Hа протяжении более двух десятилетий компания Rolls-Royce занималась производством мощных двигателей для широкофюзеляжных авиалайнеров на основе унифицированной трехвальной схемы. Однако будущее двигателестроения остается за силовыми установками с вентиляторами увеличенного диаметра и меньшими газогенераторами, и компании Rolls-Royce необходимо найти пути объединения ее успешной формулы с новыми технологиями для создания более эффективных моторов.
В настоящее время большая часть усилий Rolls-Royce сосредоточена на разработке двигателей TrentXWB для лайнеров AirbusA350 и новой версии семейства двигателей Trent 1000 TEN, предназначенных для установки на самолеты Boeing-787. Однако компания не останавливается на этом, и в ближайшем будущем, как следует из представленной дорожной карты, Rolls-Royce займется разработкой новых моторов, которые войдут в эксплуатацию с 2020 г.
Амбициозные планы британцев сосредоточены на двухэтапном развитии трехвальной схемы, что позволит Rolls-Royce занять новые позиции в сегменте силовых установок для широкофюзеляжных авиалайнеров. Преимущество новой технологии заключается в возможности ее масштабирования, так что Rolls-Royce может разработать платформу для создания среднеразмерных двигателей с сопутствующим возвращением компании на рынок узкофюзеляжных самолетов. Кроме того, компания намерена обеспечить более широкое применение композиционных материалов в новых областях, таких как лопатки и корпуса вентиляторов. Согласно дорожной карте, на втором этапе Rolls-Royce займется разработкой редукторных турбовентиляторных двигателей. Дальнейшее стратегическое развитие компании будет основываться на технологиях двигателей с открытым ротором.
Как говорит президент подразделения Rolls-RoyceCivilLargeEngines Эрик Шульц, ввиду тенденции постепенного увеличения степени двухконтурности двигателей в погоне за снижением расхода топлива и уровня шума компания нуждается в инновационных разработках. “Трехвальная технология обезопасила нас на какое-то время в свете увеличения степени двухконтурности в последние годы, но в определенный момент мы достигнем предела технологических возможностей. В настоящее время мы удерживаем степень двухконтурности на уровне 11:1, и не нужно быть мудрым ученым, чтобы констатировать тот факт, что со временем мы приблизимся к уровню 15:1. Для достижения очень высокой степени двухконтурности придется увеличивать размер вентилятора и турбины низкого давления, что повлечет за собой проблемы, связанные с утяжелением этих узлов. А значит, нам нужно искать более рациональные решения. Именно поэтому мы направляем усилия на разработку композитных вентиляторов, ведь если мы увеличиваем размер вентилятора, необходимо снижать его массу”, – говорит он.
По словам Шульца, технология редукторного привода вентилятора является достаточно привлекательным решением вопроса снижения массы. В свое время Rolls-Royce негативно отнеслась к использованию редукторной технологии компанией Pratt & Whitney (P&W) в рамках проекта по созданию двигателей для узкофюзеляжных самолетов, но теперь британский моторостроитель намерен сам воспользоваться этим новшеством при разработке силовых установок с более высокой тягой.
Первый новый двигатель Rolls-Royce, получивший название Advance, будет подвергнут первоначальным испытаниям в качестве демонстратора технологий в 2015 г. В основе данной силовой установки будет лежать двигатель XWB с измененным газогенератором. Именно конфигурация Advance была заявлена на тендер по выбору силовых установок для авиалайнеров Boeing-777X, победителем которого стала компания GeneralElectric с моторами GE9X. Степень двухконтурности двигателей Advance составляет 11:1, степень повышения давления – 60:1, а расход топлива будет на 20% ниже по сравнению с моторами семейства Trent 700.
Конфигурация Advance также станет базовой для более амбициозного двигателя следующего поколения, получившего название UltraFan и представленного в начале 2012 г. в рамках исследовательской программы EnvironmentallyResponsibleAviation (ERA), выполняемой под руководством Национального аэрокосмического агентства США (NASA) совместно с компанией LockheedMartin. Предположительно двигатель будет запущен в эксплуатацию в 2025 г., а его расход топлива будет на 25% ниже по сравнению с Trent 700. В силовых установках UltraFan будет использован редукторный привод вентилятора, что позволит увеличить степень двухконтурности двигателя до 15:1, а степень повышения давления возрастет до 70:1.
Как отмечают эксперты, многоэтапное проектирование авиационных моторов становится ведущей тенденцией в мировом двигателестроении. Целью такой стратегии является постоянное увеличение КПД силовых установок – в большей степени за счет увеличение размера вентилятора и степени двухконтурности, а также за счет уменьшения газогенератора и повышения термического КПД.
“У нас достаточно сильные конкуренты на рынке, и мы с уважением относимся к ним; кроме того, мы хотим удержать наши позиции в двигателестроении, – говорит Саймон Карлайл, исполнительный вице-президент Rolls-Royce и руководитель будущих и стратегических программ компании. – Поэтому мы продолжаем инвестировать средства в развитие новых технологий; только за прошлый год мы потратили на этом направлении примерно $1,7 млрд. Необходимо и впредь придерживаться такой стратегии, поскольку требования в нашей отрасли становятся более жесткими. Цены на топливо по-прежнему будут высокими, поэтому у нас есть только один путь стратегического развития, по которому мы и должны идти”.
Как говорит Алан Ньюби, главный инженер новых проектов подразделения Rolls-RoyceCommercialEngines, анонсированные компанией программы являются двумя важными этапами в дальнейшем развитии семейства силовых установок британского моторостроителя. Проект Advance станет воплощением целого ряда новых технологий, и в первую очередь он нацелен на повышение термодинамической эффективности двигателей. Программа UltraFan, которая воплотит в себе все новшества Advance в сочетании с редукторной технологий, будет нацелена на повышение тягового КПД.
“В целом Advance будет похож на Trent, но они не будут полностью одинаковыми, – говорит Ньюби. – Мы изменили конструкцию газогенератора и схему работы двигателя. Кроме того, при производстве этой силовой установки впервые будут широко применяться композиты”.
Что касается изменения конфигурации газогенератора, то впервые в семействе трехвальных двигателей турбина высокого давления будет иметь две ступени вместо одной, как было ранее. В то же время количество ступеней турбины среднего давления будет снижено с двух (как на TrentXWB) до одной.
В отличие от двухвальной схемы, используемой компаниями GeneralElectric и P&W, где вентилятор и компрессор низкого давления приводятся в действие от общей турбины низкого давления, в двигателях с трехвальной схемой турбина низкого давления вращает только вентилятор. Вместо привычного компрессора низкого давления в трехвальных двигателях применяется компрессор среднего давления, приводимый турбиной среднего давления. В предыдущих версиях моторов семейства Trent британские инженеры увеличили производительность двигателя за счет увеличения нагрузки на компрессор и турбину среднего давления. Измененная конфигурация позволила увеличить степень повышения давления в компрессоре высокого давления, снизив нагрузку на каскад турбины среднего давления.
Благодаря измененной конструкции газогенератора инженеры могут опробовать новые варианты отбора мощности от двигателя. “В результате мы получаем более надежную систему охлаждения и облегченный газогенератор”, – подчеркивает Ньюби. Иными словами, опоры валов могут быть смещены назад, в более прохладное и благоприятное с технической точки зрения место в отличие от современных силовых установок, где опоры валов располагаются в более горячей части двигателя.
Масштабное использование композиционных материалов обеспечивает самый значительный вклад в снижение общей массы силовой установки. Передовым стал композитный вентилятор, изготовленный из углеродистого титана третьего поколения. В этом году ожидается начало летных испытаний модифицированного двигателя Trent1000 с вентилятором, изготовленным из углеродистого титана, при этом трехвальные двигатели Rolls-Royce впервые в истории будут проходить испытания с композитными вентиляторами.
Композиционные материалы также будут использоваться при изготовлении корпуса вентилятора, радиального ведущего вала, заднего кожуха и мест крепления дополнительного оборудования. В числе других обновленных компонентов двигателей Advance отмечаются лопатки турбины, изготовленные из алюминида титана, а также улучшенный метод экранирования диска, ограничивающий попадание горячего воздуха во внутренний контур двигателя.
Среди других особенностей силовых установок выделяются динамические уплотнения, гибридные керамические подшипники, усиленные адаптивные системы, трехмерные аэродинамические лопатки турбины пятого поколения, гидравлические переключатели для эффективного управления воздушным охлаждением. В новых двигателях также будет использоваться камера сгорания следующего поколения, керамические опоры и композиты с керамической матрицей.
По словам Ньюби, как только будет до конца отработана архитектура двигателей Advance, инженеры Rolls-Royce перейдут к следующей фазе – разработке моторов UltraFan, которые станут первыми двигателями британской компании с редукторным приводом вентиляторов и первым существенным изменением трехвальной архитектуры с момента запуска силовых установок RB211 в 1960-х годах. Необходимость использования редукторного привода объясняется увеличением диаметра вентилятора, который повысил бы нагрузку на турбину низкого давления. В то же время каскад высокого давления останется неизменным, так же как и традиционная связь с каскадом среднего давления, тогда как между компрессором среднего давления и вентилятором появится редукторный механизм. Поэтому конструкция обновленного двигателя не будет включать в себя турбину низкого давления.
Для сохранения стабильности вентилятора увеличенного диаметра инженеры Rolls-Royce рассматривают возможность применения сопла с регулируемым сечением, которое могло появиться на двигателях Pratt & WhitneyPW1000G. Альтернативным вариантом, который, скорее всего, и будет одобрен инженерами, является система лопаток с переменным шагом, которая обладает необходимой жесткостью и позволит отказаться от системы реверса тяги.
Другие особенности двигателей UltraFan включают блисковые ступени компрессора, а также ступени компрессора на основе композитов с металлической матрицей, дальнейшее применение композитов с керамической матрицей, никелевые сплавы следующего поколения, интегрированные теплообменники для охлаждения воздуха. Также сообщается о создании специальной обтекаемой мотогондолы, отличающейся пониженным аэродинамическим сопротивлением. (Авиатранспортное обозрение по сообщениям Интерактивного лесопромышленного портала FORESTEC./Машиностроение Украины и мира)