Среда, 1 декабря 2021

Технологии

Откровения двигателестроителей о выбросах

Все четыре крупнейших производителя турбинных авиадвигателей для коммерческих самолётов ведут проекты по исследованию и разработке гибридных электрических силовых установок, способных питать региональные, одноместные и, в конечном счёте, даже широкофюзеляжные авиалайнеры.

В то же время в некоторых случаях, в рамках одной и той же исследовательской программы – CFM International, GE Aviation, Pratt & Whitney/Pratt & Whitney Канада и Rolls-Royce работают над значительным повышением эффективности турбинных двигателей, существенно снижая выбросы CO2 и, вообще, вредных веществ.

CFM International

В рамках своей революционной программы исследований и разработок «Инновации для устойчивых двигателей» (RISE), партнёры CFM GE Aviation и Safran Aircraft Engines (SAE) совместно разрабатывают технологии, которые позволят снизить расход топлива и выбросы CO2, более чем на 20 % по сравнению с современными двигателями. В перспективе CFM намерена разработать ряд новых технологий для двигателей, которые могут быть введены в эксплуатацию в середине 2030-х годов.

Центральное место в его исследованиях занимает разработка новой архитектуры открытого вентилятора, которая основана в первую очередь на первоначальном исследовании с открытым ротором, проведенном GE Aviation в испытанном полёте 1988 года – проект «Непроводящий вентилятор» (UDF), и в значительно более продвинутом и более экологичном, по сравнению с проектом «Открытый ротор с обратным вращением» (CROR), который SAE успешно провёл в 2017 году.

В отличие от конструкции 2017 г. с двумя роторами SAE, конструкция открытого вентилятора CFM предусматривает всего одну ступень вентилятора. Сегодня CFM разрабатывает 12 лопастной вентилятор для открытой вентиляторной ступени, аэродинамически трехмерных по дизайну, их тканого композитного материала – углеродного волокна по технологии разработанной и усовершенствованной SAE.

Лопасти будут иметь гораздо больший диаметр, чем у турбовентиляторных двигателей CFM последнего поколения Leap. Но поскольку корпус вентилятора не будет содержать лопастей, общий диаметр вентилятора может соответствовать общему внешнему диаметру гондолы Leap, по словам Харпера. С такими большими лопастями, а также с использованием меньшего сердечника, чем обычно встречается в современных двигателях, CFM ожидает, что его научно-исследовательский проект с открытым вентилятором обеспечит коэффициент байпаса 75:1 (степень двухконтурности), почти на порядок превышающий 11:1, достигнутый Leap-1A и другими турбовентиляторами последнего поколения.

Открытый вентилятор будет производить почти всю свою тягу, поскольку холодный воздух разгоняется до относительно низкой скорости, близкой к общей скорости полёта, с которой движется сам самолёт, чтобы двигатель достиг максимально возможной эффективности тяги. На улучшенную энерговооружённость, будет приходиться более половины общего повышения топливной эффективности, достигнутого данной конструкцией.

Из-за их большого диаметра лопасти вентилятора открытой конструкции вентилятора вращаются относительно медленнее, поэтому их наконечники не достигают сверхзвуковых скоростей. В результате редуктор, между золотником низкого давления и приводным валом вентилятора значительно снизит скорость вращения приводного вала по сравнению со ступенями турбины низкого давления. Коэффициент редукции намного превысит тот, который используется в современных турбовентиляторных двигателях Pratt & Whitney.

CFM использовала самые современные суперкомпьютеры в мире для достижения значительных улучшений в акустике и аэродинамике конструкции открытого вентилятора по сравнению с современными турбовентиляторами, без ущерба для функциональности или веса. В дополнение к повышенному КПД двигателя, конструкция с открытым вентилятором также будет обладать большей тепловой эффективностью, чем современные двигатели.

CFM частично достигнет этой эффективности за счёт использования улучшенных керамических матричных композитов (CMCS) и других передовых материалов, таких как новые теплозащитные покрытия. Однако, система открытого вентилятора потребует поэтапного изменения количества элементов управления для двигателя.

Управляемые программным обеспечением элементы управления обеспечивают оптимальную тепловую эффективность конструкции открытого вентилятора на каждом этапе полёта. Работа и производительность двигателя всегда оптимально сбалансированы с конструкцией самолёта и его системами. Средства управления также будут отслеживать работоспособность двигателя в режиме реального времени, что позволит оперативно решать проблемы и повышать коэффициент использования двигателя. Широкое использование программных средств управления также будет означать, что CFM впервые сможет управлять тягой разработки, используя переменные, отличные от скорости вращения вентилятора, оставаясь единственным средством управления тягой в современных турбовентиляторах.

С самого начала программа CFM RISE включает исследования по интеграции конструкции открытого вентилятора в гибридно-электрическую систему для оптимизации эффективности двигателя и обеспечения электрификации авиационных систем, а также для использования в конструкции 100-процентного SAF и, возможно, водорода.

CFM запланировала более 300 различных испытаний компонентов и модулей на 150 испытательных средствах для своей программы исследований и разработок с открытым вентилятором. Испытания установок будут проходить на объектах по всему миру, включая некоторые модульные испытания в SAE. Испытания вентиляторов и двигателей в аэродинамической трубе пройдут на заводе GE в Пиблсе, штат Огайо, а летные испытания с использованием испытательного стенда GE Boeing 747-400 пройдут в Викторвилле, штат Калифорния. CFM рассчитывает провести наземные и лётные испытания конструкции в середине 2020-х годов.

Команда GE совместно с NASA

Отдельно CFM GE Aviation продолжает работу в рамках программы NASA по демонстрации полётов с электроприводом (EPFD): разработка, наземные испытания и лётные испытания к середине 2020-х годов гибридной электрической двигательной установки мегаваттного класса, способной масштабироваться для региональных и, возможно, более крупных авиалайнеров.

Предыдущая работа GE по EPFD завершилась 30 сентября с присуждением NASA основной части контракта на сумму $260 млн (партнер программы MagniX USA, который разрабатывает электрические двигательные установки для самолётов, получил награду в размере $74.3 млн), чтобы продвинуть программу EPFD до лётных испытаний в течение пяти лет. В конечном счете NASA намерено внедрить технологии электрифицированного авиационного двигателя (EAP) в авиапарки авиакомпаний США к 2035 году.

В соответствии со своим последним контрактом EPFD GE будет использовать модифицированный испытательный стенд Saab 340 для лётных испытаний комбинации турбовального двигателя GE CT7-9B, аккумуляторной батареи, ВСУ, инвертора и преобразователя, образуя систему, которая может поддерживать будущие архитектуры в сочетании с авиалайнером. GE выбрала CT7 в качестве идеального размера для тестирования системы, которую дизайнеры могут масштабировать и модифицировать для поддержки различных платформ.

Научно-исследовательская работа GE в области EPFD официально не связана с её исследованиями в рамках партнёрства CFM по разработке и внедрению новых энергоэффективных технологий с низким уровнем выбросов для будущих двигателей авиалайнеров в рамках программы RISE.

Канадский гибрид от Pratt&Whitney

В июле P&WC объявила, что после инвестиций в размере 163 млн канадских долларов со стороны правительств Канады и Квебека, она будет продвигать исследования с партнерами по программе Collins Aerospace и De Havilland Canada для разработки гибридно-электрической двигательной установки на демонстраторе полёта. Проект направлен на демонстрацию 30 % снижения сжигания топлива и выбросов CO2 по сравнению с современным региональным турбовинтовым авиалайнером, таким как DHC Dash 8-100, один из которых партнёры будут использовать в качестве демонстратора лётных испытаний.

P&WC уже работала над проектом, ранее известным как проект 804, с Collins с 2019 года. Основываясь на достижениях в области концептуального и компонентного проектирования, достигнутых в ходе проекта 804, продолжается сотрудничество с Collins и с производителем планера De Havilland Canada для создания демонстратора полётов.

Collins Aerospace предоставит электродвигатель мощностью 1 мегаватт и контроллер двигателя. P&WC руководит разработкой аккумуляторных систем и работает с рядом сотрудников над потенциальными конфигурациями. De Havilland Canada поддержит интеграцию новой технологии гибридного электрического двигателя и батарей в Dash 8-100, включая разработку модифицированной гондолы для размещения гибридной электрической системы. Он также обеспечит интерфейсы кабины пилотов, необходимые для мониторинга и управления гибридно-электрической технологией.

Проект заменит один из установленных двигателей PW121A Dash 8-100 на менее мощный турбовальный двигатель, поставляемый компанией P&WC, в сочетании с электродвигателем мощностью 1 мегаватт, поставляемым компанией Collins. Вместе оба двигателя обеспечат 2 мегаватта мощности, что аналогично общей выходной мощности PW121 в 2000 л. с., они будут приводить в движение пропеллер, уже установленный на демонстрационном самолете Dash 8-100. Во время взлёта и набора высоты электродвигатель обеспечит повышение мощности, позволяя двигателю меньшего объема, работающему на топливе, быть оптимально подобранным для фазы круиза, тем самым создавая преимущества по топливной эффективности.

Тем временем родительская компания P&WC Pratt & Whitney работает над двумя программами, одна из которых осуществляется в рамках нового контракта NASA, а другая в партнерстве с FAA, для разработки новых экономичных технологий снижения выбросов для коммерческих самолётов.

В рамках Национального партнерства по устойчивому полёту NASA заключило контракт с P&W на разработку передовых технологий турбин высокого давления для однопроходных самолётов следующего поколения в рамках проекта Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC). HyTEC стремится разработать материалы CMC следующего поколения, которые будут работать при более высоких температурах, чем современные CMC, защитные покрытия для окружающей среды, а также передовые методы охлаждения и аэродинамики, позволяющие создавать новые конструкции компонентов и повышать их эффективность.

P&W и FAA обязались инвестировать в общей сложности 50 млн долларов в исследования и разработки для разработки бесшумного вентилятора двигателя и передовой технологии сгорания, предназначенной для снижения шума, выбросов и расхода топлива в рамках третьего этапа инициативы FAA по непрерывному снижению энергии, выбросов и шума (CLEEN III). 

Rolls-Royce ультравентиляторный двигатель

В настоящее время Rolls-Royce строит первый демонстрационный двигатель в Дерби для своей усовершенствованной турбовентиляторной программы UltraFan, и в следующем году демонстратор впервые будет полностью управляться SAF. По данным R-R, ультравентилятор обеспечит 25 % улучшение сжигания топлива по сравнению с первым Trent; 40 % снижение содержания NOx; и снижение шума до 35 процентов. Это позволит производить по крайней мере на 50 % уменьшить нелетучих твёрдых частиц в аэропортах и почти нулевой nvPM в круизе.

OEM разработал ультравентилятор для производства тяги от 25 000 до 100 000 фунтов. Он отличается новой архитектурой ядра двигателя, передовыми композитами с керамической матрицей и зацепленным дизайном. Ранее в этом году силовая коробка демонстратора установила новый мировой рекорд в 64 мегаватта во время испытаний на предприятии компании в Далевице, Германия.

Первый запуск демонстратора двигателей станет запоминающимся событием т.к. совершенно новая конструкция двигателя, работает на 100 % SAF с самого начала.

Rolls-Royce участвует в работах с электрифицированным двигателем для таких проектов, как малые винтовые самолёты, воздушные такси, пригородные и региональные самолёты. Его электрические двигательные установки варьируются от киловаттной мощности до мегаваттной мощности, OEM часто работает с начинающими компаниями, чтобы обеспечить сильное присутствие в быстро развивающемся секторе.

Один пример – Accel, стремится установить рекорд скорости полета для самолёта с электрическим приводом. R-R разработала аккумуляторную систему с британским запуском электрофлайта, чтобы служить потенциальной силовой и двигательной установкой для конструкторов чистых и гибридных электрических самолётов.

Производитель двигателей также участвует в широком спектре междугородних и внутригородских программ в классе киловатт и гибридных электрических программ, включающих газовые турбины. Они включают в себя систему выработки электроэнергии мощностью 2.5 мегаватта, которая в настоящее время проходит испытания в Бристоле. Способный питать будущие региональные самолёты с гибридной электротехникой, PGS 1 работает с турбовинтовым двигателем Rolls-Royce AE2100, типом двигателя на Lockheed C-130J. По данным Rolls-Royce, PGS 1 также будет питать более крупный электрический самолёт.

R-R также продолжает исследования в области двигательной установки на основе водорода для малых и региональных самолётов. Хотя водород не легко поддаётся применению в качестве простого топлива, его жизнеспособность, скорее всего, связана с его плотностью мощности в качестве топливного элемента вместо батареи или в качестве топлива, сжигаемого в газовой турбине – в этом случае единственным выбросом будет водяной пар.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.