Компания Boeing известна своими успешными в коммерческом плане проектами, одним из которых является семейство дальнемагистральных широкофюзеляжных авиалайнеров Boeing 777, которое завоевало огромную популярность на рынке. Однако с момента запуска в эксплуатацию этих самолетов прошло уже более 10 лет, и рынок нуждается в обновленной версии успешного авиалайнера. Руководство американского авиастроительного концерна прекрасно понимает пожелания своих клиентов и поэтому уже разрабатывает планы по выпуску самолетов 777X, которые должны будут сменить лайнеры 777-й серии на рынке. Появление авиалайнеров 777X также представляет огромный интерес для двигателестроительных компаний, которые имеют возможность обеспечить себе высокий уровень продаж на несколько десятилетий вперед.
На первых порах появления самолетов 777-й серии на рынке ожесточенная борьба за клиентов велась между тремя крупными двигателестроителями, в числе которых были компании General Electric (GE), Pratt & Whitney (P&W) и Rolls-Royce. Каждая из них стремилась обеспечить для себя как можно более крупную долю на рынке.
Больше всех повезло компании GE, которая смогла подписать с концерном Boeing эксклюзивное соглашение на поставку турбовентиляторных двигателей для самолетов 777-200LR и 777-300ER. Самолеты 777-й серии с этими силовыми установками оказались настолько эффективными, что завоевали большую популярность среди заказчиков. На дальнемагистральных рейсах в своем классе они были практически вне конкуренции, причем компании Airbus даже пришлось отказаться от выпуска самолетов A340, которые стали экономически неэффективными.
В итоге ежегодное производство лайнеров 777-й серии выросло до уровня 100 единиц, и большая часть выпускаемых самолетов данного типа оснащается двигателями GE90-115B с тягой 510 кН, которые являются самыми мощными силовыми установками в истории гражданской авиации.
Компания Airbus, безусловно, не могла остаться в стороне и начала разрабатывать дальнемагистральные самолеты A350 XWB, оснащаемые двигателями Rolls-Royce Trent XWB. Именно эти авиалайнеры должны будут составить реальную конкуренцию самолетам Boeing 777. Самолеты 777X должны будут противостоять новому детищу Airbus, и как предполагает руководство Boeing, эти лайнеры войдут в эксплуатацию до конца текущего десятилетия. Несколько авиакомпаний, включая Emirates и Qatar Airways, уже проявили заинтересованность в самолетах 777X. Стоит отметить, что руководство Boeing возлагает большие надежды на свои новые дальнемагистральные самолеты и считает, что они будут гораздо эффективнее лайнеров A350 от Airbus.
К разработке двигателей для самолетов 777X компания Boeing привлекла три моторостроительные компании, причем, новые силовые установки, по замыслу американского концерна, должны обеспечить снижение расхода топлива, по меньшей мере, на 10%. Две модели 777-8X и 777-9X будут представлять собой удлиненную версию лайнеров 777-200LR и 777-300ER, и по оценкам инженеров Boeing, потребуют использования силовых установок с тягой в 400 и 440 кН соответственно.
Двигатели от компании General Electric, как уже упоминалось ранее, отлично зарекомендовали себя на самолетах семейства 777, но GE несмотря на это продолжает работать над модернизацией своих силовых установок и готова предложить для будущих авиалайнеров 777X новые моторы, получившие кодовое обозначение GE9X. В текущем году GE должна была потратить около $50 млн на исследования, связанные с разработкой технологий для двигателей GE9X. Однако руководство GE посчитало, что этих средств будет недостаточно для создания самого эффективного двигателя, поэтому в 2013 г. компания намерена в два раза увеличить финансирование исследований в рамках данного проекта. При этом руководство GE подчеркивает, что компания сможет выполнить все работы в соответствии с графиком, предъявляемым концерном Boeing.
В настоящее время точно известно, что архитектура двигателей GE9X будет несильно отличаться от конструкции силовых установок GE90. Повышение эффективности двигателей будет осуществляться за счет применения новых высокотехнологичных материалов, например, керамической матрицы. Степень повышения давления в двигателях GE9X должна достичь уровня 60:1, тогда как в силовых установках GE90 степень повышения давления достигает 42:1.
Компрессор высокого давления в двигателях GE9X будет обладать очень высокой степенью повышения давления, равной 27:1, что примерно на 17% больше по сравнению с моторами нынешнего поколения. Отмечается также, что в силовых установках GE9X будет использоваться 11-ступенчатый компрессор высокого давления, тогда как в моторах GE90 применяется 10-ступенчатый компрессор.
Инженеры GE считают, что расход топлива двигателей GE9X будет на 10% ниже по сравнению с современными аналогами, причем в большей степени улучшение топливной экономичности будет достигаться за счет использования технологий, которые уже нашли применение в турбовентиляторных двигателях GEnx, устанавливаемых на самолетах Boeing 747-8 и 787 Dreamliner. Диаметр вентилятора двигателей GE9X может составить 329 см, что практически на 4 см больше по сравнению с моторами GE90.
Как отмечают представители GE, диаметр вентилятора моторов GE9X будет увеличен в целях сокращения расхода топлива и соответствия требованиям в области сокращения шумового воздействия двигателей. Именно об этом просили моторостроителей представители компании Boeing. Лопатки вентилятора двигателя GE9X, скорее всего, будут выполнены из композитных материалов четвертого поколения. Инженеры GE отмечают, что использование таких материалов позволит значительно сократить массу двигателей GE9X.
Также в новых силовых установках, вероятно, будет использоваться двойная кольцевая камера сгорания с предварительной закруткой (TAPS) третьего поколения, которая уже нашла применение в двигателях GEnx. Значительное увеличение степени повышения давления и температуры на входе позволит сократить выбросы вредных веществ значительно ниже существующих норм. Сообщается, что по сравнению с моторами GE90 в двигателях GE9X выбросы оксидов азота NOx будут на 25% ниже.
Необходимо отметить, что компания GE возлагает большие надежды на технологию керамической матрицы. В частности, в двигателях GE9X могут появиться турбины высокого давления, корпус которых будет выполнен из материалов на основе керамической матрицы. А в зависимости от результатов проводимых исследований материалы на основе керамической матрицы могут найти применение при изготовлении камеры сгорания и непосредственно самой турбины высокого давления.
Керамическая матрица является уникальным материалом, который практически на треть легче традиционных материалов, но при этом обладает огромной устойчивостью к воздействиям высоких температур, таким образом, отпадает необходимость в дополнительном охлаждении узлов и агрегатов, выполненных из такого материала. В то же время материалы на основе керамической матрицы гораздо дороже традиционных материалов.
Использование современных материалов также играет важную роль в процессе разработки двигателей RB3025 компанией Rolls-Royce для самолетов Boeing 777X. Британская моторостроительная компания впервые собирается адаптировать композитный вентилятор для использования на коммерческом двигателе, что позволило бы значительно снизить массу этого устройства.
В числе других современных технологий, которые могут найти применение в конструкции двигателей RB3025, отмечаются титаново-алюминиевые лопатки турбины низкого давления, а также вихревые усилители, которые должны упростить процесс охлаждения лопаток за счет извлечение воздушного потока от компрессора высокого давления. Руководство компании Rolls-Royce отмечает, что переговоры с Boeing относительно проекта двигателя для самолета 777X ведутся уже несколько месяцев и что уже достигнуты определенные результаты.
Силовая установка RB3025 является самым последним воплощением технологий, задействованных при разработке семейства двигателей Trent, при этом RB3025 отличается своей уникальной трехвальной конструкцией. По словам руководства Rolls-Royce, такая конструкция мотора позволяет значительно улучшить его характеристики, в том числе и сократить расход топлива двигателя.
Для компании P&W программа 777X является первой реальной возможностью адаптировать свои редукторные турбовентиляторные двигатели на широкофюзеляжные авиалайнеры. Напомним, что семейство этих двигателей в последнее время завоевало большую популярность в сегменте узкофюзеляжных самолетов.
Как отмечает руководство P&W, специалисты компании уже провели ряд определенных исследований относительно возможности использования редукторной конструкции в турбовентиляторных силовых установках с тягой от 330 до 445 кН. Например, известно, что для редукторного двигателя с тягой 445 кН потребовался бы вентилятор диаметром от 330 до 355 см. Также отмечается, что в целом редукторные двигатели можно использовать на самолетах 777X, учитывая все их ключевые особенности.
Что касается степени повышения давления, то в P&W рассчитывают выйти на уровень 50:1 - 55:1. Более высокая степень повышения давления не потребуется из-за особенностей архитектуры редукторных двигателей и управлением эффективностью этих моторов. В настоящее время P&W делает ставку на использование двухступенчатой турбины высокого давления и восьмиступенчатого компрессора высокого давления. При этом количество ступеней этих устройств, скорее всего, останется неизменным, но ввиду увеличения тяги двигателей придется изменить количество ступеней компрессора и турбины низкого давления. У конструкторов P&W есть несколько путей для изменения степени повышения давления, в числе которых увеличение количества ступеней компрессоров высокого или низкого давления.
В частности, отмечается, что степень двухконтурности редукторных двигателей будет несколько больше по сравнению с моторами, разрабатываемыми для самолетов Bombardier CSeries и Airbus A320neo. В отличие от GE компания P&W не стремится делать ставку на использование керамической матрицы при производстве лопаток и дисков, предпочитая применять другие материалы, обладающие высокими температурными свойствами. Как бы то ни было, но сейчас компания ведет переговоры с концерном Boeing относительно будущего проекта, и вполне возможно, что редукторные двигатели все-таки появятся на широкофюзеляжных самолетах.
Артур Нургалеев
Обзор подготовлен по материалам Aircraft Technology и Flightglobal.
