Программа TECH56

Программа TECH56 проводится объединением CFMI и предназначена для улучшения характеристик семейства двигателей CFM56 (в основном CFM56-5B/P и CFM56-7B) и разработки нового двигателя [5]. Средние по парку двигателей этого семейства показатели надёжности и ресурса составляют:

- коэффициент готовности к вылету – 99,98%;

- наработка на крыле до первого поступления на ремонтное предприятие – ~17 000 часов;

- коэффициент отказа в полёте – 0,002%.

 

1.5.1. Цели и организация работ по программе TECH56

 

При проведении работ по программе TECH56 объединением CFMI разработаны технологии, которые обеспечат минимально возможную стоимость владения и безупречные технические характеристики двигателей семейства CFM56.

В ходе проведения работ CFMI планировало получить следующие показатели:

- уменьшение затрат топлива на ~ 4…7%;

- уменьшение стоимости владения и ТО на ~ 15…20%;

- уменьшение уровня эмиссии NO_x на ~ 40…50% ниже норм ИКАО;

- уменьшение уровня шума на ~ 20 дБ ниже норм главы 3 ИКАО.

Первый этап работ по программе начался в 1998 г. и его планировалось завершить в течение трёх лет. Финансирование этого этапа работ за 1998 – 2000 гг. составило около 300 млн. долл.

Работы между участниками разделены следующим образом.

SNECMA Group отвечает за:

- вентилятор со стреловидными лопатками;

- устойчивость подпорных ступеней;

- конструкцию малой массы;

- эффективную высоконагруженную турбину низкого давления;

- подшипник № 4 при противовращении роторов ТВД и ТНД.

Компания GEAE отвечает за:

- компрессор высокого давления;

- камеру сгорания TAPS;

- высоконагруженную ТВД;

- щёточные уплотнения;

- улучшенный подшипник № 3.

Совместно SNECMA Group и GEAE отвечают за:

- взаимодействие ТВД и ТНД;

- САУ;

- акустические характеристики;

- испытания двигателя.

 

1.5.2. Результаты работ по программе TECH56

 

Вентилятор. Велись работы, направленные на создание малошумного широкохордного вентилятора со стреловидными лопатками и высокой частотой вращения.

По оценкам специалистов применение вентилятора со стреловидными широкохордными лопатками позволит:

- увеличить КПД;

- увеличить расход воздуха при большей частоте вращения;

- увеличить тягу при том же диаметре вентилятора;

- уменьшить уровень шума.

Для вентилятора с D _в = 1,549 м рассматривались сплошные стреловидные лопатки, а для вентиляторов D _в > 1,549 м – полые.

Были изготовлены и испытаны три вентилятора – два со стреловидными (D _в = 1,549 м и D _в = 1,727 м) и один со сплошными (D _в = 2,134 м) лопатками.

В ходе работ были проведены следующие испытания:

- на усталостную прочность стреловидных лопаток (1998 г);

- на локализацию разрушения (1998 г);

- на стойкость лопаток при попадании посторонних предметов (1998 г);

- на снятие характеристик (1999 г);

- на устойчивость вентилятора (1999 г);

- испытания вентилятора с полноразмерными стреловидными лопатками при боковом ветре (1999 г);

- статические испытания и испытания на усталостную прочность с применением устройства снижения нагрузок LRD (1999 г);

- на обрыв полых лопаток (2000 г);

Суммарная наработка двух вентиляторов с D _в = 1,549 м и 1,727 м на стенде в составе двигателя CFM56-5C составила около 50 часов. Окончательные испытания на натурном двигателе состоялись в конце 2001 года.

Проведённые исследования показали, что при сохранении максимального значения к.п.д., как у ТРДД CFM56-7, расход воздуха через вентилятор может быть увеличен на ~ 2...2,5%. При установке такого вентилятора на ТРДД CFM56-7 можно увеличить тягу двигателя на ~ 6…7%, т.е. примерно до уровня 125 кН, и уменьшить затраты топлива на ~ 1%. Также было отмечено улучшение работы вентилятора с точки зрения запаса газодинамической устойчивости.

Подпорная ступень без регулируемого клапана перепуска (Variable Bypass Valve, VBV). Цель внесения этого изменения в конструкцию двигателя – повышение устойчивости и уменьшение массы подпорных ступеней. В ходе проведённых исследований были успешно осуществлены:

- проверка работоспособности двигателя без клапана VBV;

- работы по надроторному устройству;

- выбор концепции устройства обнаружения града;

- испытания надроторного устройства на уменьшенной модели вентилятора;

- испытания двигателя, оснащённого камерой сгорания TAPS и устройством обнаружения града.

Проведённые исследования показали, что отсутствие клапана VBV не приводит к ухудшению работоспособности подпорных ступеней и двигателя.

Устройство снижения нагрузок (Load Reduction Device, LRD). Оно предназначено для уменьшения массы конструкции, поддержания постоянной частоты вращения вентилятора и уменьшения дисбаланса при обрыве лопатки. Устройство LRD располагается в полости промежуточного корпуса и срабатывает мгновенно в случае обрыва лопатки вентилятора, разъединяя каскад низкого давления с остальной частью двигателя. Его применение позволит снизить массу двигателя на 90 кг благодаря более простой и лёгкой конструкции корпуса вентилятора и пилона.

Компрессор высокого давления. Новая концепция КВД была направлена на снижение стоимости технического обслуживания при улучшении его характеристик.

В компрессоре используются роторы типа «блиск» с лопатками обратной стреловидности и статоры с наклонными стреловидными лопатками.

К началу 2002 года было изготовлено три варианта КВД. Наработка на стенде двух вариантов составила ~ 335 часов. Испытания завершены в конце 2002 года.

В 2000 году были завершены испытания первого варианта КВД, которые показали увеличение запаса ГДУ на 24% при повышенной частоте вращения, но по к.п.д. он уступал современным компрессорам. С середины 2001 года проводились испытания второго перепрофилированного варианта КВД, который имел z_к = 6, 𝜋^*_к = 14,7, число лопаток 960 (снижено на ~ 40%) и среднюю величину 𝜋^*_ст = 1,57 (увеличена на ~ 20%).

Результаты стендовых испытаний КВД показали отличные аэромеханические характеристики, низкую чувствительность к неравномерности потока на входе и изменению радиального зазора на периферии лопаток.

Камера сгорания TAPS. Конструкция камеры сгорания TAPS (Twin-Annular Pre-Mixed Swirler) была направлена на снижение уровня эмиссии. Компания GEAE обладает рядом патентов на камеры сгорания, которые оснащены двухярусными завихрителями с закруткой потока. Создавая мощные вихревые потоки, такие камеры сгорания обеспечивают быструю подготовку однородной топливно-воздушной смеси. С точки зрения эффективности, перспективные топливные форсунки могут снизить уровень эмиссии NO_x, CO и HC более чем на 50%. Технической проблемой является обеспечение долговечности, экономической доступности и удовлетворительной работоспособности в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы.

В камере сгорания TAPS используется относительно новый класс материалов, известный как микроламиниты. Микроламиниты составляются из тонких слоёв металлической и керамической фольги, которые спрессованы вместе при температуре чуть ниже температуры плавления металла. Микроламиниты привлекают всё большее внимание в качестве замены никелевых сплавов при изготовлении деталей двигателя, а также в качестве возможной замены теплозащитных керамических покрытий.

Оптимизация режимов работы форсунок камеры сгорания TAPS в зависимости от режима полёта самолёта позволяет удовлетворять требованиям ICAO по выбросу вредных веществ. Результаты, полученные на июль 2001 года, свидетельствуют, что камера сгорания TAPS позволяет понизить уровень эмиссии NO_x на 65%, а не на 50%, как планировалось ранее.

В мае 2001 года были успешно завершены испытания двигателя CFM56-7B, оснащённого камерой сгорания TAPS, при попадании града, когда через него прошло 26 тонн льда. Двигатель хорошо справился с этими испытаниями. Характеристики двигателя оказались очень близкими к предварительным расчётам. Также были определены законы управления, которые помогут эксплуатировать двигатель с такой камерой сгорания с учётом действующих и будущих норм по уровням шума и эмиссии.

В июле 2001 года были закончены ресурсные испытания камеры сгорания. Результаты испытаний использованы при разработке второго варианта конструкции форсунок, испытания которых были проведены в конце 2001 года.

В конце 2001 года камера сгорания TAPS была испытана в составе двигателя CFM56-7.

Турбина. Объединение CFMI придаёт очень большое значение разработке новых вариантов ТВД и ТНД. Только оно обладает семейством двигателей с одноступенчатой ТВД для самолётов гражданской авиации, наработавших в эксплуатации более 500 млн.ч.

При разработке турбины по программе TECH56 рассматривались два технических решения:

- ТВД и ТНД с однонаправленным вращением роторов, которое предназначено для внедрения в модификации двигателей семейства CFM56;

- ТВД и ТНД с противоположным вращением роторов, которое предназначено для применения в новых двигателях.

Конструкция с противоположным вращением роторов имеет ряд преимуществ, позволяющих уменьшить массу, стоимость двигателя и затраты воздуха на охлаждение.

В обоих случаях специалисты CFMI остаются сторонниками сохранения простоты конструкции путём применения одноступенчатой ТВД, но при этом понимают сложность получения высокого КПД при использовании такого подхода.

При проектировании новых турбин особое внимание было обращено на:

v для ТВД:

- разработку одноступенчатой турбины, рассчитанной на 𝜋^*_т = 4,6 с η^*_т = 0,905;

- применение 3D аэродинамики для лопаток СА и РК;

- уменьшение числа лопаток СА и РК на 10%;

- применение схемы охлаждения лопаток СА с низкими потерями на смешение;

- уменьшение интенсивности скачка уплотнения на задней кромке лопаток РК на 50%;

- уменьшение расхода охлаждающего воздуха на 22%.

v для ТНД:

- уменьшение числа деталей на 35%;

- улучшение обтекания при взаимодействии с ТВД и четырёхступенчатой ТНД.

При испытаниях первых двух вариантов ТВД было получено уменьшение интенсивности скачка уплотнения на задних кромках лопаток РК 50%. Последний вариант ТВД оптимизирован для дальнейшего ослабления скачка.

По сравнению с ТНД двигателя CFM56-5B/P, новая турбина имеет увеличенные на 15% степень понижения давления и на 4% нагруженность ступеней, в то время как количество лопаток уменьшено на 35% (до 970).

Для повышения эффективности турбины специалисты CFMI провели большой объём исследований, направленных на снижение потерь в переходном канале между ТВД и ТНД. Цикл этих испытаний был завершён ещё в 1999 году. Испытания ТВД и ТНД с противоположным вращением роторов были завершены 2000 году.

Проведённые работы позволили уменьшить расход топлива на 0,5% и увеличить запас по температуре за турбиной на 6…10^° С.

Щёточные уплотнения. В рамках программы TECH56 была проведена серия испытаний щёточных уплотнений, установленных на модифицированном двигателе CFM56-5B.

Результаты испытаний показывают, что щёточные уплотнения по сравнению с традиционными лабиринтными уплотнениями позволяют снизить утечки более чем на 40%.

Шевронное сопло. В рамках программы TECH56 проводились исследования шевронного сопла, выходное сечение которого имеет гофрированную форму. Такие сопла улучшают смешение, приводят к очень незначительному снижению тяговых характеристик и являются конкурентоспособными для снижения шума на боковой линии.

Проведённые модельные акустические испытания такого сопла показали удовлетворительные результаты – измеренный уровень шума на боковой линии уменьшился на 3 дБ.

В настоящее время объединение CFMI располагает полным комплектом технологий, подготовленных к внедрению в рамках программы TECH56. Работы, связанные с перспективным шестиступенчатым компрессором, выявили потенциальную возможность увеличения ресурса при использовании перепрофилированных с применение 3D аэродинамики рабочих лопаток. Испытания ТВД и ТНД с улучшенным КПД продемонстрировали экономию топлива, а применение камеры сгорания TAPS способствовало значительному снижению уровня эмиссии.

Однако руководство объединения заявило, что создание нового двигателя не входит в текущие планы, так как заказчики не выразили в нём явной потребности. В связи с этим партнёры по программе TECH56 разработали три сценария:

1) выпуск нового двигателя для нового самолёта;

2) выпуск нового двигателя для существующего самолёта;

3) модернизация двигателя, которым уже оснащён существующий самолёт.

Применение нового шестиступенчатого КВД может внести в двигатель такие изменения, которые будут соответствовать первому сценарию (т.е. новый двигатель для нового самолёта). Стреловидные лопатки вентилятора, камера сгорания TAPS или турбина с противовращением могут стать составляющими нового двигателя при его использовании либо на новых (первый сценарий), либо на эксплуатируемых самолётах (второй сценарий).

По мнению руководства CFMI, это означало, что наиболее вероятным является третий сценарий, а именно модернизация двигателя, особенно во время ремонта. Объединение CFMI продолжало оценку этого сценария, но на основе заявлений заказчиков. Оно изучало возможность на основе программы TECH56 начала работ по модернизации ТРДД CFM56-5B/P и CFM56-7B для семейства самолётов A320 и B737NG соответственно. В случае утверждения этого сценария, модернизация двигателей станет первым существенным внедрением технологий, разработанных по программе TECH56.

CFMI основывалось на опыте, полученном при проведении модернизации ТРДД CFM56-3, -5B, -5C путём применения пакета технологий, разработанных для более современного ТРДД CFM56-7B. CFMI решало, сможет ли оно подготовить «комплект для модернизации», который мог бы предоставить заказчикам конкретные преимущества при существующем состоянии авиации.

В то время как решение по данному вопросу ещё не было принято, сам комплект уже был определён. Он коснулся часто заменяемых деталей двигателя при ремонте. В него включены:

- новые лопатки РК КВД, сконструированные с применением 3D аэродинамики, для поддержания повышенного КПД в течение более длительного периода времени;

- новые лопатки РК ТВД с уменьшенной интенсивностью скачков уплотнения СА ТНД;

- оптимизированная система топливоподачи для снижения уровня эмиссии в камере сгорания.

Тенденции на рынке поддерживали концепцию такого комплекта модернизации. В 2006 году произошёл резкий скачок в необходимости ремонта двигателей CFM56-7B и -5B, так как в период с 1998 года по 2000 год их было поставлено большое количество. Это стало для заказчиков двигателей CFM56 своевременным моментом внедрения такого комплекта как раз на «пике посещения» ремонтных заводов. Объединение CFMI смогло модернизировать половину ТРДД CFM56-5B и CFM56-7B, находящихся в эксплуатации. Кроме того комплект для модернизации коснулся двигателей, находящихся в производстве, что является большим отличием от комплекта, предоставленного в своё время для CFM56-3. Объединение CFMI смогло предоставить авиакомпаниям возможность внесения изменений в конструкцию двигателей, которые ещё будут изготавливаться для уже заказанных самолётов А320 и B737, чтобы поддержать их конкурентоспособность.

В 2006 году комплект для модернизации TECH56 был сертифицирован и в настоящее время эти усовершенствования находят широкое применение на двигателях CFM56-5B/P и -7B. Модернизация двигателей позволяет повысить эффективность и продлить срок эксплуатации двигателя без снятия с крыла, но не улучшит технические характеристики. Основная идея заключается в том, что на самолёте можно использовать, с одной стороны, обычные двигатели «вчерашнего дня», а с другой стороны, двигатели 2006 года (с комплектом модернизации или новые).

Программа TECH56 является фактически первым шагом на пути к комплексной инициативе, направленной на улучшение двигателей. Наряду с этой программой объединение CFMI обдумывает требования, которые появятся примерно через десять лет с тем, чтобы оно смогло быстро подготовиться к началу работ по созданию нового двигателя, если этого потребует рынок. И уже в настоящее время объединение CFMI разработало два сценария [6]:

1) выпуск к 2016 году нового ТРДД Leap-X (Leading Edge Aviation Program) для 100 - 200- местных самолётов Airbus и Boing нового поколения;

2) выпуск к 2025 году ТРДД с открытым (незакапотированным) вентилятором и уже готовым газогенератором от Leap-X.

По компоновке Leap-X будет вполне традиционным двухконтурным турбореактивным двигателем, однако конструкция его узлов будет усовершенствована в целях снижения массы и оптимизации их совместной работы. Разрабатывается совершенно новый вентилятор с лопатками, изготовленными из композиционных волокон пространственного сплетения. Отлажена технология, позволяющая увеличить жесткость и прочность лопаток при одновременном уменьшении массы вентилятора. В двигателе Leap-X будет использована усовершенствованная камера сгорания TAPS II от двигателя GE 90/GEnx, разработанного фирмой General Electric. Лопатки турбины Leap-X намечают изготовлять из композиционных материалов на основе керамической матрицы, которые имеют втрое меньшую плотность по сравнению с традиционно используемыми металлами. Массу двигателя Leap-X намечают существенно уменьшить (примерно на 80 кг) путем сокращения числа лопаток турбины первой ступени и увеличения степени повышения давления до значения 16:1 (у современных двигателей семейства CFMI это показатель составляет около 11:1). Другим техническим решением, берущим начало в программах по GE 90/GEnx и направленным на уменьшение массы конструкции, является применение блисков в компрессоре.

По второму сценарию можно отметить то, что в настоящее время изучаются различные схемы, но наиболее перспективным считается двухступенчатый вариант со ступенями противоположного вращения. На первом этапе будут испытаны семь вариантов нового вентилятора (пять комплектов лопаток разработаны специалистами General Electric, а еще два - инженерами SNECMA). К проведению испытаний моделей вентиляторов в центре NASA им. Гленна приступили в первом квартале текущего года.