Компания Pratt & Whitney отмечает 100-летие инноваций в области авиационных двигателей, уверенно продвигаясь к следующему поколению более эффективных и устойчивых технологий создания двигателей, сообщает «AIN».
По словам Майкла Уинтера, главного ученого материнской компании Pratt & Whitney RTX, изменения в архитектуре двигателей за последние 100 лет привели к нескольким ступенчатым изменениям в возможностях. Например, изобретение радиального двигателя с воздушным охлаждением в 1920-х годах улучшило соотношение тяги к весу в 2,5 раза по сравнению с более ранними поршневыми двигателями.
Основанная в 1925 году Фредериком Б. Рентшлером, пионером конструкции радиального двигателя с воздушным охлаждением, компания Pratt & Whitney выпустила первый двигатель R-1340 Wasp, который привел к популярной серии двигателей Wasp, которые эксплуатируются и по сей день. В то время семейство двигателей Wasp обеспечивало беспрецедентные улучшения производительности и надежности, которые преобразили военную и коммерческую авиацию. Во время Второй мировой войны производитель из Огайо выпустил более полумиллиона таких двигателей, в основном для использования силами обороны США.
Компания Pratt & Whitney отмечает 100-летие инноваций в области авиационных двигателей, уверенно продвигаясь к следующему поколению более эффективных и устойчивых технологий создания двигателей.
По словам Майкла Уинтера, главного ученого материнской компании Pratt & Whitney RTX, изменения в архитектуре двигателей за последние 100 лет привели к нескольким ступенчатым изменениям в возможностях. Например, изобретение радиального двигателя с воздушным охлаждением в 1920-х годах улучшило соотношение тяги к весу в 2,5 раза по сравнению с более ранними поршневыми двигателями.
Основанная в 1925 году Фредериком Б. Рентшлером, пионером конструкции радиального двигателя с воздушным охлаждением, компания Pratt & Whitney выпустила первый двигатель R-1340 Wasp, который привел к популярной серии двигателей Wasp, которые эксплуатируются и по сей день. В то время семейство двигателей Wasp обеспечивало беспрецедентные улучшения производительности и надежности, которые преобразили военную и коммерческую авиацию. Во время Второй мировой войны производитель из Огайо выпустил более полумиллиона таких двигателей, в основном для использования силами обороны США.
Новаторские ранние архитектуры реактивных двигателей
Когда в 1940-х годах газотурбинная технология начала развиваться, правительство США не позволило Pratt & Whitney заниматься этой технологией, поскольку ей требовались стабильные поставки двигателей Wasp, объяснил Уинтер. «После окончания войны портфель заказов буквально достиг обрыва, и компании нужно было решить: как нам заняться газотурбинными двигателями?» Ответом стал осевой двухвальный турбинный двигатель — J57.
«Нам нужна была другая архитектура, чтобы вернуться в игру», — сказал Уинтер, — «и поэтому в 1958 году они изобрели J57 с двухкаскадной газовой турбиной». Эта архитектура двигателя использует два концентрических вала, или катушки, для привода двух наборов компрессоров и турбин.
«Вместо того, чтобы полагаться только на горячий газ, выбрасываемый сзади, чтобы заставить его двигаться быстрее и вперед, мы придумали разместить вентилятор спереди, как пропеллер, и сделать его на отдельном валу», — объяснил Уинтер. «У вас внутри та же базовая машина — компрессор, камера сгорания и турбина, которая вращается очень быстро, — но теперь есть большой длинный вал, который вращает вентилятор спереди, а затем есть турбина в самой задней части, которая, по сути, заставляет этот вентилятор работать. Так что теперь это комбинация толчка и тяги. Это привело к изменению эффективности примерно на 15%».
J57 стал первым в мире авиационным двигателем с тягой 10 000 фунтов и оставался самым мощным реактивным двигателем на рынке в течение многих лет. «Изначально он был сделан для военного двигателя, но он позволил экономике, которая позволила коммерческой авиации в 1960-х годах действительно взлететь», — сказал Уинтер. Первоначально созданный для бомбардировщика Boeing B-52, J57 превратился в то, что станет первым коммерческим турбореактивным двигателем компании, JT3C, который устанавливался на Boeing 707 и Douglas DC-8. Впоследствии он был усовершенствован в J52, уменьшенную версию, которая устанавливалась на штурмовик A-6 Intruder ВМС США и крылатую ракету Hound Dog.
В 1958 году компания представила JT3D — турбовентиляторную версию турбореактивного двигателя JT3C — для самолета Boeing 747. По данным Pratt & Whitney, в JT3D к существующей архитектуре был добавлен передний вентилятор, что увеличило тягу на 35% и сократило расход топлива на 15–22%.
В течение следующих нескольких десятилетий технология двигателей не сильно изменилась. Вентиляторы становились больше, а количество байпаса — воздуха, который обходит ядро двигателя и ускоряется вентилятором для создания большей тяги — также увеличивалось, что приводило к скромному повышению эффективности. Следующий большой шаг в изменении эффективности двигателя произошел только в 2015 году, когда Pratt & Whitney представила двигатель сверхвысокой степени байпаса, известный как турбовентиляторный двигатель с редуктором (GTF), который поступил в эксплуатацию с серией Airbus A320neo.
С появлением двигателя GTF компания Pratt & Whitney предложила решение парадоксальной проблемы, которая преследовала производителей двигателей с 1950-х годов. «Проблема заключалась в том, что при турбине сзади, чем быстрее она вращается, тем она эффективнее, но при вентиляторе спереди, чем медленнее она вращается, тем она эффективнее. Так что это всегда было парадоксом», — объяснил Уинтер. «Pratt & Whitney разрушили этот парадокс, поместив коробку передач в ту часть, где находится вентилятор, чтобы вентилятор мог замедляться». Это позволило повысить эффективность на 16% и снизить уровень шума на 75% по сравнению с двигателями предыдущего поколения.
В 2021 году Pratt & Whitney анонсировала обновленную версию под названием GTF Advantage. Турбореактивный двигатель с тягой 34 000 фунтов сократил расход топлива для A320neo всего на 1%, одновременно обеспечивая на 4–8% больше взлетной тяги. Более прочные материалы и увеличенный поток воздуха в горячей секции двигателя снижают рабочие температуры и увеличивают время нахождения на крыле за счет упрощения требований к техническому обслуживанию. Ранее в этом году EASA и FAA сертифицировали GTF Advantage.
Винтер предсказывает, что в будущем все коммерческие реактивные двигатели, производимые RTX и даже ее конкурентами, будут использовать ту или иную форму архитектуры турбовентиляторного двигателя с редуктором. И хотя эта базовая архитектура может не сильно измениться, он считает, что все еще есть много возможностей для улучшения.
«Производители планеров заявили, что пока не увидят двузначных улучшений, они не будут выпускать новый самолет. И мы видим путь вперед, чтобы сделать это», — сказал он, отметив, что ключевой технологией, обеспечивающей это, станут гибридно-электрические силовые агрегаты.
«Если посмотреть на тепловую эффективность относительно того, что теоретически возможно, то мы прошли примерно половину пути. Итак, впереди нас ждет один путь, но температура и давление выше, поэтому мы строим эти новые заводы здесь, в Соединенных Штатах, — чтобы иметь возможность воспользоваться ими и достичь большей эффективности».
В то же время Pratt & Whitney и Collins Aerospace, ее дочерняя компания под управлением RTX, активно участвуют в нескольких программах гибридно-электрических самолетов. К ним относится демонстратор гибридно-электрических самолетов RTX, который нацелен на начало летных испытаний гибридного турбовинтового самолета Dash 8 в следующем году.