Об интересном двигателе. ТВВД.

Здравствуйте!

Эта небольшая статья посвящена характерным особенностям турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД), как типа. Термин « ТВВД»  уже появлялся ранее на сайте. Однако, периодически возникающие вопросы читателей требуют, похоже, отдельного упоминания, некоторого уточнения и возможного упорядочения общих принципов концепции такого двигателя.

Эта интересная разновидность ГТД сейчас достаточно хорошо известна. Точнее говоря, ее название на слуху. Двигатель считается очень перспективным, но при этом в действительной эксплуатации в мире находится только один его тип —  Д-27, установленный на единственный (опять же) тип самолета – транспортный Ан-70, который, в свою очередь, в плане якобы серийного производства имеется всего в двух экземплярах.

Видимо столь малая распространенность этого двигателя стала причиной того, что довольно часто возникают вопросы о том, чем же он, собственно, отличается от ТВД и ТРДД.

Для чего он понадобился?…

В стремлении повысить тяговую эффективность авиационных двигателей в послевоенное время началось применение ГТД. Тогда первыми на арену массового использования вышли ТРД, а чуть позже появились ТВД.

Однако, у этих двигателей оказались довольно разные области применения. ТРД, как известно, не отличается экономичностью и тяга его растет с ростом скорости полета. У ТВД же экономичность значительно выше, но тяговая эффективность с ростом скорости падает и при числе М полета выше 0,7 просто обваливается.

Причиной тому является движитель, унаследованный от поршневого двигателя, то есть воздушный винт, который по большей части и определяет тяговый (полетный) КПД для ТВД и который как раз и теряет эффективность на больших скоростях полета (а значит и больших относительных скоростях для лопастей, когда возникают условия около- или сверхзвукового обтекания).

В эпоху применения поршневых двигателей в истребительной авиации, в частности в период 2-й мировой войны, с этим до некоторой степени пытались бороться путем увеличения количества лопастей винта. Такой способ позволял реализовать ту же мощность при меньших скоростях вращения ротора винта и, соответственно, позволяет развить большую скорость.

Но эта же мера влечет за собой рост лобового сопротивления, усложнения балансировки и обслуживания винта. А главное, несмотря на некоторое временное улучшение, все равно достаточно быстро наступают проявления волнового кризиса, выражающиеся в росте волнового сопротивления и потери эффективности винта.

Поэтому скорости применения ТВД из соображений лучшей экономичности – это относительно небольшие дозвуковые – около 600-700 км/ч. А главная область применения – пассажирские и транспортные самолеты, как в коммерческой, так и в военной авиации.

Для таких самолетов экономичность – один из главных критериев при выборе силовой установки. Однако, возможно большая скорость полета при этом не менее важна. Но ни ТРД, ни ТВД, каждый по отдельности, не могли обеспечить и то, и другое сразу. И тогда появился двухконтурный двигатель, ТРДД.

Он значительно сократил разрыв в параметрах между турбовинтовым и  турбореактивным двигателями. ТРДД с большой степенью двухконтурности, иначе турбовентиляторные двигатели (ТВРД), обладая достаточно высокой тягой при значительно лучшей, чем у ТРД топливной эффективности, позволили совершать экономичные крейсерские полеты на больших дозвуковых скоростях 750-900 км/ч.

Тем не менее по своему расходу топлива они все же не могли конкурировать с ТВД в области скоростей их применения (как впрочем и по тяговому КПД в этой области). Поэтому уже достаточно давно существовал некий соблазн для инженеров, заключавшийся в том, чтобы «научить» турбовинтовой двигатель летать быстрее и к его топливной эффективности прибавить скоростную, то есть максимально (и эффективно) приблизить его к ТРДД.

Таким образом, вновь сформировавшуюся концепцию ТВВД можно считать дальнейшим развитием этих двух вариантов газотурбинного двигателя. От ТВД новый тип получил движитель – воздушный винт, а от турбовентиляторного двигателя улучшенный генератор мощности (или газогенератор).

Концепцию – в разработку….

При этом полученное «наследство» имеет свои характерные особенности. Воздушный винт в винтовентиляторном двигателе в соответствии со скоростным предназначением стал многолопастным с широкохордными лопастями особого профиля, изменяемого шага. Газогенератор же, в соответствии с последними разработками для ГТД получил более высокие параметры рабочего процесса.

Кроме того оптимальное распределение работы цикла ( речь о рабочем цикле газотурбинной установки ) между винтом и реактивной струей, выходящей из сопла (выходного устройства) для ТВВД меняется. Это происходит потому, что для винтовых ГТД расчетная скорость струи (оптимальная, т.е. когда реактивная тяга максимальна) прямо пропорциональна скорости полета и обратно пропорциональна КПД винта.

Математически это выражается формулой из «Теории двигателей»: С_сопт = V/η_вη_ред (здесь С_сопт — скорость на срезе сопла оптимальная, η_в – КПД винта, η_ред – КПД редуктора винта, V – скорость полета). То есть, если ТВВД рассчитывается для полетов на больших скоростях, чем ТВД, то и процент реактивной тяги у него может увеличиться (в зависимости от степени совершенства винта).

При разработке ТВВД конструкторам приходится решать следующие основные проблемы:

1. Создание высокоэффективного многолопастного винта изменяемого шага.

Такой тип винта носит название винтовентилятор (ВВ). Этот агрегат отличается от обычного винта ТВД тем, что должен эффективно работать с достаточно высоким КПД (не менее 0,8) до числа М полета не менее 0,8-0,85.

Это достигается двумя путями. Во-первых, снижается окружная скорость, что благотворно влияет на обтекание законцовок лопастей. Во-вторых, меняются аэродинамические характеристики лопастей в целом в плане улучшения их обтекания при относительно высоких числах М полета (имеется в виду относительная скорость для лопастей).

Окружная скорость… снижается с помощью упомянутого выше способа – увеличения количества лопастей. Их может быть 8-12 штук и даже более (против 3-5 у обычного ТВД). Этот же способ позволяет значительно уменьшить диаметр винта, а значит и его массу – на величину до 40-50%.

При этом удельная мощность, снимаемая с 1 м² площади, ометаемой винтом, может быть увеличена в 2,5-3 раза по сравнению с ординарным винтом ТВД, то есть винтовентилятор превращается в тяжелонагруженный эффективный агрегат.

Аэродинамические характеристики… Для их улучшения в плане эффективной работы на больших скоростях для лопастей используются тонкие (относительная толщина около 0,02) сверхкритические (о них я упоминал здесь) или специально разработанные профили. Это позволяет затянуть волновой кризис на большие числа М потока.

Кроме того в соответствии с изменением окружной скорости участков лопасти по ее размаху (возле оси вращения она меньше, ближе к концам – больше), а значит и относительной скорости обтекания, сама лопасть выполняется саблевидной (по принципу ятагана), то есть с переменной по размаху стреловидностью.

Это обеспечивает наличие необходимого угла стреловидности (обычно до 30°) в каждом сечении, что тоже увеличивает критические числа М потока, обтекающего лопасти. Для интересующихся: о роли стреловидности в затягивании волнового кризиса я упоминал здесь.

В результате такого рода мероприятий получается винт-вентилятор с КПД до 0,83-0,86 при скорости полета около 0,8М. А по некоторым (рекламным) данным эта величина может доходить до 0,9 и даже выше.

Для примера двигатели ТВД, ТРДД и ТВВД можно сравнить по их тяговому КПД, то есть как движители. Напомню, что тяговый КПД – это отношение полезной тяговой мощности, затрачиваемой непосредственно на движение, к располагаемой мощности двигателя (то есть всей той, которую он создает). У винтовых двигателей, как уже говорилось, он напрямую зависит от КПД винта (или винтовентилятора).

Видно, что у ТВД высокие значения тягового КПД достигаются при малых числах М полета, а при М>0,65 величина их резко падает. У ТРДД тяговый КПД возрастает с ростом числа М, но его максимальное значение остается примерно на 15% ниже, чем у ТВД. У ТВВД же при М=0,8 можно получить такой же КПД, как и у ТВД при М=0,6 и обеспечить при М=0,8 КПД на 15% выше, чем у ТРДД (при одинаковой эффективности использования ими тепловой энергии, то есть одинаковом внутренним КПД).

2. Применение газогенератора с высокими параметрами рабочего процесса.

ТВВД не просто как концепция, а как реальный двигатель начал воплощаться в жизнь, когда уже был накоплен достаточный инженерно-конструкторский опыт в разработке газотурбинных двигателей. Поэтому естественно, что его можно отнести к двигателям пятого поколения, которые имеют наиболее совершенные газогенераторы.

Основная масса разработанных ранее ТВД относятся к двигателям второго и третьего поколений (такие, например, как советские двигатели АИ-20, АИ-24, НК-12). Степень сжатия воздуха в компрессоре у них составляла порядка 8-10 единиц, а температура газа перед турбиной не более 1200-1250 К.

Современные газогенераторы, которые могут быть использованы для ТВВД имеют степень сжатия не менее 20-40, а температуру газа – 1650-1750К.  Кроме того они обладают улучшенной конструкцией и аэродинамикой всего газового тракта. Все это позволяет улучшить продуктивность газогенератора и поднять внутренний КПД  (характеризующий эффективность использования тепла в реальном двигателе) двигателя на 7-10%.

В итоге для основной планируемой области применения (число М = 0,7-0,85) двигатель за счет совершенного винтовентилятора имеет хорошие тяговые, скоростные характеристики и хорошую экономичность ( т.е. высокий тяговый КПД), а за счет внутреннего совершенства (внутренний КПД) — улучшенные параметры (в т.ч. также повышающие экономичность).

ТВВД более экономичен, в особенности по сравнению с ТРДД, используемых при тех же скоростях полета. По некоторым (рекламным) данным двигатель Д-27 при равных условиях эксплуатации с ТРДД способен обеспечить уменьшение расхода топлива до 30%.

Области применения по числам М полета различных типов двигателей в соответствии с их экономичностью (с учетом внутреннего и тягового кпд) показаны на рисунке. Здесь экономичность ТРДД с m= 6 принята за единицу (m – степень двухконтурности).

3. Еще одной серьезной задачей при создании ТВВД становится разработка мотогондолы с малым внешним сопротивлением,

что важно в связи с увеличением скорости полета по сравнению с ТВД. Это становится еще более сложным из-за необходимости «упрятать» в нее редуктор винтовентилятора.

Редуктор и сам по себе должен быть совершенным агрегатом. Одно из требований к нему – малые габариты и масса, несмотря на высокие передаваемые мощности от турбины и наличие большого количества обслуживающих механизмов (для поворота лопастей ВВ, например) внутри него и, конечно, в связи с этим, высокий уровень надежности.

Кроме того, при решении вопросов компоновочного характера, возможно использование явления положительной интерференции (взаимовлияния) мотогондолы, крыла и винтовентилятора. Интенсивный обдув поверхности  крыла (особенно верхней) высоконапорным винтовентилятором увеличивает скорость потока вокруг профиля и улучшает возможности бессрывного обтекания на больших углах атаки,  тем самым влияя на рост коэффициента подъемной силы (С_У). Особенно этот рост проявляется при выпущенных закрылках.

Кроме того, здесь достигается и некоторый поворот вектора тяги, за счет отклонения вниз потока от винтовентилятора крылом и выпущенными закрылками. Эффект положительной интерференции реализован на самолете Ан-70, обладающем за счет этого (в том числе) хорошими взлетно-посадочными характеристиками.

На взлетно-посадочных режимах с отклоненными закрылками (посадочное положение — 60°) скорость обтекания крыла получается больше скорости набегающего потока и большая часть подъемной силы образуется именно за счет обдува крыла винтовентилятором. В результате самолет может использовать для взлета и посадки укороченные полосы – до 1000 и даже до 600м (в зависимости от величины загрузки).

4. Четвертая проблема, без решения которой не обойтись при создании любого современного авиационного ГТД – это обеспечение приемлемого уровня шумности и вредных выбросов с выходящей газовой струей.

Главный источник шума – лопасти, и винтовые самолеты с ТВД, оборудованными традиционными винтами достаточно шумны. Известно, например, что турбовинтовой Ту-95 считается одним из самых шумных самолетов в мире. Поэтому борьба с шумом – это большое поле для деятельности и одна из приоритетных задач разработчиков новых типов воздушных винтов, в том числе и винтовентиляторов.

Что касается двигателя Д-27, то, согласно расчетам и опытным испытаниям, он полностью соответствует международным нормам (ICAO) по шуму и российским нормам АП-36. А по уровню вредных выбросов этот двигатель опережает существующие международные нормы.

Возможные конструктивные особенности…

Работы, приближающие создание ТВВД и отдельных его узлов как путем доработки ТВД, так и изменения ТВРД начались в различных конструкторских организациях еще в конце 60-х начале 70-х годов. Примером может служить французский  опытный турбовентиляторный двигатель Turbomeca Astafan, созданный в 1969 году. Это был одновальный ТВРД с лопатками вентилятора изменяемого шага.

Одни из наиболее серьезных разработок в области воздушных винтов проводились в американской компании Hamilton Standard (ныне составляющая корпорации UTC Aerospace Systems). Там же в 1979 году была запатентована концепция открытого винтовентилятора.

Схема у ТВВД обычно двухвальная или трехвальная, как у турбовентиляторного двигателя, при том, что основная масса турбовинтовых двигателей, особенно более ранних поколений, – одновальные.

Газогенератор обычно имеет свойства и характеристики, аналогичные другим типам двигателей. Привод винта осуществляется от вала турбины низкого давления (совместно с КНД) или же от свободной турбины. В обоих случаях используется редуктор.

Сам винт, как движитель, может быть однорядным (один винтовентилятор) или же двухрядным, то есть соосной схемы с двумя винтовентиляторами, расположенными на одной оси и имеющими противоположные направления вращения.

Главное преимущество двухрядного винта с противоположным вращением – это возможность избавиться от потерь энергии на закрутку потока (как это происходит в обычных однорядных винтах), а также возможность использования всей мощности двигателя без увеличения размеров винта.

При этом винтовентилятор может быть как открытым, так и закапотированным, то есть закрытым кольцевым обтекателем. Обтекатель способствует увеличению эффективной площади диска ВВ за счет уменьшения вихреобразования на концах лопастей, но увеличивает массу, усложняет конструкцию и ставит под вопрос возможности положительной интерференции двигателя и крыла. Открытые винтовентиляторы могут иметь степень двухконтурности до 90 единиц, закрытые примерно до 40.

Представителем первого типа служит уже неоднократно здесь упоминавшийся двигатель Д-27 (украинский, ранее советский), второго – российский (ранее советский) НК-93, так и не продвинувшийся пока, к сожалению, дальше опытных образцов, но успевший все же полетать на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. Дальнейшая судьба НК-93 непонятна.

Более того сам винтовентилятор может располагаться как перед газогенератором – тянущий винт (все те же Д-27 и НК-93), так и после него – винт толкающего типа. Опытные образцы таких двигателей с двухрядным винтовентилятором именно второго типа испытывались ведущими авиастроительными корпорациями Запада ( GE, SNECMA, Rolls-Roys) во второй половине 80-х годов.

В качестве примера можно привести известный двигатель GE-36, так называемый unducted fan или propfan (то есть бесканальный вентиляторный или винтовентиляторный). Такой тип двигателя показал характеристики, близкие к Д-27: снижение расхода топлива по отношению к ТРДД на 30% и увеличение скорости полета до 800-850 км/ч.

У этого двигателя винтовентилятор приводится непосредственно от свободной турбины (по некоторым источникам специальной низкооборотистой, в сочетании с необходимой трансмиссией (редуктор)), у которой рабочие колеса имеют противоположные направления вращения. О таком двигателе также упоминается здесь.

Работы над  двигателям такого типа несмотря на хорошие характеристики в 80-х годах были прекращены. Это произошло отчасти из-за не до конца решенной проблемы шумности, но главным образом из-за тогдашних низких цен на авиационное топливо. Заказчики просто не хотели тратить деньги на дальнейшие исследования.

Вышеупомянутая компания Hamilton Standard совместно с NASA в конце 80-х осуществила экспериментальную программу летных испытаний (Propfan Test Assessment (PTA)) однорядного тянущего винтовентилятора диаметром 2,8 метра с наименованием SR-7.

Винтовентилятор смонтировали на опытный турбовинтовой двигатель Allison 570, который был установлен на левой консоли самолета Grumman Gulfstream II. Достаточно интенсивные испытания были признаны успешными и полезными, однако программа продолжена не была.

С начала 2000-х ситуация на рынке (речь об углеводородах) стала меняться, и уже с 2008 года работы над двигателями типа unducted fan возобновились и сейчас ведутся более или менее активно.

И все же…..

Несмотря на ведущуюся исследовательскую деятельность, рабочий ТВВД , готовый к крупносерийному производству сейчас в мире один. Это двигатель Д-27. Имея достаточно большой возраст (в плане создания), это, тем не менее, современный двигатель пятого поколения с высокими техническими параметрами.

Создавался на Запорожском МКБ «Прогресс» с середины 80-х годов. При разработке газогенератора за основу взят турбовентиляторный двигатель Д-36 (самолеты Як-42, Ан-72, Ан-74). Д-27 имеет трехвальную конструкцию.

Первый вал – узел низкого давления включает в себя пять осевых ступеней компрессора и одну ступень турбины, второй вал – узел высокого давления – две осевых и одна центробежная ступени компрессора и одна ступень турбины. Третий вал – узел винтовентилятора, приводится во вращение (через дифференциальный редуктор) четырьмя ступенями свободной турбины.

Входящий воздух, динамически сжатый винтовентилятором, попадает в двигатель через кольцевое входное устройство и далее через входной управляемый направляющий аппарат подводится (с некоторым повышением статического давления) к первой ступени компрессора.

Двигатель управляется цифровой системой управления типа FADEC (двухканальная) с автоматическим самоконтролем исправности. Степень повышения давления в компрессоре – до 30 единиц, температура газа – до 1665 К. Мощность на взлетном режиме 14000 л.с., удельный расход топлива 0,170 кг/л.с.ч. (макс.) Лопатки турбин высокого и низкого давления монокристаллические.

Винтовентилятор СВ-27 разработки российского НПП «Аэросила», соосный, двухрядный, гидромеханический, флюгерно-реверсивный. Лопасти широкохордные, скоростной конфигурации, изготовлены из композитных материалов (что способствует значительному снижению массы). Диаметр – 4,5 м, крейсерский КПД –до 0,9. Количестово лопастей в 1-ом ряду -8, во втором – 6.

Но из-за его «одиночества»…

Лично у меня понемногу складывается впечатление, что в последнее время намечается тенденция сближения двух типов двигателей, ТВД и ТВВД с открытым ВВ переднего расположения.

Винтовентиляторный двигатель , на начальном этапе своего создания ощутимо отличавшийся от своего предшественника классического турбовинтового двигателя (особенно ранних поколений), не успев достигнуть каких-то значительных высот в серийном производстве и массовой эксплуатации, начинает, я бы сказал, «размываться», как тип.

Разница между ТВВД и вновь создаваемыми и модернизируемыми ТВД, а главное их системами винтов потихоньку стирается. Примером тому, на мой взгляд, может служить турбовинтовой двигатель Europrop International TP400-D6 для самолета Airbus A400M. Его газогенератор обладает довольно высокими характеристиками, и оборудован он многолопастным винтом улучшенной конфигурации.

Еще один пример – оборудование постоянно улучшаемого двигателя Pratt & Whitney Canada PW127(E,F,G), устанавливаемого, в частности, на самолетах ATR-72-500, CASA C-295 винтом с шестью саблевидными лопастями (разработка фирмы Hamilton Standard). Или же двигатель Rolls-Royce AE 2100 (самолеты Lockheed Martin C-130J Hercules, Alenia C-27J Spartan) с винтом британской фирмы Dowty Rotol. Есть и другие примеры изменений ТВД в этом направлении.

Самолеты с такими улучшенными ТВД успешно разрабатываются, производятся и летают, тогда как единственный в мире рабочий ТВВД, двигатель пятого поколения, обладающий очень хорошими эксплуатационными показателями стоит всего на двух однотипных малолетающих серийных бортах. И самолет (Ан-70) и двигатель (Д-27) показали свои высокие возможности, и оба готовы к массовому производству, но когда оно будет и будет ли вообще – вопрос похоже непростой.

Это всего лишь мое мнение. и время, конечно, покажет, как все сложится, но нынешнее положение дел пока способствует появлению вопросов типа: «А что это за двигатель такой, ТВВД?» :-)…

До новых встреч… В завершение некоторые фото по теме и видео самолета Ан-70.