Конкуренция концепций для ремоторизации самолетов Boeing 737MAX и Airbus A320NEO повлияет и на перспективные двигатели для широкофюзеляжных самолетов

  

В постоянных словесных перепалках по поводу того, чей продукт лучше, двигателестроители традиционно и логично сравнивают свои разработки внутри какой-нибудь одной категории — например, турбовентиляторные силовые установки. Однако по мере усиления конкуренции за право предоставить силовую установку для перспективных узкофюзеляжных самолетов производители все чаще критикуют друг друга за выбор тех или иных технологических решений. Смена парадигмы произошла, по-видимому, после того, как предложенная Pratt & Whitney технология двигателя с редукторным приводом вентилятора помогла компании выиграть пять контрактов для самолета Airbus A320NEO — причем в четырех случаях обойдя в конкурсе традиционные конструкционные решения. Сравнивать подобное с подобным уже немодно — теперь авиационные двигатели оценивают по их конструкции.

General Electric и Snecma, партнеры по совместному предприятию CFM International, сделали ставку на углепластики, композиты с керамической матрицей (ККМ) и другие инновационные материалы, благодаря которым турбовентиляторные двигатели традиционной конструкции могут до сих пор демонстрировать так необходимые авиакомпаниям улучшения в топливной эффективности. Pratt & Whitney, в свою очередь, остановил выбор на редукторном приводе с целью добиться существенной экономии топлива, понизить рабочие температуры, сократить число компонентов и в целом придерживаться более консервативной технологической стратегии. Один такой двигатель уже сертифицирован, два других проходят испытания. Pratt & Whitney уверенно смотрит в будущее, а дальнейшие планы компании чреваты серьезными трудностями для других производителей.

Эти различия в подходах имеют значение далеко не только для текущих программ разработки новых узкофюзеляжных самолетов Airbus A320NEO и Boeing 737MAX. Технологические решения, принятые 10 лет назад и сейчас достигающие этапа реализации, способны изменить принципы проектирования коммерческих авиационных двигателей на десятилетия вперед. Pratt & Whitney, давно застолбивший себе лидирующее место на рынке силовых установок для узкофюзеляжных самолетов в диапазоне тяги 6,7–14,7 т, теперь примеряется к сегменту тяги 31,1–44,5 т для широкофюзеляжных авиалайнеров, который контролируют GE и Rolls-Royce.

При этом авиастроители и перевозчики требуют от новых двигателей все большей надежности уже на этапе первичной эксплуатации. Это вынуждает двигателистов гораздо раньше делать выбор в пользу той или иной технологии будущего, а также тратить больше времени и денег на доводку новых решений еще до начала собственно работы над конкретной силовой установкой. Как раз правильность таких архитектурных и технологических решений, выбранных каждым из игроков 10 лет назад или даже раньше, и является сейчас темой ожесточенных споров между конкурентами.

Последнюю такую словесную дуэль затеял CFM International, заявивший на Ле-Бурже устами исполнительного вице-президента Шакера Шахру, что его двигатель LЕAP-1A при установке на A320NEO будет демонстрировать 3%-ное преимущество в удельном расходе топлива по сравнению с конкурирующей силовой установкой PW1100G с редукторным приводом. «Результаты испытаний показывают, что уже в начале коммерческой эксплуатации на A320NEO двигатель LEAP будет на 1% превосходить своего конкурента [по топливной эффективности], — отметил Шахру. — Это преимущество сохранится и с течением времени перерастет в 2%. А учитывая, что A321NEO будет эксплуатироваться на более длинных маршрутах [чем нынешнее семейство A320], наше преимущество в удельном расходе топлива выльется во все 3%».

Силовые установки для Airbus A320NEO: сравнение претендентов

	CFM International LEAP-1A	Pratt & Whitney PW1100G
Вентилятор	18 композитных лопаток трехмерногоплетения, диаметр 198 см	20 биметаллических лопаток, диаметр 206 см
Степень двухконтурности	~11:1	12:1
Редуктор	Нет	Передаточное число 3:1
КНД	3 ступени, регулируемыйперепуск воздуха	3 ступени, высокоскоростной, уменьшенное количество лопаток
КВД	10 ступеней	8 ступеней
Суммарная степень сжатия	~40:1	~50:1
Камера сгорания	TAPS II, низкий уровень выбросов NOx, форсунка аддитивного производства	Talon X, низкий уровень выбросов NOx
ТВД	2 ступени, неохлаждаемыеэлементы корпуса из ККМ	2 ступени
ТНД	7 ступеней, лопатки из алюминидатитана	3 ступени, лопатки из алюминида титана, высокоскоростная, уменьшенное количество лопаток
Источники: CFM International, Pratt & Whitney.

Заявления CFM основаны на результатах недавних испытаний ряда применяемых на LEAP-1 инновационных технологических решений, таких как композитные лопатки вентилятора трехмерного плетения, а также элементы корпуса турбины, выполненные из неохлаждаемых ККМ. Только что завершившиеся испытания третьего демонстрационного газогенератора eCore, состоящего из компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания и турбины высокого давления (ТВД), продемонстрировали эффективность сверх расчетной, говорит Шахру.

Pratt & Whitney поспешил опровергнуть заявления CFM, но при этом ему пришлось защищать свой выбор технологических решений для собственного двигателя, а также детально расписать планы по последующему сокращению расхода топлива. Президент компании Дэвид Хесс в очередной раз заявил на выставке в Ле-Бурже, что CFM не добьется заявленных преимуществ в топливной эффективности и стоимости эксплуатации двигателя, «если только им не удастся обмануть физические законы». Хесс отметил, что испытания LEAP-1A начнутся лишь осенью текущего года, в то время как «наш двигатель для NEO уже проходит летные испытания и показатели расхода топлива текущей конфигурации оказались на полпроцента лучше наших ожиданий».

И CFM, и Pratt & Whitney намерены сократить расход топлива по крайней мере на 15% по сравнению с силовыми установками, которые используются на нынешнем семействе самолетов A320. По словам представителей CFM, половину этого преимущества LEAP-1A обеспечит повышенный тяговый КПД за счет увеличенного диаметра вентилятора и более высокой степени двухконтурности, а остальные 50% придутся на повышенную термоэффективность, включая способность двигателя работать на более высоких температурах режимах. Представители Pratt & Whitney, в свою очередь, говорят, что лишь 4–5% топливной экономии PW1100G приходится на редуктор, благодаря которому более медленный вентилятор большого диаметра приводится более быстрой и эффективной турбиной низкого давления (ТНД). «Прочие усовершенствования конструкции добавляют еще 10–11% экономии топлива», — говорит Боб Сайя, вице-президент компании по семейству двигателей нового поколения.

CFM продолжит испытания композитных лопаток вентилятора для двигателя LEAP-1 на демонстраторе Snecma Mascot 2. «Все думают, что все дело в редукторе, в то время как применение этого компонента всего лишь дает нам возможность максимально использовать скоростные характеристики двигателя. Сам по себе редуктор технологической ценности не имеет», — объясняет Сайя, добавляя, что одним из главных преимуществ нового семейства двигателей является газогенератор с «непревзойденной» суммарной степенью сжатия — почти 50:1. Такой показатель достигается за счет применения меньшего числа ступеней, а также благодаря использованию более быстрого КВД со степенью сжатия 16:1 (для сравнения: у LEAP-1 степень сжатия КВД составляет 22:1). «Увеличение скорости способствует более высокой степени сжатия, благодаря чему мы можем сократить количество компонентов, а КНД требуется меньшее количество лопаток», — говорит Сайя.

Высокие скорости также помогают сократить расходы на тепловую защиту, которая является очень серьезной статьей издержек. Рабочие температуры PW1100G выше, чем у нынешних двигателей, устанавливаемых на семейство A320, но «значительно ниже», чем у LEAP-1A, подчеркивает Сайя: «Есть два способа выйти на желаемую мощность двигателя: или прокачивать через двигатель больше воздуха при меньшей скорости потока, или повышать рабочие температуры. При этом нужно иметь в виду, что первый вариант дешевле. «Вместо того чтобы экспериментировать с небывало высокими рабочими температурами, мы заставляем работать на нас фундаментальные законы физики». Более консервативные температурные режимы вкупе с инновационными материалами и схемами охлаждения позволили Pratt & Whitney сократить поток охлаждающего воздуха в КВД на 20%», — говорит он.

Описанные различия в подходах могут показаться несущественными — в конце концов оба конкурента обещают обеспечить сходные показатели топливной эффективности на одном и том же самолете. Кроме того, цены на двигатели устанавливаются рыночной средой, а нынешние соглашения по техобслуживанию составлены так, что двигателестроители обязуются покрывать все риски, связанные с когда-то выбранными ими технологическими решениями. Однако разница во взглядах может вскоре оказаться гораздо более серьезной: Pratt & Whitney собирается предлагать свои двигатели с редукторным приводом вентилятора для крупных коммерческих авиалайнеров. По крайней мере на бумаге преимущества данной архитектуры пока выглядят вполне убедительно.

По словам Хесса, у компании есть план выхода к середине 2020-х гг. на показатели расхода топлива на 20–30% меньше по сравнению с существующими двигателями. Способы достижения таких цифр включают аэродинамические усовершенствования, облегченные роторы вентиляторов, повышение передаточного числа редуктора с целью увеличения степени двухконтурности, увеличение суммарной степени сжатия газогенератора свыше 60:1, а также применение новых материалов и схем охлаждения турбины. В соответствии с планом удельный расход топлива для новых моделей двигателей должен понижаться в среднем на 1% в год, а примерно половину достигнутых улучшений необходимо внедрить на более ранние модели, говорит Сайя.

ККМ в плане Pratt & Whitney не упоминаются. CFM использует такие материалы при изготовлении элементов корпуса ТВД коммерческих двигателей. «Детали из ККМ весят на треть меньше металлических, вдвое прочнее и на 20% более устойчивы к температурному воздействию. Но главное не то, что их можно применять при более высоких рабочих температурах, а то, что они не нуждаются в воздушном охлаждении, которое неизбежно приводит к потере производительности», —  говорит руководитель программы LEAP Гарет Ричардс.

Сайя не разделяет его оптимизма: «Мы подумывали о том, чтобы применить ККМ в двигателях для истребителей, но пришли к выводу, что такое решение не окупится. ККМ довольно дорогостоящи, их использование существенно увеличило бы стоимость продукта». Сайя добавляет, что имеются и проблемы с ремонтопригодностью деталей из ККМ. По его словам, Pratt & Whitney исследует свойства материалов другого состава, но со сходными характеристиками. «Данные работы находятся на пятом уровне готовности [уровне демонстрации работы технологии]. Мы уже провели ряд испытаний. К середине 2020-х гг. мы сможем достичь 20–30%-ного улучшения топливной эффективности и без применения ККМ», — говорит Сайя.

GE и CFM тем временем не собираются отказываться от дальнейшего развития традиционной архитектуры турбовентиляторных двигателей. GE намеревается расширить применение композитов, в том числе ККМ, в двигателе GE9X, разрабатываемом для самолета Boeing 777X. Жаровые трубы камеры сгорания из ККМ, неохлаждаемые сопловые аппараты ТВД и элементы корпуса турбины, а также турбинные лопатки — вот лишь некоторые из технологий, которые будут внедрены при разработке двигателя GE9X, расход топлива которого обещает быть на 10% ниже, чем у GE90, который сейчас стоит на лайнерах Boeing 777-300ER. Среди прочих инноваций — КВД со степенью сжатия 27:1. «В двигателе LEAP мы реализуем все технологические преимущества, опробованные при работе над GE9X и другими двигателями. По мере необходимости мы будем совершенствовать конструкцию и дальше, — заявляет представитель CFM. — По нашим расчетам, преимущества в топливной эффективности по сравнению с двигателем с приводом от редуктора должны составить 2–3%,  и отказываться от этой цели мы не собираемся».

GE также настроен на масштабные инновации: компания ежегодно инвестирует свыше 1 млрд долл. в разработку, испытания и доводку новых технологий. Работа над GE9X началась в 2010 г.; «первые 4–5 лет программы будут потрачены на демонстрацию технологий», рассказывает Билл Милхэм, руководитель программы GE90. «Стендовые испытания КВД начнутся за пять лет до сертификации», — говорит Билл Фитцджеральд, вице-президент GE и руководитель направления коммерческих силовых установок.

К предварительным испытаниям приступят уже в июле; до окончательного «замораживания» конструкции GE9X в 2015 г. предстоят еще две серии испытаний «В 2014 г. мы будем испытывать лопатки из ККМ на демонстрационных двигателях GENx», — говорит Фитцджеральд.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайтов Деловой Авиационный Портал и Aviation Explorer.

Другие новости по этой теме на сайте FEA.ru:

26.08.2013 Генеральный директор ECAR (Engineering Center Airbus Russia) Александр Кирейцев: "Рассчитывать композиты гораздо сложнее, чем металлические конструкции"
19.08.2013 Новости мира композитов и композитных структур. Компании Plasan Partners и Toray укрепляют позиции композитов в автомобильной промышленности
28.07.2013 Концерн EADS может быть переименован в Airbus Group
10.06.2013 GE Aviation открыла завод по производству композитов в Эллисвиле, США
24.05.2013 Hexcel награждена Специальным призом за разработку композитного кронштейна из материала Hexcel HexMC, который на 75% легче металлического аналога
15.05.2013 Pratt & Whitney готовится к летным испытаниям двигателей PW1100G
19.02.2013 Airbus отказался от литиевых батарей из-за инцидентов с Dreamliner
19.01.2013 Корпорация Hexcel получила серебренную награду в номинации "Лучший Исполнитель" на церемонии награждений Airbus
16.01.2013 В США пройдет экспертиза Boeing 787 Dreamliner после серии выявленных при эксплуатации неполадок
11.01.2013 CompMechLab-HW-Review - HyperWorks OptiStruct. 1. Применение OptiStruct для оптимизации конструкций в аэрокосмической отрасли (Boeing; EADS / Airbus, Eurocopter)
05.05.2012 Airbus приступила к сборке первого самолета A350 (проект А350 XWB), призванного составить конкуренцию лайнерам Boeing 777 и 787 Dreamliner
10.04.2012 Airbus приступил к финишной сборке корпуса первого лайнера A350 XWB
05.04.2012 Airbus завершил сборку хвостовой части своего нового самолета A350
07.01.2012 Top5 самых известных событий 2011 года по версии сайта ReinforcedPlastics, связанных с композиционными материалами
16.09.2011 Компания Airbus доставила кессон крыла и несущую конструкцию хвостовой части A350 на сборочное производство в Сент-Назере
30.08.2011 BMW и Premium AEROTEC демонстрируют технологии производства углеродных композитов
28.06.2011 Европейский ответ Dreamliner - A350 XWB от Airbus начинает обретать форму
12.04.2011 Произведена самая большая композитная панель фюзеляжа нового Airbus A350 XWB
06.09.2008 Airbus выбирает CÆSAM от SAMTECH для проекта A350 XWB