Опубликовано: 28.06.2012, 11:00
 

CFM и P&W: в борьбе за рынок узкофюзеляжных самолетов


[image]

Конкуренция на авиационном рынке всегда была необычайно острой, и в первую очередь в глаза обычно бросается борьба между авиастроительными компаниями, тогда как другие сражения отходят на второй план. Однако такие, невидимые на первый взгляд, баталии оказываются не менее важными, а иногда именно они играют критическую роль в успехе того или иного проекта.

В полной мере эти слова можно отнести к конкурентной борьбе двух моторостроительных гигантов: компании Pratt & Whitney и консорциума CFM. Именно эти компании разрабатывают новые турбовентиляторные силовые установки для будущих ремоторизованных лайнеров Airbus A320neo и Boeing 737 MAX, которые, также как и их предшественники, должны стать абсолютными бестселлерами на рынке.

В свое время консорциум CFM добился значительного успеха, создав партнерские отношения с компанией Boeing и получив исключительное право на поставку двигателей для самолетов 737-й серии американского концерна. Силовые установки CFM56 получились достаточно удачными, и у руководства Boeing, наверняка, практически не возникало сомнений, когда они пришли к выводу, что новыми двигателями для проекта ремоторизации 737 MAX снова должны стать моторы CFM, а именно двигатели семейства Leap-X.

Агрессивный подход компании Pratt & Whitney к продвижению своих редукторных турбовентиляторных двигателей PW1000G, а также значительный успех этих моторов в рамках программы A320neo привели к тому, что эксперты стали всерьез задумываться о возможности появления этих силовых установок на самолетах Boeing 737 MAX. Сейчас уже точно известно, что двигатели PW1000G все-таки не появятся под крылом лайнеров Boeing, но даже если бы в Boeing приняли иное решение, то консорциуму CFM можно было бы не опасаться такой конкуренции, поскольку им, судя по всему, удалось создать достаточно конкурентоспособный двигатель в лице Leap-1B. Эта силовая установка стала очередным шагом вперед по сравнению с моторами CFM56 и базируется на совершенно новой архитектуре.

Переход с газогенератора GE F101, который отлично послужил двигателям CFM еще с 1970-х годов, на новую архитектуру был вызван новыми требованиями рынка. В этом нет ничего удивительного, поскольку именно новые силовые установки серии Leap-X должны обеспечить наибольший вклад в снижение расхода топлива самолетов 737 MAX. При этом в CFM отмечают, что новая архитектура, на которой базируются моторы Leap-X, обеспечат им такой же потенциал, каким в свое время обладали двигатели CFM56.

Руководство CFM считает, что архитектура двигателей Leap-X является достаточно удачной, и каждые новые тесты вселяют все больше и больше уверенности в разработчиков. Насколько эффективными будут двигатели Leap-X можно увидеть из тех цифр, которые приводит консорциум CFM. Так, например, двигатели CFM56-7BE, соответствовавшие последним стандартам, были на 10% экономичнее по сравнению с моторами CFM56-3 стандарта 1985 г. В то же время расход топлива силовых установок Leap-1B будет на 15% ниже по сравнению с моторами CFM56-7BE. В целом же, в компании Boeing считают, что доля новых двигателей Leap-1B в снижении расхода топлива самолетов 737 MAX будет составлять 11 из 13% (данные цифры приводятся в сравнении с показателями для лайнеров семейства 737NG).

В настоящее время руководство CFM проводит последние консультации со специалистами Boeing относительно согласования деталей проекта Leap-1B, после чего проект силовой установки будет заморожен. Ориентировочно данная стадия должна быть завершена в сентябре 2012 г. При этом фаза детального проектирования должна стартовать во втором квартале 2013 г.

Начало испытаний первого двигателя Leap-1B запланировано на второй квартал 2014 г., а сертификация по стандартам FAR Part 33 Федерального управления гражданской авиации США (FAA) должна завершиться в первом квартале 2016 г. Данный график разрабатывался совместно с Boeing, и он оставляет достаточно времени для проведения летных испытаний самолетов 737 MAX, ввод в эксплуатацию которых намечен на вторую половину 2017 г. В то же время руководство американского авиастроительного концерна отмечает, что запуск в эксплуатацию новых лайнеров может состояться на несколько месяцев раньше запланированного срока, на что в CFM отвечают, что в случае необходимости работы над проектом Leap-1B могут быть ускорены, поэтому проблем здесь быть не должно.

Напомним, что после проведенного анализа различных вариантов компания Boeing и консорциум CFM решили увеличить диаметр вентилятора двигателей Leap-1B со 173 до 176 см. Это стало возможным благодаря решению об увеличении высоты носовой стойки шасси на 20 см. Увеличение диаметра вентилятора наряду с использованием газогенератора меньших размеров позволят увеличить степень двухконтурности двигателей Leap-1B до 8,5:1 (для сравнения - степень двухконтурности двигателей CFM56-7 равна 5:1). В результате будет обеспечено снижение удельного расхода топлива.

Вентилятор двигателя Leap-1B, также как и его обтекатель, будут выполнены из легковесных композитных материалов, изготавливаемых по технологии RTM (Resin Transfer Moulding). За эту часть производства, как отмечает руководство CFM, отвечает компания Snecma, которая наряду с General Electric входит в состав моторостроительного консорциума. Аналогичные методы использует и сама General Electric при производстве композитных лопаток вентилятора для двигателей GE90 и GEnx.

Использование таких методов как RTM обеспечило значительный прогресс в изготовлении композитных материалов, особенно для авиационной отрасли, поскольку благодаря новым технологиям композитные лопатки вентиляторов меньшего диаметра отвечают таким же стандартам безопасности, как и лопатки вентиляторов более мощных двигателей. Для сравнения приводятся такие цифры: комплект из 18 лопаток, выполненных из композитных материалов, на 50% легче набора из 24 лопаток, изготовленных с применением титанового сплава. Последние, между прочим, используются на двигателях CFM56-7B. В силовых установках CFM56-5B используются вентиляторы с 36 лопатками, которые, соответственно, еще тяжелее. Как отмечают в CFM, легкие вентиляторы естественно позволяют использовать более легкие валы и создают меньшие динамические нагрузки. Таким образом, использование технологии RTM обладает куда большими преимуществами, чем может показаться на первый взгляд.

Также необходимо отметить, что архитектура новых двигателей Leap-X во многом схожа с архитектурой успешных силовых установок GE90 и GEnx, которые отлично зарекомендовали себя в эксплуатации. Так, например, компрессор и турбина высокого давления моторов Leap-1B практически неизменными перекочевали со своих старших собратьев. Первые пять ступеней 10-ступенчатого компрессора высокого давления состоят из титановых блисков, вслед за которыми идут остальные ступени из блисков, выполненных из жаропрочного никелевого сплава. Степень сжатия в компрессоре равна 22:1, что эквивалентно значениям в двигателях GE90 и немного меньше по сравнению со значениями, полученными в двигателях GEnx.

Эффективность будущих двигателей оценивается не только по характеристикам отдельных компонентов, но и по их взаимодействию друг с другом. Так, в настоящее время компания GE проводит испытания своего демонстрационного газогенератора eCore, который и ляжет в основу двигателей Leap-X. По словам специалистов GE, на данном этапе испытаний необходимо удостовериться в том, что компрессор, камера сгорания и турбина оптимально взаимодействуют друг с другом. К слову, компания GE уже достаточно длительное время практикует такие испытания газогенераторов перед началом тестов полномасштабных двигателей, и эта практика полностью оправдывает себя. Испытания второго газогенератора eCore завершились в 2011 г., тогда как испытания третьего eCore запланированы на первый квартал 2013 г.

Камера сгорания двигателей Leap-1B представляет собой второе поколение двойной кольцевой камеры сгорания с предварительной закруткой (Twin Annular, Pre-Swirl combustor TAPS), применяемой на силовых установках серии GEnx и отличающейся низким уровнем выброса вредных веществ. В частности, отмечается, что уровень выбросов оксидов азота (NOx) на 50% ниже тех требований, которые устанавливаются стандартом CAEP/6. Кроме того, камера сгорания генерирует постоянный фронт пламени и температуру рабочих газов на входе в турбину высокого давления.

Как отмечают проектировщики новых двигателей Leap-1B, температурный профиль играет решающую роль в долговечности турбины высокого давления, и конструкторам постоянно приходится принимать во внимание пиковые нагрузки при разработке новых моделей. Если же температурный профиль остается стабильным, увеличивается срок службы турбины, соответственно повышается ресурс самого двигателя. Также возможно повышение эффективности работы силовой установки, поскольку отпадает необходимость интенсивного охлаждения лопаток турбины.

Единственным самым важным фундаментальным изменением в архитектуре двигателей Leap-X по сравнению с моторами CFM56 является использование двухступенчатой турбины высокого давления. По словам руководства CFM, специалисты компании очень долгое время обсуждали варианты использования одно- и двухступенчатой турбины, и выбор в пользу последнего варианта был непростым, поскольку одноступенчатые турбины отлично зарекомендовали себя в прошлом. Однако необходимость сокращения расхода топлива, а также снижения затрат на обслуживание двигателей склонили чашу весов в другую сторону.

Турбина высокого давления двигателей Leap-X также вобрала в себя многие черты турбины, используемой на силовых установках GE90 и GEnx, и при этом она отличается использованием схемы охлаждения нового поколения. Кроме того, первая ступень турбины высокого давления изготовлена из композитных материалов на основе керамической матрицы (CMC) - данное решение впервые используется на двигателях консорциума CFM. По словам инженеров CFM, использование такого материала как CMC несет значительные преимущества, в первую очередь, благодаря его жаропрочным свойствам, в результате чего снижаются требования к охлаждению турбины. Кроме того, CMC обладает меньшей плотностью, соответственно, первая ступень турбины легче других аналогов, что также несет определенные преимущества.

Турбина низкого давления состоит из пяти ступеней, и за время стендовых испытаний она уже продемонстрировала высокую эффективность. В настоящее время испытания продолжаются, и как отмечают в компании CFM, двигатели Leap-X показывают более высокие характеристики по сравнению со своими предшественниками. В целом же, для CFM программа испытаний силовых установок Leap-X стала самой объемной за последнее время. Ключевые испытания для новых двигателей еще впереди, но уже сейчас руководство консорциума уверено в том, что они продемонстрируют высокие показатели.

В то же время главный конкурент CFM на рынке двигателей для узкофюзеляжных самолетов, компания Pratt & Whitney, отчаянно отстаивает преимущества своих редукторных турбовентиляторных двигателей. Кроме того, специалисты P&W сомневаются в достаточной зрелости таких материалов как CMC и считают, что время для их использования в авиационной отрасли еще не пришло. В частности, возникают сомнения в том, что использование CMC сможет окупить себя в кратко- или среднесрочной перспективе. И в отличие от CFM в компании P&W делать ставку на эту технологию пока не собираются.

Но это не единственные разногласия двух моторостроительных гигантов. В частности, специалисты двух компаний используют различные подходы к вопросам распределения температуры внутри двигателя. Как известно, требования к снижению расхода топлива вызывают необходимость увеличения давления, что приводит к росту температуры внутри газогенератора на сотни градусов, причем выше точки плавления многих существующих на сегодняшний день металлических сплавов. Соответственно, конструкторам нужно либо увеличивать эффективность системы охлаждения двигателей, либо использовать новые, более жаростойкие материалы.

Как отмечалось ранее, для этих целей в CFM используют оба подхода: и улучшают функционирование системы охлаждения, и используют новые материалы, такие как CMC. Последний выдерживает температуры до 1480 °С, что на 200-240 °С больше по сравнению с применяемыми сплавами. В P&W никаких новых материалов не применяют, но зато уделяют гораздо больше внимания проектированию системы охлаждения. В то же время специалисты P&W считают, что увеличение температуры внутри газогенератора в итоге приведет к тому, что системы охлаждения станут слишком сложными, если в отрасли не появятся новые, более эффективные материалы. Вместо простой подачи воздуха в турбину для ее охлаждения, придется предварительно охлаждать сам воздух. А значит, воздушный поток придется делить на разные части за пределами газогенератора, проводить его через теплообменники, после чего направлять его снова в газогенератор, в самую горячую секцию турбины.

Но в компании CFM такой подход к охлаждению двигателей считают слишком рискованным. К тому же зачем усложнять конструкцию силовых установок, когда под рукой есть специальные материалы, способные выдержать критические температуры. Вопрос об использовании CMC в двигателестроении вплотную изучался НАСА еще с 1980-х годов, и впоследствии его все-таки стали применять для изготовления лопаток статора трехступенчатой турбины низкого давления в двигателях GE F136 для военных самолетов. Правда, данная программа в итоге была закрыта.

Внедрение CMC в гражданское двигателестроение затягивалось из-за высокой стоимости данного материала, кроме того, у экспертов возникали опасения относительно его надежности в процессе эксплуатации. По оценкам специалистов P&W, стоимость CMC до сих пор превышает стоимость альтернативных материалов в 10-100 раз, и как считают в P&W, консорциум CFM вынужден использовать эти материалы ввиду отсутствия передовых технологий охлаждения двигателей.

Споры между двумя конкурентами, наверняка, не прекратятся, и каждая компания, безусловно, будет рекламировать свои достижения. Остается только дождаться запуска в эксплуатацию новых двигателей, чтобы оценить эффективность продуктов P&W и CFM на практике. Только так можно будет понять, чей подход был более правильным и эффективным.

Обзор подготовлен по материалам Aviation Week и Flightglobal.

 
Ссылки по теме:
Материал «CFM и P&W: в борьбе за рынок узкофюзеляжных самолетов» подготовлен сотрудниками агентства «АвиаПорт». Мы просим при цитировании указывать источник информации и ставить активную ссылку на главную страницу сайта или на цитируемый материал.
Связи: Самолетостроение, Airbus, Авиационные Технологии Инвестиции Сервис (в процессе тестирования)