Лопатки: размер имеет значение

Как эволюционировали вентиляторы реактивных двигателей
Вентилятор двигателя Rolls-Royce Trent XWB
Диаметр вентилятора двигателя Rolls-Royce Trent XWB составляет 3 метра :: Rolls-Royce

Этим летом самый большой в мире реактивный двигатель GE9X, предназначенный для коммерческих лайнеров Boeing 777X, доставили в Пиблс (шт. Огайо, США) — на тестовую площадку для силовых установок производства GE Aviation. Испытания идут уже несколько месяцев. Двигатель, например, подвергли обледенению длительностью 160 ч. Инженеры GE Aviation собирают показания с датчиков, установленных примерно в 50 контрольных точках. Всю эту информацию используют в ходе проектирования и производства.

Впрочем, отдельные компоненты двигателя испытывают куда дольше, пишет MRO Network. Работы с ними начались еще шесть лет назад. Испытаниям подверглись в том числе композитные лопатки вентилятора четвертого поколения, кожух вентилятора, топливные форсунки, изготовленные на 3D-принтере, и специальные легковесные материалы, больше известные как композиты с керамической матрицей.

Как отмечают в GE, совместное использование этих компонентов позволит облегчить двигатель, повысить его эффективность и снизить расход топлива. Судя по всему, авиакомпании с такой точкой зрения согласны: портфель заказов на GE9X состоит примерно из 700 двигателей.

История создания двигателей GE9X наглядно демонстрирует, как современные силовые установки увеличиваются в размерах — а вместе с ними растут и лопатки вентилятора. Засасывая воздух в двигатель, каждая из них испытывает нагрузку, равную весу девяти двухэтажных автобусов. Воздуха, который единственная лопатка перекачивает за секунду, хватит, чтобы заполнить помещение для игры в сквош.

Трансформация формы

С ходом времени лопатки вентилятора превратились из плоских пластин в трехмерные изогнутые формы. Трансформация стала результатом применения вычислительной гидродинамики (CFD), которая помогла смоделировать потоки воздуха, проходящие через вентилятор, и вычислить эффективность нагнетания воздуха. Пытаясь повысить эффективность, разработчики сократили число лопаток, улучшив их аэродинамику. В новых двигателях их меньше, чем в прежних моделях.

С удлинением лопаток увеличился и диаметр всей силовой установки. Это позволило повысить степень двухконтурности двигателя (отношение диаметра вентилятора к диаметру газогенератора), результатом чего стал прирост тяги. Газогенератор, расположенный за вентилятором, производит необходимую мощность для его раскрутки. В его конструкцию входят компрессоры высокого давления, камеры сгорания и турбины.

На современных двигателях с высокой степенью двухконтурности большая часть воздуха проходит с внешней стороны газогенератора. На силовых установках с типичной степенью двухконтурности, равной 10:1, через вентилятор и далее — через внешний канал проходит в десять раз больше воздуха, чем через газогенератор. Следовательно, около 90% всей тяги генерирует именно вентилятор, пояснил Саймон Уикс, главный технологический директор Аэрокосмического технологического института Великобритании.

Двигатели с большими вентиляторами выдают гораздо больше тяги по сравнению с прежними моторами с более низкой степенью двухконтурности. Площадь поверхности вентиляторов увеличилась вместе с хордой (шириной) их лопаток, которая у самых последних турбовентиляторных двигателей достигает очень больших величин. Пустотелые титановые лопатки вентилятора с широкой хордой, разработанные компанией Rolls-Royce и представленные в 1980-х гг., по сути, установили новый стандарт в области аэродинамической эффективности и устойчивости к повреждениям. Эти лопатки, созданные специально для турбовентиляторных двигателей с высокой степенью двухконтурности, отличаются от более ранних и низкоэффективных эквивалентов именно своей шириной, говорят в Rolls-Royce. Некоторые лопатки вентилятора настолько широки, что больше похожи на весла.

Одним из препятствий на пути развития двигателей с высокой степенью двухконтурности является увеличение аэродинамического сопротивления. По мере того как кожух двигателя и мотогондола увеличиваются в диаметре, растет площадь их поверхности и усложняются воздушные потоки, которые сильнее влияют на аэродинамику крыла. Для лучшего понимания, как увеличение двигателей влияет на обтекание, широко используются средства CFD, которые комбинируются с реальными испытаниями в аэродинамической трубе.

Сильные стороны

На протяжении десятилетий Rolls-Royce, начиная с двигателей RB211 и заканчивая семейством Trent, успешно использовала технологию изготовления пустотелых титановых лопаток вентилятора. Теперь компания задумалась о производства углеродно-титановых лопаток. Эта технология пока находится на стадии разработки.

Тем временем ее конкурент — GE всецело полагается на лопатки из волокнистого углепластика, которые впервые были представлены на двигателях GE90 в 1995 г. Сейчас компания изготавливает большие лопатки вентилятора из углепластика, придавая им форму на этапе выкладки слоев ткани. Между тем компания Safran — партнер GE по консорциуму CFM International — совместно с Albany Composites разрабатывает для двигателей CFM56 и LEAP технологию производства деталей с 3D-тканой армирующей структурой. Эта структура обеспечивает форму компонентов, тогда как жесткость им придает затвердевшая смола (наполнитель).

У компании Rolls-Royce есть и другие сильные стороны. Например, она сделала больший, чем ее конкуренты, упор на разработку и производство пустотелых титановых лопаток. Для этого компания применяет уникальную, на ее взгляд, технологию сверхпластичного формования. Лопатки изготавливаются из "сэндвича", состоящего из трех листов титана: сперва их связывают между собой с помощью точечной диффузии, а затем нагревают и придают будущей лопатке трехмерную форму.

"Вы помещаете лопатку в пресс-форму, затем нагреваете ее, и она, расширяясь, заполняет все пространство формы. При такой температуре в титановом сплаве создаются селективные связи, и в конечном итоге мы получаем мостовую структуру непосредственно внутри самой лопатки. Такая структура придает ей дополнительную механическую прочность", — рассказывает представитель Rolls-Royce.

Навстречу птицам

Подобные технологии позволили Rolls-Royce производить прочные лопатки вентилятора с высоким ресурсом. Повышенная прочность имеет большое значение, так как лопатки должны выдерживать столкновения с птицами.

Зачастую лопатки вентилятора используют много лет без ремонта, но когда их все-таки отправляют в сервисный центр, самой частой причиной становится повреждение от столкновения с птицами, пояснили в провайдере ТОиР AJW Group. После столкновения лопатки подвергают дефектоскопии и измеряют, чтобы убедиться в отсутствии трещин и сохранении прежней формы. Их также проверяют на прочность.

По словам Уикса, сделать двигатель птицестойким — одна из самых сложных технологических задач. Производитель должен гарантировать, что силовая установка продолжит безопасную работу после столкновения. Более того, он должен доказать, что мотор будет работать и в случае отделения лопатки, что, правда, случается нечасто (например, после столкновения с очень крупной птицей). Для этого во время испытаний разработчики преднамеренно создают ситуацию с отделением лопатки вентилятора.

Отчасти для решения проблемы столкновениями с птицами производители переходят на новые материалы, которые можно описать как гибридные металлокомпозиционные материалы.

Композитные лопатки, как правило, обрамляют титановым сплавом, который обеспечивает сопротивляемость в случае столкновения с птицами. Однако это защита не только от птиц, но и от пылевой эрозии. Из-за частиц пыли, рассеянных в воздухе, снеге, дождевых каплях и градинах, сильно изнашиваются набегающие края лопаток, особенно ближе к кончикам, которые движутся быстрее всего.

Лопатки вентилятора изготавливают из углеволокна, потому что этот материал легче. Однако лопатки, произведенные из титана, получаются тоньше, то есть они обладают лучшей аэродинамикой, утверждает Уикс. Достичь аналогичной толщины с помощью композитов непросто, так как требуется много слоев. Кроме того, композитным деталям труднее придавать сложную трехмерную форму.

Впрочем, применение композитных лопаток позволяет устанавливать композитный же (то есть облегченный) кожух двигателя. Им можно обойтись в связи с тем, что оторвавшаяся лопатка вентилятора, выполненная из композитов, имеет невысокую разрушительную силу.

Если же лопатки выполнены из металла, то в случае повреждения их можно восстановить или даже полностью заменить с помощью технологии аддитивного производства. Инженеры могут воспользоваться преимуществами этой технологии и для производства новых форм с высокими аэродинамическими свойствами.

Тем временем британский Институт аэрокосмических технологий изучает новые методы ремонта композитных лопаток вентилятора. "Как правило, композитные лопатки по сравнению с металлическими нуждаются в меньшем объеме обслуживания. Композитные детали достаточно прочные и могут выдерживать большие нагрузки, однако при этом нужно уметь диагностировать их состояние, поскольку повреждения таких лопаток не всегда так очевидны, как у металлических", — говорит Уикс.

Понравился материал?

Подпишитесь на дайджест "Главное за неделю" от ATO.RU и не пропустите ничего важного!
Авторские материалы из первых рук в вашем почтовом ящике!

Подписавшись на бюллетень и заполнив данные о себе, вы можете принять участие в розыгрыше призов или получать эксклюзивный анализ авиаперевозок от ATO.RU!
Бюллетень "Главное за неделю":


Тематические бюллетени ATO.RU >>

Google предполагает, что вам это будет интересно

Больше аналитики читайте в журнале
"Авиатранспортное обозрение"
№184 ноябрь 2017

Календарь ATO Events

Профессионалы отрасли используют
Ежегодник АТО - 2017
Тенденции, цифры, факты
Приглашаем зарегистрироваться или войти на сайт под своим именем, что позволит вам:
  • получить доступ ко всем материалам в полном объеме
  • проводить поиск по всему архиву материалов (с 2003 года)
  • осуществлять расширенный поиск с указанием желаемых тегов, авторов, событий и т. п.
  • бесплатно получить доступ к онлайн-архиву журнала "Авиатранспортное обозрение" (только в ноябре)
2017 © Авиатранспортное обозрение
Мобильная версия сайта - mobix1.ru

Некоммерческое использование материалов сайта ATO.ru (в том числе цитирование и сокращенное изложение) разрешается при условии размещения прямой ссылки на цитируемый материал или на главную страницу www.ato.ru. Любое коммерческое использование, а также перепечатка материалов возможны только с письменного разрешения редакции.