курс "Системное проектирование авиационных двигателей и энергетических установок»
Мировой парк, основные направления развития и особенности проектирования двигателей для магистральных и региональных самолетов гражданской авиации
Год 1980 1985 1990 1995 2001 Доля гражданской АТ 30% 35% 50% 60% 70% Доля военной АТ 70% 65% 50% 40% 30% Европа США, 2002 г.: гражданская АТ – 51%; военная АТ – 49% Прогноз “Forecast International” соотношения объемов продаж АД в мире для ГА и ВА на 2005 – 2014 годы Двигатели для гражданской авиации – 83 % для военной авиации – 17 %
Прогноз объемов реализации авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе 2006 г. – 26 млрд. $ 2026 г. – 63 млрд. $ 2006 - 2026 гг. – 930 млрд. $
G 0, т МС -21 B747XGR 2 - х дв . 3 - х дв . 0.3 0.25 0.3 0.3 0.35 R 0 , кН 4 - х дв . R/G 0 =0.22 50 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 600 700 B777 B767 A330 A340 B757 A380 B747 A340 B777-8 B777-3 A3 5 0 A350-800 A350-900 A350-1000 JT9D - 59 CF6 - 50C Д - 3 0 КУ НК - 8 - 2 У НК - 86 CFM56 - 5 CFM56 - 7 V.250 0 JT 8 D - 200 ПС - 90A (А2) RB.211 - 535 PW 2337 CF6 - 80C RB.211 - 524 PW 4460 CF6 - 80E Трент 6 00 Трент 7 00 PW 4168 Трент 8 00 PW 4098 GE - 90 - 90B PW 6000 BR.710 BR.715 С F34 - 8/10 SaM146 Трент 500 Трент 9 00 GP 7200 Трент 10 00 GE nx Трент 1000 GE nx GE-90-115 B ПД-14 PW 14 00G PW 1100 LEAP-1 A/B/C Д-436Т1/ТП Д -436-148 Д-36 Tay Mk260 Ан-148-100А/В/Е SSJ -100 МС-21-200 МС-21-300 МС-21-400 B.787 - 8 B.787 - 9 B.787 - 10 B.777 - 300ER B.777 - 200ER B757-300 Ту-334-220 Ту-334-100 Ту-134 DC - 9 - 3 0 Fokker -100 B737 - 2 00 B727 - 20 0 Як-42 MD - 87 B737 - 6 00 B737 - 3 00 B737 - 7 00 C Ту-154Б Ту-154М Ил-62 Ил-62М Ил-86 Ил-76 A320-200 A321-200 Ту -2 14 Ту -2 04 Ил - 96-300 Ил - 76МФ A340 - 2 00 A340 - 3 00 B757 - 2 00 B767 - 2 00 A310 - 3 00 L1011 - 1 Tristar A3 00 B4-200F L1011-200F DC10-30 MD-11 A330-300 A330-200 B777-300 B777-200 B767-400 B767-300R B767-200 B7 8 7 B747 - 2 00 A340 - 6 00 A340 - 5 00 B747 - 4 00 Ан-1 2 4 B747 -400 X A380-100 A380-200 Д -18 Т ARJ - 21 C919 МИРОВОЙ ТИПАЖ МАГИСТРАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ ГА И ИХ ДВИГАТЕЛЕЙ MRJ PW1217 PW1524 S-series
Региональные самолеты (30 – 90 пасс.) Узкофюзеляжные самолеты (90 – 215 пасс. - БМС, БСМС, СМС) Широкофюзеляжные самолеты (свыше 210 пасс. - СМС, ДМС) П к = 2 0 – 30 Т г = 1500 – 1650 К m = ( 4 – 6 )…200 П к = 30 – 40 (50) Т г = 1 65 0 – 1 80 0 К m = 5 – 9 (12) П к = 40 – 50 (60) Т г = 1 80 0 – 1 95 0 К m = 8 – 12 (14) ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ТИПЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ТРДДсм, ТРДД ТРДДсм, ТРДД ТРДД ТВД
К настоящему времени двигатели достигли высокого уровня развития
C уд, кг / кгс ч m Годы p * к е Т г, К g дв 10 30 50 Годы 0 10 30 20 40 ТС ТЯГА
3 пок. 4 пок. 5 пок. ОСНОВНЫЕ ДИАПАЗОНЫ ТЯГИ ТРДД МАГИСТАРЬНЫХ САМОЛЕТОВ Тяга, тс Фирма 6 - 9 9 - 15 15 - 20 20 - 25 25 - 30 30 - 35 > 35 Дженерал Электрик CF 34-10 CF 34- 8 CFM 56 ( CFMI) LEAP-X - CF6-50C CF6-80C GP7200 GEN X CF6-80E GE90 GE90 -115В Пратт- Уитни JT8D-200 PW 6000 PW8 00 PW12(5)00G PW1 1 00G PW1 4 00G V2500 (IAE) PW2000 JT9D-59 PW4052 PW4056 PW4062 PW4173 GP7200 (EA) PW4084 PW4098 Роллс-Ройс BR710/715 Tay Mk260 RB211-535 RB211-524 Trent500 RB211-524 Trent600 Trent700 Trent900 Trent1000 Trent800 Trent XWB Снекма SaM146 CFM 56 ( CFMI) LEAP-X - - - совм. с GE совм. с GE Россия, СНГ Д-30 Д -36 Д-436Т1 / ТП SaM146 Д-30КУ / КП НК-8-2У НК-86 ПД-14 ПС-90А (НК-93) Д-18Т - - -
ВЫРУЧКА и ВЫРАБОТКА НА 1 СОТРУДНИКА ВЕДУЩИХ ДВИГАТЕЛЕСТРОИТЕЛЬНЫХ ФИРМ МИРА В 2011 ГОДУ ФИРМА ВЫРУЧКА млрд.долл. США ВЫРАБОТКА на 1 СОТРУДНИКА тыс. долл. США GE Aviation (США) 18,9 485 Rolls-Royce (В.Бр) 17,6 441 P&W (США) 13,4 372 Snecma + Turbomeca (Фр) 8,5 385 Honeywell (США) 6,5 295 MTU (Германия) 3,9 500 ОДК + Салют (Россия) 3,3 46 IHI (Япония) 3,2 533 Мотор С i ч (Украина) 0,7 34
к 2014 г. количество двигателей, установленных на крыле, увеличилось более чем в 2 раза по сравнению с 1990 г. и составило 53000 единиц
Airbus Boeing Прогноз развития парка самолетов По данным фирмы Rolls-Royce в период 2009 – 2028 гг. прогнозируется: - поставка 23100 новых магистральных самолетов - количество 27500 магистральных самолетов в 2028 г.
Airbus Boeing Прогноз развития парка самолетов по сегментам Средний рост пассажироперевозок 5% в год, грузовых 6,5 %
Прогноз Rolls-Royce развития парка самолетов и двигателей на 2005-2024 годы
Цены (2011..2012гг.) гражданских ТРДД на мировом рынке 1 кг ТРДД 2000 $ Рост по сравнению с 2003 – 2005 гг. 60%
80…85% жизненного цикла двигателя пассажирского самолета – эксплуатация За этот период стоимость послепродажного обслуживания может в 6…7 раз превысить стоимость поставок новых АД
Зависимость тяги ТРДД от параметра размерности ГГ R взл ( m +1) R уд G пр квд вых (П * к ) 5 /6
CFM56-5B
Диапазон стендовой тяги: от 9,8 до 15,0 тс (дросселирование 35% )
КООПЕРАЦИЯ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ ПРИ СОЗДАНИИ НОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
СРОКИ И СТОИМОСТЬ РАЗРАБОТОК БАЗОВЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НИЭР – материалы, технологии, узлы, газогенераторы, демонстрационные двигатели ОКР – прочностная доводка двигателя и узлов, Государственные Испытания, сертификация
ЗАРУБЕЖНЫЕ ПРОГРАММЫ РАЗРАБОТКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
PW6000 GP7200 Trent 1000
«8 + 2» Цена керосина в Зап. Европе $/ т «6 + 1» ФИРМА ПРОЕКТ Число ступеней ГГ П * квд GE (CFMI) Leap-X 8+2 22…23 PW + MTU GTF 8+2 17 ОДК ПД -14 8+2 1 7 ВЫБОР ГАЗОГЕНЕРАТОРА – ЦЕНА КЕРОСИНА «8 + 2»
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ ТРДД ТЯГОЙ 9 0 20 0 кН (планы 2008 г.)
Ключевые технологии: редуктор композиционные РЛ вентилятора быстроходный КНД камера сгорания TALON-X 8 -ми ступенчатый КВД ( к = 17, MTU + PW) 2- х ступенчатая ТВД тонкая мотогондола с регулируемыми соплами Программа фирмы Пратт-Уитни создания редукторных ТРДД Основные цели: снижение расхода топлива на 12% (по сравнению с ТРДД V 2500) снижение стоимости ТОИР на 40% снижение шума на 20 EPN дБ от норм Главы 4 снижение эмиссии NOx на 55% ниже норм 2008 г. Pratt&Whitney
PW1200G PW1500G PW1100G PW1400G Устанавливается на Mitsubishi MRJ Bombardier CSeries Airbus A320 Neo Иркут МС-21 Диапазон тяги PW1215G 66,72 кН PW1217G 75,62 кН PW1521G 93,41 кН PW1524G 103,64 кН PW 1124 G 106,76 кН PW 1127 G 120,1 кН PW 1133 G 146,79 кН 106,76 кН до 146,79 кН Архитектура 1-G-2-8-2-3 1-G-3-8-2-3 1-G-3-8-2-3 1-G-3-8-2-3 Степень двухконтурности 9:1 12:1 12:1 12:1 Диаметр вентилятора 1,42 м 1,85 м 2,06 м 2,06 м Ввод в эксплуатацию 2014 → 2016 2013 Весна 2016 201 7 PW1100G A320 Neo PW1200G MRJ PW1400G MC21 PW1524G C Series PW1700G PW1900G E-Jets Перспективы применения PW1000G Pratt&Whitney/MTU/Avio/Volvo Aero
Paris Air Show '09 CFMI Экспериментальный вентилятор ТРДД Leap-X D в = 1800 мм Класс тяги – 26000 фунтов (11.79 тс) 3 D плетенный КМ на органической матрице Защитная титановая передняя кромка Вентилятор прошел испытания в составе ТРДД CFM56-5C
Для китайского БСМС C919 в качестве единой силовой установки выбран ТРДД LEAP 1C Разработку гондол и реверсов тяги обеспечивает Nexcelle ( совместное предприятие GE и Safran)
тяга ≤ 445 кН диаметр вентилятора 3,37 м степень двухконтурности 12 суммарное к = 62 Особенности конструкции 18 лопаток вентилятора и его корпус из композита возрастающий по потоку диаметр канала компрессора СД регулирование отбора воздуха на охлаждение активное управление зазорами с обратной связью безбандажные лопатки ТВД
115B GE9x Степень двухконтурности 8:1 10:1 Степень сжатия КВД 18:1 27:1 Общая степень сжатия 46:1 60:1 Тяга 51 2 кН 445 кН Диаметр вентилятора 325 0 мм 335 0 мм класс взлётной тяги Вентилятор, КНД Диаметр вентилятора 335 мм 4-е поколение технологии лопаток Улучшенная аэродинамика, повышенная окружная скорость Композиционная конструкция Акустические технологии Мотогондола, установка, регулирование Интеграция мотогондолы и выхлопной системы для снижения веса и улучшения аэродинамики Акустическая оптимизация Легкие элементы системы регулирования с улучшенными характеристиками, наружное расположение Газогенератор КВД с аэродинамикой нового поколения Повышение давления в КВД 27:1 Новый высокотемпературный сплав диска и покрытие Камера сгорания TAPSIII Лопатки ТВД нового поколения Расширенное применение СМС Перспективные уплотнения Турбина НД Повышенная эффективность Материалы нового поколения ( ~ 100,000 lb) 445 кН (~100,000 lb) Двигатель GE9X – предложение GE для оснащения B777X
УРОВНИ ШУМА САМОЛЕТОВ ЦЕЛИ ПРОГРАММ США И ЕВРОСОЮЗА Уровень шума по сумме трёх контрольных точек, EPNdB -20 -40 -60 Глава 4 Глава 3 Глава 2 0 20 QAT S CLEEN N+1 QAT L ACARE CLEAN SKY QAT S QAT L NASA N+ 3 МС-21 -80 LEAP-X СуперДжет-100 ТУ-204 ИЛ-96-300
Малошумный стреловидный вентилятор: 4.5 dB Отрицательно скошенный вход: 3 dB Оптимизированные ЗПК воздухозаборника: 3.3 dB Отсутствие стыков ЗПК: 3 dB Активные ЗПК в корпусе или ANC для тонов высокой частоты вентилятора: 3 dB На ближайший срок технологии дадут общее улучшение ~ 20 dB Активный статор: 3 dB Шевронные сопла обоих контуров: 4.5 dB ЗПК в горячем потоке: высокие частоты – ТНД: 0.7 dB низкие частоты – струя внутреннего контура: 1.5 dB MTU Aero Engines Потенциальные способы снижения шума ТРДД (на примере GP7200 для А 380)
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ Мероприятия по снижению шума Акустические резонаторы Резонаторы Herschel-Quincke, расположенные по окружности JT15D Лопатки с обратной стреловидностью Взлетный режим Крейсерский режим Сплавы с памятью формы Применение различных мероприятий позволяет обеспечить запасы относительно существующих и перспективных требований по шуму Выдув в заднюю кромку лопатки РК
2020 2030 ИЗМЕНЕНИЕ МЕЖДУНАРОДНЫХ НОРМ НА ЭМИССИЮ NOx
1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 Годы C R кр, кг / кГс ч Н =11 км, М кр =0,8 ИЗМЕНЕНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА ТРДД ТЯГОЙ 90…140 кН C R кр = ─ 1012% C R кр = ─ 1015% m 0 =5 6 m 0 =8 12 m 0 =12 20 АД новых схем
ГТД - «тепловая машина» и «движитель» Эффективный КПД «тепловая машина» С уд ~ 1 / η 0 η 0 = η эфф η П Полетный КПД «движитель» η эфф = располагаемая работа цикла G Т Hu η П = R B V п располагаемая работа цикла
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ГА R уд min T г стех, Пк = 80+ V2500 A5 ПД-14 реген.+промохл распред. СУ открытый ротор реген.+ промохл.+ широкое регул-ие + промподогрев CFM56-5B GTF (PW) RB 2 82 LEAP56-DDTF
Исследуемые за рубежом схемы перспективных магистральных самолетов
Мероприятия Ограничения Повышение Т Г Материалы, охлаждение, ресурсы, стоимость Повышение П К opt Эмиссия NOx, материалы, ресурсы, стоимость Применение «сложных» циклов ( промохлаждение, регенерация) Вес, габариты Широкое регулирование Надежность, вес Совершенствование узлов Стоимость «Электрический» двигатель (отказ от отборов воздуха) Вес, надежность Совершенствование «тепловой машины» η эфф
снижение скорости струи за счёт повышения степени двухконтурности C уд П ТРДД ТВВД ТВД m в = const (наличие оптимума из-за потерь в наружном контуре и сопротивления мотогондолы) 0 10-12 ~20 35 - 50 10 0 -2 50 редукторный привод D в - распределённые СУ D в ~(1/R УД ) 0,5 закапотированный двигатель «открытый» ротор 4-5 м снижение скорости струи за счёт повышения степени двухконтурности Ограничения: высокий шум большой диаметр ВВ/В сниженная скорость полёта недопустимость обрыва лопасти повышенные вибрации 10-1 5 % Диаметр вентилятора
Рекуператор Теплообменник промежуточного охлаждения СХЕМА ДВИГАТЕЛЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
Исследования турбовинто-вентиляторных двигателей (ТВВД) CFMI/SNECMA Rolls-Royce 578-DX PW/Allison GE-36 General Electric Преимущества : удельный расход топлива на 25-35% ниже по сравнению с CFM56 и V2500 Проблемы: повышенный шум, большой диаметр ВВ ( 4,3 м), механизм поворота лопастей Прогноз - начало создания не ранее 2025г. D в = 2,95м испытания на MD-81 - 1989г. испытания на ЛЛ В727 и MD-81 – 1986-87гг. История
ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОШУМНОГО САМОЛЕТА SAX-40 И ЕГО СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ Проект SAX-40 на 215 мест разработан в 2006 г. в Кембриджском университете по заказу NASA Ленгли Дальность полета - 9250 км Взлетный вес - 150,8 т Длина - 44 м Размах крыла - 67,5 м Стоимость - 160 млн. $ По сравнению с В787: Расход топлива ниже - на 20% Шум ниже Главы 4 - на 40 EPN дБ Силовая установка: 3 кластерных двигателя Granta-3401 : 1 ГГ + 5ст. ТНД + 3 вентилятора ( D в = 1,2м), m = 18,3 вместо 9,5 у GEnx (B787), утопленный ВЗУ, длинные каналы с ЗПК, регулируемое сопло для оптимального согласования режимов взлета и крейсерского полета, а также снижения шума на посадке Ввод в эксплуатацию – после 2030 г.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ Компрессора Перспективные компрессора При разработке перспективных компрессоров используются методы управления течением, обеспечивающие повышение нагрузки на ступень и устойчивости работы
Работы по электрическим системам двигателя в рамках программы РОА
Пром.охлаждение / Рекуперация Распределенные СУ Редукторная схема / биротативный вентилятор Сверх высокая двухконтурность Улучшенные ТРДД Электро-приводные СУ «Умные» двигатели 2005+ 2010+ 2015++ 2020+++ ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ САМОЛЕТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Гибридные СУ
