Kraków 9.03.2017r.

 

An aircraft engine. Part 24

 

Silniki lotnicze UDF

 

       Świat jest tak zbudowany, że najpierw jest przyczyna, a potem skutek. W 1948 roku na Bliskim Wschodzie powstało nowe państwo – Izrael. Działo się to pod czujnym okiem Europy Zachodniej, USA i państwa moskiewskiego. Wcześniej lub później musiało to doprowadzić do powstania kotła bliskowschodniego, gdzie konflikty będą na porządku dziennym. Co jakiś czas dochodzi tam do krwawych wojen. Tak też było w 1973 roku. W efekcie tego konfliktu zostało nałożone embargo na ropę naftową. Embargo to spowodowało ogromny wzrost cen paliw w Europie, USA i Japonii. Najbardziej odbiło to się na transporcie lotniczym. Wzrosły ceny biletów, a w efekcie spadek liczby przewożonych pasażerów. Wielu przewoźnikom w oczy zarżało widmo bankructwa. Nauka zareagowała w tradycyjnie dla siebie sposób, czyli poszukiwaniem obniżenia zużycia paliwa przy zachowanych dotychczas osiągniętych parametrach. Więc nie do pomyślenia był powrót napędu śmigłowego w dużych samolotach komercyjnych. Silniki takie zużywałyby znacznie mniej paliwa niż silniki turboodrzutowe, jednak nie do pomyślenia byłby powrót do ponad dziesięcio-godzinnych przelotów nad Atlantykiem.

 

       Zaczęto zastanawiać się jak zmodyfikować zespoły napędowe, aby dalej utrzymać prędkość przelotową rzędu 900 km/h przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa. Należało zastosować nowe profile i materiały. W tym czasie najlepsze silniki dwuprzepływowe miały stosunek przepływu zimnego, do gorącego powietrza wynosiło 5:1, 6:1.

 

       Tak powstała idea określana na Zachodzie profan. Jest to skrót słów „propeller fan”, co w wolnym tłumaczeniu oznacza „śmigło wentylator”. Nieco później powstało określenie “un-ducted fan” – “nie kanałowe śmigło” lub „wentylator indukcyjny”, a w skrócie UDF. Ten skrót w tym artykule będzie pojawiał się wielokrotnie.

 

       Inicjatorem i pierwszym realizatorem idei „śmigło-wentylator” była firma Hamilton Standard. Znany na świecie producent śmigieł. Prace rozpoczęto w 1974 roku i zaraz zainteresowała się nimi agencja NASA, która w 1976 roku, przejęła całkowicie badania i finansowanie. Z czasem do programu przystąpiły firmy lotnicze Mc Donnell Douglas i Lockheed, producenci silników Pratt and Whitney i Allison oraz niektóre linie lotnicze.

 

       Firma Hamilton Standard żywiła nadzieję, że uzyska się sprawność śmigła 80 % przy prędkości Ma=0,8. Najpierw zbudowano trzy 8-łopatowe śmigło-wentylatory z końcówkami odpowiednio 0 stopni, 23 stopnie i 35 stopni. Następnie zbudowano dwa 10-łopatowe śmigło-wentylatory ze skosem na końcach 31 stopni i 48 stopni. Przeprowadzono testy. W ich wyniku potwierdzono wyraźną poprawę dla prędkości Ma=0,7, ale wyżej było gorzej. Droga była daleka, ale do pokonania.

 

       Testy wykazały, że końcówki śmigieł powinny poruszać się z prędkością Ma=1,15, by osiągnąć prędkość przelotową samolotu Ma=0,8. Dźwięki akustyczne emitowane przez śmigło-wentylator, wywoływały takie efekty, że na wskutek wibracji mogła nastąpić destrukcja osłon silnika, samych silników lub konstrukcji płatowca. To było niebezpiecznym zjawiskiem.

 

       Kolejnym problemem był wzrost naprężenia łopat większy niż w klasycznym śmigle, a to z uwagi na zakrzywiony kształt. U nasady takiej łopaty występują duże siły zginające. Te nowe zjawiska zmusiły do zastosowania nowych materiałów i technologi wykonania. W ich rezultacie firma Hamilton Standard była już w stanie zbudować efektywny śmigło-wentylator o średnicy 3,00 m.

 

       Testy wykazały także, że najlepszym miejscem dla nowego napędu jest tył kadłuba. Najlepszym pod względem oszczędności paliwa. Niestety ta lokalizacja sprzyja największym efektom destrukcji. Firma Lockheed zaczęła prowadzić badania nad zastosowaniem specjalnych wkładek izolacyjnych (tłumiących). To niestety zwiększa masę statku powietrznego.

 

       Badania potwierdziły również, że najkorzystniejszy jest układ dwóch śmigło-wentylatorów przeciwbieżnych.

 

       Prace Hamilton Standard i NASA posuwały się małymi krokami do przodu. Nie było spektakularnych przełomów. Pojawiające się problemy rozwiązywano powoli. Dopiero w 1981 roku, firma Hamilton Standard podpisała umowę na opracowanie i oblatanie w pełni sprawnej wersji silnika.

 

       Ponieważ kierunek rozwoju UDF wydawał się słuszny, w 1985 roku do prac przystąpiły kolejne firmy Pratt & Whitney i Allison, przedstawiając własny, wspólny projekty w których także zastosowano układy przeciwbieżnych śmigieł. Śmigła są napędzane od turbiny poprzez przekładnię stosowaną w napędach samolotów C-130 Hercules o stosunku przełożenia 13:1. łopaty śmigieł wykonywano z kompozytów, głównie węglowych. Silnik oznaczono Allison-P&W 578-DX.

 

Boeing i General Electric

 

       W 1981 roku, do programu typu UDF przystąpiła firma General Electric. Projekt firmy General Electric zaskoczył specjalistów z NASA. Zespół napędowy był większy, mocniejszy, a dodatkowo miał zostać sprawdzony w powietrzu wcześniej, bo już w 1986 roku. W 1983 roku, firma General Electric publicznie przedstawiła makietę silnika UDF. Silnik otrzymał dwa śmigło-wentylatory przeciwbieżne, o średnicy 3,60 m. Jego osnową jest silnik F-404 służący jako napęd samolotów bojowych F-18. Jednostka napędowa ma ciąg 1 x 111,20 kN. Silnik ten w porównaniu do silnika dwuprzepływowego (stosunek przepływu 6:1), o takim samym ciągu zużywa 25-30 % mniej paliwa. Przewidywano że, silnik zapewni prędkość przelotową Ma=0,6 – 0,8. Należy zaznaczyć, że silnik we wnętrzu ma dwa wały. Jeden obracał się w prawo, a drugi w lewo. W silniku nie było przekładni. Łopaty śmigieł były poruszane bezpośrednio z turbin.

 

       Firma General Electric planowała zastosować tego typu napęd w projektowanym właśnie samolocie Boeing 7J7. Celem było uzyskanie jak najniższego kosztu przewozu jednego pasażera, co najmniej poniżej kosztu w samolocie Boeing B737. Dlatego firma Boeing przerobiła jeden z samolotów Boeing B727, umieszczając w nim jeden silnik śmigło-wentylatorowy. Samolot oblatano w dniu 20 sierpnia 1986 roku. Po pierwszych testach zdania konstruktorów się podzieliły. Nie wszyscy byli entuzjastami UDF. Hałas był większy od przewidywanego, ale nie był to problem nie do rozwiązania.

 

 

 

       Zarząd firmy Boeing nadal promował projekt samolotu B7J7. W 1987 roku wykonał blisko 100 prezentacji, sympozjów i pokazów, promujących samolot B7J7. Jednocześnie postanowiono powiększyć samolot. Oferowane silniki UDF były dla niego za słabe, dlatego zlecono firmie General Electric zbudowanie większego i mocniejszego silnika.

 

       W tym czasie w prasie fachowej i codziennej ukazywały się artykuły z przesłaniem - „Silnik lotniczy w przyszłości będzie miał śmigła”.

 

       Tak naprawdę firma Boeing potrzebowała samolotu konkurencyjnego dla Airbus A320 oblatanego w dniu 22 lutego 1987 roku, który sprzedawał się znakomicie. W dodatku zaczął podbijać rynek USA. Firmy Northwest Airlines i United Airlines w 1987 roku zakupiły samoloty A320. Samoloty Boeing B737-300/-400/-500 nie były tak konkurencyjne. Napęd UDF na papierze był bardzo konkurencyjny.

 

       Oczywiście wszystko było związane z cenami ropy naftowej. W 1986 roku Arabia Saudyjska, przyglądając się malejącym wpływom ze sprzedaży ropy naftowej obniżyła cenę za baryłkę. Tak naprawdę opłacalność nowego silnika UDF zależała od cen paliwa. Nagle okazało się, że w 1987 roku sprzedaż samolotów Boeing B737 z silnikami CFM56 poszła w górę. Stało się tak, ponieważ na samoloty B737 czekało się krócej niż na A320. W 1987 roku koncern Boeing ogłosił odroczenie programu UDF o jeden rok. Projekt samolotu B7J7 przerodził się w zupełnie inną konstrukcję, B777.

 

McDonnell Douglas

 

       Firma McDonnell Douglas także przystąpiła do opracowania silników typu UDF. Miała jeszcze swojego całkiem nieźle sprzedającego się MD-80, który jednak ustępował A320 i B737. W 1987 roku na jednym z samolotów MD-80 zamontowano silnik UDF. Planowano wejście maszyny pod oznaczeniem MD-90 na rynek w 1988 roku. Firma szacowała sprzedaż na około 300 sztuk plus 50 dla wojska. Lecz firma General Electric zażądała przedstawienia portfela zamówień co najmniej 100 sztuk, a to było trudne. Mimo to współpracę podjęto. Samolot pokazano w Europie na Farnborough we wrześniu 1988 roku. Jednak nie wzbudził konkretnego zainteresowania. Samolot MD-80 pokazano także z silnikami Allison-P&W 578-DX. Także bez efektu. Samoloty McDonnel Douglas MD-90 budowano z konwencjonalnymi silnikami i wkrótce w 1997 roku, firma McDonnell Douglas została przejęta przez koncern Boeing. Samoloty MD-90, jako B717 były produkowane przez krótki czas.

 

Inne projekty

 

        W 80-latach pojawiły się także inne projekty, które miały wykorzystać napęd typu UDF. Jednym z nich był samolot MPC-75, który projektowano w latach 1984-1995. Projekt realizowały firmy z Europy Zachodniej i Chin. Konstrukcyjne samolot był niemal kopią maszyny McDonnell Douglas MD-80 z silnikami UDF. Był nieco mniejszy. Samolot miał zabierać na pokład 65-80 pasażerów. Prędkość przelotowa Ma-0,7. Zasięg max 4 000 km. W płatowcu miano wykorzystać kompozyty litowo-aluminiowe. Dlatego masa płatowca byłaby niewielka. Z uwagi na nikłe zainteresowanie firm przewozowych program upadł.

 

 

 

Opracował Karol Placha Hetman