Винтовой вентилятор , также называемый двигателем с открытым ротором , двигателем с открытым вентилятором [1] [2] или бесканальным вентилятором (в отличие от вентилятора с каналом ), представляет собой тип авиационного двигателя, концептуально связанный как с турбовинтовым , так и с турбовентиляторным , но отличающийся от обоих. Конструкция призвана обеспечить скорость и производительность турбовентиляторного двигателя с экономией топлива турбовинтового двигателя. Винтовой вентилятор обычно проектируется с большим количеством коротких, сильно закрученных лопаток, похожих на (канальный) вентилятор в турбовентиляторном двигателе. По этой причине винтовой вентилятор по-разному описывается как «бесканальный вентилятор» (UDF) или «турбовентилятор со сверхвысоким байпасом (UHB)».
В 1970-х годах Hamilton Standard описал свой винтовой вентилятор как «небольшой диаметр, высоконагруженный многолопастной движитель переменного шага , имеющий стреловидные лопасти с тонкими передовыми аэродинамическими профилями, интегрированный с гондолой , контур которой позволяет замедлить поток воздуха через лопасти, тем самым уменьшая потери на сжимаемость , и предназначенный для работы с газотурбинным двигателем и использования одноступенчатого редуктора , что обеспечивает высокую производительность». [3] В 1982 году еженедельный авиационный журнал Flight International определил винтовой вентилятор как воздушный винт с 8–10 сильно стреловидными лопастями, который летает со скоростью 390–480 узлов (450–550 миль в час; 720–890 километров в час), [4] хотя его определение изменилось несколько лет спустя с появлением винтовентиляторов противоположного вращения . [5]
В 1986 году британский производитель двигателей Rolls-Royce использовал термин « открытый ротор» как синоним первоначального значения слова «винтовентилятор». Это действие было направлено на то, чтобы отделить тип двигателя «винтовентилятор» от ряда предложений двигателей с канавками в то время, в названиях которых присутствовало слово «винтовентилятор» . [6] К 2000-м годам термин «открытый ротор» (OR) стал предпочтительным для обозначения технологии винтовентилятора в исследованиях и новостных сообщениях, а термин « открытый ротор противоположного вращения» (CROR) также иногда использовался для различения винтовентиляторов одинарного вращения. По состоянию на 2015 год Европейское агентство по безопасности полетов (EASA) определило открытый ротор конкретно (но в широком смысле) как «ступень вентилятора турбинного двигателя, которая не заключена в кожух»; напротив, у него было только рабочее определение двигателя с открытым ротором (более часто используемый термин для винтовентилятора в 21 веке), назвав его «турбинным двигателем с ступенями вентилятора противоположного вращения, не заключенными в кожух». Двигатель использует газовую турбину для приведения в действие открытого (незащищенного) винта противоположного вращения, как у турбовинтового двигателя, но конструкция самого винта более тесно связана с конструкцией турбины, и они оба сертифицированы как единое целое. [7]
Эль-Сайед различает турбовинтовые и винтовентиляторы по 11 различным критериям, включая количество лопастей, форму лопасти, скорость конца лопасти, степень двухконтурности , число Маха и высоту крейсерского полета . [8]
Примерно через десять лет после того, как немецкие инженеры в области аэрокосмической техники начали изучать идею использования стреловидных крыльев для снижения сопротивления на околозвуковых скоростных самолетах, Hamilton Standard в 1940-х годах попыталась применить аналогичную концепцию к пропеллерам двигателей. Она создала сильно стреловидные лопасти пропеллера со сверхзвуковой скоростью кончика, так что двигатели с открытыми пропеллерами могли приводить самолеты в движение на скоростях и крейсерских высотах, достигаемых только новыми турбореактивными и турбовентиляторными двигателями. Ранние испытания этих лопастей выявили тогда неразрешимые проблемы флаттера лопастей и напряжения лопастей, а высокий уровень шума считался еще одним препятствием. Популярность турбореактивных и турбовентиляторных двигателей сократила исследования в области пропеллеров, но к 1960-м годам интерес возрос, когда исследования показали, что открытый пропеллер, приводимый в движение газовой турбиной, может приводить в действие авиалайнер, летящий со скоростью 0,7–0,8 Маха и на высоте 35 000 футов (11 000 метров). Термин «пропеллер» был создан в этот период. [9]
Одним из самых ранних двигателей, напоминавших концепцию винтовентилятора, был Metrovick F.5 с тягой 4710 фунтов силы (21,0 килоньютон) , который имел два вентилятора противоположного вращения — 14 лопастей в переднем (фронтальном) вентиляторе и 12 лопастей в заднем (заднем) вентиляторе — в задней части двигателя. Впервые он был запущен в эксплуатацию в 1946 году. Однако лопатки в основном были нестреловидными. [10] Другие двигатели с противоположным вращением винтов, которые использовались на обычных самолетах, включали четыре мощных двигателя Кузнецова НК-12 (каждый из которых приводил в действие свой собственный набор соосных винтов противоположного вращения) на советском скоростном военном бомбардировщике Ту-95 и военно-транспортном самолете Антонов Ан-22 , а также двигатели Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (оба соединены с одним набором соосных винтов противоположного вращения) на британском противолодочном самолете Fairey Gannet . Обе установки имели четыре в основном нестреловидных лопасти в переднем и заднем винтах.
Когда нефтяной кризис 1973 года вызвал резкий рост цен на нефть в начале 1970-х годов, интерес к винтовентиляторам резко возрос, и финансируемые NASA исследования начали ускоряться. [11] Концепция винтовентилятора была изложена Карлом Рорбахом и Брюсом Метцгером из Hamilton Standard, подразделения United Technologies, в 1975 году [12] и запатентована Рорбахом и Робертом Корнеллом из Hamilton Standard в 1979 году. [3] Более поздняя работа General Electric над аналогичными движителями получила название «бесколлекторный вентилятор», который представлял собой модифицированный турбовентиляторный двигатель, в котором вентилятор располагался снаружи гондолы двигателя на той же оси, что и лопатки компрессора .
В эту эпоху проблемы с пропеллерами стали поддаваться исправлению. Были достигнуты успехи в разработке конструкционных материалов, таких как титановый металл и графит, а также композиты из стекловолокна, пропитанные смолой . Эти материалы заменили алюминий и сталь в конструкции лопастей, что позволило сделать лопасти тоньше и прочнее. [13] Компьютерное проектирование также было полезно для улучшения характеристик лопастей. Поскольку лопасти изгибаются и отклоняются при более высокой силовой нагрузке и центробежной силе , первоначальные конструкции должны были основываться на форме в движении. С помощью компьютеров конструкторы лопастей затем работали в обратном направлении, чтобы найти оптимальную ненагруженную форму для производственных целей. [14]
Hamilton Standard, единственный крупный американский производитель авиационных винтов, разработал концепцию винтового вентилятора в начале 1970-х годов. [15] Hamilton Standard совместно с NASA провела испытания многочисленных вариантов . [16] [17]
В рамках программы оценки испытаний винтовых двигателей (PTA) компания Lockheed-Georgia предложила модифицировать Gulfstream II , чтобы он служил в качестве летного испытательного стенда для концепции винтового двигателя, в то время как McDonnell Douglas предложила модифицировать DC-9 для той же цели. [18] NASA выбрало предложение Lockheed . У Gulfstream II была гондола, добавленная к левому крылу, в которой находился турбовинтовой двигатель Allison 570 мощностью 6000 лошадиных сил (4500 киловатт) (производный от турбовального двигателя XT701 , разработанного для тяжелого вертолета Boeing Vertol XCH-62 ). Двигатель использовал восьмилопастной, диаметром 9 футов (2,7 метра; 110 дюймов; 270 сантиметров), одновращающийся винтовой двигатель Hamilton Standard SR-7. Испытательный двигатель, названный Allison 501-M78, [19] имел тягу 9000 фунтов силы (40 кН). [20] Впервые он был запущен в полет 28 марта 1987 года. [21] Обширная программа испытаний, которая стоила около 56 миллионов долларов, [22] включала 73 полета и более 133 часов летного времени, прежде чем была завершена 25 марта 1988 года. [23] Однако в 1989 году испытательный самолет вернулся в воздух с 3 по 14 апреля для измерения уровня шума на земле во время полета. [24] [25] После этого двигатель был снят, и самолет был преобразован в учебный самолет космического челнока позже в том же году. [26]
Вентилятор GE36 Unducted Fan (UDF) от американского производителя двигателей General Electric (GE) с 35-процентным участием французского партнера Snecma (теперь Safran ) был вариацией оригинальной концепции винтовентилятора и напоминал поршневой двигатель с толкающей конфигурацией . UDF от GE имел новую конструкцию с прямым приводом, в которой редуктор был заменен низкоскоростной семиступенчатой свободной турбиной. Один набор роторов турбины приводил в движение передний набор винтов, в то время как задний набор приводился в движение другим набором роторов, которые вращались в противоположном направлении. Турбина имела 14 рядов лопастей с семью ступенями. Каждая ступень представляла собой пару рядов противоположного вращения. [27] Авиаконструкторы, которые с 1950-х годов с опаской относились к редукторам, склонным к проблемам, предпочли версию винтовентилятора без редуктора от GE: [14] Boeing намеревался предложить двигатель UDF с толкающим винтом от GE на платформе 7J7 (которая имела бы крейсерскую скорость 0,83 Маха ), [28] а McDonnell Douglas планировал сделать то же самое на своем авиалайнере MD-94X . Первые летные испытания GE36 прошли 20 августа 1986 года, когда он был установлен на двигательной станции № 3 самолета Boeing 727-100 . [29] Планировалось, что GE36 UDF для самолета 7J7 будет иметь тягу в 25 000 фунтов силы (110 кН), но GE заявила, что в целом ее концепция UDF может охватывать диапазон тяги от 9 000 до 75 000 фунтов силы (от 40 до 334 кН), [30] поэтому двигатель UDF, возможно, сможет сравниться или превзойти тягу CF6 , семейства широкофюзеляжных двигателей GE в то время.
McDonnell Douglas разработала концептуальный самолет, модифицировав принадлежащий компании MD-80 , который подходит для винтовентиляторных двигателей из-за его двигателей, установленных в задней части фюзеляжа (как и его предок DC-9), в рамках подготовки к возможным производным MD-91 и MD-92 с винтовентиляторными двигателями и возможному чистому самолету MD-94X . Они заменили левый турбовентиляторный двигатель JT8D на GE36. Испытательные полеты начались в мае 1987 года [31] , которые доказали летную годность конструкции, аэродинамические характеристики и шумовую сигнатуру. После первоначальных испытаний внутри хвостовой части фюзеляжа был установлен салон первого класса, и руководителям авиакомпаний была предоставлена возможность лично испытать самолет с двигателем UDF. Испытательные и маркетинговые полеты демонстрационного самолета, оснащенного GE, завершились в 1988 году, показав снижение расхода топлива на 30% по сравнению с MD-80 с турбовентиляторным двигателем, полное соответствие шуму Stage 3 и низкие уровни внутреннего шума/вибрации. GE36 будет иметь ту же тягу в 25 000 фунтов силы (110 кН), что и MD-92X, но тот же двигатель будет снижен до тяги в 22 000 фунтов силы (98 кН) для меньшего MD-91X. MD-80 также был успешно испытан в полете в апреле 1989 года с винтовентилятором 578-DX , который был прототипом от Allison Engine Company (в то время подразделения General Motors ), который также был получен из Allison XT701 и построен с пропеллерами Hamilton Standard. Программа двигателя была совместно разработана Allison и другим подразделением United Technologies, производителем двигателей Pratt & Whitney . В отличие от конкурирующего GE36 UDF, 578-DX был довольно обычным, с редуктором между турбиной низкого давления и лопастями винтовентилятора. Из-за падения цен на реактивное топливо и смены маркетинговых приоритетов Douglas отложил программу винтовентилятора в том же году.
Другие объявления о будущих авиалайнерах с винтовыми двигателями включали:
Однако ни один из этих проектов не был реализован, в основном из-за чрезмерного шума в салоне (по сравнению с турбовентиляторными двигателями) и низких цен на топливо. [45] Для General Electric двигатель GE36 UDF должен был заменить турбовентиляторный двигатель CFM56 с высокой степенью двухконтурности, который компания производила с равным партнером Snecma в рамках совместного предприятия CFM International . В 1980-х годах двигатель изначально был неконкурентоспособен по сравнению с конкурирующим предложением International Aero Engines , IAE V2500 . В декабре 1986 года председатель Snecma заявил, что находящийся в разработке CFM56-5S2 станет последним турбовентиляторным двигателем, созданным для семейства CFM56, и что « нет смысла тратить больше денег на турбовентиляторные двигатели. UDF — это будущее». [46] Однако в 1987 году у V2500 возникли технические проблемы, и CFM56 набрал большую динамику продаж. General Electric потеряла интерес к тому, чтобы GE36 заменил CFM56, который просуществовал пять лет, прежде чем получил свой первый заказ в 1979 году, и хотя «UDF можно было сделать надежным по более ранним стандартам, турбовентиляторные двигатели становились намного, намного лучше». General Electric добавила технологию лопаток UDF непосредственно в GE90 , самый мощный реактивный двигатель из когда-либо созданных, для Boeing 777. [47]
В начале 1990-х годов Советский Союз / Россия провели летные испытания Прогресса Д-236 , редукторного двигателя с противовращающимися винтами, основанного на ядре турбовентиляторного двигателя Прогресса Д-36 , с восемью лопастями на переднем винте и шестью лопастями на заднем винте. Одним из испытательных стендов был винтовентилятор мощностью 10 100 л. с. (7 500 кВт), установленный на Ил-76 и отправленный на авиашоу ILA 90 в Ганновере, которое предназначалось для неопознанного самолета с четырьмя винтовыми винтами. [48] D-236 совершил 36 полетов, в общей сложности 70 часов летных испытаний на Ил-76. [49] Другим испытательным стендом был 10 990 л. с. (8 195 кВт), 14-футовый блок (4,2 м; 170 дюймов; 420 см), установленный на Як-42 E-LL и отправленный на Парижский авиасалон 1991 года в качестве демонстрации запланированного самолета Як-46 с двумя винтовентиляторными двигателями, [50] который в своей базовой 150-местной версии имел бы дальность полета 1900 морских миль (2200 миль; 3500 км) и крейсерскую скорость 460 узлов (530 миль/ч; 850 км/ч; 780 футов/с; 240 м/с) [51] (0,75 Маха). [52] Советы утверждали, что D-236 имел истинную аэродинамическую эффективность 28 процентов и экономию топлива 30 процентов по сравнению с эквивалентным турбовинтовым двигателем . Они также раскрыли планы по созданию винтовентиляторов мощностью 14 100 и 30 200 л.с. (10 500 и 22 500 кВт). [48]
Как и у «Прогресса Д-236», более мощный винтовой двигатель «Прогресс Д-27» представляет собой винтовентилятор противоположного вращения с восемью передними лопастями и шестью задними лопастями, [52] но у Д-27 усовершенствованные композитные лопасти с уменьшенным отношением толщины к хорде и более выраженной кривизной на передней кромке . [53] Двигатель, выпущенный в 1985 году, Д-27 [54] развивает мощность 14 000 л. с. (10 440 кВт) с тягой 27 000 фунтов силы (119 кН) на взлете. [55] Два установленных сзади винтовентилятора Д-27 приводили в движение украинский самолет Антонов Ан-180 , первый полет которого был запланирован на 1995 год, а ввод в эксплуатацию — на 1997 год. [56] В январе 1994 года Антонов выкатил первый прототип военно-транспортного самолета Ан-70 , оснащенного четырьмя Прогрессами Д-27, прикрепленными к крыльям, установленным в верхней части фюзеляжа. [55] Российские ВВС разместили заказ на 164 самолета в 2003 году , который позже был отменен. По состоянию на 2013 год Ан-70 все еще считался многообещающим будущим в качестве грузового самолета. [57] Однако , поскольку пропеллерный компонент Прогресса Д-27 производится российским НПП «Аэросила» , Ан-70 был заблокирован русско -украинской войной . Вместо этого Антонов начал работать с Турцией в 2018 году над переделкой Ан-70 в ребрендинговый Ан-77 , чтобы самолет мог соответствовать современным требованиям без участия российского поставщика. [58]
В первом десятилетии 21-го века рост цен на реактивное топливо усилил акцент на эффективности двигателя/планера для снижения выбросов, что возобновило интерес к концепции винтовентилятора для реактивных лайнеров за пределами Boeing 787 и Airbus A350 XWB. Например, Airbus запатентовал конструкции самолетов с двумя установленными сзади винтовентиляторами противоположного вращения. [59] У Rolls-Royce были задняя (толкающая) конфигурация RB.509-11 и передняя (тяговая) конфигурация RB.509-14 конструкции редукторных винтовентиляторных двигателей, которые производили тягу 15 000–25 000 фунтов силы (6 800–11 300 кгс; 67–111 кН) с использованием газогенератора от своего двигателя XG-40 [60] с мощностью на валу 13 000 л.с. (9 700 кВт). [61] В 1980-х годах он стал прохладно относиться к технологии винтовентилятора [62], хотя разработал конструкцию с открытым ротором, которая, как считалось, станет финалистом для узкофюзеляжного самолета Иркут МС-21 . [63] Двигатель Rolls-Royce RB3011 будет иметь диаметр около 170 дюймов (430 см; 14 футов; 4,3 м) и потребует редуктор мощностью 16 000 л. с. (12 000 кВт) на валу . [64]
Европейская комиссия начала демонстрацию Open Rotor в 2008 году под руководством Safran в рамках программы Clean Sky, финансируемой в размере 65 миллионов евро в течение восьми лет. Демонстрационный образец был собран в 2015 году и испытан на земле в мае 2017 года на его открытом испытательном стенде в Истре , с целью снижения расхода топлива и связанных с этим выбросов CO2 на 30% по сравнению с текущими турбовентиляторными двигателями CFM56 . [65] После завершения наземных испытаний в конце 2017 года редукторный двигатель Safran с открытым ротором достиг уровня технологической готовности 5. [66] Двенадцатилопастной передний винт демонстрационного образца и десятилопастной задний винт имели диаметры 13,1 и 12,5 футов (4,0 и 3,8 м; 160 и 150 дюймов; 400 и 380 см) соответственно. Демонстрационный образец, созданный на основе двигателя военного истребителя Snecma M88 , потребляет до 12 200 лошадиных сил (9 мегаватт), обеспечивает тягу около 22 000 фунтов силы (100 кН) и будет летать со скоростью 0,75 Маха. [67] Однако будущий двигатель с открытым ротором Safran будет иметь максимальный диаметр почти 14,8 фута (4,50 м; 177 дюймов; 450 см). [68]
В 2007 году Progress D-27 был успешно модифицирован для соответствия требованиям Федерального управления гражданской авиации США (FAA) Stage 4, которые соответствуют стандартам Международной организации гражданской авиации (ИКАО) Chapter 4. [69] Исследование торговли 2012 года прогнозировало, что шум винтовентилятора будет на 10–13 децибел тише, чем разрешено правилами Stage 4. [70] Пределы шума Stage 5 снижают пределы всего на семь эффективных воспринимаемых децибел шума ( EPNdB ), [71] в пределах шумового диапазона винтовентилятора. Исследование также прогнозировало, что открытые роторы будут на девять процентов более экономичными, но останутся на 10–12 децибел громче, чем турбовентиляторные. [70] Snecma заявила, что ее двигатели винтовентилятора будут иметь примерно такой же уровень шума, как и ее турбовентиляторный двигатель CFM LEAP . [72]
В 2021 году компания CFM International объявила о своей программе разработки «Революционные инновации для устойчивых двигателей » (RISE) для производства одноступенчатого винтовентилятора с зубчатым приводом в паре с активными статорами в конфигурации «тягач/тягач», летные испытания которого должны начаться к 2025 году. Ожидается, что диаметр ротора составит 12–13 футов (3,7–4,0 м). Ожидается, что двигатель будет выдавать тягу 20 000–35 000 фунтов силы (9 100–15 900 кгс; 89–156 кН) с повышением топливной эффективности на 20%. Компания заявила, что ее мотивацией является глобальный акцент на сокращении выбросов. Планировалось, что двигатель будет поддерживать как водород , так и устойчивое авиационное топливо . Ожидалось, что двигатель будет включать компактный сердечник высокого давления и рекуперативную систему для предварительного нагрева воздуха для горения теплом выхлопных газов, а также композитные материалы с керамической матрицей в горячей секции и композитные лопатки вентилятора, формованные методом переноса смолы. В дополнение к ротору, конструкция включает в себя невращающийся набор лопастей статора с переменным шагом, которые действуют как лопатки восстановления потока. Конструкция увеличивает отношение давления вентилятора к давлению и снижает нагрузку на ротор, увеличивая скорость воздуха. Ступень вентилятора должна питаться от высокоскоростного усилительного компрессора и высокоскоростного переднего редуктора с приводом от вала низкого давления. Двигатель планируется сертифицировать как «интегрированный двигатель» вместо традиционного «пропеллер/двигатель» из-за сложности интеграции его планера. [73] CFM планировал аэродинамически трехмерный ротор с 12 плетеными углеродно-волокнистыми композитными лопастями. Благодаря меньшему ядру двигателя, двигатель CFM RISE будет иметь степень двухконтурности 75. [74]
Турбовинтовые двигатели имеют оптимальную скорость ниже примерно 450 миль в час (390 узлов; 720 км/ч), [75] потому что пропеллеры теряют эффективность на высокой скорости из-за эффекта, известного как волновое сопротивление , которое возникает чуть ниже сверхзвуковых скоростей. Это мощное сопротивление имеет внезапное начало, и оно привело к концепции звукового барьера, когда с ним впервые столкнулись в 1940-х годах. Этот эффект может возникнуть, когда пропеллер вращается достаточно быстро, так что кончики лопастей приближаются к скорости звука.
Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является добавление лопастей к винту, что позволяет ему выдавать больше мощности при более низкой скорости вращения. Вот почему многие конструкции истребителей Второй мировой войны начинались с двух- или трехлопастных винтов, но к концу войны использовали до пяти лопастей; по мере модернизации двигателей требовались новые винты для более эффективного преобразования этой мощности. Добавление лопастей затрудняет балансировку и обслуживание винта, а дополнительные лопасти вызывают незначительные потери производительности из-за проблем с сопротивлением и эффективностью. Но даже при таких мерах в конечном итоге поступательная скорость самолета в сочетании со скоростью вращения концов лопастей винта (вместе известная как скорость винтового конца) снова приведет к проблемам волнового сопротивления. Для большинства самолетов это будет происходить на скоростях более 450 миль в час (390 узлов; 720 км/ч).
Метод уменьшения волнового сопротивления был открыт немецкими исследователями в 1935 году — стреловидное крыло назад. Сегодня почти все самолеты, предназначенные для полетов со скоростью намного выше 450 миль в час (390 узлов; 720 км/ч), используют стреловидное крыло . Поскольку внутренняя часть пропеллера движется медленнее в направлении вращения, чем внешняя, лопасть постепенно становится более стреловидной назад к внешней стороне, что приводит к изогнутой форме, похожей на ятаган — практика, которая впервые была использована еще в 1909 году в двухлопастном деревянном пропеллере Chauvière , используемом на Blériot XI . (В основании лопасти лопасть фактически выгнута вперед в направлении вращения, чтобы противостоять скручиванию, которое создается стреловидными назад концами лопастей.) [76] Испытательный винтовой вентилятор Hamilton Standard был выгнут постепенно до максимального угла в 39 градусов на концах лопастей, что позволяло винтовому вентилятору создавать тягу, даже несмотря на то, что лопасти имели скорость спирального конца около 1,15 Маха. [77]
Лопасти GE36 UDF и 578-DX имеют максимальную скорость вращения около 750–800 футов/с (230–240 м/с; 510–550 миль/ч; 820–880 км/ч) [78] или около половины максимальной скорости вращения лопастей пропеллера обычного турбовентиляторного двигателя. [79] Эта максимальная скорость вращения лопасти будет оставаться постоянной, несмотря на более широкий или узкий диаметр пропеллера (что приведет к уменьшению или увеличению оборотов соответственно). [5]
Сопротивление также можно уменьшить, сделав лопасти тоньше, что увеличивает скорость, которую лопасти могут достичь до того, как воздух перед ними станет сжимаемым и вызовет ударные волны. Например, лопасти испытательного винтового вентилятора Hamilton Standard имели отношение толщины к хорде , которое сужалось от менее чем 20% на стыке кокаина до 2% на кончиках и 4% в середине размаха. [77] Лопасти винтового вентилятора имели приблизительно половину отношения толщины к хорде лучших обычных лопастей винта той эпохи, [80] истонченные до бритвенно-острой остроты на своих краях, [14] [81] и весили всего 20 фунтов (9,1 кг). [82] (Двигатель GE36 UDF, который испытывался на Boeing 727, имел передние и задние лопасти, которые весили 22,5 и 21,5 фунта (10,2 и 9,8 кг) каждая.) [83]
Одной из основных проблем винтового вентилятора является шум. Исследования винтового вентилятора в 1980-х годах открыли способы снижения шума, но за счет снижения топливной эффективности, что сводит на нет некоторые преимущества винтового вентилятора.
Общие методы снижения шума включают снижение скорости конца лопасти и снижение нагрузки на лопасти или величины тяги на единицу площади поверхности лопасти. Концепция, аналогичная нагрузке на крыло , нагрузка на лопасти может быть снижена за счет снижения требуемой тяги или за счет увеличения количества, ширины и/или длины лопастей. Для винтовых вентиляторов противоположного вращения, которые могут быть громче турбовинтовых или винтовых вентиляторов одинарного вращения, шум также может быть снижен за счет: [84]
Производители двигателей ожидают, что винтовые вентиляторы будут соответствовать нормам шума для сообщества (в отличие от шума в салоне), не жертвуя при этом эффективностью. Некоторые считают, что винтовые вентиляторы могут потенциально оказывать меньшее воздействие на сообщество, чем турбовентиляторы, учитывая их более низкие скорости вращения. Редукторные винтовые вентиляторы должны иметь преимущество перед нередукторными винтовыми вентиляторами по той же причине. [85]
В 2007 году Progress D-27 был модифицирован для соответствия требованиям 4-го этапа Федерального управления гражданской авиации США (FAA), которые соответствуют стандартам 4-й главы Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и были приняты в 2006 году. [69] Исследование торговли 2012 года прогнозировало, что шум от существующей технологии открытого ротора будет на 10–13 децибел тише максимального уровня шума, разрешенного правилами 4-го этапа; [70] более новые ограничения шума 5-го этапа (которые заменили правила 4-го этапа для более крупных самолетов в 2018 году и отражали стандарт шума 14-й главы ИКАО, установленный в 2014 году) являются более строгими, чем требования 4-го этапа всего на семь эффективных воспринимаемых децибел шума ( EPNdB ), [71] поэтому современные технологии винтовентиляторных двигателей не должны быть ограничены стандартами 5-го этапа. Исследование также прогнозирует, что при существующих уровнях технологий открытые роторы будут на девять процентов более экономичными, но останутся на 10–12 децибел громче, чем турбовентиляторные двигатели. [70] Однако Snecma утверждает, что испытания с открытым ротором показывают, что ее винтовентиляторные двигатели будут иметь примерно такой же уровень шума, как и ее турбовентиляторный двигатель CFM LEAP , [72] который был введен в эксплуатацию в 2016 году.
Дальнейшее снижение может быть достигнуто путем перепроектирования конструкции самолета для экранирования шума от земли. Например, другое исследование показало, что если бы двигатели с винтовентилятором использовались для питания гибридного самолета с крылом вместо обычного самолета с трубой и крылом, уровень шума мог бы быть снижен на целых 38 EPNdB по сравнению с требованиями главы 4 ИКАО. [86] В 2007 году британская бюджетная авиакомпания easyJet представила свою концепцию ecoJet, самолет на 150–250 мест с V-образными двигателями открытого ротора, прикрепленными к задней части фюзеляжа и экранированными U-образным хвостом. [87] Она безуспешно инициировала переговоры с Airbus, Boeing и Rolls-Royce о производстве самолета. [88]
Двухмоторному самолету, перевозящему 100–150 пассажиров, потребуются диаметры винтовых вентиляторов 120–168 дюймов (300–430 см; 10,0–14,0 футов; 3,0–4,3 м) [77] , а винтовой вентилятор с диаметром пропеллера 236 дюймов (600 см; 19,7 футов; 6,0 м) теоретически будет производить почти 60 000 фунтов силы (270 кН) тяги. [89] Эти размеры достигают желаемых высоких степеней двухконтурности более 30, но они примерно в два раза больше диаметра турбовентиляторных двигателей эквивалентной мощности. [67] По этой причине авиастроители обычно проектируют хвостовое оперение с конфигурацией Т-образного хвоста , чтобы избежать турбулентной струи, отрицательно влияющей на рули высоты и вызывающей в них проблемы с вибрацией. Винтовые вентиляторы могут быть прикреплены к верхней части задней части фюзеляжа . Для прототипа винтового вентилятора Rolls-Royce RB3011 потребуется пилон длиной около 8,3 фута (2,54 м; 100 дюймов; 254 см) для соединения центра каждого двигателя с боковой частью фюзеляжа. [90] Если винтовые вентиляторы будут установлены на крыльях, крылья будут прикреплены к самолету в конфигурации с высоким крылом , что обеспечивает дорожный просвет без необходимости использования чрезмерно длинных шасси . Для того же количества производимой мощности или тяги бесканальный вентилятор требует более коротких лопастей, чем редукторный винтовой вентилятор, [91] хотя общие проблемы установки все еще сохраняются.
Турбовинтовые и большинство винтовентиляторных двигателей оцениваются по количеству лошадиных сил на валу (л. с.), которые они производят, в отличие от турбовентиляторных двигателей и винтовентиляторных двигателей UDF, которые оцениваются по количеству тяги, которую они выдают. Правило заключается в том, что на уровне моря со статическим двигателем 1 лошадиная сила на валу (750 Вт) примерно эквивалентна тяге в 2 фунта-силы (8,9 Н), но на крейсерской высоте это меняется примерно до тяги в 1 фунт-силу (4,4 Н). Это означает, что два двигателя тягой 25 000 фунтов-силы (110 кН) теоретически можно заменить парой винтовентиляторных двигателей мощностью 12 000–13 000 л. с. на валу (8 900–9 700 кВт) или двумя винтовентиляторными двигателями UDF тягой в 25 000 фунтов-силы (110 кН). [5]
Однако GE настаивала на том, что эффективность открытых роторов падает при гораздо более высокой скорости. Гордон сказал, что у Boeing есть результаты GE и ее собственные результаты испытаний UDF в аэродинамической трубе до 0,9 Маха и что она продолжает указывать UDF в качестве базового двигателя для 7J7, который имеет расчетную крейсерскую скорость 0,83 Маха. "Boeing не сумасшедший", - сказал он ATW.
Общие ресурсы
{{cite conference}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )альтернативный URL-адрес