BR715 (В717) и RB211(В757) компании Rolls-Royce. Однако выпуск самолетов В717 и В757 прекращен, а для А318 большим спросом пользовался ТРДД CFM56-5B компании CFM International. Новыми разработками в этом сегменте являются семейства ТРДД LEAP компании CFM
International (на замену CFM56) и PW1000G компании Pratt & Whitney (на замену V2500).

Компания Pratt & Whitney практически утратила свои позиции в сегменте двигателей для СУ широкофюзеляжных самолетов. Она не поставляет двигатели для новых широкофюзеляжных самолетов В787, В747-8 и А350 XWB, а заказы на двигатели семейства PW4000 для СУ самолета А330 не велики. Небольшим утешением являются поставки ТРДД GP7200 в рамках совместного с General Electric предприятия Engine Alliance для СУ самолета А380, введенного в эксплуатацию в 2008 г. Новыми разработками в этом сегменте являются ТРДД GE9X компании General Electric и семейство ТРДД Trent XWB компании Rolls-Royce. Со второй половины 1990-х гг. за рубежом стали вводиться в эксплуатацию широкофюзеляжные пассажирские самолеты с двигателями пятого поколения (семейства ТРДД GЕ90, PW4000, Trent), в которых величина суммарной степени повышения давления достигла значения π*кΣ = 35…45, температура газа на входе в лопатки РК турбины Т*г = 1900…1950 K,степень двухконтурности m = 8…9, что обеспечило снижение уровня шума и достижение в условиях крейсерского полета (Н = 11 км, М = 0,8) величины
удельного расхода топлива Crкр ≈ 0,52…0,55 кг/(кгс×ч). По сравнению с широко эксплуатируемыми в то время
двигателями четвертого поколения (семейства ТРДД CF6, PW2000, RB211) эти двигатели обеспечили улучшение эксплуатационных показа те лей, а также высокие показатели надежности и ресурса.
В начале 2010-х гг. в эксплуатацию были введены новые ТРДД для широкофюзеляжных самолетов (GEnx,
Trent 1000 / Trent XWB), которые по сравнению с двигателями соответствующего назначения, находящимися
в эксплуатации, обеспечили уменьшение затрат топлива на 10…15%, уровня шума на 12…20 ЕРNдБ
относительно норм Главы 4 ИКАО и запас по уровню эмиссии NОх по циклу «взлет–посадка» 30…50% относительно норм САЕР/6 ИКАО.

Лидером в применении новых технических решений и технологий остается компания General Electric.
Она первой среди авиадвигателе строительных компаний применила в серийных двигателях для пассажирских самолетов: сначала лопатки РК, а затем и корпус вентилятора из полимерного композиционного материала;
КВД, рассчитанный на степень повышения давления π*к  ≥ 22; малоэмиссионные камеры сгорания (DAC,
TAPS); керамические композиционные материалы(ККМ) в «горячей» части двигателя; противовращение
роторов каскадов высокого и низкого давления; шевронные сопла и т.д. 
В настоящее время компания General Electric проводит сертификационные испытания двигателя GE9X-105B1A из семейства ТРДД GE90 для нового семейства самолетов B777X компании Boeing. В этом двигателе впервые в мировой практике гражданского авиадвигателестроения применяются 11-ступенчатый КВД, рассчитанный на степень повышения давления π*к ≈ 27 при суммарной степени повышения давления π*кΣ ≈ 64, жаровая труба камеры сгорания и лопатки СА и РК второй ступени ТВД из ККМ, лопатки ТНД из алюминида титана (TiAl), изготовленные по аддитивной технологии, а также в значительной части технологии, разработанные для семейств ТРДД GEnx и LEAP(рис. 2 и рис. 3).

По заявлениям компании General Electric двигатель GE9X обеспечит уменьшение затрат топлива на 10% по сравнению с самолетом B777-300ER с двигателем GE90-115B, запасы по уровню шума не менее 8 EPNдБ относительно Главы 14 ИКАО и уровню эмиссии NOx по циклу «взлет–посадка» не менее 30% относительно норм САЕР/8 ИКАО.
С 2015 г. в эксплуатацию вводятся новые и ремоторизованные узкофюзеляжные (региональные и магистральные) самолеты с двигателями пятого поколения(семейства ТРДД LEAP-X и PW1000G) с увеличенными параметрами рабочего процесса (π*кΣ ≈ 40…50,Т*г = 1900…1950 K) и степенью двухконтурности(m ≈ 9…12) с прямым или редукторным приводом вентилятора. По сравнению с двигателями четвертого поколения, находящимися в эксплуатации (семейства ТРДД CF34, CFM56, V2500), они обеспечили уменьшение затрат топлива на 15…20%, уровня шума на 15…20 ЕРNдБ относительно норм Главы 4 ИКАО, запас по уровню эмиссии NОx по циклу «взлет–посадка» 45…50% относительно норм САЕР/6 ИКАО и снижение стоимости технического обслуживания на 25…30%. При этом в их конструкции используются технические решения и технологии, успешно применяемые в ТРДД пятого поколения для широко фюзеляжных самолетов
(прежде всего роторные и статорные детали из композиционных материалов), а также результаты работ по программам разработки перспективных технологий.
В семействе ТРДД LEAP-X компания CFM International впервые в мире для двигателей узкофюзеляжных самолетов применила лопатки РК и передний корпус вентилятора из полимерного композиционного материала, 10-ступенчатый КВД, рассчитанный на степень повышения давления π*к ≈ 22, форсунки малоэмиссионной камеры сгорания TAPS II, изготовленные по аддитивной технологии, проставки над лопатками РК первой ступени ТВД из ККМ, лопатки ТНД из алюминида титана (TiAl), изготовленные по аддитивной технологии, гибридные подшипники.

В свою очередь компания Pratt & Whitney в семействе ТРДД PW1000G применила редуктор для привода
вентилятора, что позволило использовать высокооборотную малоступенчатую ТНД. Кроме того, в семействе
ТРДД PW1000G применяются вентилятор (лопатки и корпус) из композиционного материала, 8-ступенчатый КВД конструкции блиск, малоэмиссионная камера сгорания TALON X (RQL III), двухступенчатая высокооборотная ТВД (nmax » 22 000 об/мин) с охлаждаемыми лопатками СА и РК, статорные детали из различных материалов, изготовленные по аддитивным технологиям. Из-за высокой температуры газа на входе в ТВД лопатки СА и РК первой ступени ТНД выполнены охлаждаемыми. На рис. 4 приведено сравнение ТРДД LEAP-1A35A и CFM56-5B компании CFM International, которые применяются в СУ самолетов семейств A320neo и A320ceo, а на рис.5– сравнение ТРДД LEAP-1A35A и PW1133G-JM компании Pratt & Whitney, применяемых в СУ самолетов семейства A320neo. 

При одинаковом значении взлетной тяги ТРДД LEAP-1A35A по сравнению с CFM56-5B(самым большим в семействе) имеет диаметр вентилятора на ~ 250 мм, массу на ~ 535 кг и длину на ~ 728 мм больше, чем CFM56-5B. При этом максимальная окружная скорость вентилятора составляет Uв ≈ 404 м/с (Nв max ≈ 3900 об/мин) вместо Uв ≈ 472 м/с
(Nв max ≈ 5650 об/мин) у CFM56-5B.

По сравнению с ТРДД PW1133G-JM при одинаковом значении взлетной тяги ТРДД LEAP-1A35A имеет диаметр вентилятора на ~ 76 мм меньше, массу на ~ 132 кг и длину на ~ 44 мм больше. При этом максимальная окружная скорость вентилятора у LEAP-1A35A составляет Uв ≈ 404 м/с (Nв max ≈ 3900 об/мин), а у PW1133G-JM–Uв ≈ 353 м/с (Nв max ≈ 3280 об/мин).

Заключение

Применение новых технологий в перспективных двигателях различных схем позволяет обеспечить примерно равный выигрыш по уменьшению затрат топлива и уровня шума. Поэтому предпочтение той или иной схеме двигателя зарубежные компании отдают, исходя из имеющегося у них опыта и наличия необходимых технологий. Используя научно-технический и технологический потенциал лучших производителей мира, зарубежные авиадвигателестроительные компании могут быстро реагировать на изменение ситуации на рынке и в короткие сроки создавать конкурентоспособные продукты.                             

За рубежом при активной поддержке государства в целях: достижения максимально возможного уровня
технического совершенства, снижения сроков и стоимости разработки двигателей в рамках специальных
программ проводится опережающая отработка критических технологий. С помощью этих программ осуществляется эффективное управление технологическим развитием авиастроения и государства[…]

Источник:

Далее: Состояние двигателестроения за рубежом. Часть 2

Вверх