Что сдерживает использование авиационных двигателей с открытым ротором
Двигатели с открытым ротором устраняют ограничения классических турбореактивных двигателей. Но хотя такое решение предполагает снижение расхода топлива на 15%, оно также является наиболее сложным с технологической точки зрения: имеется два вращающихся в противоположных направлениях вентиляторов, один за другими и у него нет гондолы для ослабления шума, создаваемого вращающимися лопастями. Что касается интеграции самолетов, то двигатель с открытым ротором будет примерно в два раза больше диаметра нынешних ТРДД — почти 4,50 метра. И, конечно же, с точки зрения сертификации, это совершенно новая архитектура.
Наиболее существенным изменением в новой конструкции двигателя является вентилятор с открытым ротором, также называемый вентилятором без контура, который обеспечивает существенное повышение эффективности использования топлива при обеспечении высокой тяги.
В целом, открытый ротор — это газотурбинный двигатель, вентилятор которого не находится внутри гондолы.
Технологии с открытым ротором предлагают потенциал для значительного снижения расхода топлива и выбросов CO2 по сравнению даже с новыми турбовентиляторными двигателями.
Для «традиционных» турбовентиляторных двигателей более высокая тяговая эффективность достигается за счет увеличения степени двухконтурности, что, соответственно, приводит к увеличению диаметра вентилятора. Однако, эффективность такой технологии уменьшается по мере увеличения диаметра гондолы, Кроме того, при этом значительно увеличивается вес двигателя и его лобовое сопротивление.
Уровни шума ранее препятствовали попыткам разработать двигатель с открытым ротором. Открытая конструкция означает отсутствие корпуса вентилятора, который бы заглушал звук вращающихся лопастей. Но проект «Чистое небо» считает, что, изменив форму и конфигурацию лопастей ротора, можно снизить уровень шума до параметров, соответствующих нормативным требованиям.
Действительно, у двигателей с открытым ротором встречного вращения существует множество технических проблем, но две из них являются наиболее существенными.
Первая — разработка системы привода лопастей для уменьшения шума, создаваемого лопастями встречного вращения, который у «классического» двигателя в значительной степени глушится мотогондолой и сложность управления коммуникациями и шагом лопастей через систему силовых передач встречного вращения.
Вторая — установка двигателя с открытым ротором на планер. Турбовентиляторные двигатели изолированы от планера гондолой, но воздушный поток, проходящий через лопасти двигателя с открытым ротором, взаимодействует с несущей конструкцией планера, поэтому установка влияет не только на шум системы двигателя, но и на ее эффективность.
Инженеры потратили два года на снижение уровня шума, определив оптимальное расстояние между двумя вращающимися в противоположных направлениях ступенями, количество лопастей на каждой ступени и профиль самих лопастей.
Цель конструкторов — сделать открытые роторы жизнеспособным вариантом для питания узкофюзеляжных авиалайнеров следующего поколения. В перспективе открытый ротор рассматривается как возможный преемник турбореактивных двигателей.
Авторские права на данный материал принадлежат журналу «Наука и техника». Цель включения данного материала в дайджест — сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.
Двигатель с открытым ротором или винтовой вентилятор
Роман Барский
03 июля 2021, 07:26
Необычный вид двигателя разрабатываемого франко-американской аэрокосмической компанией CFM — результат эволюции существующих двухконтурных двигателей.
Идея двигателя с открытым ротором возникла из прототипа 2017 года, с его помощью КБ производителя двигателей Safran хотело проверить, а возможен ли двигатель без воздуховода?
Впервые эксперименты с проповентилятором стали реакцией на нефтяной кризис 1970-х годов, когда была выявлена их высокая топливная эффективность. Но кризис минул и идея была забыта.Однако выигрыш был реальным, поскольку первые прототипы показали повышение топливной эффективности на 30% по сравнению с турбовентиляторными двигателями.
В прототипе французского подразделения аэрокосмической компании Safran лопасти двигателя подвергались воздействию воздуха, а несколько регулируемых статоров обеспечивали более плавный воздушный поток. Как утверждается, двухвинтовая конструкция с противоположным вращением обеспечила двузначное процентное снижение расхода топлива и выбросов при сохранении аналогичных уровней тяги.
Использование бесканальных вентиляторов позволило Safran разработать двигатель с большей площадью поверхности вентилятора, что сделало его более экономичным.
Новый двигатель с открытым ротором, разрабатываемый в рамках программы «Революционные инновации для устойчивых двигателей» (RISE), имеет только одну лопасть вентилятора и статор с изменяемой геометрией, расположенный за ней. Ожидается, что такая компоновка будет более эффективной и более тихой — уровень шума прототипа Sarfran сравнивался с уровнем шума турбовентиляторного двигателя.
Эта новость появилась после того, как американская GE Aviation и французская Safran Aircraft Engines продлили срок работы своего совместного предприятия CFM International на десять лет — до 2050 года. Корпорации объявили о начале демонстрационного проекта, направленного на разработку нового реактивного двигателя с открытым ротором.
Запустить RISE в коммерческую эксплуатацию планируется к середине 2030-х годов. По словам CFM двигатель сможет снизить расход топлива и выбросы вредных веществ на 20% по сравнению со своими предшественниками, а также сможет использовать экологичное авиационное топливо и водород.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Email*
Подписаться
Двигатель с открытым ротором в свете ужесточения требований по авиаэкологии Текст научной статьи по специальности «Физика»
Научные сообщения
УДК 534.8:629.7
ДВИГАТЕЛЬ С ОТКРЫТЫМ РОТОРОМ В СВЕТЕ УЖЕСТОЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ПО АВИАЭКОЛОГИИ
© 2012 Б.С. Замтфорт
Научно-исследовательский Московский комплекс ЦАГИ
Поступила в редакцию 14.09.2012
Ключевые слова: акустические характеристики, двигатель, открытый ротор, спектр шума, частоты
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) проводит политику по постоянному снижению вредного экологического воздействия воздушных судов на окружающую среду. Следует отметить, что вводимые ИКАО ограничения являются компромиссом между желаемым ужесточением требований по экологии и техническими и экономическими возможностями по их реализации. В настоящее время проблема экологической безопасности является второй по актуальности (на первом месте находится безопасность полетов).
Как известно, нормативы ИКАО по шуму самолетов на местности сформулированы в 1 томе «Авиационный шум», а требования по эмиссии изложены в томе 2 «Эмиссия авиационных двигателей» Приложения 16 к конвенции ИКАО. Указанные выше нормативы постоянно пересматриваются (ужесточаются) по мере развития авиационной техники.
Так в 2010г. на 37 Ассамблее ИКАО были утверждены нормы по снижению уровней шума на местности на 20-25 EPN дБ к 2028г, по снижению уровня шума в салоне до 75 -70 дБА к 2020 -2025гг. и уменьшению эмиссии NOx на 45% и 60% к 2020г. и к 2030г. соответственно. На этой же Ассамблее было принято решение о создании 3 тома Приложения 16 о нормировании топливной эффективности воздушных судов, основанного на критерии расхода топлива на пассажирокило-метр, что позволит снизить выбросы парниковых газов (где СО2 — основная составляющая), который должен быть принят на 38 Ассамблее в 2013г. В связи с вышеизложенным особенно важным является комплексная оценка вредного воздействия гражданской авиации на окружающую среду: шум, эмиссия и парниковые газы. Однако, т.к. норматива на парниковые газы пока не со-
Замтфорт Борис Соломонович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ведущий инженер. E-mail: [email protected]
здано, то ограничимся рассмотрением первых двух факторов — шума и эмиссии.
Рассмотрим одно из, по-видимому, магистральных направлений развития мирового самолетостроения, а именно самолеты, оснащенные двигателями с открытым ротором. Концепция двигателей с открытым ротором активно продвигается в литературе фирмами Роллс-Ройс, Дженерал Электрик — Снекма и Пратт-Уитни, начиная с 2008-2009 гг. Что позволит по их оценкам существенно повысить топливную эффективность самолетов с такими двигателями, а следовательно снизить и эмиссию и из-за экономии топлива — выброс парниковых газов.
На 18 А1АА/СЕА8 аэроакустической конференции в июне 2012г. проблеме шума винта и открытого ротора было посвящено 15 докладов. Однако при более подробном рассмотрении акустики таких самолетов становится ясно, что внедрение двигателей с открытым ротором приведет к серьезным проблемам как по шуму на местности, так и по шуму в салоне. Остановимся сначала на шуме на местности: ясно, что переход на самолеты с открытым ротором приведет к снижению оптимальной по эффективности перевозок скорости полета самолета с М=0,95 (т=4-степень двухконтурности) или М=0,85 (для т=6) до М=0,75 (для самолетов с открытым ротором), т.е. на 12-20%. Следовательно, при той же пасса-жировместимости самолетов потребуется (даже без учета роста пассажиропотока по разным оценкам от 1% до 5% в год) или на те же 12-20% увеличить парк самолетов или частоту их полетов или частично применить оба мероприятия, что, в свою очередь, приведет к росту зашумленности в окрестностях аэропортов из-за увеличения числа взлетов/посадок (даже при равном акустическом качестве самолетов с ТРДД с большой степенью двухконтурности и самолетов, имеющих двигатели с открытым ротором). Однако при более подробном рассмотрении акустичес-
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 14, №6, 2012
ких характеристик этих самолетов (по шуму на местности ) сразу выясняется, что самолеты с ТРДД с большой или сверхбольшой степенью двухконтурности имеют целый ряд явных преимуществ перед самолетами с открытым ротором. Так в спектрах шума самолетов с открытым ротором кроме всех составляющих шума, имеющихся в спектрах шума самолетов с ТРДД с большой степенью двухконтурности (широкополосный шум, шум на частоте следования лопаток вентилятора и ее гармонике, шум ударных волн при транс и сверхзвуковых скоростях вращения) добавляются мощные тональные составляющие на комбинационных частотах (комбинация частот следования лопастей винтовентилятора первого и второго рядов), а именно 1сл1+1сл2; 21сл1+ 1сл2; 1сл.1+21сл2 и т.д. Уровни шума на этих частотах равны, а на некоторых направлениях и значительно выше, чем уровни шума на частоте следования лопастей 1 и 2 рядов ротора. Все пики тонального шума генерируется на очень низких частотах. Например, &л1 и 1сл2 примерно равны 100 Гц, а 1сл1+ сл2=200 Гц и т.д. Для двигателя с большой степенью двухконтурности 1сл=2500Гц. Одновременно следует учесть, что коэффициент затухания звука в воздухе на частоте 100 Гц равен 0,05 дБ/100м, а на частоте 2500 Гц -1,35дБ/100м. Т.е. на расстоянии 700м (примерная высота пролета самолета над контрольной точкой при наборе высоты) только разница в величинах затухания составит 8 дБ, не говоря уже о значительном превышении уровней тонального шума двигателя с открытым ротором над уровнями тонального шума двигателя ТРДД с большой степенью двухконтурности. Заметим также, что у двигателя с большой степенью двухконтурности заметный вклад в снижение уровня излучаемого шума вносит оболочка наружного контура двигателя: как экран, препятствующий прямому излучению звука, как элемент конструкции двигателя /самолета в котором раз-
мещаются звукопоглощающие облицовки, также снижающие уровни шума, как путем поглощения акустической энергии, так и путем перераспределения энергии по модам колебаний (из распространяющихся в нераспространяющиеся) при правильном проектировании ЗПК, как способ формирования оптимальной диаграммы направленности двигателя и т.д. Необходимо отметить и такую чрезвычайно важную функцию оболочки для сохранения жизнеспособности самолета как удержание части оторвавшейся лопатки.
Справедливости ради отметим, что самолеты с ТРДД со сверхбольшой степенью двухконтурности (т=12-15) могут иметь оптимальную по эффективности перевозок скорость полета самолета близкую к М=0,75, но будут лишены всех вышеперечисленных акустических недостатков самолетов с открытым ротором.
При рассмотрении ситуации с уровнями шума в кабине экипажа и пассажирском салоне становится ясно, что наличие множества пиков тонального шума в спектре двигателя с открытым ротором потребует (при их традиционной подкрыльевой компоновке) создания мощной звукоизолирующей конструкции фюзеляжа и поэтому не может быть принято из-за увеличения массы самолета. По-видимому, использование такого двигателя возможно только при хвостовой компоновке и толкающем биротативном винтовентиляторе. При этом в хвостовой части пассажирского салона необходимо предусмотреть звукоизолирующую переборку, чтобы получить допустимый уровень шума в салоне.
Качественный анализ показывает, что самолеты, оснащенные двигателем с открытым ротором, будут иметь хорошие эмиссионные характеристики и небольшие величины выбросов парниковых газов. В то же время выполнение требований по уровням шума на местности на 1520 ЕРМ дБ ниже главы 4 Стандарта ИКАО будет для таких самолетов очень непростой задачей.
OPEN ROTOR ENGINE IN THE LIGHT OF MORE STRINGENT REQUIREMENTS FOR AVIAEKOLOGY
© 2012 B.S. Zamtfort
Scientific Research Moscow Complex TsAGI
Analysis of the acoustic characteristics of the engine with open rotor is shown what engine noise in addition to traditional component of the noise added tonal noise peaks at combination frequencies in low frequency part spectra. All of this creates qreat difficulties in the reduction the noise of aircrafts with engines of open rotor on the ground.
Keywords: acoustic characteristics, engine, open rotor, noise spectrum, frequency.
Boris Zamtfort, Candidate of Technics, Senior Research Fellow, Leading Engineer. E-mail: [email protected]
Французы начали испытывать авиадвигатель с открытым винтовентилятором
Open Rotor
Safran
Французская компания Safran приступила к испытаниям нового турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором, разрабатываемого в рамках проекта Open Rotor. Как сообщает Defense Aerospace, проверки силовой установки проводятся с мая 2017 года, однако объявить об этом компания решила только сейчас.
Сегодня некоторые авиационные разработчики занимаются поиском новых технологий и технических решений, которые позволят сделать пассажирские самолеты экономичнее, а авиаперевозки — дешевле. Одним из способов сделать самолеты экономичными рассматривается создание новых авиационных двигателей или существенная доработка уже существующих.
Испытания нового авиадвигателя проекта Open Rotor проводятся Safran на предприятии во французском Истре. Подробности проверок пока не раскрываются, кроме того, что они проходят успешно. Разработка Open Rotor ведется с 2008 года, а сборкой первого прототипа силовой установки Safran занималась с ноября 2015 года.
После завершения наземных испытаний новый авиадвигатель установят на специальном подвесе в хвостовой части опытового лайнера Airbus 340 для летных испытаний. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Прототип новой силовой установки собран на базе газогенератора турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такие силовые установки используются на истребителях Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводится открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров.
Лопатки вентилятора могут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составляет около 800 оборотов в минуту. Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Safran, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов.
Сегодня серийно во всем мире серийно выпускается пока только один турбовинтовентиляторный реактивный двигатель с открытым винтовентилятором — Д-27. Эта силовая установка была разработана Запорожским машиностроительным конструкторским бюро «Прогресс». Д-27 сегодня используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70.
У этой силовой установки поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами. Они приводятся в движение от свободной четырехступенчатой турбины через редуктор.
Василий Сычёв
Safran начинает испытания открытого ротора — aeronautica.online
Французская авиационная группа Safran во вторник, 5 декабря, начала наземные испытания первого двигателя с открытым ротором. Компания ожидает, что новая архитектура обеспечит экономию топлива на 15 процентов по сравнению с турбовентиляторной моделью LEAP-1, построенной совместным предприятием CFM International (Safran и GE Aviation).
Испытательный стенд собирался с мая под открытым небом на объекте Safran в Истре, на юге Франции (департамент Буш-дю-Рон, регион Прованс-Альпы-Лазурный Берег).
Бюджет проекта составит 65 миллионов евро за восемь лет.
Целевой рынок концепта — текущие пользователи двигателей CFM, установленных на узкофюзеляжных самолётах. По этой причине вероятна координация усилий с GE в рамках CFM.
Сертификация не ожидается раньше 2030 года.
Испытательный образец двигателя с открытым ротором SafranДвигатель CFM International LEAP-1B на крыле Boeing 737 MAX, которого новинка должна превзойти по топливной эффективности на 15%Прорыв, который пока никому не нужен
Превосходство открытого ротора обусловлено значительным увеличением степени двухконтурности (соотношения объёма воздуха, обтекающего камеру сгорания, к объёму, проходящему через неё): от 11:1 для новейших современных турбовентиляторов сразу к 30:1. Отсутствие покрытия гондолы позволяет увеличивать диаметр лопастей вентиляторов — а от этого и растёт коэффициент. Соответственно, чем больше это значение, тем выше энергетическая эффективность всей силовой установки.
Демонстратор оснащён двумя вентиляторами, вращающимися в противоположном направлении. Их лопасти выполнены из трёхмерного тканого углеродного композита — как у производимых сегодня LEAP. Коробку приводов изготовила Avio, итальянская дочерняя компания GE Aviation.
Испытания в аэродинамической трубе, проведённые в 2013 году, помогли решить проблему шума — одного из основных препятствий в развитии нового проекта. Добиться показателей, аналогичных LEAP-1, помогла оптимизация формы лопастей вентиляторов.
Второй и пока непреодолимый недостаток заключается в необходимости пересмотра конструкции самолёта: двигатель с открытым ротором не может крепиться на крыло. Его место — в задней части фюзеляжа. Именно по этой причине лётные испытания пока не планируются.
Консервативная версия как потенциальный бестселлер
Airbus проявляет интерес к более традиционной архитектуре, известной как двигатель Ultra High Bypass Ratio (UHBR). У него остаётся гондола, но коэффициент двухконтурности поднимается до 15:1. В Safran считают, что эта конструкция даст экономию топлива от 5 до 10 процентов по сравнению с текущим вариантом LEAP.
Зато UHBR не требует пересмотра принципов самолётостроения, почему сможет выйти в эксплуатацию уже к 2025 году.
Над этим проектом Safran работает параллельно: здесь же, в Истре, на другом технологическом блоке, но тем же партнёром — GE Aviation. Первый тестовый образец ожидается после 2020 года.
Турбовинтовентиляторные реактивные двигатели гражданской авиации ближайшего будущего
Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров. Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.
Воспользуйтесь нашими услугами
Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.
Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло. K. Aainsqatsi / wikipedia.org
Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.
Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.
Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.
В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.
НК-93 avia-simply.ru
Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.
Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.
Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300 Boeing
Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.
Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором Hamilton Sundstrand Corporation
Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.
Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.
thinkdefence.co.uk
Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором avia-simply.ru
Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составит около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняется недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.
Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.
Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.
В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.
Д-27 green-stone13.livejournal.com
Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.
Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.
Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.
Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.
С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.
Василий Сычёв
Источник: https://zen.yandex.ru/
Воспользуйтесь нашими услугами
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Какова функция заднего статора в двигателе с открытым ротором CFM?
Краткий ответ: этот показатель экономии топлива не зависит от ступени статора. [1] Функция заднего статора — это восстановление завихрения, предполагая, что его потеря веса может быть компенсирована.
Дизайн GE
Патент GE (часть CFM) на этот двигатель был подан в 2020 году: архитектура системы создания ненагруженной тяги US20200308979A1 . Согласно патенту, второй набор лопастей не является обязательным, а также, возможно, они могут вращаться вокруг своей длинной оси для регулировки угла наклона. Предполагая, что штраф за вес действительно может быть компенсирован. [1]
Лопасти 31 имеют размер, форму и конфигурацию для создания противодействующего завихрения жидкости, так что в направлении вниз по потоку за обоими рядами лопастей жидкость имеет значительно меньшую степень завихрения, что приводит к повышенному уровню наведенной эффективности.
Приведенная выше концепция восстановления водоворота не нова. Согласно отчету НАСА 80-х годов, цифра 20% -ного снижения расхода топлива, о которой вы читаете, относится к периодам, предшествующим восстановлению завихрения: [1]
При длине промежуточной ступени ожидается экономия топлива от 15 до 20 процентов для винтовых вентиляторов с одинарным вращением без рекуперации завихрения, при этом преимущества в некоторой степени зависят от выбора крейсерской скорости. Прогнозируется, что выгоды будут еще больше, если можно будет устранить завихрение без чрезмерных потерь веса, будь то методы восстановления завихрения, применяемые к системам с одним вращением, или за счет использования силовых установок с противовращением.
Не новый
Рекламные фанаты / открытые фанаты / UDF / UBE (или, как язвительно заметил в 1985 году Flight , « куча бананов, кружащихся вокруг») продолжают появляться в маркетинге каждое десятилетие . Вот отрывок из репортажа Flight International о Парижском авиасалоне 1985 года:
Пропфан начинал жизнь как однороторный трактор. Есть признаки того, что крыло позади движителя будет восстанавливать часть закрученной энергии, но не столько, сколько обратное вращение. [курсив мой]
FLIGHT International, 15 июня 1985 г.
Конструкция GE с того авиасалона имела конструкцию с противоположным вращением, о которой говорилось выше:
Шум
Что касается шума, о котором вы спрашиваете, по крайней мере, для пассажиров, попадание воздуха на объект, который не проходит через воздух, как в этом случае, добавил бы к шуму. В 2007 году GE заявила, что шум будет «приемлемым и сертифицированным», что не то же самое, что такое тихое, как у турбовентиляторных двигателей . Что касается использования статоров в турбовентиляторных двигателях за вентилятором, они действительно используются, см .: Почему в турбовентиляторных двигателях нет статоров за вентилятором?
Цены на топливо
Только если цены на топливо выросли, и оставались высокими, будут винтовентиляторы быть привлекательными, в противном случае авиакомпании будут придерживаться канальных вентиляторов ( Что случилось с винтовентиляторами? , 2007, Flight):
Признаки были там годом ранее [то есть за год до 1989 года], когда Велш [генеральный менеджер по коммерческим операциям GE] признал, что цена на топливо при 65 центов за галлон была слишком низкой, чтобы оправдать UDF. «Если бы топливо было по доллару или около того за галлон, они бы требовали», — сказал он.
С учетом инфляции цена за галлон в настоящее время на момент написания статьи ниже или очень близка к указанным выше 65 центам за 1988 год.
Масштабирование
Другое дело масштабируемость. Воздушный винт встречного вращения, подобный тому, что использовался на демонстраторе McDonnell Douglas MD-94X, создавал тягу ~ 100 кН, что и следовало ожидать от двухрежимного узкофюзеляжного двигателя. Если тягу уменьшить вдвое (приблизительное значение) за счет исключения второго вращающегося набора, потребуется больше двигателей, что недопустимо (чем меньше двигателей, тем лучше).
Пропускной вентилятор 60 кН может найти применение в бизнес-джетах, но это сегмент рынка, который действительно не заботится о топливе или самой экономичной крейсерской скорости. При переходе к диапазону 200–300 кН количество и размер необходимых лопастей увеличатся, и их лучше всего упаковать внутри воздуховода, как сейчас.
1: Уитлоу-младший, Дж. Б. и Г. К. Сиверс. «Потенциал экономии топлива по программе NASA Advanced Turboprop Program». Симпозиум по экономии авиационного топлива: 10-11 сентября 1984 г. Администрация, 1984 г. https://ntrs.nasa.gov/citations/19840021809
Необычайно выглядящий двигатель с «открытым ротором» может сократить выбросы авиалайнеров на 20 процентов
Авиакомпании являются основным источником загрязнения воздуха, и сделать их более устойчивыми — цель правительств и авиационной отрасли. Частные компании и выборные должностные лица предложили несколько решений этой проблемы, но новый тип двигателя может снизить выбросы и расход топлива, не жертвуя существующим удобством авиаперелетов. Конечно, этот новый двигатель не так привлекателен, как сверхзвуковой полет, но он намного лучше для окружающей среды.
Разрабатываемый франко-американской аэрокосмической компанией CFM, он называется двигателем с открытым ротором, и его необычный дизайн является результатом эволюции существующих двухконтурных двухконтурных двигателей. Без кожуха большие лопасти ротора находятся на открытом воздухе вместе с рядом регулируемых статоров для сглаживания воздушного потока. Благодаря конструкции без воздуховодов лопасти вентилятора могут иметь большую площадь поверхности и быть более эффективными. Эти двигатели с открытым ротором, также известные как «винтовые вентиляторы», могут сделать путешествие по воздуху более чистым и экономичным.
Половина CFM — французского производителя двигателей Safran — экспериментирует с этой идеей с 2017 года. Фактически, тогда она построила функциональный прототип, чтобы проверить эту идею. Двухвинтовая конструкция с противоположным вращением, как утверждается, обеспечивает двузначное процентное снижение расхода топлива и выбросов при сохранении аналогичных уровней тяги. Шум тогда был назван «сопоставимым» с существующими турбовентиляторными двигателями, что, возможно, указывало на то, что при проектировании необходимо было преодолеть некоторые препятствия.Однако этот новый мотор другой.
Новый двигатель с открытым ротором, разрабатываемый в рамках программы «Революционные инновации для устойчивых двигателей» (RISE), имеет только одну лопасть вентилятора и статор с изменяемой геометрией позади него. Ожидается, что такая компоновка будет более эффективной и значительно более тихой. Он также будет использовать новейшие технологии лопастей вентилятора, а это означает, что обязательно будут задействованы композиты из углеродного волокна. По предварительным оценкам, можно ожидать 20-процентного сокращения выбросов и расхода топлива, и это составляет конкуренцию уже существующим сегодня эффективным турбовентиляторным двигателям.
Quiet May Be the New Black
Шумные самолеты — проклятие современной жизни. (Ну, это и множество других навязчивых звуков, которыми мы окружены.) Люди могут создавать и легко получать подписи под петициями о закрытии 70-летних аэропортов, окруженных 20-летней жилой застройкой, так что выживание General Aviation будет на высоте. хотя бы отчасти зависит от замалчивания нашей авиации.
Нам посчастливилось увидеть и услышать прохождение e-Genius, Pipistrel G4 и Long-EAS Чипа Йейтса с пропеллером Крейга Катто, которые издавали едва различимый вой, когда толкали самолет на полную мощность к новому Рекорд Гиннеса на авиашоу штата Калифорния в начале октября 2013 года, достигнув 500 метров (1640 футов) за одну минуту четыре секунды.
Лезвия проходят сюда, нарушая наше чувство симметрии. Это тестовая модель
в масштабе 1/5.Это стремление к бесшумности давит и на крупных производителей самолетов, которые стремятся быть хорошими соседями и дать пассажирам менее шумный полет. Производитель двигателей, Snecma, работал над этой проблемой еще до 2009 года, когда этот отчет появился в блоге Envirofuel .
«Volvo Aero вместе с Rolls-Royce и Snecma поможет разработать авиационные двигатели с открытым ротором для проекта ЕС« Чистое небо ».Двигатели с открытым ротором — это, по сути, большие турбовентиляторные двигатели без воздуховодов вокруг вентилятора снаружи. В двигателях с открытым ротором диаметр увеличится более чем вдвое, что позволит двигателю работать с большим потоком воздуха независимо от скорости самолета. Это означает, что энергия вращения вентилятора будет использоваться более эффективно, что снизит расход топлива на 15–20 процентов.
Концепция GE с открытым ротором, испытанная в 1980-х годах, была слишком шумной
«Открытый ротор на самом деле не новая концепция.В 1980-х годах были разработаны двигатели с открытым ротором, когда цены на нефть выросли до 40 долларов за баррель. Когда позже цена на нефть резко упала, планы были отложены. Звучит знакомо? Volvo заявляет, что самолеты с двигателями с открытым ротором могут подняться в воздух к концу десятилетия, но инженерам придется снизить уровень шума, который обычно содержится в воздуховодах турбовентиляторных двигателей в современных реактивных двигателях ».
Недавние попытки реализовать потенциал двигателя с открытым ротором привели к тому, что Snecma построила прототип, который будет испытан на Airbus A340 в 2019 году.
Майкл Губиш, докладчик для Flight Global , объясняет, что ядро двигателя истребителя Snecma M88 будет приводить в действие два неуправляемых вентилятора, вращающихся в противоположных направлениях. Поскольку вентиляторы могут быть больше в диаметре, чем те, которые ограничены обычным двигателем с турбонаддувом, они могут вращаться медленнее и выталкивать больший объем воздуха. Демонстрационный образец должен пройти наземные испытания в 2016 году.
Открытый ротор, каким он может показаться при тестировании NASA Glenn
Snecma, равноправный партнер General Electric в разработке двигателя для узкофюзеляжных пассажирских самолетов в совместном предприятии CFM International, проводит испытания в аэродинамической трубе версии двигателя в масштабе одной пятой в ONERA («Французский Aerospace Lab ») исследовательский центр в альпийском Модане, Франция.Уровни шума ниже, и это помогает Snecma, GE и NASA продвигать вперед полномасштабные версии.
Более ранние попытки создать двигатель с открытым ротором производили гораздо более высокий уровень шума, чем традиционные турбовентиляторные двигатели с воздуховодом. Несмотря на это, конфигурация с открытым ротором была испытана на самолетах Boeing 727 и McDonnell Douglas MD-80. Это видео из другого времени, когда разница между 50 центами за галлон топлива и 1,00 долларом за галлон могла иметь серьезные экономические последствия.
Партнеры хотели снизить уровень шума, и директор по исследованиям и технологиям Snecma Пьер Гийом говорит, что уровень шума нового двигателя «должен быть аналогичен» силовой установке CFM International Leap, которая будет использоваться на 737 Max, A320neo и Comac. C919 из Китая. По словам Гийома, у Leap будет уровень шума на 10 дБ ниже, чем у турбовентиляторных двигателей нынешнего поколения. Если версия с открытым турбонаддувом может снизить расход топлива на 30 процентов (даже лучше, чем прогнозировала Volvo), эксплуатационные расходы на авиалайнеры могут резко упасть.
“’ После испытаний в конце 2013 года мы сосредоточимся на создании полноразмерного прототипа. Этот прототип должен быть готов к [испытательному] стенду к концу 2015 года », — говорит Гийом».
Flight Global цитирует Гийома: «Этап производства будет особенно сложным из-за сложности сборки задней части двигателя. В то время как секция компрессора активной зоны будет довольно обычной, турбина будет приводить в действие вращающийся вентиляторный блок, состоящий из редуктора и системы регулирования шага лопастей вентилятора.”
Ядро двигателя Leap было разработано для работы с потенциальными будущими силовыми установками с открытым ротором, но потребуются дополнительные стандарты для противодействия потенциальным отказам лопастей вентилятора. Очевидно, что они имеют очень разные формы, и кто знает, какие алгоритмы нужно было разработать, чтобы учесть нагрузки на крутящиеся лезвия?
Практика наземного обслуживания для этих систем вернется к «старым добрым временам» с «Clear prop!» снова становится фразой, которую можно услышать в крупных аэропортах.В этом отношении авиаконструкторы могут решить, что турбину можно заменить еще более чистым электродвигателем.
GE, предприятие Safran по разработке радикально нового реактивного двигателя
- CFM построит демонстратор реактивного двигателя с открытым ротором
- Ключевой шаг на пути к новому поколению среднемагистральных самолетов
- Французско-американское предприятие по производству двигателей продлено до 2050 года
- Industry titan родился в результате саммита Никсона-Помпиду
ПАРИЖ, 14 июня (Рейтер) — General Electric (GE.N) и французская Safran (SAF.PA) обнародовали планы испытательной сборки реактивного двигателя с открытыми лопастями, способного сократить потребление топлива и выбросы на 20%, поскольку они продлили свое историческое совместное предприятие CFM International на десятилетие до 2050 года.
Двигатель RISE, позиционируемый как возможный преемник модели LEAP, используемой в Boeing 737 MAX и некоторых Airbus A320neo, будет иметь конструкцию с видимыми лопастями вентилятора, известную как открытый ротор, и может быть введен в эксплуатацию к середине 2030-х годов. .
Система будет содержать гибридно-электрическую силовую установку и будет способна работать на 100% экологически безопасном топливе или водороде, источнике энергии, который предпочитает Airbus (AIR.PA) для будущих концепций.
CFM — крупнейший в мире производитель реактивных двигателей по количеству проданных единиц. Он является единственным поставщиком двигателей для Boeing 737 MAX и конкурирует с подразделением Raytheon Technologies (RTX.N) Pratt & Whitney за выбор двигателей для самолетов для Airbus A320neo.
Проект демонстрации технологий появился в то время, когда отрасль готовится к битве за следующее поколение узкофюзеляжных самолетов, таких как MAX и A320neo, в самой загруженной части рынка самолетов, сталкивающейся с растущим давлением окружающей среды.
Источники в отрасли сообщили, что Boeing рассматривает возможность запуска замены для своего немного более крупного и дальнемагистрального узкофюзеляжного самолета 757, который мог бы проложить путь к замене MAX.
Но он отложил решение о том, двигаться ли относительно быстро — шаг, который потребует доступного обычного двигателя — или ждать появления таких технологий, как открытый ротор с гибридной силовой установкой, как недавно сообщило Reuters. читать далее
Генеральный директор GE Aviation Джон Слэттери сказал, что CFM будет готова конкурировать за любой самолет, который может быть запущен, и призвал других производителей двигателей конкурировать с этой технологией.
«Если Boeing или любой другой авиастроитель запустит платформу и бизнес-модель будет иметь для нас смысл, то мы представим наши лучшие совокупные технологии, которые у нас есть на данный момент», — сказал он на пресс-конференции в понедельник.
Компания Boeing сообщила, что регулярно проводит технологические исследования и сотрудничает с поставщиками. Он не дал никаких свежих указаний на то, сможет ли технология с открытым ротором привести в действие его следующий реактивный лайнер.
Airbus, которая заявляет, что работает над самолетом с нулевым уровнем выбросов, который будет введен в эксплуатацию в 2035 году, заявила во вторник, что приветствует тот факт, что двигатель, как ожидается, не будет зависеть от типа топлива.
«Мы ждем новостей о том, куда направляются Airbus и Boeing», — сказал аналитик Jefferies Сэнди Моррис.
Акции Safran выросли на 1,6% в начале вторника, чему способствовали также признаки перемирия в торговой войне с самолетами. подробнее
SUMMIT BIRTH
Концепция двигателя с открытым ротором размещает ранее скрытые жужжащие детали снаружи двигателя, чтобы захватить больше воздуха и снизить нагрузку на топливную сердцевину двигателя.
Предыдущие попытки разработать такие двигатели с 1980-х годов были связаны с проблемами, включая шум.
Генеральный директор Safran Оливье Андрис сказал, что прототип, испытанный в 2017 году, производил не больше шума, чем LEAP.
«Я очень уверен, что мы будем соответствовать самым строгим требованиям по шуму … и требованиям безопасности», — сказал он Reuters.
Все внимание теперь приковано к конкурентам во главе с компанией Pratt & Whitney, которая, как ожидается, представит обновленную информацию о своем турбовентиляторном двигателе с редуктором в конце этого года.
«Мы намерены продолжать инвестировать в развивающиеся силовые установки, чтобы приводить в действие следующее поколение коммерческих самолетов», — заявили в Pratt & Whitney.
Основанная в 1974 году, CFM увидела свет после соглашения на высшем уровне между президентом США Ричардом Никсоном и французским коллегой Жоржем Помпиду после попыток Пентагона заблокировать его на том основании, что его двигатель был связан с бомбардировщиком B-1.
В соответствии с компромиссом, французским инженерам сначала запретили заглядывать внутрь герметичного корпуса оригинального сердечника CFM.
Хотя такие ограничения давно исчезли, GE и Safran все еще поддерживают необычную китайскую стену между собой из-за расходов на самые продаваемые в мире реактивные двигатели, чтобы избежать споров.
«Одним из составляющих успеха CFM является то, что мы разделяем доходы; мы не разделяем расходы. Если один из нас не конкурентоспособен, это не отражается на (другом) партнере. Каждый несет полную ответственность, «Сказал Андрис.
Отчет Тим Хефер; редактирование Дэвида Эванса
Наши стандарты: принципы доверия Thomson Reuters.
CFM обязуется открыть ротор с программой RISE
Они еще не нашли специальной авиационной программы, но General Electric и Safran намерены иметь новый коммерческий авиадвигатель, готовый к вводу в эксплуатацию к середине 2030-х годов.Двигатель должен быть более чем на двадцать процентов эффективнее, чем самое эффективное современное поколение двигателей, включая их CFM LEAP, и сокращать выбросы углекислого газа на 80-100 процентов. Интересно, что CFM использует открытый ротор с программой RISE.
Во время онлайн-мероприятия из Парижа президент и генеральный директор GE Джон Слэттери и его коллега по Safran Оливье Андриес подчеркнули, что сегодня запускается не новая программа двигателей, а начало технологической программы, которая приведет к созданию преемника LEAP. .И поскольку GE и CFM также продлили свое партнерство до 2050 года, программа снова называется CFM с добавлением RISE. Что означает революционные инновации для устойчивых двигателей.
С момента начала сотрудничества в 1979 году двигатели CFM прошли долгий путь с точки зрения эффективности. Топливная эффективность текущего поколения LEAP на пятнадцать процентов выше, чем у предыдущего семейства CFM 56-7, или на сорок процентов лучше, чем у CFM-2. Но если авиационная промышленность хочет выполнить задачи, поставленные в Парижском климатическом соглашении 2015 года, двигатели должны сделать еще один большой шаг.Ответ на этот вопрос — CFM RISE.
Открытый ротор имеет долгую историю GE и CFM первыми придерживаются технологической концепции, которая, если ее действительно внедрить, подорвет промышленность: открытый ротор. Конечно, он был опробован и протестирован обоими производителями оригинального оборудования, но так и не вошел в коммерческую программу. GE разработала вентилятор GE36 Unducted Fan (UDF), который впервые использовался на Boeing 727 в 1986 году и на McDonnell-Douglas MD80 в 1988 году. Он так и не вышел после фазы испытаний из-за опасений по поводу шумового загрязнения и снижения цен на топливо в начале восьмидесятые годы по сравнению с концом семидесятых сделали невозможным оправдание затрат на разработку.
Safran была партнером UDF и продолжила разработку конструкции с открытым ротором для открытого ротора, вращающегося в противоположных направлениях (CROR). В рамках европейской программы Clean Sky Sage-2 с открытым ротором демонстратор провел наземные испытания в октябре 2017 года. Хотя программа еще не достигла зрелости, программа подтвердила, что возможно повышение топливной эффективности и сокращение выбросов CO2 на тридцать процентов. Safran и GE подали заявку на новое финансирование в рамках программы ЕС «Чистая авиация», которая продлится до 2028 года.
Safran провела испытания двигателя с открытым ротором встречного вращения в Истре в октябре 2017 года.(Safran)
За кулисами GE и Safran продолжили разработку концепции и выполнили несколько стендовых испытаний с 2019 года до официального запуска программы CFM RISE сегодня. Обе компании предоставили для участия в программе 1000 инженеров, сказал Слэттери. По словам вице-президента GE по техническим вопросам Мохамеда Али, программа должна привести к «крупнейшему из когда-либо достигнутых результатов в плане сжигания топлива». По словам вице-президента Safran по техническим вопросам Франсуа Бастена, не только двигатель должен быть на двадцать процентов эффективнее, но и интеграция двигателя и самолета может дать преимущество в тридцать процентов.
Три ключевых области нуждаются в дальнейшем развитии Итак, CFM фиксируется на открытом роторе с программой RISE. Но прежде чем эти цели будут достигнуты, CFM RISE предстоит завершить длинный список. Арьян Хегеман, генеральный директор по передовым технологиям, определил три области, над которыми необходимо работать: различные архитектуры, материалы и гибридная электрификация.
Что касается архитектуры, RISE рассматривает различные варианты, но наиболее амбициозным и наиболее предпочтительным для обоих производителей двигателей является двойной открытый ротор.Но не дайте себя обмануть: вращается только один ротор, а другой ряд лопастей за вращающимся неподвижен. Мохамед Али сказал, что это решение является предпочтительным: «И GE, и Safran накопили много опыта с этой архитектурой, начиная с восьмидесятых годов. Недавно мы также смогли использовать эти знания в буровых установках в дополнение к огромной вычислительной мощности. Теперь мы смогли сделать из него одного вентилятора. Это не только снижает вес и сложность, но и повышает эффективность.”
RISE должен будет соответствовать строгим требованиям по шуму, есть проблемы с UDF и любым турбовинтовым двигателем, летящим там. Джон Слэттери подчеркнул, что, что касается уровней шума в салоне и снаружи RISE, «не будет ухудшения уровня комфорта LEAP». Андрис добавил, что уровень шума в аэропортах будет на уровне LEAP. Уменьшить шум от роторов будет механическая коробка передач.
Комплексная дорожная карта по развитию материаловЧто касается материалов, GE и Safran заявили, что они разработали комплексную дорожную карту для разработки самых прочных лопастей из композитных материалов.В то время как LEAP и GE9X от GE уже используют детали из новых марок, композиты с керамической матрицей и детали, напечатанные на 3D-принтере, инженеры расширят свои исследования для еще более новых и более прочных сплавов, которые позволят двигателю работать более эффективно от теплового и пропульсивного воздействия. перспектива. Например, он будет иметь компактный сердечник с очень высокими коэффициентами давления компрессора и бустер с более высокой скоростью. Система утилизации отработанного тепла снизит выбросы.
Третья область, требующая дальнейших исследований, — это топливо и гибридная электрификация.С самого начала RISE будет спроектирован для работы на 100-процентном экологически безопасном авиационном топливе (SAF), что снизит выбросы CO2 на восемьдесят процентов. Двигатель также будет совместим с водородом, что снизит выбросы на 100 процентов.
Двигатель также сможет работать на гибридной электрической энергии, когда роторы приводятся в движение электродвигателем, работающим на электричестве, вырабатываемом генератором. Это обеспечит дополнительную мощность и выработку электроэнергии для использования в других частях самолета.RISE должен первым внедрить гибридно-электрическую технологию в узкофюзеляжные авиалайнеры.
Как разместить открытый ротор на самолете? Франсуа Бастен показал три концепции. Первый — тот, что мы видели ранее на UDF и других конструкциях с открытым ротором, то есть с двигателями, установленными в кормовой части фюзеляжа. В качестве альтернативы они могли бы соответствовать самолету с высокорасположенным крылом, подобному концепции, которая использовалась в течение многих лет на Fokker Friendship / F50, Bombardier / De Havilland Canada Dash 8-family семейства ATR.Или о концепции крыла с ферменной балкой, которая с 2014 года изучалась НАСА и Boeing и недавно была представлена в исследовательской программе НАСА на 2022 год.
Двигатель RISE также может быть размещен под крыльями низкоплана, сказал Бастин. Установка будет сложной задачей, поскольку роторы длиной 3,9 метра требуют достаточного дорожного просвета.
Оливье Андриес сказал, что RISE не нацелен на конкретную авиационную программу, хотя двигатель может быть идеальным кандидатом для авиалайнера на водородной основе, который Airbus разрабатывает в рамках своей программы ZEROe.«Мы работали с Airbus и Boeing над проектом, и они действительно заинтересованы в повышении эффективности, которое он приносит. Признано, что концепция открытого ротора позволяет им снизить расход топлива ». «Технологически это применимо к любой архитектуре самолета. Запуск и конфигурация зависят от авиаконструктора », — сказал Слэттери.
На вопрос, хотел бы он присоединиться к Boeing, готов ли он запустить новую программу, Слэттери сказал, что «если Boeing предложит платформу, мы будем конкурировать, мы будем стремиться к участию.Он также призвал Pratt & Whitney и Rolls-Royce придерживаться той же концепции открытого ротора: «Привлекайте своих лучших инженеров, ищите лучшие технологии, позвольте нам соревноваться! В конечном итоге выгодоприобретателем будет планета. Я приветствую конкуренцию, давайте сделаем это ».
График RISE включает в себя более 300 сборок компонентов, модулей и полных двигателей, при этом первые наземные испытания не ожидаются до середины 2020-х годов.Летные испытания на летающем стенде Boeing 747 компании GE должны последовать во второй половине этого десятилетия, а его ввод в эксплуатацию ожидается в середине 2030-х годов. Это полностью зависит от того, что имеют в виду Airbus и Boeing, а также от поддержки со стороны правительств и других заинтересованных сторон отрасли. Слэттери сказал, что хотел бы получить финансовую поддержку от правительств, а также их вклад в правила, в то время как аэропорты должны предлагать инфраструктуру для гибридных электрических и / или водородных самолетов. «Это отраслевой командный вид спорта.Впереди нас ждет большая работа, но вы можете на нас рассчитывать ».
Франсуа Андриес из Safran не сообщил, сколько его компания тратит на RISE, за исключением того, что это будет около 75 процентов ее бюджета на исследования и разработки. Слэттери сказал, что расходы General Electric составят значительную часть его бюджета на исследования. В этом году американская компания потратит около 1,8 миллиарда долларов на НИОКР, примерно столько же, сколько и в прошлом году. Как сказал Мохамед Али: «Будут уроки и, возможно, неудачи. Но мы решительны, и наше возражение предельно ясно: изобрести будущее полета и сделать его устойчивым.”
Следите за нами и ставьте лайки:
Нравится:
Нравится Загрузка …
Методы обнаружения трещин на стержнях ротора в электродвигателях
Прежде чем читать об этих различных испытаниях, ознакомьтесь с нашими последними статьями по теории электродвигателей и трещин на стержнях ротора:
Помимо простого визуального осмотра, ниже приводится краткое изложение наиболее распространенных методов обнаружения трещин в стержнях ротора, а также закороченных пластин в роторе асинхронного электродвигателя.Многие из этих испытаний необходимо проводить в мастерской по ремонту электродвигателей.
ТЕСТ ГРОУЛЕР — Этот тест проводится с ротором вне статора. Поток тока индуцируется через ротор, возбуждая многослойный сердечник, обернутый проволокой, и помещая этот сердечник близко к ротору. Стержни ротора намагничены, и с помощью железных опилок / ножовки вы определяете прерывистый ток через стержень ротора или треснувший стержень. Тест лучше всего работает с нагретым ротором.
ПРОВЕРКА ОДНОФАЗНОГО РОТОРА — Этот тест выполняется, когда двигатель все еще находится в рабочем состоянии.Однофазное питание (низкое напряжение, несколько ампер) подается на двигатель при медленном вращении ротора. Аналоговый измеритель контролирует одну ногу (фазу) в поисках любых колебаний в потребляемом токе. Если ток статора снижается или уменьшается, это свидетельствует о наличии трещин на одной или нескольких планках ротора. Опять же, этот тест лучше всего проводить с нагретым ротором.
ИСПЫТАНИЕ РОТОРА ВЫСОКИМ ТОКОМ — Этот тест выполняется путем пропускания сильного тока через вал ротора (ротор вне статора) и термического сканирования (инфракрасное или термосканирование) ротора O.D. поиск закороченных ламелей. Эти закороченные ламели вызывают локальные горячие точки, которые вызывают неравномерный нагрев ротора. Это приводит к изгибу ротора и выходу его из равновесия. Этот локализованный нагрев также может вызвать напряжение в стержнях, преждевременное растрескивание и усталость стержней. Этот тест также позволит выявить неплотную посадку ротора на вал с натягом.
АНАЛИЗ ТОКА ИНДУКЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТЕСТ СПЕКТРА ТОКА) — Этот тест выполняется, когда двигатель находится под нагрузкой 50–100%. Ротор индуцирует токи обратно в обмотки статора.Эти токи появляются в виде боковых полос вокруг пика частоты питающей сети (60 Гц) и являются функцией количества полюсов двигателя и частоты скольжения. Сравнивая амплитуды боковой полосы, вы можете оценить количество сломанных стержней ротора. Этот тест самый точный и надежный.
АНАЛИЗ СПЕКТРА ВИБРАЦИИ — Этот тест позволяет обнаружить трещины или ослабленные стержни под нагрузкой. Под нагрузкой вибрация будет модулироваться со скоростью, равной количеству полюсов, умноженному на частоту скольжения.При сломанной штанге ротора амплитуда биений увеличивается с нагрузкой. Треснувший стержень ротора также может вызвать локальный нагрев ротора, который вызывает неравномерное расширение и изгиб ротора. Это приводит к дисбалансу и сильной 1-кратной вибрации от скорости движения, а также к боковым полосам, связанным с частотой скольжения. Ослабленные стержни ротора могут вызывать аналогичные симптомы, а также проявлять вибрацию на частотах прохождения стержней ротора. Этот тест не будет отображаться при работе без нагрузки, потому что сломанный стержень ротора не может проводить ток.Когда он находится в зоне высокого магнитного потока, магнитные силы на роторе неуравновешены. Поскольку ток, протекающий через стержень ротора, пропорционален скольжению, без нагрузки, когда ток ротора низкий, стержень практически не имеет магнитных сил, действующих на него.
Тодд А. Хэтфилд, вице-президент по проектированию и ремонту
HECO — Все системы идут
269-381-7200
Об авторе:
Тодд А.Hatfield является совладельцем HECO и вице-президентом по проектированию и ремонту. Он имеет более чем 35-летний опыт работы в области ремонта и проектирования генераторов и электродвигателей. Тодд имеет степень бакалавра в области электротехники и специализируется в следующих областях: модернизация и проектирование электрических и механических двигателей, анализ первопричин отказов и качественное восстановление электродвигателей.
Окрашивание в зеленый цвет — Звук роторного двигателя
Фотографии © Эрик Друин, Safran GroupАвиационная промышленность сталкивается с жесткими требованиями по снижению воздействия на окружающую среду.Но технологические инновации и разработки — от концепции до сертифицированного продукта — могут занять десятилетия.
Фактически, самолет 2050 года сейчас изучается в рамках программ НИОКР, и ему предстоит длительный график наземных и летных демонстраций, прежде чем они смогут быть одобрены для безопасной перевозки пассажиров.
Демонстрационный образец открытого ротора Safran Aircraft Engines, разработанный в рамках европейской исследовательской инициативы Clean Sky R&D, является частью планов Safran Aircraft Engines по разработке силовой установки, которая удовлетворит потребности производителей самолетов в 2030 году.Конфигурация с открытым ротором направлена на решение нескольких технологических задач, таких как новый режим движения, инновационная аэродинамическая конфигурация и беспрецедентные производственные процессы.
«Скорость настройки — важный критерий. Интеграция файла Excel в конфигурацию системы позволяет нам не только настраивать и управлять тестом из электронной таблицы, но также выполнять тест при подготовке конфигурации следующего теста на отдельной станции, и при этом отслеживать каждую конфигурацию для каждый тест.”
Инженер-испытатель, Safran Aircraft Engines
Инновационная архитектура концептуального двигателя Open Rotor уникальна. Созданный на основе двигателя M88 Rafale от Safran Aircraft Engines, выбранный за его компактность, открытый ротор оснащен двумя вентиляторами встречного вращения с 12 и 10 композитными лопастями соответственно. Передний винт имеет диаметр 4 метра, а задний немного меньше, чтобы избежать взаимодействия с вихрями, создаваемыми кончиками передних лопастей винта. В отличие от классического двигателя, они не имеют кожуха, что не только снижает общий вес, но и увеличивает приток воздуха, обеспечивая коэффициент обхода (соотношение между холодным и горячим потоками) более 30: 1.Увеличение воздушного потока двигателя приводит к повышению эффективности силовой установки, снижению расхода топлива и, как следствие, сокращению выбросов CO2. Двигатель с открытым ротором может в конечном итоге снизить расход топлива и выбросы на 30% по сравнению с современными турбовентиляторными двигателями.Clean Sky объединяет шесть так называемых интегрированных демонстраторов технологий (ITD). Компания Safran Aircraft Engines, возглавляющая ITD SAGE (Sustainable And Green Engine) в компании Clean Sky, вместе со своими отраслевыми партнерами стремилась доставить и провести наземные испытания полномасштабного двигателя с открытым ротором.Теперь, после восьми лет разработки, Safran Aircraft Engines успешно провела свои первые наземные испытания демонстратора с открытым ротором на своем новом специально построенном испытательном стенде под открытым небом в Истре, на юге Франции.
Тестирование демонстратора — дело сложное
Тестирование является неотъемлемой частью этого новаторского проекта, и с новаторской новой конструкцией, такой как открытый ротор, это немаловажное дело. Благодаря революционной архитектуре двигателя без кожуха, использованию новейших материалов и инновационным производственным процессам, испытание двигателя должно собирать всевозможные динамические данные, чтобы обеспечить надежность и целостность теста, а также предоставить огромное количество данных для аналитиков. задуматься.Для этого инженеры Safran Aircraft Engines использовали решение для испытаний газовых турбин Brüel & Kjr, которое ранее доказало свою эффективность в еще более масштабных испытаниях, проведенных во время сертификации двигателя CFM LEAP *.Тестирование требует оснащения двигателя множеством различных датчиков для измерения, отслеживания и записи поведения двигателя. Высокопроизводительное оборудование для сбора данных, размещенное в контейнерах рядом с моторной базой, собирает данные и передает их в технический центр площадью 600 м2 через сеть из 10000 м оптоволоконных кабелей.
При прохождении опытного образца двигателя через его рабочий диапазон необходимо очень внимательно следить за динамическими и вибрационными аспектами прототипа двигателя с открытым ротором, чтобы поддерживать целостность двигателя в течение всего периода испытаний. Инженеры сидят примерно на тринадцати станциях мониторинга, чтобы внимательно следить за вибрацией и динамической реакцией в режиме реального времени. Все полученные данные затем отправляются непосредственно в конструкторское бюро Safran Aircraft Engines в Вильяроше для анализа после испытаний. Возможность простого обмена данными между сайтами ускоряет процесс оценки данных и принятия решений.
* LEAP является товарным знаком CFM International, 50/50 совместной компании GE и Safran Aircraft Engines
Настройка — быстро, просто и надежно
Перед выполнением любого теста инженеры должны выполнить сложную задачу предварительного планирования и настройки, которая состоит из двух потенциально трудоемких этапов. Первая фаза включает определение множества различных типов датчиков и аспектов измерения. Многие предварительные данные необходимо собрать от группы тестирования и затем настроить в тестовой системе.Это может быть трудоемкое и привередливое упражнение, которое является предпосылкой для успешного теста, но способно вносить ошибки. Собрав эти данные в один файл Microsoft® Excel® на этапе планирования, Safran Aircraft Engines может просто загрузить их в ПК для сбора основных данных и настроить всю систему. Электронная таблица содержит все определенные параметры для временной записи и обработки сигналов, а также все датчики с их измерительными характеристиками. Кроме того, он содержит все настройки для терминалов мониторинга данных и систему мониторинга аварийных сигналов, которая может сигнализировать о тревоге пилоту испытательного стенда и операторам-испытателям. УЧИТЬ БОЛЬШЕ
Аппаратный блок LAN-XI
Вторая фаза состоит из физического подключения многих сотен каналов различных данных, таких как вибрация, деформация, давление и динамическое смещение, к системе сбора данных. Это может быть сложным делом, когда нужно разобраться, что куда и как идет. Однако, поскольку система построена на аппаратном блоке LAN-XI компании Brüel & Kjr, который не имеет привязки каналов, любой канал может быть подключен к любому входу.
Это обеспечивает гибкость при настройке системы и экономит время, поскольку нет необходимости назначать определенные типы датчиков для определенных типов сбора данных. Один и тот же входной разъем системы сбора данных может принимать все типы преобразователей, что также упрощает настройку и обеспечивает универсальность.
Следим за тестом
Внимательное наблюдение за вещами на всех этапах тестирования важно для обеспечения достоверности теста и подтверждения того, что динамические параметры остаются в установленных пределах.Команды инженеров отслеживают жизненно важные параметры в режиме реального времени, чтобы гарантировать целостность двигателя. Аварийные сигналы в режиме реального времени могут предупреждать о нарушении пределов, а журналы регистрации хранят записи о процессе тестирования.«Система должна иметь возможность управлять всеми типами датчиков, предлагать быстрое внедрение и обеспечивать мониторинг сигналов на различных компьютерных станциях в реальном времени».
Инженер-испытатель, Safran Aircraft Engines
У отдельных инженерных групп, отслеживающих полученные сигналы, очень разные потребности с точки зрения визуализации и обработки данных.Таким образом, каждая станция мониторинга конфигурируется независимо, обеспечивая каждый отдел только теми сигналами, которые имеют отношение к их соответствующим приложениям. Данные доступны в режиме реального времени, и доступен широкий спектр экранов измерений, позволяющих передавать нужную информацию нужным людям в нужное время. Данные могут быть тщательно обработаны немедленно или воспроизведены во время или сразу после каждого теста, так что каждый этап тестирования может быть проанализирован и оценен перед переходом к следующему.
Открытый ротор на испытательном стенде, Истрес
Обмен данными, когда и где это необходимо
Многие подразделения тестовой организации нуждаются в доступе к данным по мере их записи. Независимые станции мониторинга могут быть настроены индивидуально для конкретного расследования, поэтому партнерам и клиентам может быть предоставлен полный доступ к их собственным данным. Поскольку множество разных людей занимаются изучением очень конкретных и различных частей двигателя, чрезвычайно важно, чтобы инженеры-испытатели научились быстро использовать систему с минимальной подготовкой.Один из инженеров-испытателей заключает: «Было очень легко объяснить использование системы за очень короткое время всем различным инженерным отделам и партнерам».
Данные должны быть оперативно предоставлены удаленным отделам в определенных форматах. Учебные отделы Villaroche могут получить доступ к данным тестов в тот же день. Тот же инженер добавляет:
: «Преобразование в реальном времени в формат datx и скорость, с которой данные передаются в инженерный офис, не имеют себе равных».После четырех дней испытаний открытого ротора мы спросили вернувшегося с объекта инженера, что он думает о системе сбора динамических данных, представленной в Истре. Его ответ был обнадеживающим: «Мне нечего сказать; он делал все, что я хотел. Что еще я могу попросить? »
Короткая пауза, и он добавляет: «Я просто хочу, чтобы я мог проводить такой же анализ в реальном времени из своего офиса, потому что много времени я тратил на месте, ожидая вращения двигателя». Для Safran Aircraft Engines, Общие результаты этого первого этапа испытаний были многообещающими.
Следующий этап принесет новые вызовы, но каждый шаг программы представляет собой огромный шаг вперед к более зеленому и чистому небу.
Стоимость COTS Быстрая доступность, низкая стоимость и низкий риск продуктов COTS (готовых коммерческих продуктов) делают их отличными альтернативами их эквивалентам, изготовленным по индивидуальному заказу. Инженеры-испытатели Safran Aircraft Engines соглашаются: «Использование аппаратного и программного обеспечения COTS обеспечило более быстрое решение аппаратных проблем, более быстрое обновление, снижение затрат на поддержку и открыло множество стандартных функций анализа для дальнейших исследований.”
Статьи по теме
Safran начинает испытания на землю с открытым ротором
Safran, французская международная аэрокосмическая и технологическая компания, отметила начало наземных испытаний своего концептуального двигателя с открытым ротором в начале этой недели. Открытый ротор — это разновидность винтовой или неповоротной конструкции вентилятора, в которой газотурбинный двигатель приводит в движение один или несколько внешних вентиляторов. Открытый ротор использует два вращающихся в противоположных направлениях вентилятора без кожуха, которые, как и турбовинтовой, увеличивают эффективную степень двухконтурности двигателя.Европейская комиссия в рамках исследовательской программы Clean Sky 2 выделила Safran 65 миллионов евро в течение восьми лет на разработку экономичного двигателя. «После десяти лет разработки мы очень гордимся тем, что демонстрационный образец с открытым ротором успешно провел свои первые наземные испытания», — сказала Клара де ла Торре из Европейской комиссии. «Открытый ротор знаменует собой важный шаг вперед в авиационном секторе, поскольку он решает две ключевые задачи, а именно: снижение расхода топлива и улучшение экологических показателей.”
Предыдущие попытки создать вентиляторы без кожуха приводили к очень высоким уровням шума в кабине из-за не закрытых кончиков вентиляторов. Директор Safran по исследованиям и разработкам Стфан Куэйль говорит, что они решили эту проблему: «У нашего демонстратора такой же уровень шума, как у [ТРДД LEAP], благодаря оптимизации аэродинамики лопастей вентилятора». Компания надеется, что сертифицированный двигатель будет готов к выпуску на рынок к 2030 году. Наземные испытания нынешнего двигателя будут продолжаться как минимум до конца года на новом испытательном полигоне Safran на открытом воздухе площадью 864 000 квадратных футов в Истре, Франция, сообщает компания. .
«Открытый ротор является одним из основных направлений исследований Safran», — сказал Филипп Петитколин, генеральный директор Safran. «С помощью механизма LEAP мы доказали нашу способность разрабатывать и интегрировать новые технологии. Наша цель сейчас — продвигать нашу инновационную стратегию еще дальше, чтобы мы могли своевременно поставлять на рынок лучшие решения. В настоящее время мы изучаем несколько путей, как различных, так и дополняющих друг друга, для разработки вместе с нашими партнерами из Clean Sky технологических строительных блоков для силовых установок, которые значительно улучшат характеристики самолетов завтрашнего дня.«ТРДД LEAP производится совместным предприятием с GE.
.