"Зарубежное военное обозрение" 10'1988
ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Полковник Ю.Алексеев, кандидат технических наук
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://ATTEND.TO/COMMI
Статья предоставлена: http://www.zw-observer.narod.ru
