До недавнего времени считалось, что единственным существенным путем повышения экономичности авиационных двигателей для дозвуковых скоростей полета является увеличение степени их двухконтурности. Однако проведенные за рубежом исследования в аэродинамике, конструкционных материалах и других областях позволили пересмотреть эти взгляды и привели к идее создания винтовентиляторных двигателей (ВВД) {1}, работы над которыми развернуты практически во всех ведущих странах НАТО. В США, например, национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического [44] пространства (НАСА) выполняется широкая исследовательская программа по разработке и оценке ВВД. В ней участвуют такие крупнейшие американские двигателестроительные фирмы, как "Дженерал электрик", "Пратт энд Уитни" и "Аллисон". В 1987 г. проведена серия летных испытаний ВВД нескольких конструктивных схем.

На реактивном самолете "Галфстрим-2" (масса пустого 15400 кг) испытывался ВВД с переднерасположенным одинарным винтовентилятором (рис. 1). Гондола с двигателем устанавливалась на левой консоли крыла. В ВВД использовался газогенератор 501-M78 фирмы "Аллисон" с выходной мощностью 6000 л.с., винтовентилятор диаметром 2,75 м и редуктор от турбовального двигателя Т56-А-14 (устанавливается на самолетах Р-3 "Орион"), в котором частота вращения выводного вала увеличена с 1020 до 1690 об/мин. Испытания (общий налет 150 ч) проводились на высотах 1500 - 12000 м и скоростях до М = 0,85. В одном из полетов в режиме пологого пикирования на высоте 8400 м была достигнута скорость, соответствующая числу М = 0,89. Основная цель испытаний заключалась в оценке прочностных характеристик лопастей винтовентилятора и уровней шумов, создаваемых ВВД. Гондола с двигателем устанавливалась под различными углами (от 3° вверх до 5° вниз), что позволило оценить влияние угла набегающего потока на величину напряжений в лопастях винтовентилятора. Замер параметров работы ВВД производился с использованием более чем 600 датчиков, включая 100 микрофонов.

Для компенсации статической асимметричной нагрузки левой консоли крыла вследствие установки гондолы с ВВД на правой консоли размещалась балансировочная штанга (масса 950 кг), а на консоли для компенсации динамических нагрузок - штанга массой 135 кг. Защита экипажа и фюзеляжа на случай обрыва лопастей обеспечивалась (только на начальном этапе испытаний) стальной плитой массой 320 кг и толщиной 9,5 мм. На первый квартал 1988 г. намечались специальные испытания самолета для оценки уровней шумов в кабине.

Зарубежная пресса отмечает, что проведенные летные испытания ВВД на самолете "Галфстрим-2" оцениваются американскими специалистами положительно. В частности, удельный расход топлива ВВД по сравнению с равнозначными по классу тяги ТРДД был на 17 проц. меньше, что соответствует абсолютной экономии топлива на маршруте полета самолета типа "Галфстрим-2" - 20-25 проц. Разработчики считают, что на самолетах типов DC-9 и Боинг 727 абсолютная экономия топлива может составить до 50 проц.

Фирмы "Аллисон" и "Пратт энд Уитни" создали более мощный демонстрационный ВВД 578-DX с двумя заднерасположенными шестилопастными винтовентиляторами противоположного вращения. Мощность двигателя 10400 л. с., планетарного редуктора - 13 000 л. с., диаметр винтовентиляторов 3,54 м. Привод винтовентиляторов осуществляется модифицированным газогенератором турбовального двигателя Т701. Полагают, что этот газогенератор пригоден для создания ВВД мощностью 9000-16000 л. с. Система управления двигателем 578-DX полноправная цифровая, обеспечивающая, в частности, управление подачей топлива и углами установки статорных лопаток компрессора и шагом лопастей винтовентиляторов. Для летных испытаний выбран самолет MD-80 (взлетная масса 63 500 кг, силовая установка состоит из двух ТРДД JT8D-209 статической тягой по 8400 кг, установленных по бортам хвостовой части фюзеляжа). Их предполагалось завершить в первой половине 1988 г. Программа предусматривает 70 ч налета.

Демонстрационный двигатель 578-DX рассчитан на максимальные скорости полета, соответствующие числу М = 0,8 - 0,82, и окружные скорости концевых частей лопастей винтовентилятора до 230 м/с. Поскольку лопасти испытывают воздействие выхлопных газов двигателя, они рассчитаны на рабочую температуру до 260°С. Для этого они изготавливаются из композиционного материала с пенообразным [45] заполнителем внутренних полостей. Лонжерон лопастей выполнен из алюминиевого сплава. Передние кромки лопастей имеют металлические накладки для защиты от эрозии. Серийный вариант двигателя будет создан на базе конструкции экспериментального образца 578-DX с шестилопастными винтовентиляторами. Считается, что такой подход ускорит доводку двигателя.

Испытания другого американского экспериментального ВВД GE36 фирмы "Дженерал электрик" проведены НАСА на самолетах Боинг 727-100 (рис. 2) и MD-80. .На Боинг 727-100 выполнено 25 полетов с общей наработкой двигателя в воздухе 42 ч, кроме того, его наработка на земле составила 58 ч. В ходе испытаний двигателя, имеющего стендовую тягу 11 300 кгс, была достигнута максимальная скорость полета М = 0,84 и высота 11000 м. На высоте 10500 м при М = 0,72 расход топливa сократился на 47 проц. по сравнению со штатным двигателем JT8D-17R самолета.

Особенностью GE36 считается отсутствие редуктора и наличие защиты от раскрутки, благодаря которой обеспечивается автоматическое увеличение шага лопастей в случае потери управления двигателем. Лопасти винтовентиляторов (2х8) выполнены из композиционного материала, армированного углеродными волокнами, а их передние кромки - из никелевого сплава. В ходе испытаний на столкновение с посторонними предметами (четыре птицы массой по 0,68 кг, две по 1,81 кг, обломок пневматика) поломок лопастей не отмечалось.

После завершения испытаний на самолете Боинг 727-100 двигатель GE36 был снят и дальнейшие испытания проходил на самолете MD-80 на авиабазе ВВС США Эдвардс (штат Калифорния). В конструкцию двигателя фирма внесла некоторые изменения, в частности, был использован новый газогенератор. Основные цели испытаний заключались в оценке усталостной прочности винтовентиляторов в условиях акустических нагрузок, характеристик тяги и удельного расхода топлива, автоматики стартерного запуска двигателя в воздухе после выключения и перевода винтовентиляторов во флюгерное положение, реверса тяги (на земле).

В первой серии летных испытаний выполнено 20 полетов с общим налетом около 40 ч. Затем на двигателе был установлен новый десятилопастный винтовентилятор и проведена вторая серия испытаний. Всего в обеих сериях совершено 35 полетов с общим налетом 70 ч. В ходе испытаний отмечено, что десятилопастный винтовентилятор обеспечил снижение уровня шумов двигателя на 3 дБ.

Судя по сообщениям иностранной прессы, фирма "Дженерал электрик" приняла решение разрабатывать серийный ВВД в классе тяги 9500 - 11 300 кгс с меньшим по размерам газогенератором (по сравнению с экспериментальным образцом двигателя GE36) и новыми винтовентиляторами (возможный вариант - 12 и 10 лопастей).

Практические разработки винтовентиляторных двигателей начаты в Великобритании. В частности, фирмой "Роллс-Ройс" выполняется демонстрационная технологическая программа, предусматривающая создание ВВД к середине 90-х годов. Разрабатываются проекты двух двигателей с винтовентиляторами противоположного вращения: RB.509-11 и RB.509-14 с задним и передним расположением винтовентиляторов соответственно (рис. 3). Оба двигателя редукторные. Английские эксперты полагают, что на самолетах экономически оправдано применение ВВД с тягой 6800 - 11 300 кгс. Как и в США, в Великобритании при создании ВВД используется технология военных авиационных двигателей. Так, в RB.509 возможно применение газогенератора двигателя XG-40, на базе которого разрабатывается двигатель для перспективного европейского истребителя EFA.

Бум в области создания ВВД подхлестнул разработчиков двухконтурных турбореактивных двигателей. В западной печати появились высказывания о том, что можно создать более экономичные ТРДД (по сравнению с ВВД) за счет резкого увеличения степени двухконтурности - до 35-40 (у современных ТРДД она составляет 6-8).

Уже на начальном этапе создания ВВД наблюдается поляризация взглядов разработчиков [46] работников на вопросы возможных областей их использования. Так, американские фирмы "Пратт энд Уитни" и "Аллисои", несмотря на совместную разработку двигателя 578-DX, имеют различные конечные цели: первая ориентируется на гражданскую область использования ВВД, а вторая - на военную. В США в качестве возможных областей военного применения ВВД рассматриваются самолеты различных типов - от перспективного базового патрульного до тяжелых транспортных, В настоящее время изучается также возможность использования ВВД в качестве двигательных установок крылатых ракет. Как полагают иностранные специалисты, винтовентиляторные двигатели смогут обеспечить существенное уменьшение удельного расхода топлива, а следовательно, увеличение дальности стрельбы таких ракет.

Инициативные исследования в этой области ведут, в частности, американские фирмы "Макдоннелл Дуглас" и "Боинг". Первая остановила свой выбор на ВВД фирмы "Аллисон" с двумя винтовентиляторами противоположного вращения со складывающимися лопастями. Привод винтовентиляторов редукторный. Сам двигатель будет располагаться в хвостовой части ракеты. Считается, что фирма "Аллисон" сможет разработать ВВД для крылатых ракет в первой половине 90-х годов.

{1} Подробнее о начальном этапе работ над ВВД см.: Зарубежное военное обозрение. - 1986. - М 4. - С. 40-44. - Ред.

http://www.zw-observer.narod.ru

Содержание