Silniki turbo-wentylatorowe - Engins geared turbofan
Lycoming ALF 502.
Silnik Lycoming ALF 502 to jedyny udany silnik turbo-wentylatorowy firmy Lycoming. Został zbudowany na bazie silnika turbinowego Lycoming T55, poprzez zabudowę przedniego wentylatora. Prototypy silników Lycoming ALF 502 zostały użyte do napędu prototypowych samolotów szturmowych Northrop YA-9, konkurenta samolotu szturmowego A-10.
Pierwsze uruchomienie silnika nastąpiło w 1970 roku, a samolot Northrop YA-9 po raz pierwszy wykonał lot w dniu 20 maja 1972 roku. Ponieważ program Northrop YA-9 nie doczekał się produkcji seryjnej, dlatego dla silnika zaczęto poszukiwać innego płatowca. Silnik trafił do eksperymentalnego samolotu de Havilland Canada / Nasa C-8A Quiet oraz do samolotów wojskowo-cywilnych British Aerospace BAe 146 i Bombardier Challenger 600. Silnik Lycoming ALF 502 otrzymał certyfikat w 1980 roku.
Dane silnika Lycoming ALF 502-R5: silnik turbo-wentylatorowy. Długość 63,6 in (1,62 m), średnica 40,25 in (1,02 m), masa 606 kg. Silnik składa się z jednego wentylatora, 7-stopniowa sprężarka osiowa wysokiego ciśnienia, 1-stopniowa sprężarka odśrodkowa wysokiego ciśnienia, komora spalania, 2-stopniowa turbina wysokiego ciśnienia, 2-stopniowa turbina niskiego ciśnienia, która napędza przedni wentylator. Ciąg 6 970 lbf (31,0 kN). Stosunek przepływu zimnego do gorącego wynosi 5,7:1. Zużycie paliwa 41.4 kg/kNxh. Stosunek ciagu do masy 5,1:1.
Silnik Lycoming ALF 502 jest pierwszym silnikiem w którym zastosowano reduktor obrotów pomiędzy wałem niskiego ciśnienia, a wentylatorem, czyli jest to silnik w układzie Geared turbofan (silnik turbo-wentylatorowy-przekładniowy lub zesprzęglony).
Garrett TFE731. 1970 rok.
Silnik Garrett TFE731 to kolejny ciekawy silnik zaliczany do tego samego typu co Lycoming ALF 502 i opracowany w podobnym czasie. Silnik Garrett TFE731 został zbudowany specjalnie dla samolotów klasy busnes-jet. Silnik opracowała firma Garrett, która została przejęta przez AlliedSignal, a później przez Honeywell Aerospace i tak jest do chwili obecnej (2016 rok).
Silnik Garrett TFE731 został oparty na rdzeniu silnika TSCP700, który był opracowany specjalnie jako agregat pomocniczy typu APU dla samolotu McDonnell Douglas DC-10. Agregat ten został opracowano pod dwa założenia: niskie zużycie paliwa oraz niską emisję hałasu. (Właśnie wprowadzono nowe limity ograniczające poziom hałasu).
Pierwsze uruchomienie silnika Garrett TFE731 nastąpiło w zakładzie Garretta w Torrance w Kalifornii, w 1970 roku. Produkcję uruchomiono w 1973 roku. Początkowo silnik znalazł zastosowanie w samolotach Learjet 35/36 i Dassault Falcon 10. Do tej pory zbudowano ponad 11 000 silników Garrett TFE731, które zamontowano w ponad dwudziestu typach samolotów.
Dane silnika Garrett TFE731-2: silnik turbo-wentylatorowy. Długość 50 in (1,27 m), średnica 39 in (1,00 m), masa 333 kg. Silnik składa się z wentylatora (30 lub 22 łopatki), 4-stopniowa sprężarka osiowa i 1-stopniowa sprężarka promieniowa wysokiego ciśnienia, komora spalania, 1-stopniowa turbina wysokiego ciśnienia, 3-stopniowa turbina niskiego ciśnienia. Pierwszy stopień sprężarki ma 52 łopatki. Ciąg 3 500 lbf (15,6 kN). Kompresja sprężarki wynosi 13:1. Zużycie paliwa 0.5 lb/lbf-hr. Stosunek ciągu do masy 4,7:1. Pomiędzy wałem niskiego ciśnienia, a wentylatorem zamontowano przekładnię.
Geared turbofan.
W klasycznym układzie szpula niskiego ciśnienia ma na swoim początku, jak i na końcu taką samą prędkość obrotową. „Geared” w wolnym tłumaczeniu przekładniowy lub zesprzęglony. Ideą układu Geared turbofan jest wstawienie między wałem niskiego ciśnienia, a wentylatorem przekładni. Jest to zwykle przekładnia planetarna. W efekcie wentylator kreci się z inną prędkością obrotową niż turbina niskiego ciśnienia.
Co to daje? Po pierwsze, wał niskiego ciśnienia może kręcić się szybciej, a kiedy kreci się szybciej, to dla osiągnięcia odpowiedniej kompresji powietrza potrzebuje mniej stopni sprężarki, niż gdyby kręcił się wolniej. Również można zastosować mniej stopni turbiny. W efekcie spada waga całego silnika. Po drugie. Mniejsza prędkość obrotowa wentylatora pozwala na stosowanie większej jego średnicy. Wentylator przetłacza więcej powietrza, czyli daje większy ciąg. Końcówki łopat wentylatora nie muszą przekraczać prędkości dźwięku. Zmniejszeniu ulega także zużycie paliwa. Przy okazji zmniejsza się hałas od wentylatora. Po trzecie. Układ ten można stosować zarówno w silnikach jedno-szpulowych, jak i dwu-szpulowych, a nawet trój-szpulowych.
Ale to rozwiązanie ma także wady. Z uwagi na duży opór czołowy całego silnika, silnik Geared turbofan nie nadaje się dla samolotów o prędkościach około dźwiękowych. Dodatkowa przekładnia, zwykle planetarna to dodatkowy podzespół, który może ulec awarii.
Silniki typu Geared turbofan doskonale nadają się dla samolotów typu bissnes-jet. Dzięki dużemu przepływowi powietrza przez silnik Geared turbofan samoloty te osiągają wysokie pułapy lotu, rządu 13 000 m i więcej, a to pozwala na lepsze optymalizowanie trasy przelotu bez przeszkadzania lotnictwu komercyjnemu, które zajmuje niższe pułapy. Przy tym wszystkim utrzymują wysoką prędkość przelotową. W rzadszym powietrzu mają mniejszy opór więc spalają mnie paliwa, a w rezultacie osiągają gigantyczne zasięgi.
Silniki typu Geared turbofan w swojej bogatej ofercie ma firma Pratt & Whitney, które stworzyła cała rodzinę silników PW1000G. Zastosowana w silniku przekładnia planetarna zwykle redukuje obroty w stosunku 3:1. Jednym z najpopularniejszych jest wersja PW1500G. Silnik ten ma wentylator o średnicy 73 in. Stosunek przepływu zimnego do gorącego wynosi 12:1. Silnik PW1500G ma maksymalny ciąg 23 300 lbf (102,31 kN).
IAE SuperFan. 1985-1987 rok.
Silnik turbo-wentylatorowy typu Geared turbofan próbowano zbudować w 80-latach dla samolotu Airbus A340. Silnik otrzymał oznaczenie IAE V2500 SuperFan. Silnik miał być opcją dla klientów Airbus A340. Podpisano już kilka umów wstępnych na tego typu napęd z przyszłymi klientami. Jednak w kwietniu 1987 roku, program silnika typu Geared turbofan został wstrzymany.
IAE to było wspólne przedsięwzięcie firmy Rolls Royce, Pratt & Whitney i MTU Aero Engines. Porozumienie zawarto w 1985 roku. Bazą była turbina Pratt & Whitney V2500. Oprócz przekładniowego napędu wentylatora planowano zastosować nastawne łopatki wentylatora, włącznie z możliwością dania ciągu wstecznego. Średnica wentylatora miała wynieść 108-118 in. Stosunek przepływu zewnętrznego (zimnego) do wewnętrznego (gorącego) miał wynieść 18:1 – 20:1. Przewidywano ciąg rzędu 28 000 lbf (124,55 kN) – 32 000 lbf (142,34 kN). Oczekiwano redukcji zużycia paliwa o 20 % w stosunku do V2500. Produkcję seryjną planowano uruchomić w 1992 roku.
W grudniu 1986 roku, silnik oficjalnie oznaczono IAE V2500 SuperFan i dedykowano go najpierw dla samolotu Airbus A340, który właśnie był opracowywany. Z uwagi na przedstawioną ofertę, świat poznał szczegóły projektu. Z tak skomplikowanym wentylatorem były jednak problemy. Miał on zbyt mało łopat, a mechanizm zmiany kąta nastawu był skomplikowany i ciężki.
W tym czasie powstał też prostszy wariant silnika, w którym zastosowano wentylator z silnika Rolls Royce RB.211, który połączony byłby przekładnią opracowana przez Rolls Royce dla silników turbośmigłowych w połowie 50-lat, a nazwaną Tyne-technology gearbox. „Tyne” od nazwy rzeki. Ten silnik miał mieć ciąg 30 000 lbf (133,45 kN). Stosunek przepływu zewnętrznego do przepływu gorącego miał wynieść 20:1.
Zagrożenie dla programu IAE V2500 SuperFan, było mniejsze niż dla opracowywanego w tym czasie, od podstaw silnika CFM56-5. Silnik IAE V2500 SuperFan miał umożliwić samolotowi Airbus A.340-200 z pełnym obciążeniem zasięg 8 000 NM (mil morskich). Także firma Boeing brała pod uwagę silnik IAE V2500 SuperFan, jako napęd przyszłego B7J7 (B777). Z kilkoma przewoźnikami podpisano wstępne umowy.
W 1987 roku, pojawiły się jednak głosy wątpliwości, że silnik nie będzie gotowy na czas, czyli w 1992 rok. W 1987 roku, nie było prototypu, a nawet modelu w naturalnej wielkości. Mimo to Airbus ogłosił, że ma w portfelu zamówień na 104 maszyny A330/A340 z silnikami IAE V2500 SuperFan. Niespodziewanie, w kwietniu 1987 roku IAE ogłosiła, że program IAE V2500 SuperFan może się „opóźnić w nieskończoność”, ale będzie dalej realizowany. Już w marcu 1987 roku, firma Airbus otrzymała informacje o problemach technicznych, ale nie wycofał się z kontynuowania programu. Jedno było pewne: silnik IAE V2500 SuperFan (czy to w wersji z nowym wentylatorem, czy z tradycyjnym) opóźni się. W efekcie firma Airbus dla A340 wybrała silniki CFM56-5C i aby zapewnić obiecany zasięg wydłużyła skrzydła o 2,60 m, aby pomieścić dodatkowe paliwo.
Silnik IAE V2500 SuperFan nigdy nie powstał. Powstał natomiast silnik turbo-wentylatorowy International Aero Engines IAE V2500 o ciągu 75-100 kN dla samolotu transportowego Embraer KC-390, ale to już inna historia.
Dane silnika IAE V2500 SuperFan: średnica wentylatora 107 in (2,72 m), średnica całej gondoli 120 in (3,05 m). Wentylator miał mieć 18 nastawnych łopat. Łopaty wykonane z tytanu, puste we wnętrzu. Gondola wykonana z kompozytu. Przekładnia reduktora o przełożeniu 3:1 typu Rolls-Royce Tyne. Przekładnia planetarna z pojedynczą przekładnią. Silnik w układzie dwu-wałowym. Pojedynczy wentylator, 3-stopnie sprężarki niskiego ciśnienia, 10-stopni sprężarki wysokiego ciśnienia, pierścieniowa komora spalania, 2-stopnie turbiny wysokiego ciśnienia, 3-stopnie turbiny niskiego ciśnienia. Ciąg 30 000 lbf (133,45 kN).
Pratt & Whitney.
Prace nad silnikami turbo-wentylatorowym z przekładnią powróciły na przełomie wieków. Było kilka powodów takiej decyzji. Po pierwsze; silnik taki mimo zastosowania przekładni ma mniejszą masę ze stosunku masa-ciąg. Po drugie; ma mniejsze zużycie paliwa. Po trzecie; emituje mniej szkodliwych związków chemicznych do atmosfery. Po czwarte; emituje mniejszy hałas. Silnik taki doskonale nadaje się do ciągu w granicach 50,00 kN – 100,00 kN.
Firma Pratt & Whitney od 2000 roku, testowała silniki turbo-wentylatorowe-przekładniowe z przeznaczeniem do napędu samolotów komercyjnych serii Purepower 1000G. W 2008 roku silnik przeszedł rygorystyczne testy i eksperymenty. Od 2014 roku silniki są w ofercie firmy Pratt & Whitney. Według firmy silniki te nadają się do zastosowania w około 40 % istniejących samolotów komercyjnych. Zamiana silników turbo-wentylatorowych na turbo-wentylatorowe-przekładniowe daje obniżenie masy samolotu o około 10 %. Silniki turbo-wentylatorowe-przekładniowe redukują zużycie paliwa o około 16 %, zmniejszenie emisji NOX o 50%, redukcji hałasu o 75 %. Wszystko to razem obniża koszty eksploatacji jednego samolotu o co najmniej 1,5 mln $ w ciągu roku.
Odmiana silników PW1100 w przeciwieństwie do silników które napędzają business-jets jest taka, że nowe silniki są przeznaczone do samolotów komercyjnych, które zabierają na pokład 180 pasażerów. W 2010 roku, firma Pratt & Whitney podała, że ma zamówienie na ponad 200 silników odmiany PW1100. Silnik był między innymi dedykowany dla Airbus A320NEO.
Silnik PW1000 ma stosunek przepływu zimnego do gorącego wynosi 12:1. Dla porównania silnik CFM56 ma ten stosunek 5,5:1, a jego wersja rozwojowa LEAP ma ten stosunek 9:1 lub 11:1. Przekładnia była zbudowana przez firmę Pratt & Whitney w końcu 80-lat. Ma sprawność 99 % i jest w stanie przekazać moc 25 MW.
Silniki PW1000G są dedykowane samolotom: Airbus A320NEO (PW1100G), Irkut MC-21 (PW1400G), Bombardier Cseries (PW1500G), Embraer E-Jet E2 family (PW1700G, PW1900G), Mitsubishi Regional Jet (PW1200G), Suchoj Super Jet 130 (PW1600G).
Rolls Royce.
W 2014 roku, firma Rolls Royce poinformowała, że także przystąpiła do budowy silników Geared turbofan (turbo-wentylatorowe-przekładniowe). Badania firmy Rolls Royce dowodziły, że silnik Trent XWB jest już na granicy swojej maksymalnej sprawności. Wentylator ma średnicę 3,00 m, a stosunek przepływu zimnego do gorącego osiągnął 9,3:1. Fizyka jest nieubłagana. Nie da się bez końca zwiększać średnicy wentylatora, gdyż końce łopat wentylatora pracowałyby zdecydowanie w prędkościach naddźwiękowych, co jest niekorzystne. Szacunki na najbliższe lata wykazuje, że wydajność silników powinna wzrosnąć o około 15-25 %, przy jednoczesnym braku spadku prędkości podróżnej. To wymagało zwrócenia uwagi na silniki typu Geared turbofan. Jednak filozofia silnika jest inna niż w silniku konkurencji PW1000G. Silniki Rolls Royce są trój-wałowe (trój-szpulowe). Rolls Royce liczy, że ich silniki będą miał stosunek przepływu powietrza zimnego do gorącego w granicach 13:1, a nawet 15:1, i dopiero wówczas będzie sens stosowania przekładni. Przekładnia firmy Rolls Royce ma przenosić moc 50 MW, ale obawiają się, że starty na przekładni mogą być wyższe niż 1 %, a to przełożyłoby się na stratę 500 kW.
Z historycznych doświadczeń Rolls Royce wiadomo, że już w 50-latach firma budowała przekładnie zdolne do przekazywania 21 MW mocy. Budowała także przekładnie dla dwóch śmigieł przeciwbieżnych. Na obecną chwilę (2015 rok) firma Rolls Royce nie zdradza zbyt wielu szczegółów. Ujawniono natomiast, że pierwszy silnik klasy Geared turbofan nazwany w UK silnikiem UltraFan powinien przechodzić próby w locie w 2025 roku. Silnik UltraFan ma gwarantować o 25 % mniejsze zużycie paliwa.
Przy okazji szefowie Rolls Royce zwróci uwagę, że silniki dwu-szpulowe wyczerpały swoje możliwości, a silniki trój-szpulowe jeszcze nie. Trzeba jednak pamiętać, że silniki firma Pratt & Whitney PW1000 są dedykowane dla ciągu 50,00 kN – 100,00 kN, a silniki Rolls Royce serii Trent mają ciąg ponad 200,00 kN. Wykonany silnik trój-szpulowego o mocy około 100,00 kN będzie nie ekonomiczny.
Opracował Karol Placha Hetman