Пропфан - Propfan
Часть серии о |
Двигательная установка самолета |
---|
Вал двигателя : приводные гребные винты , роторы , канальные вентиляторы или винтовентиляторов |
Двигатели реакции |
Винтовентилятор , также называемый открытый ротор двигателя , или unducted вентилятор (в противоположность импеллер ), является типом двигателя летательного аппарата , связанного в концепции как турбовинтовой и турбовентиляторных , но отличаются от обоих. Конструкция предназначена для обеспечения скорости и производительности турбовентиляторного двигателя с экономией топлива турбовинтового двигателя. Пропускной вентилятор обычно имеет большое количество коротких сильно закрученных лопастей, подобных байпасному компрессору турбореактивного двигателя (самому вентилятору). По этой причине проповентилятор по-разному описывается как «вентилятор без контура» (UDF) или «турбовентилятор со сверхвысоким байпасом (UHB)».
Определение
В 1970-х годах компания Hamilton Standard описывала свой винтовой вентилятор как « высоконагруженный многолопастной движитель с переменным шагом небольшого диаметра, имеющий стреловидные лопасти с тонкими продвинутыми аэродинамическими секциями, интегрированный с гондолой, имеющей форму, препятствующую прохождению воздушного потока через лопасти, тем самым снижая потери на сжимаемость и предназначенную для работать с газотурбинным двигателем и с использованием одноступенчатого редуктора, что обеспечивает высокую производительность ». В 1982 году еженедельный авиационный журнал Flight International определил гребной вентилятор как пропеллер с 8–10 лопастями высокой стреловидности, который двигался со скоростью 390–480 узлов. (450–550 миль в час; 720–890 километров в час), хотя его определение появилось несколько лет спустя с появлением винтовых вентиляторов встречного вращения .
В 1986 году британский производитель двигателей Rolls-Royce использовал термин « открытый ротор» как синоним первоначального значения «винтовой вентилятор». Это действие было направлено на выделение типа винтового двигателя из ряда предложений по воздуховоду в то время, в названии которых был проп-вентилятор . К 2000-м годам открытый ротор (OR) стал предпочтительным термином для технологии проп-вентилятора в исследованиях и новостях, при этом открытый ротор встречного вращения (CROR) также иногда использовался для различения между винтами одиночного вращения. По состоянию на 2015 год Европейское агентство по авиационной безопасности (EASA) определило открытый ротор конкретно (но в целом) как « ступень вентилятора газотурбинного двигателя, не заключенную в кожух»; напротив, у нее было только рабочее определение открытого ротора. двигатель (более широко используемый термин для винтовентилятора в 21 - м веке), назвав его « газотурбинный двигатель с участием вращающихся в противоположных направлениях ступени вентилятора не заключен внутри обсадной трубы. » двигатель использует газовую турбину для приведения в действие unshrouded (открытый) противоположного вращения винт похож на турбовинтовой, но конструкция самого винта более тесно связана с конструкцией турбины, и оба они сертифицированы как единое целое.
Эль-Сайед различает турбовинтовые двигатели и гребные вентиляторы по 11 различным критериям, включая количество лопастей, форму лопастей, скорость кончика, коэффициент обхода , число Маха и крейсерскую высоту .
История
Примерно через десять лет после того, как немецкие аэрокосмические инженеры начали изучать идею использования стреловидных крыльев для уменьшения лобового сопротивления самолетов с околозвуковой скоростью, компания Hamilton Standard в 1940-х годах попыталась применить аналогичную концепцию к гребным винтам двигателей. Он создал лопасти гребного винта с большой стреловидностью и сверхзвуковой скоростью на конце, так что двигатели с открытыми гребными винтами могли приводить самолет в движение до скоростей и крейсерских высот, достигаемых только новыми турбореактивными и турбовентиляторными двигателями. Ранние испытания этих лопастей выявили неразрешимые на тот момент проблемы флаттера лопастей и напряжения лопастей, а высокий уровень шума считался еще одним препятствием. Популярность турбореактивных двигателей и турбовентиляторных двигателей ограничила исследования в области гребных винтов, но к 1960-м годам интерес возрос, когда исследования показали, что открытый пропеллер, приводимый в движение газовой турбиной, может приводить в движение авиалайнер, летящий со скоростью 0,7–0,8 Маха на высоте 35000 футов. (11000 метров). Термин пропфан появился именно в этот период.
Одним из первых двигателей, который напоминал концепцию винтового вентилятора, был Metrovick F.5 мощностью 4710 фунтов силы (21,0 килоньютон) , который имел два вентилятора противоположного вращения - 14 лопастей в переднем (переднем) и 12 в заднем (заднем) лопастях. ) вентилятор - в задней части двигателя и впервые был запущен в 1946 году. Лопасти, однако, в основном были не погнутыми. Другие винтовые двигатели встречного вращения, которые были установлены 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 высокоскоростном военном бомбардировщике Ту-95 Медведь и Антонов Ан. -22 военно-транспортный самолет и двигатели Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (оба подключены к единственному набору соосных винтов противоположного вращения) на британском противолодочном самолете Fairey Gannet . Обе установки имели по четыре в значительной степени нечетких лопастей в переднем винте и в заднем гребном винте.
1970–1980 годы
Когда нефтяной кризис 1973 года привел к резкому скачку цен на нефть в начале 1970-х, интерес к проп-вентиляторам резко возрос, и исследования, финансируемые НАСА, начали ускоряться. Концепция пропульсоров была изложена Карлом Рорбахом и Брюсом Мецгером из подразделения Hamilton Standard компании United Technologies в 1975 году и была запатентована Рорбахом и Робертом Корнеллом из Hamilton Standard в 1979 году. Позднее компания General Electric разработала аналогичные пропульсоры, назвав их безвентиляторным вентилятором. представлял собой модифицированный турбовентиляторный двигатель, в котором вентилятор располагался снаружи гондолы двигателя на той же оси, что и лопасти компрессора .
В эту эпоху проблемы с пропеллером стали решаемы. Были достигнуты успехи в конструкционных материалах, таких как металлический титан, графит и композиты из стекловолокна, пропитанные смолой . Эти материалы заменили алюминий и сталь в конструкции лезвия, что позволило сделать лезвия более тонкими и прочными. Компьютерный дизайн также был полезен для уточнения характеристик клинка. Поскольку лопасти изгибаются и отклоняются при более высокой нагрузке и центробежной силе , первоначальные конструкции должны были основываться на форме в движении. Затем с помощью компьютеров разработчики лезвий работали в обратном направлении, чтобы найти оптимальную форму без нагрузки для производственных целей.
Программы летных испытаний
Hamilton Standard, единственный крупный американский производитель воздушных винтов, разработал концепцию гребного вентилятора в начале 1970-х годов. Компания Hamilton Standard протестировала множество вариантов совместно с НАСА .
В рамках программы оценки испытаний пропфана (PTA) компания Lockheed-Georgia предложила модифицировать Gulfstream II, чтобы он действовал в качестве испытательного стенда для концепции пропфана, в то время как Макдоннелл Дуглас предложил модифицировать DC-9 для той же цели. НАСА выбрало предложение Lockheed . У DC-9 к левому крылу была добавлена гондола, содержащая турбовинтовой двигатель Allison 570 мощностью 6000 лошадиных сил (4500 киловатт) (полученный на основе турбовального двигателя XT701, разработанного для тяжелого грузоподъемного вертолета Boeing Vertol XCH-62 ). В двигателе использовался восьмилопастный винтовой вентилятор Hamilton Standard SR-7 диаметром 9 футов (2,7 метра; 110 дюймов; 270 сантиметров) с одним вращением. Испытательный двигатель, получивший название Allison 501-M78, имел номинальную тягу 9000 фунтов силы (40 кН). Впервые он был запущен в полет 28 марта 1987 года. В рамках обширной программы испытаний, которая обошлась в 56 миллионов долларов, было задействовано 73 полета и более 133 часов налета, прежде чем он завершился 25 марта 1988 года. Однако в 1989 году испытательный самолет возвращался в воздух с 3 по 14 апреля для измерения уровня шума от земли во время полета. После этого двигатель был удален, а позже в том же году самолет был преобразован в учебно-тренировочный космический корабль .
GE36 Unducted Вентилятор (UDF), из американского производителя двигателя General Electric (GE) с 35-процентным участием французского партнера Snecma (теперь Safran ), был вариацией на оригинальной концепции винтовентилятора и напоминал толкатель конфигурации поршневого двигателя. UDF GE имел новую схему прямого привода, в которой редуктор был заменен тихоходной семиступенчатой свободной турбиной. Один набор роторов турбины приводил в движение передний набор гребных винтов, в то время как задний набор приводился в движение другим набором роторов, которые вращались в противоположном направлении. Турбина имела 14 рядов лопаток по семь ступеней. Каждый этап представлял собой пару рядов, вращающихся в противоположных направлениях. Авиаконструкторам, которые с 1950-х годов опасались проблемных коробок передач, понравилась безредукторная версия винтового вентилятора GE: Boeing намеревался предложить толкающий двигатель UDF GE на платформе 7J7 (крейсерская скорость которого должна была составлять 0,83 Маха ), а McDonnell Дуглас планировал поступить так же на своем авиалайнере MD-94X . GE36 прошел первые летные испытания, установленный на моторной станции № 3 Боинга 727-100 20 августа 1986 года. GE36 UDF для 7J7 планировалось иметь тягу 25 000 фунтов-силы (110 кН), но GE заявила что в целом его концепция UDF могла охватывать диапазон тяги от 9000 до 75000 фунтов силы (от 40 до 334 кН), так что двигатель UDF мог соответствовать или превосходить тягу CF6 , семейства широкофюзеляжных двигателей GE того времени.
McDonnell Douglas разработал пилотажный самолет, модифицируя свой MD-80 , принадлежащий компании , который подходит для винтовых вентиляторов из-за его двигателей, установленных в кормовой части фюзеляжа (как и его предок DC-9), в рамках подготовки к возможному использованию винтовых двигателей. Производные MD-91 и MD-92 и возможный самолет MD-94X с чистого листа. Они заменили левый ТРДД JT8D на GE36. Испытательные полеты начались в мае 1987 года, которые подтвердили летную годность, аэродинамические характеристики и шумовую характеристику конструкции. После первоначальных испытаний кабина первого класса была установлена внутри кормовой части фюзеляжа, и руководству авиакомпаний была предоставлена возможность лично испытать самолет с двигателем UDF. Испытательные и маркетинговые полеты демонстрационного самолета, оснащенного GE, завершились в 1988 году, продемонстрировав снижение расхода топлива на 30% по сравнению с MD-80 с турбовентилятором, полное соответствие стандарту Stage 3 и низкий уровень внутреннего шума / вибрации. GE36 будет иметь такую же тягу 25 000 фунтов силы (110 кН), что и MD-92X, но тот же двигатель будет уменьшен до 22 000 фунтов силы (98 кН) для меньшего MD-91X. MD-80 также успешно прошел летные испытания в апреле 1989 года с винтом 578-DX , прототипом от Allison Engine Company (в то время подразделением General Motors ), который также был заимствован из Allison XT701 и построен совместно с Hamilton. Стандартные пропеллеры. Программа двигателей была разработана совместно 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 гребного вентилятора. Из-за падения цен на авиакеросин и смещения маркетинговых приоритетов Дуглас отложил программу вентиляции в том же году.
Другие предлагаемые приложения
Среди других анонсов будущих авиалайнеров с воздушным двигателем:
- Fokker FXX, самолет Винтовентилятор питания 100-120 места , которое было изучено в 1982 году
- MPC-75 , 80-местный, Маха 0,76 крейсерской скорости, 1500 NMI диапазон (1700 миль; 2800 км) региональный самолет задуман Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) из Западной Германии и китайской корпорации Aero Technology экспорта / импорта ( CATIC); В качестве базовой силовой установки использовались два двигателя General Electric GE38 -B5 UDF с прямым приводом, развивающие 9644 и 2190 фунтов силы (4374 и 993 кгс; 42,90 и 9,74 кН) при статической тяге и крейсерском режиме с удельным расходом топлива (TSFC) 0,240 и 0,519 фунта / (фунт-сила-час) (6,8 и 14,7 г / (кН · с)), соответственно, через гребной вентилятор диаметром 85 дюймов (2,1 м) с 11 и 9 лопастями на гребных винтах встречного вращения; предлагается в качестве альтернативной силовой установки 14500 фунт - сила (6,600 кгс; 64 кН) статическая тяга, PW-Allison 501-M80E ориентирована винтовентилятора двигатель, который был получен из 501-M80C турбовальные , который был выбран , чтобы власти ВМС США «с Osprey Tiltrotor самолет; позже описал винтовой двигатель как двигатель с сердечником от T406 (военное обозначение силовой установки Osprey), содержащий винтовой вентилятор диаметром 108 (2,7 м), который обеспечивал тягу в крейсерском режиме 2450 фунтов-силы (1110 кгс; 10,9 кН). TSFC 0,51 фунт / (фунт-сила⋅ч) (14 г / (кН⋅с))
- ATR 92, крейсерская скорость 400 узлов (460 миль / ч; 740 км / ч), пяти- или шестиместный, 100-местный самолет от Avions de Transport Regional (ATR, совместное предприятие французской Aerospatiale и итальянской Aeritalia ) и испанской Construcciones Aeronáuticas SA (CASA), которая, возможно, будет оснащена UDF
- Aerospatiale AS.100, региональный самолет с дальностью полета 1 500 миль (1700 миль; 2800 км), крейсерской скоростью 0,74–0,78 Маха на высоте 30 000 футов (9 100 м) и вместимостью 80-100 кресел, что может быть приведен в ОДС или в винтовентилятора версии Allison T406 Tiltrotor двигателя
- ATRA-90 (Advanced Technology Regional Aircraft), самолет 83- до 115-местный с диапазоном 1,500-2,100 НМИ (1,700-2,400 мили; 2,800-3,900 км) и крейсерской скорости Mach 0.8 на 30000 футов (9100 м) над уровнем моря, которое должно было быть построено многонациональным совместным предприятием, состоящим из Industri Pesawat Terbang Nusantara ( IPTN ) из Индонезии, Boeing (США), MBB (Западная Германия) и Fokker (Нидерланды).
- Ту-334 , самолет 126 мест , которые могут ездить 1,860 NMI (2140 миль; 3450 км) с 11,430 кг полезной нагрузки (25200 фунтов; 11,43 т; 12,60-короткого т), который питается от двух Прогресс (также известный Лотарев) Д-236 с удельным расходом топлива 0,46 кг / кг тяги в час, крейсерской тягой 1,6 тс (3500 фунт-сил; 16 кН) и статической тягой от 8 до 9 тс (18000 кН). 20000 фунтов силы; от 78 до 88 кН)
- Илы-88 , преемник четыре турбовинтовой Ан-12 тактический транспортер , который будет оснащены два 11000 л.с. (8200 кВт) Прогресс Д-236 винтовентиляторы
- Ильюшин Ил-118, модернизированный четырехтактный авиалайнер Ильюшин Ил-18 ; предложенный в 1984 году, самолет будет оснащаться двумя винтами D-236, с восьмилопастным передним винтом на каждом двигателе, вращающемся со скоростью 1100 об / мин, и шестилопастным задним винтом, вращающимся со скоростью 1000 об / мин для снижения шума и вибрации.
- Антонов Ан-124 с модификацией двигателя , заменяющий четыре ТРДД " Прогресс Д-18Т" на тягу 55100 фунт-сила (245,2 кН) Кузнецов НК-62.
Отклонить
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. Для General Electric GE36 UDF должен был заменить ТРДД CFM56 с большим байпасом, который она производила с равным партнером Snecma на их совместном предприятии CFM International . В 1980-х годах этот двигатель изначально был неконкурентоспособным по сравнению с конкурирующим предложением International Aero Engines , IAE V2500 . В декабре 1986 года председатель Snecma заявил, что находящийся в разработке CFM56-5S2 будет последним ТРДД, созданным для семейства CFM56, и что « нет смысла тратить больше денег на ТРДД. UDF - это будущее». Однако в 1987 году у V2500 возникли технические проблемы, и продажи CFM56 значительно возросли. General Electric потеряла интерес к тому, чтобы GE36 поглотил CFM56, что произошло за пять лет до того, как в 1979 году был получен первый заказ, и хотя «UDF можно было сделать надежным по более ранним стандартам, турбовентиляторные двигатели становились намного, намного лучше». General Electric добавила технологию лопастей UDF непосредственно в GE90 , самый мощный из когда-либо произведенных реактивных двигателей для Boeing 777 .
1990-е годы
В начале 1990-х годов Советский Союз / Россия провели летные испытания Прогресс Д-236 , редукторного винтового двигателя встречного вращения на основе турбовентиляторного двигателя Прогресс Д-36 с восемью лопастями на переднем винте и шестью лопастями. лопасти на заднем винте. Один испытательный стенд представлял собой винтовой вентилятор мощностью 10 100 л.с. (7500 кВт), установленный на Ил-76 Ил-76 и использовавшийся для участия в авиашоу в Ганновере ILA 90, который предназначался для неопознанного самолета с четырьмя двигателями. Д-236 налетал 36 раз, в общей сложности 70 летных часов на Ил-76. Другой испытательный стенд представлял собой установку мощностью 10 990 л.с. (8 195 кВт), 14 футов (4,2 м; 170 дюймов; 420 см), установленную на Яковлев Як-42 E-LL и отправленную на Парижский авиасалон 1991 года в качестве демонстрации запланированного Самолет Як-46 с двумя двухвентиляторными двигателями, который в базовой 150-местной версии будет иметь 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) (0,75 Маха). Советы утверждали, что D-236 имел истинную аэродинамическую эффективность 28 процентов и экономию топлива на 30 процентов по сравнению с аналогичным турбовинтовым двигателем . Они также раскрыли планы по выпуску винтовых вентиляторов с номинальной мощностью 14 100 и 30 200 л.с. (10 500 и 22 500 кВт).
Как и у "Прогресс Д-236", более мощный винтовой двигатель " Прогресс Д-27 " представляет собой винтовой вентилятор встречного вращения с восемью передними и шестью задними лопастями, но Д-27 имеет усовершенствованные композитные лопасти с уменьшенным отношением толщины к хорде и более выраженная кривизна на передней кромке . Двигатель, который был запущен в 1985 году, D-27 развивает мощность 14 000 л.с. (10440 кВт) и тягу на взлете 27 000 фунт-сил (119 кН). Два установленных в задней части винта Д-27 приводили в движение украинский Антонов Ан-180 , первый полет которого планировался в 1995 году и должен был быть принят на вооружение в 1997 году. В январе 1994 года Антонов представил первый прототип военно-транспортного самолета Ан-70 , оснащенный четырьмя «Прогрессами» Д-27, прикрепленными к крыльям, установленным в верхней части фюзеляжа. В 2003 году ВВС России разместили заказ на 164 самолета , который позже был отменен. По состоянию на 2013 год у Ан-70 все еще считалось многообещающее будущее как грузового самолета. Однако, поскольку винтовой компонент "Прогресс Д-27" производится российской SPE " Аэросила" , Ан-70 был загнан в тупик из- за политического конфликта Украины с Россией . Вместо этого Антонов начал работать с Турцией в 2018 году над переоборудованием Ан-70 в Ан-77 с ребрендингом , чтобы самолет мог соответствовать современным требованиям без участия российского поставщика.
Двадцать первый век
В первое десятилетие XXI века рост цен на реактивное топливо усилил акцент на эффективности двигателей / планера с целью сокращения выбросов, что возродило интерес к концепции винтовых двигателей для авиалайнеров, помимо Boeing 787 и Airbus A350 XWB. Например, Airbus запатентовал конструкции самолетов с двумя установленными в задней части воздушными винтами встречного вращения. У Rolls-Royce задняя конфигурация (толкатель) RB.509-11 и передняя (тягач) конфигурация гребного винта с редуктором RB.509-14, которые создавали тягу 15 000–25 000 фунтов силы (6800–11 300 кгс; 67–111 кН) с использованием двигателя. газогенератор от его двигателя XG-40 мощностью на валу 13000 л.с. (9700 кВт). В 1980-х годах он стал равнодушно относиться к технологии винтовых двигателей, хотя разработал конструкцию с открытым ротором, которая, как считалось, стала финалистом для узкофюзеляжного самолета Иркут МС-21 . Двигатель Rolls-Royce RB3011 будет иметь диаметр около 170 дюймов (430 см; 14 футов; 4,3 м) и потребует коробки передач мощностью 16 000 л.с. (12 000 кВт) .
Европейская комиссия приступила к демонстрации открытого ротора в 2008 году во главе с Safran в рамках Clean Sky программы , финансируемой за 65 миллионов евро в течение восьми лет. Демонстрационный образец был собран в 2015 году и испытан на земле в мае 2017 года на его испытательном стенде под открытым небом в Истресе с целью снижения расхода топлива и связанных с ним выбросов CO 2 на 30% по сравнению с нынешними турбовентиляторными двигателями CFM56 . После завершения наземных испытаний в конце 2017 года редукторный двигатель с открытым ротором Safran достиг уровня технологической готовности 5. Двенадцатилопастный передний винт и десять лопастей задний винт демонстратора 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, основанный на ядре двигателя военного истребителя Snecma M88 , потребляет до 12 200 лошадиных сил (9 мегаватт), обеспечивает тягу около 22 000 фунтов силы (100 кН) и будет двигаться со скоростью 0,75 Маха. Однако будущий двигатель Safran с открытым ротором будет иметь максимальный диаметр почти 14,8 футов (4,50 м; 177 дюймов; 450 см).
В 2007 году "Прогресс Д-27" был успешно модернизирован для соответствия требованиям 4-го этапа Федерального авиационного управления США (FAA), которые соответствуют стандартам главы 4 Международной организации гражданской авиации (ИКАО). Торговое исследование 2012 года показало, что шум от винтовых вентиляторов будет на 10–13 децибел тише, чем разрешено правилами Этапа 4. Пределы шума на этапе 5 уменьшают ограничения всего на семь эффективных децибел воспринимаемого шума ( EPNdB ) в пределах шумовой огибающей вентилятора. В исследовании также прогнозировалось, что открытые роторы будут на девять процентов более экономичными, но останутся на 10–12 децибел громче, чем турбовентиляторные двигатели. Snecma заявила, что ее винтовые двигатели будут иметь примерно такой же уровень шума, как и ее турбовентиляторный двигатель CFM LEAP .
В 2021 году компания CFM объявила о своей программе разработки революционных инноваций для экологически чистых двигателей (RISE) по производству одноступенчатого винтового вентилятора с зубчатым приводом в паре с активными статорами в съемнике / тракторе; летные испытания должны начаться к 2025 году. превзойти в диаметре. Ожидается, что двигатель будет производить 20 000-35 000 фунтов. тяги с увеличением топливной экономичности на 20%. Компания заявила, что ее мотивацией был глобальный акцент на сокращении выбросов. Предполагалось, что двигатель будет работать как на водороде, так и на экологически чистом авиационном топливе. Ожидалось, что двигатель будет включать в себя компактный сердечник высокого давления и систему рекуперации для предварительного нагрева воздуха для горения за счет тепла выхлопных газов, а также композитные материалы с керамической матрицей в горячей секции и лопасти вентилятора из композитных материалов, отлитых из смолы. Помимо ротора, конструкция включает невращающийся набор лопаток статора с регулируемым шагом, которые действуют как лопатки для восстановления потока. Конструкция увеличивает степень сжатия вентилятора и снижает нагрузку на ротор, увеличивая скорость полета. Ступень вентилятора должна приводиться в действие высокоскоростным дожимным компрессором и высокоскоростным передним редуктором с приводом от вала низкого давления. Этот двигатель планируется сертифицировать как «интегрированный двигатель» вместо традиционного «пропеллер / двигатель» из-за сложности интеграции в планер.
Вызовы
Конструкция клинка
Турбовинтовые двигатели имеют оптимальную скорость ниже примерно 450 миль в час (390 узлов; 720 км / ч), потому что винты теряют эффективность на высокой скорости из-за эффекта, известного как волновое сопротивление, которое возникает чуть ниже сверхзвуковых скоростей. Это мощное сопротивление возникает внезапно, что привело к появлению концепции звукового барьера, впервые обнаруженной в 1940-х годах. Этот эффект может произойти, когда пропеллер вращается достаточно быстро, чтобы кончики лопастей приближались к скорости звука.
Самый эффективный способ решить эту проблему - добавить к гребному винту лопасти, которые позволят ему выдавать больше мощности при более низкой скорости вращения. Вот почему многие конструкции истребителей времен Второй мировой войны начинались с двух или трехлопастных винтов, но к концу войны использовали до пяти лопастей; поскольку двигатели были модернизированы, потребовались новые гребные винты для более эффективного преобразования этой мощности. Добавление лопастей затрудняет балансировку и обслуживание гребного винта, а дополнительные лопасти вызывают незначительные потери производительности из-за проблем с сопротивлением и эффективностью. Но даже с такими мерами, в конечном итоге, прямая скорость самолета в сочетании со скоростью вращения кончиков лопастей винта (вместе известная как скорость винтовой вершины) снова приведет к проблемам волнового сопротивления. Для большинства самолетов это будет происходить на скорости более 450 миль в час (390 узлов; 720 км / ч).
В 1935 году немецкие исследователи открыли метод уменьшения волнового сопротивления - движение крыла 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 все больше смещается назад к внешней стороне, что приводит к изогнутой форме, подобной ятагану - практика, которая впервые использовалась еще в 1909 году. в двухлопастном воздушном винте Chauvière, используемом на Blériot XI . (У основания лопасти лопасть фактически смещается вперед в направлении вращения, чтобы противодействовать скручиванию, создаваемому кончиками лопастей с обратной стреловидностью.) Испытательный вентилятор Hamilton Standard постепенно смещался до максимума в 39 градусов на концах лопасти. , позволяя гребному вентилятору создавать тягу, даже если винтовая скорость лопастей была около 1,15 Маха.
Лопасти GE36 UDF и 578-DX имеют максимальную конечную скорость вращения около 750–800 футов / с (230–240 м / с; 510–550 миль / ч; 820–880 км / ч), или около половины. максимальная конечная скорость лопастей воздушного винта обычного ТРДД. Эта максимальная скорость конца лопасти будет оставаться постоянной, несмотря на более широкий или более узкий диаметр гребного винта (что приведет к уменьшению или увеличению числа оборотов в минуту, соответственно).
Сопротивление также можно уменьшить, сделав лопасти тоньше, что увеличивает скорость, которую они могут развивать, прежде чем воздух перед ними станет сжимаемым и вызовет ударные волны. Например, лопасти винта Hamilton Standard для испытаний имели отношение толщины к хорде, которое уменьшалось от менее 20% на стыке вертушки до 2% на концах и 4% в середине пролета. Лопасти пропеллера имели примерно половину отношения толщины к хорде лучших традиционных лопастей пропеллера той эпохи, утончались до бритвенной остроты по краям и весили всего 20 фунтов (9,1 кг). (Двигатель GE36 UDF, который тестировался на Boeing 727, имел передние и задние лопасти весом 22,5 и 21,5 фунта (10,2 и 9,8 кг) каждая.)
Шум
Одна из основных проблем винтового вентилятора - это шум. Исследования винтовых вентиляторов в 1980-х годах открыли способы снижения шума, но за счет снижения топливной эффективности, уменьшая некоторые преимущества гребных вентиляторов.
Общие методы снижения шума включают в себя снижение скорости режущей кромки и уменьшение нагрузки на лопасть или количества осевого усилия на единицу площади поверхности лопасти. В концепции, аналогичной нагрузке на крыло, нагрузку на лопасти можно уменьшить за счет снижения требований к осевой тяги или увеличения количества, ширины и / или длины лопастей. Для винтовых вентиляторов встречного вращения, которые могут быть громче турбовинтовых или одноповоротных гребных вентиляторов, шум также можно снизить за счет:
- увеличение зазора между винтами;
- длина лопастей заднего гребного винта должна быть короче, чем длина лопастей переднего гребного винта, чтобы лопасти заднего гребного винта не прорезали завихрения на концах лопастей переднего гребного винта ( взаимодействие между лопастями и вихрями );
- использование разного количества лопастей на двух гребных винтах, чтобы избежать акустического усиления; а также
- вращение переднего и заднего гребных винтов с разной скоростью, также для предотвращения акустического усиления.
Общественный шум
Производители двигателей ожидают, что реализации винтовых вентиляторов будут соответствовать общественным нормам (в отличие от кабины) по шуму без ущерба для повышения эффективности. Некоторые думают, что винтовые вентиляторы потенциально могут оказывать меньшее влияние на население, чем турбовентиляторы, учитывая их более низкие скорости вращения. Редукторные винтовые вентиляторы должны иметь преимущество перед невыключенными винтами по той же причине.
В 2007 году «Прогресс D-27» был успешно модифицирован для соответствия требованиям этапа 4 Федерального авиационного управления США (FAA), которые соответствуют стандартам главы 4 Международной организации гражданской авиации (ИКАО), и были приняты в 2006 году. что шум от существующей технологии с открытым ротором будет на 10–13 децибел тише, чем максимальный уровень шума, разрешенный правилами Этапа 4; более новые пределы шума этапа 5 (которые заменили правила этапа 4 для более крупных самолетов в 2018 году и отражали стандарт шума главы 14 ИКАО, установленный в 2014 году) являются более строгими, чем требование этапа 4, всего на семь эффективных децибел воспринимаемого шума ( EPNdB ), поэтому Стандарты Stage 5 не должны препятствовать существующей технологии пропвентиляторов. В исследовании также прогнозировалось, что при существующем уровне технологий открытые роторы будут на девять процентов более экономичными, но останутся на 10–12 децибел громче, чем турбовентиляторные двигатели. Однако Snecma утверждает, что испытания с открытым ротором показывают, что ее двигатели с воздушным вентилятором будут иметь примерно такой же уровень шума, как и турбовентиляторный двигатель CFM LEAP , который был введен в эксплуатацию в 2016 году.
Дальнейшее сокращение может быть достигнуто путем изменения конструкции самолета для защиты от шума от земли. Например, другое исследование показало, что если бы двигатели с воздушными вентиляторами использовались для питания самолета с гибридным крылом вместо обычного самолета с трубчатым крылом, уровень шума можно было бы снизить на целых 38 EPNдБ по сравнению с требованиями главы 4 ИКАО. В 2007 году британская бюджетная авиакомпания easyJet представила концепцию ecoJet - самолета на 150–250 мест с V-образными двигателями с открытым ротором, соединенными с задней частью фюзеляжа и защищенными U-образным хвостовым оперением. Он безуспешно инициировал переговоры с Airbus, Boeing и Rolls-Royce о производстве самолета.
Размер
Для двухмоторного самолета, перевозящего 100–150 пассажиров, потребуется винтовой вентилятор диаметром 120–168 дюймов (300–430 см; 10,0–14,0 футов; 3,0–4,3 м) и винтовой вентилятор с диаметром пропеллера 236 дюймов (600 см; 19,7 фута (6,0 м) теоретически создавали бы тягу почти 60000 фунтов-силы (270 кН). Эти размеры обеспечивают желаемый высокий коэффициент двухконтурности, превышающий 30, но они примерно в два раза больше диаметра турбовентиляторных двигателей эквивалентной мощности. По этой причине авиаконструкторы обычно проектируют оперение с Т-образным хвостовым оперением для аэродинамических целей, а 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 стороной фюзеляжа. Если винты установлены на крыльях, крылья будут прикреплены к самолету в конфигурации с высоким крылом , что обеспечивает дорожный просвет, не требуя чрезмерно длинного шасси . Для того же количества мощности или тяги вентилятор без вентилятора требует более коротких лопастей, чем винтовой вентилятор с редуктором, хотя общие проблемы с установкой все еще остаются актуальными.
Выходной рейтинг
Турбовинтовые и большинство гребных вентиляторов оцениваются по величине производимой ими мощности на валу (л.с.), в отличие от ТРДД и типа UDF, которые оцениваются по величине создаваемой ими тяги . Правило является то , что на уровне моря со статическим двигателем, 1 мощность на валу (750 Вт) примерно эквивалентно 2 фунта-силы (8,9 Н) тяги, но на крейсерской высоте, что изменения в приблизительно 1 фунт-силы (4,4 N) тяга. Это означает, что два двигателя с тягой 25 000 фунтов силы (110 кН) теоретически можно заменить парой гребных вентиляторов мощностью 12 000–13 000 л.с. (8 900–9 700 кВт) или двумя гребными вентиляторами UDF с тягой 25 000 фунтов силы (110 кН).
Самолет с винтами
Смотрите также
Сопоставимые двигатели
Связанные списки
использованная литература
Общие ресурсы
- Концепции двигателя пропульсивного вентилятора: обзор технологий, методология проектирования, современные конструкции и перспективы на будущее. Раймонд Скотт Сишек. Департамент машиностроения и аэрокосмической техники Университета Вирджинии. Старший дипломный проект. 25 марта 2002 г.
Библиография
- Дюбуа, Тьерри; Уорик, Грэм (9–22 января 2017 г.). «Последний из CROR: Safran собирается испытать двигатель с открытым ротором, вращающимся в противоположных направлениях, несмотря на то, что его привлекательность становится все меньше». Продвинутая силовая установка. Авиационная неделя и космические технологии . Vol. 179 нет. 1. Лион, Франция и Вашингтон, округ Колумбия, США. п. 54. OCLC 969306167 .
- Кинни, Джереми Р. (2017). «4: В поисках пропульсивной эффективности, 1976–1989» (PDF) . Мощность для полета: вклад НАСА в двигательную установку самолета . Серия книг НАСА по аэронавтике. 631 . С. 114–125. ЛВП : 2060/20180003207 . ISBN 9781626830370. OCLC 990183146 . Выложите резюме .
- Уведомление о предлагаемой поправке (NPA) 2015-22: Двигатель и установка с открытым ротором (PDF) , Европейское агентство по авиационной безопасности , 21 декабря 2015 г., архивировано (PDF) из оригинала 25 августа 2018 г. , получено 28 марта 2019 г.
- Халид, С. Ариф; Лурье, Дэвид; Бриз-Стрингфеллоу, Эндрю; Вуд, Тревор; Рамакришнан, Кишор; Палиат, Умеш; Войно, Джон; Джанардан, Бангалор; Гериг, Тревор; Опальский, Энтони; Барретт, Джек (май 2013 г.). "Непатентованный отчет по аэроакустической технологии открытого ротора FAA CLEEN" (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации . General Electric. Архивировано 8 июля 2018 года (PDF) . Проверено 8 июля 2018 .
- Конильо, Серджио (февраль 2010 г.). «Силовая установка военного самолета: Реактивные самолеты против реквизита». Военная техника (МИЛТЕХ) . Vol. 34 нет. 2. Mönch Publishing Group. С. 77–84. ISSN 0722-3226 . OCLC 527912380 .
- Боулз, Марк (2010). «Усовершенствованные турбовинтовые двигатели и ламинарный поток» (PDF) . Аполлон воздухоплавания: программа НАСА по энергоэффективности самолетов, 1973–1987 годы . НАСА-СП. 2009–574. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. С. 122–136. hdl : 2060/20110011568 . ISBN 9780160842955. OCLC 465190382 . Проверено 25 сентября 2018 года . Выложите резюме .
- Дойл, Эндрю (6 октября 2009 г.). «Открытый ротор: как это работает?» . Международный рейс . Лондон, Англия, Великобритания. ISSN 0015-3710 .
- Тернер, Эме (23 марта 2009 г.). «Назад в аэродинамическую трубу» . Международный рейс . Лондон, Англия , Великобритания.
- «ЕС исследует более чистые самолеты» . Авиашоу в Фарнборо . AINonline . 24 июля 2008 г.
- Боулз, Марк Д .; Доусон, Вирджиния П. (1998). «Глава 14: Усовершенствованный турбовинтовой проект: радикальные инновации в консервативной среде» . В Мак, Памела (ред.). От инженерной науки к большой науке: победители исследовательских проектов NACA и NASA Collier Trophy . НАСА-СП. 4219 . С. 321–343. ЛВП : 2060/20000012419 . ISBN 978-0-16-049640-0. OCLC 757401658 . Проверено 25 сентября 2018 года . Выложите резюме .
- Кузнецов Н.Д. (28–30 июня 1993 г.). Проповентиляторные двигатели . Совместная двигательная конференция и выставка (29-е изд.). Монтерей, Калифорния, США. DOI : 10.2514 / 6.1993-1981 .
- Kuntz, HL; Gatineau, RJ; Прюдз, РА; Balena, FJ (октябрь 1991 г.). Разработка и испытание акустических резонаторов боковых стенок салона для снижения уровня тона салона ВС с воздушными вентиляторами (Отчет). ЛВП : 2060/19920004539 . OCLC 976747507 . Выложите резюме .
- Kuntz, HL; Гатино, Р. Дж. (Май 1991 г.). Лабораторные испытания и акустический анализ обработки салона самолета Propfan Test Assessment (Отчет). OCLC 27904451 . Выложите резюме .
- Агентство по охране окружающей среды США (EPA) (август 1990 г.). Предварительная оценка технологических затрат имеющихся мер по сокращению выбросов парниковых газов в США к 2010 г. (Отчет). Приложение D. Записка Майкла Кавано о авиационном двигателе UDF.
- Постлетуэйт, Алан (18–24 апреля 1990 г.). «Открытие дверей: советская авиакосмическая промышленность находится в переходном периоде, так как сокращаются военные сокращения, и ее предприятия начинают производить товары народного потребления» . Международный рейс . С. 28–31.
- Литтл, BH; Польша, DT; Бартель, HW; Холка, СС; Браун, ПК (июль 1989 г.). Оценка испытания пропфана (PTA): Заключительный отчет по проекту . НАСА-CR-185138. ЛВП : 2060/19900002423 . OCLC 891598373 . Выложите резюме .
- Литтл, BH; Ствол, HW; Редди, штат Нью-Йорк; Swift, G .; Холка, СС; Браун, ПК (апрель 1989 г.). Оценка испытаний вентилятора (PTA): Отчет о летных испытаниях . НАСА-CR-182278. ЛВП : 2060/19900002422 . OCLC 57716217 . Выложите резюме .
- «Дуглас сдерживает запуск проп-вентилятора» (PDF) . Международный рейс . Vol. 134 нет. 4127. 20 августа 1988 г. с. 12.
- ДеДжордж, CL (1988). Крупномасштабный продвинутый винтовой вентилятор (LAP): Заключительный отчет . НАСА-CR-182112. hdl : 2060/19880010922 . OCLC 23092598 . Выложите резюме .
- Хагер, Рой В .; Врабель, Дебора (1988). Продвинутый турбовинтовой проект . НАСА SP-495. Исследовательский центр Льюиса, Кливленд, Огайо: Отдел научно-технической информации Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). ЛВП : 2060/19890003194 . OCLC 17508419 . Архивировано 13 марта 2017 года (PDF) . Проверено 2 февраля 2019 года . Выложите резюме .
- GE Aircraft Engines (декабрь 1987 г.). Полномасштабная технологическая демонстрация концепции современного двигателя без вентилятора, вращающегося в противоположных направлениях. Отчет о дизайне . ЛВП : 2060/19900000732 . OCLC 1013402936 - через Интернет-архив. Выложите резюме .
- Донн, Майкл (5 сентября 1986 г.). «Новые авиадвигатели: путь к более дешевым полетам» . Financial Times . Фарнборо, Англия, Великобритания. п. 20.
- Моксон, Джулиан (24 мая 1986 г.). «После больших ТРДД» . Гражданская Г. Международный рейс . Vol. 129 нет. 4012. С. 32, 34. ISSN 0015-3710 .
- Скипп, Питер (14 декабря 1985 г.). «Туполев и новое поколение: Алексей Туполев с нетерпением ждет замены Ту-154, наиболее широко используемого в СССР реактивного авиалайнера малой и средней дальности. много лет вперед " . Международный рейс . С. 30–31.
- Whitlow, JB, Jr; Сиверс, Г.К. (10–11 сентября 1984 г.). Потенциал экономии топлива передовой турбовинтовой программой НАСА . Симпозиум по экономии авиационного топлива. Федеральное авиационное управление (FAA) . Вашингтон, округ Колумбия, США. ЛВП : 2060/19840021809 . OCLC 11694598 . Выложите резюме .
- «Советские конструкторы смотрят в будущее» . Международный рейс . 13 февраля 1982 г. с. 335.
- Моксон, Джулиан (16 января 1982 г.). "Пропфан: Пропеллер для замены реактивных двигателей?" . Международный рейс . Виндзор Локс, Коннектикут, США. С. 112–114. ISSN 0015-3710 .
- Голдсмит, И.М. (февраль 1981 г.). Исследование по определению требований к исследованиям и технологиям для перспективных транспортных самолетов с турбовентилятором . НАСА-CR-166138. hdl : 2060/19820010328 . Выложите резюме .
внешние ссылки
- Пропускной вентилятор переменного шага . NASA Lewis Educational TV (Телевидение). 1987 г.
- «Коллекция архивов Кейта Генри: исследования по снижению шума и движению винтового вентилятора» . Культурные ресурсы НАСА (CRGIS) . 3 февраля 2016 . Проверено 25 апреля 2019 года .
- Агилар, Гектор; Хаан, Леон де; Knuyt, Джерри; Ньювендейк, Лиза (декабрь 2017 г.). «Проповентилятор, альтернатива турбовентиляторным двигателям. Учет технических характеристик винтового вентилятора» (PDF) . AviationFacts.eu . Авиационная академия Амстердамского университета прикладных наук (AUAS). Архивировано 9 октября 2018 года (PDF) . Проверено 9 октября 2018 .
- Норрис, Гай (12 июня 2007 г.). "Зеленое мышление неба - углеродные кредиты и возвращение пропфантера?" . Международный рейс . ISSN 0015-3710 . Архивировано 21 июня 2007 года . Проверено 28 января 2019 года .
- Сандру, Майк (27 октября 2008 г.). «Новый реактивный двигатель с открытым ротором, способный снизить расход топлива» . Зеленый оптимистичный . Архивировано 17 декабря 2018 года . Проверено 28 января 2019 года .
- Норрис, Гай (25 июня 2021 г.). «Эволюционный след двигателя с открытым вентилятором» . Aviationweek.com . Проверено 28 июня 2021 .