Взгляд в 2020 год

Роберт УОЛЛ, Париж и Дерби (Англия)
Ответ на вопрос о том, сможет ли двигателестроительная промышленность европейских стран удовлетворить жестким требованиям, предъявляемым к авиационным силовым установкам новых поколений, будет дан в течение ближайших двух-трех лет, после проработки возможности реализации новейших достижений науки и техники.
Непрерывное улучшение характеристик двигателей, наблюдаемое в течение последнего десятилетия, свидетельствует о том, что многие из этих амбициозных требований достижимы, но, по-видимому, не все сразу.
Новые правила игры для двигателестроения сформулированы Рекомендательным комитетом Евросоюза по исследованиям в области аэронавтики (ACARE) в виде требований к охране окружающей среды, которым должны удовлетворять к 2020 г. новые самолеты. Эти требования относятся и к характеристикам силовой установки как составной части самолета. По мнению ACARE, в сравнении с требованиями, существующими для самолетов 2000-го и последующих годов выпуска, необходимо снизить на 18 дБ уровень шума, уменьшить на 80% эмиссию оксидов азота и на 20% эмиссию диоксида углерода, а также сократить расход топлива.
"Выполнить любое из требований ACARE не слишком трудно, но удовлетворить им всем одновременно представляется очень сложным", — считает Ян Ритчи, главный инженер подразделения двигателей гражданских самолетов фирмы Rolls-Royce. Будучи ведущей двигателестроительной фирмой Европы, Rolls-Royce уделяет огромное внимание научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам (НИОКР) в области совершенствования двигателей. Помимо собственных исследований фирма участвует в большинстве программ, финансируемых Евросоюзом.
Разработчики двигателей все еще обсуждают возможность удовлетворения новым требованиям без изменения существующих принципиальных схем силовых установок. При создании двигателя Trent 1000 "мы почувствовали, что вышли на такой уровень технологии, без принципиальных изменений которого невозможно удовлетворить требованиям ACARE", — отмечает Лиз Ватсон, технический директор отделения камер сгорания Rolls-Royce.
Руководители фирмы Pratt & Whitney также считают, что практически настал момент, когда необходимы кардинальные изменения конструкции. В связи с этим фирма усиленно разрабатывает концепцию двигателя с приводом вентилятора через редуктор.
Несмотря на то что новые требования предполагается ввести в действие с 2020 г., диктат сроков разработки и доводки двигателей ощущается уже сегодня. Промышленность должна немедленно начать проверку новых технических решений, внедрение которых необходимо для удовлетворения требованиям ACARE. Чтобы новый самолет появился в 2020 г., доводка двигателя должна быть завершена к 2016 г., а это, в свою очередь, означает, что примерно к 2010 г. следует определить основные направления работ и начать процесс проектирования.
Большой объем исследований уже выполнен в ходе выполнения финансируемой Евросоюзом рамочной программы FP6. В дальнейшем они будут продолжены в ходе следующей программы FP7, бюджет которой сейчас обсуждается. Экологические проблемы, вероятно, станут основной частью FP7. Европейский форум по вопросам энергетики и транспорта — консультативный комитет, созданный Еврокомиссией из организаций, действующих в этой области, — настаивает на том, чтобы основной темой FP7 стали вопросы энергосбережения. Новая программа рассматривается в качестве одного из последних средств материального обеспечения НИОКР, направленных на создание двигателей, удовлетворяющих требованиям ACARE.
Если говорить о снижении эмиссии и улучшении процесса сгорания топлива, то нынешние тенденции развития двигателей свидетельствуют о достижимости сформулированных ACARE целей. Однако г-н Ритчи предупреждает о том, что экстраполировать в будущее предшествующие достижения и предполагать неизменными существующие тенденции недопустимо, даже если достигнутый к настоящему моменту прогресс и подталкивает к этому.
Если же перейти к проблеме снижения шума, то здесь ситуация не столь благоприятна. Факты свидетельствуют о том, что, несмотря на существенно меньшие уровни шума современных двигателей по сравнению с предшествующими поколениями, продвижение в этой области идет довольно медленными темпами.
Одним из вариантов, приемлемых для производителей двигателей, может стать достижение некоторого компромиссного соотношения между требуемыми параметрами. По словам Яна Ритчи, при этом конструкторские решения могут повлиять на некоторые другие характеристики, например на расход топлива, которому сегодня не уделяется должного внимания. Авиакомпании этого не хотят, но вынуждены будут смириться из-за предстоящего в ближайшие годы принятия новых норм.
В связи с требованиями по шуму центр тяжести исследований все больше смещается от вентилятора к внутренним элементам конструкции двигателя, хотя и продолжается, например, поиск оптимальной формы саблевидных широкохордных лопаток вентилятора. Однако для обеспечения существенного снижения уровня шума рассматриваются такие решения, как скошенные лопатки выходного направляющего аппарата и акустически регулируемая турбина низкого давления.
В рамках программы FP5 Евросоюз выделил 110 млн евро 51 фирме для проведения работ по снижению к 2008 г. уровня шума на 6 дБ. Фирма Snecma является координатором работ по программе Silencer, основная цель которой — полномасштабная (на уровне натурных образцов самолета, мотогондолы и собственно двигателя) проверка эффекта внедрения новых конструктивных решений.
Примером новинок может служить разрабатываемый в настоящее время фирмой Rolls-Royce кольцевой разделитель потока в выходном направляющем аппарате вентилятора. Помимо этого в конструкции нового двигателя используются скошенный воздухозаборник, предназначенный для отклонения звуковой волны от вентилятора вверх, в сторону, противоположную земле, и новые материалы для жаровой трубы. Все новшества проверяются на модифицированном двигателе Trent 500. Менее шумные лопасти вентилятора испытываются также в Германии.
Еврокомиссия, кроме того, начала реализацию следующей программы Vital, в которой ведущую роль тоже играет фирма Snecma. Цель новой программы — снизить эмиссию диоксида углерода двигателя с пониженным уровнем шума, разработанного в рамках программы Silencer. Программой предусматриваются стендовые испытания двигателя со сверхвысокой степенью двухконтурности и вентиляторами с прямым и редукторным приводами, а также двигателя с противоположным вращением роторов.
Ян Ритчи отметил, что, помимо прочего, рассматривается применение алюминиевых сплавов с "запоминанием формы", которые позволяют управлять уровнем шума при взлете путем формирования понижающих шум пилообразных выступов, "елочки" на внутренней поверхности мотогондолы. При выходе самолета на крейсерский режим полета изменение температуры приводит к распрямлению выступов, "елочка" пропадает и эффективность работы двигателя повышается.
Помимо большого объема исследовательских работ по снижению шума, т. е. по решению проблемы, являющейся основным препятствием на пути к выполнению требований ACARE, не остаются без внимания и другие инициативы Евросоюза. Например, работы по программе CLEAN (Component vaLidator for Environmentally friendly Aero-eNgine — проверка пригодности компонентов авиадвигателей с высокими экологическими характеристиками) координируются фирмами MTU Aero Engines и Snecma. В этой международной программе участвует и Volvo Aero.
Основное назначение этого проекта — создание двигателей с редукторным приводом вентилятора и рекуперативным радиатором внутреннего охлаждения. Редукторный привод вентилятора при степени двухконтурности до 15 позволяет разместить на валу турбины низкого давления детали меньших размеров, реализуя большие угловые скорости и сохраняя при этом с целью снижения шума относительно невысокие окружные скорости концов лопастей вентилятора. Внутренний радиатор охлаждения расположен между компрессорами низкого и высокого давления. Он повышает эффективность работы компрессора высокого давления из-за подачи входного потока воздуха через радиатор. Более низкая температура на входе позволяет снизить также температуру в камере сгорания, обеспечивая тем самым уменьшение содержания оксидов азота в отработанном газе при сохранении отношения давлений в диапазоне 17-25.
Внутренний радиатор охлаждения повышает и перепад температур между компрессорами низкого и высокого давления. Рекуператор отводит тепло от выхлопных газов назад к потоку газа на выходе компрессора высокого давления, подаваемому на вход двухступенчатой камеры сгорания. Это позволяет отказаться от повышения температуры с помощью сжигания топлива, понижая тем самым его расход.
Среди других крупных европейских программ по созданию демонстрационного образца двигателя, работы по которым в основном завершены, следует отметить ANTLE (Affordable Near-Term Low Emissions — возможное в краткосрочной перспективе снижение эмиссии). Участвующие в ней промышленные организации возглавляет Rolls-Royce. Цель ANTLE — к 2008 г. снизить эмиссию CO₂ на 12% и NOx на 60%. Стендовые испытания полностью модифицированного двигателя Trent 500 в рамках этой программы проводятся неподалеку от Мадрида. У двигателя модифицированы все системы — от системы смазки до систем управления и контроля состояния. Кроме того, на двигателе уменьшено число ступеней компрессоров высокого (5 вместо 6) и низкого (4 вместо 5) давления.
К настоящему времени двигатель отработал около 30 ч. По словам г-на Ритчи, результаты испытаний различны для разных конструктивных изменений. Некоторые из них соответствуют шестому уровню отработки изменения (TRL, technology readiness level) по шкале NASA, т. е. доведенности до образца или прототипа. Работа над другими изменениями пока не столь успешна. Например, сжигание в камере сгорания с целью снижения эмиссии NOx обедненной топливной смеси представляется весьма перспективным, но находится пока только на пятом уровне отработки. Тем не менее, как считает Ян Ритчи, применение такой смеси представляет собой "скачкообразное изменение".
Сжигание обедненной топливной смеси позволяет удовлетворить новым требованиям по содержанию оксидов азота в выхлопных газах, но, как отмечает Лиз Ватсон, необходимо еще добиться стабильности горения и обеспечить повторный запуск двигателя на больших высотах. Между тем этот подход, по ее мнению, может оказаться ключевым с точки зрения выполнения требований ACARE. Камера сгорания, работающая на обедненной смеси, может быть использована в двигателях Trent будущих поколений, поскольку в их конструкции достаточно места для камеры больших размеров.