Источник: Александр Прохоров // АвиаПорт.Ru
Опубликовано: 13.04.2010, 15:11


Винтовентилятор: назад, в будущее.


Взрывной рост цен на нефть и нефтепродукты в конце 2000-х годов вновь поставил перед авиационной индустрией вопрос о повышении топливной эффективности авиадвигателей. Учитывая, что резервов для улучшения параметров термодинамического цикла (степени повышения давления в компрессоре и температуры в камере сгорания) остается все меньше, магистральным направлением становится повышение степени двухконтурности, и наиболее важным событием стало создание двигателей с редукторным приводом вентилятора. Однако еще больший эффект с точки зрения улучшения удельных показателей может дать переход к винтовентиляторным двигателям. Несмотря на существующие ограничения, у этого класса моторов огромное будущее, и России, обладающей значительным научно-техническим заделом, пока сохраняются шансы не утратить свои позиции.

Топливный кризис раскручивает винты.

Главным лозунгом самолетостроителей было "Быстрее, дальше, выше", и требование обеспечить высокую крейсерскую скорость полета последовательно привело к прекращению производства магистральных самолетов, оснащенных поршневыми двигателями, а уже в 50-е годы начался постепенный переход к реактивным моторам. Однако достаточно быстро гонка за скоростью завела разработчиков в тупик: высокий удельный расход одноконтурных турбореактивных двигателей (ТРД) ограничивал их использование на самолетах, выполняющих полеты на большую дальность. Именно с требованием обеспечить возможность долететь до цели на американском континенте и вернуться на базу было связано появление турбовинтового Ту-95, судьба которого, в результате, сложилась более счастливо, чем у скоростного 3М. Но так или иначе, турбовинтовые двигатели (ТВД) оставались нишевым решением, в то время как распространение двухконтурных двигателей (ТРДД) привело к их фактическому доминированию в линейках выпускаемых магистральных и региональных самолетов.
Основное преимущество ТРДД перед ТВД очевидно - при приемлемом уровне экономичности, первый двигатель более скоростной, и при выполнении межконтинентальных полетов сокращение времени перелета оказывается важным фактором для пассажира. Кроме того, существенный рост стоимости воздушных судов повышает требования к оборачиваемости парка, то есть возможности выполнить за то же время максимальное количество рейсов. В результате между пассажирскими самолетами с ТРДД и ТВД пролегла граница: при дальности полета до 1000 километров с коммерческой точки зрения более привлекательны турбовинтовые машины, при большей дальности - турбореактивные. Однако величина 1000 километров вовсе не является постоянной, и самое заметное влияние на нее оказывают цены на авиатопливо, а также успехи двигателестроителей. Появление ТРДД с низким удельным расходом приводит к вытеснению винта. А в 1970-х годах разразился топливный кризис, который дал винтовому движителю "второе дыхание".
Первыми на новую угрозу отреагировали американские производители. В 1976 году компания Hamilton Standard представила винтовентилятор: новый движитель, отличающийся большим числом широкохордных лопастей. Благодаря использованию композитных материалов достигалась высокая массовая эффективность, долговечность и надежность, а применение новых аэродинамических профилей обеспечивало высокий КПД в широком диапазоне скоростей. Вскоре под эгидой НАСА была развернута широкомасштабная исследовательская работа, в ходе которой разработчики представили свое видение двигателей нового поколения, а во второй половине 1980-х годов были проведены летные испытания винтовентиляторных двигателей различных схем.
Так фирма Allison испытала двигатель с выходной мощностью 6000 л.с. и винтовентилятором диаметром 2,75 м. Были проведены оценки на высотах полета от 1500 до 12 000 м, и на скоростях до М=0,85, в одном из полетов достигнута скорость М=0,89. Были оценены прочностные характеристики, а также уровень шума. В целом разработчиком получены весьма обнадеживающие результаты: удельный расход топлива винтовентиляторного двигателя был на 17% ниже, чем у равнозначного по тяге ТРДД. По мнению специалистов, при применении винтовентиляторного двигателя на самолетах типа DC-9 или Boeing 727 абсолютная экономия топлива могла составить до 50%.
Также компания Allison в сотрудничестве с Pratt & Whitney создала более мощный демонстрационный двигатель - его мощность достигла 10 400 л.с., планетарного редуктора - 13 000 л. с., диаметр двух заднерасположенных шестилопастных винтовентиляторов противоположного вращения 3,54 м. Планировалось, что на базе газогенератора турбовального двигателя может быть создано целое семейство моторов с мощностью 9 000 - 16 000 л.с.
Компания General Electric также создала экспериментальный двигатель GE36, который прошел облет на MD-90 и Boeing 727. В ходе испытаний была достигнута скорость М=0,84 и высота 11 000 м. При этом на крейсерском режиме (высота 10 500 м и скорость М=0,72) расход топлива относительно штатного двигателя JT8D-17R был снижен на 47%. Особенностью GE36 является отсутствие редуктора в приводе двухрядного восьмилопастного винтовентилятора.
Не отставали от заокеанских конкурентов моторостроители Великобритании. Компания Rolls-Royce запустила работы по двум проектам двигателей с приводимыми через редуктор винтовентиляторами противоположного вращения: RB.509-11 с задним расположением винтовентиляторов и RB.509-14 - с передним расположением.

Приоритет - винтовентилятору.

А что же происходило в СССР? Ведущим предприятием в области разработки воздушных винтов было Ступинское ОКБ винтостроения (ныне НПП "Аэросила"), которое уже в начале 1980-х годов имело приличный задел по многим аспектам создания винтовентиляторов. После создания воздушных винтов традиционной конструкции АВ-24Ан с регулятором Р-24Ан для самолета Ан-28 и АВ-17 с регулятором Р-17 для самолета Ан-3, предприятие начало поисковые работы, в результате которых появились прообраз винтовентилятора СВ-24 с металлическими лопастями, а также винт АВ-81 с композитными лопастями. Первый был испытан на самолете Ан-24 и показал перспективу работ в этом направлении, второй, рассчитанный на мощность 360 л.с., должен был найти применение на легких спортивно-пилотажных самолетах ОКБ Яковлева. Имея такие стартовые позиции, ОКБ винтостроения выступило с инициативой создания винтовентиляторов для перспективных транспортных и пассажирских самолетов, и на заседании Научно-технического совета Минавиапрома СССР в июле 1983 года, по сути, винтовентиляторной программе был дан "зеленый свет", а это направление получило приоритет в авиаотрасли. Вскоре был создан координационный отраслевой совет, который вел работу по 85 отдельным программам в различных отраслевых НИИ и КБ.
Первенцем в этой программе стал двигатель Д-236Т, разработанный по первоначальным требованиям к транспортному самолету Ан-70. Двигательная установка мощностью 10 000 л.с. была создана на базе газогенератора двигателя Д-36, ступинское предприятие разработало винтовентилятор СВ-36 и его регулятор РСВ-36. Был проведен комплекс наземных стендовых и летных испытаний на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ с участием отраслевых институтов ЦАГИ, ЦИАМ и ВИАМ, были отработаны основные направления концепции двигательной установки. К 1988 году намеченная исследовательская программа испытаний была выполнена, а работа была завершена на стадии создания демонстратора. Полученные результаты позволили перейти к проектированию нового двигателя мощностью 14 000 л.с., получившего название Д-27, и винтовентилятора СВ-27.
Транспортный самолет Ан-70 должен был обладать уникальным набором характеристик, среди которых обеспечение короткого взлета и посадки, достаточно высокая крейсерская скорость, большая дальность полета и полезная нагрузка. В результате анализа различных схем силовых установок была выбрана трехвальная схема двигателя с двухрядным винтовентилятором. Передний винтовентилятор имеет восемь лопастей, поглощающих максимум мощности и создающих максимальную тягу. Задний винтовентилятор имеет шесть лопастей. По сравнению с винтом СВ-36, у винтовентилятора СВ-27 лопасти выполнены из прогрессивных композиционных материалов, имеют значительно меньшую относительную толщину профиля и резко выраженную саблевидную кривизну направляющей кромки, которая имеет электрическую противообледенительную полоску и неистираемое покрытие. Винтовентилятор обеспечивает высокий КПД на высокоскоростном крейсерском режиме (0,9 при М=0,7), отличные взлетные характеристики за счет обдува крыла и большую тягу в режиме реверса, сокращающую пробег на посадке. Отдельно следует отметить существенное улучшение акустических характеристик в сравнении с традиционными винтовыми установками. Но главное - было достигнуто примерно 30% снижение расхода топлива в сравнении с ТРДД аналогичной размерности.
Казалось бы, что винтовентилятор имеет прекрасное будущее. Однако высокие цены на нефть продержались не так долго, чтобы дать двигателестроителям необходимый запас времени на создание серийных образцов. Кроме того, был достигнут прогресс в части создания высокоэкономичных ТРДД, которым удалось сохранить свои позиции. В России, получившей значительные наработки по винтовентиляторной тематике, началась перестройка, которая на 15-20 лет затормозила практически все работы в отрасли.