Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это тип воздушно-реактивного двигателя, в котором часть тяги создаётся за счёт вентилятора, расположенного во входном устройстве и приводимого во вращение газовой турбиной. Относится к классу газотурбинных двигателей и является наиболее распространённым типом силовой установки в современной гражданской и транспортной авиации, а также широко применяется в военной авиации.

Принцип действия

Основной принцип работы турбовентиляторного двигателя (ТВД) основан на создании реактивной тяги путём ускорения рабочего тела (воздуха) в двух независимых потоках: внутреннем (газогенераторном) и внешнем (вентиляторном).

Воздух, поступающий в двигатель, разделяется на два канала. Внутренний контур (газогенератор) работает по циклу, аналогичному турбореактивному двигателю (ТРД): воздух сжимается компрессором, смешивается с топливом в камере сгорания, образовавшиеся газы расширяются в турбине, которая приводит во вращение компрессор и вентилятор, и затем выбрасываются через реактивное сопло, создавая тягу. Внешний контур (вентиляторный) представляет собой поток воздуха, который ускоряется вентилятором, но не проходит через камеру сгорания и турбину. Этот поток, как правило, проходит через сопло внешнего контура, создавая дополнительную тягу.

Ключевым параметром, отличающим различные типы ТВД, является степень двухконтурности (англ. bypass ratio, BPR) — отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур. Чем выше степень двухконтурности, тем большая часть тяги создаётся вентилятором и тем ниже удельный расход топлива и уровень шума, но тем больше габариты и масса двигателя.

История

Первые теоретические работы по двухконтурным схемам появились в 1930-х годах. В 1939 году британский инженер Алан Арнольд Гриффит предложил концепцию двигателя с разделением потоков. Однако практическая реализация началась позже.

Первый серийный турбовентиляторный двигатель — Rolls-Royce Conway — был создан в Великобритании в 1950-х годах и устанавливался на самолёты Vickers VC10 и Boeing 707. В СССР первый серийный ТВД — АИ-25 (разработчик — ОКБ-478 под руководством А. Г. Ивченко) — был выпущен в 1960-х годах для пассажирского самолёта Як-40.

В 1960-1970-х годах началось массовое внедрение ТВД в гражданскую авиацию. Двигатели с низкой степенью двухконтурности (BPR 1-2) устанавливались на сверхзвуковые самолёты (например, Ту-144, Concorde) и истребители. Двигатели с высокой степенью двухконтурности (BPR 5-10 и выше) стали основой для дозвуковых пассажирских лайнеров, таких как Boeing 747, Airbus A300 и их многочисленные модификации.

Классификация

Турбовентиляторные двигатели классифицируются по нескольким признакам:

По степени двухконтурности

• С низкой степенью двухконтурности (BPR < 2). Используются в основном на сверхзвуковых и военных самолётах. Примеры: Pratt & Whitney F100 (F-15, F-16), Saturn AL-31F (Су-27, Су-30).
• Со средней степенью двухконтурности (BPR 2-4). Применяются на региональных и узкофюзеляжных самолётах. Примеры: CFM International CFM56 (Boeing 737, Airbus A320), Авиадвигатель ПС-90А (Ту-204, Ил-96).
• С высокой степенью двухконтурности (BPR 5-9). Наиболее распространены в современной гражданской авиации. Примеры: General Electric GE90 (Boeing 777), Rolls-Royce Trent 1000 (Boeing 787), Авиадвигатель ПД-14 (МС-21).
• С ультравысокой степенью двухконтурности (BPR > 10). Разрабатываются для перспективных лайнеров. Пример: Pratt & Whitney PW1000G (Airbus A320neo, Embraer E-Jet E2).

По конструктивной схеме

• С раздельными соплами — потоки внутреннего и внешнего контуров выбрасываются в атмосферу через отдельные сопла. Наиболее распространённая схема.
• Со смешением потоков — потоки внутреннего и внешнего контуров смешиваются перед выходом в общее сопло. Снижает шум и повышает эффективность на некоторых режимах.
• С реверсивным устройством — для торможения самолёта после посадки используется реверс тяги, который направляет поток воздуха или газов вперёд.

По типу вентилятора

• С одноступенчатым вентилятором — наиболее распространённая схема (один ряд лопаток).
• С многоступенчатым вентилятором — применяется редко, в основном в двигателях с очень высокой степенью двухконтурности.

Устройство и основные компоненты

Турбовентиляторный двигатель состоит из следующих основных узлов:

1. Входное устройство (воздухозаборник). Обеспечивает подвод воздуха к вентилятору с минимальными потерями.
2. Вентилятор. Крупный осевой компрессор, расположенный в передней части двигателя. Создаёт основную часть тяги (до 80% у двигателей с высокой степенью двухконтурности). Лопатки вентилятора часто изготавливаются из титановых сплавов или композитных материалов.
3. Компрессор низкого давления (КНД). Устанавливается за вентилятором и дополнительно сжимает воздух, поступающий во внутренний контур.
4. Компрессор высокого давления (КВД). Сжимает воздух до максимального давления (до 40-50 атмосфер в современных двигателях).
5. Камера сгорания. Цилиндрическое устройство, в котором топливо (керосин) смешивается с воздухом и сгорает. Температура газов на выходе может достигать 1500-1700 °C.
6. Турбина высокого давления (ТВД). Приводит во вращение КВД.
7. Турбина низкого давления (ТНД). Приводит во вращение вентилятор и КНД.
8. Реактивное сопло. Формирует поток газов, создающий тягу. Может быть регулируемым (для сверхзвуковых самолётов) или нерегулируемым.
9. Системы управления, смазки, охлаждения, запуска. Обеспечивают работу двигателя в заданных режимах.

Применение

Гражданская авиация

Турбовентиляторные двигатели являются основным типом силовой установки для всех современных пассажирских и транспортных самолётов. Они обеспечивают высокую топливную эффективность, низкий уровень шума и достаточную тягу для взлёта и крейсерского полёта. Примеры: CFM International LEAP (Airbus A320neo, Boeing 737 MAX), Pratt & Whitney PW1100G (Airbus A320neo), Авиадвигатель ПД-14 (МС-21).

Военная авиация

В военной авиации применяются ТВД как с низкой, так и со средней степенью двухконтурности. Они устанавливаются на истребители, бомбардировщики, штурмовики, транспортные и учебные самолёты. Для военных двигателей важны такие характеристики, как высокая тяговооружённость, способность к форсажному режиму (кратковременному увеличению тяги за счёт дополнительного впрыска топлива в форсажную камеру), малозаметность (снижение теплового и радиолокационного излучения). Примеры: Saturn AL-41F-1С (Су-35С), Pratt & Whitney F135 (F-35 Lightning II), General Electric F110 (F-15, F-16).

Прочие применения

Турбовентиляторные двигатели используются в наземных газотурбинных установках (например, для привода электрогенераторов на газоперекачивающих станциях), на морских судах (газотурбоходы), а также в некоторых экспериментальных и перспективных проектах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая топливная эффективность по сравнению с турбореактивными двигателями (ТРД) и турбовинтовыми двигателями (ТВД) на дозвуковых скоростях.
• Низкий уровень шума за счёт смешения потоков и снижения скорости выхлопных газов.
• Высокая тяга при относительно небольших габаритах (особенно у двигателей с низкой степенью двухконтурности).
• Надёжность и долговечность (ресурс современных ТВД может достигать 30 000-50 000 лётных часов).

Недостатки

• Большие габариты и масса (особенно у двигателей с высокой степенью двухконтурности), что ограничивает их применение на сверхзвуковых самолётах.
• Сложность конструкции и высокая стоимость производства и обслуживания.
• Высокая температура выхлопных газов, что требует специальных мер по охлаждению и защите конструкции.

Перспективы развития

Основные направления развития турбовентиляторных двигателей включают:

• Повышение степени двухконтурности до 12-15 и выше для снижения расхода топлива и шума.
• Использование композитных материалов для лопаток вентилятора и корпуса двигателя (снижение массы).
• Применение керамических матричных композитов (CMC) для лопаток турбины и камеры сгорания (повышение рабочей температуры и КПД).
• Разработка гибридных силовых установок (сочетание газотурбинного двигателя с электрическим двигателем).
• Создание двигателей с изменяемой степенью двухконтурности для работы как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых режимах.

Источники

• Теория и расчёт авиационных газотурбинных двигателей / под ред. В. И. Бакулева. — М.: Машиностроение, 1992.
• Rolls-Royce. The Jet Engine. — Rolls-Royce plc, 1996.
• Hill, P. G., Peterson, C. R. Mechanics and Thermodynamics of Propulsion. — Addison-Wesley, 1992.
• Материалы открытых лекций ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова).
• Данные производителей: АО «ОДК-Авиадвигатель», CFM International, Pratt & Whitney, General Electric.