Двигатель GTF — редуктор и сотни самолетов на бетоне. PW1000G Pratt & Whitney

Этот двигатель оставил на Земле несколько сотен авиалайнеров по всему миру. Он приобрёл широкую известность не благодаря своему оригинальному дизайну, а из-за массовых технических проблем, с которыми столкнулись авиакомпании. К тому же сразу у двух из пяти авиационных проектов, где применялись эти двигатели, возникли различного рода трудности, в итоге приведшие к полной отмене поставок и потере прибыли. Однако, несмотря на всю тяжесть положения, его производитель постепенно движется к разрешению кризиса и даже умудряется заключать многомиллионные контракты на поставку новых двигателей, а ещё параллельно проводит испытания его обновлённой версии. Если вы когда-то путешествовали на борту авиалайнера Airbus A320neo или А220, то наверняка обращали внимание на этот странный слегка пугающий звук. Однако, беспокоиться тут не о чем, поскольку этот акустический резонанс никак не связан с техническими проблемами. О природе возникновения данного звука и кое-что об особенностях конструкции двигателя GTF, а также немного истории его появления рассказываем на канале Авиасмотр. Американская компания Pratt & Whitney, один из трёх ведущих мировых производителей авиационных двигателей. Её продукция широко представлена как в гражданском, так и в военном секторе. Так, например, она является эксклюзивным поставщиком силовой установки для истребителей пятого поколения F-22 и F-35, а до их появления обеспечивала двигателями F-14, F-15 и F-16. Также фирма давно известна своими гражданскими турбовентиляторными двигателями, в особенности в классе большой тяги. На них впервые полетел Boeing 747, а затем они появились под крылом и у многих других широкофюзеляжных лайнеров. В последние три десятилетия очень серьёзных успехов добилось ещё и канадское подразделение компании, которое занимается производством силовых установок для бизнес-джетов. А вот в классе двигателей, предназначенных для узкофюзеляжных пассажирских самолётов, дела у Pratt & Whitney в определённый период истории пошли неважно. Случилось это ровно в тот момент, когда у Boeing 737 появилось второе поколение Classic, а вместе с тем ещё и нарисовался европейский конкурент в лице Airbus A320. Речь идёт о второй половине 80-х годов прошлого века. Оригинальный 737 летал на двигателях Pratt & Whitney JT8D, но к моменту появления новых модификаций самолёта 737-300, 400 и 500, затем и получивших обозначение Classic, компания предложить ничего не смогла. И под крылом 737-го на безальтернативной основе появились новейшие на то время двигатели CFM56. Они же были доступны перевозчикам и для А320, но в качестве опции. Впрочем, всё было не так плохо, поскольку вторым вариантом силовой установки для европейского лайнера были абсолютно новые двигатели V2500. Их производством занималось совместное предприятие International Aero Engines, в который входила и Pratt & Whitney. Она разработала для них камеру сгорания и двухступенчатую турбину высокого давления. Многолетний опыт эксплуатации в авиакомпаниях показал, что оба варианта силовой установки А320 оказались очень близки по своим характеристикам. Но по части коммерции V2500 проиграл что называется в одну калитку. По общему объёму проданных изделий CFM56 опередил его в четыре раза. К тому же на рубеже веков Pratt & Whitney практически полностью растеряла свои позиции на рынке силовых установок для широкофюзеляжных лайнеров. Так и не создав под них новых двигателей, она по сути целиком отдала его двум остальным конкурентам. Однако попытка задержаться в этом сегменте рынка всё же была. Pratt & Whitney совместно с американской компанией General Electric построили двигатель для самого большого авиалайнера в мире Airbus A380. Но большого коммерческого успеха так и не получилось. Продажи гигантского самолёта в итоге провалились, а за место под его крылом пришлось конкурировать ещё и с британскими двигателями Rolls-Royce. Окончательно утратив позиции в широкофюзеляжном сегменте, компания бросила все свои силы на возврат лидирующих позиций на рынке силовых установок для узкофюзеляжных лайнеров. И момент для этого был очень подходящий. На горизонте маячили сразу несколько новых перспективных проектов, куда можно было зайти как на эксклюзивных правах, так и в качестве опций. Оставалось чем-то по-настоящему удивить авиастроителей до перевозчиков, и у инженеров Pratt & Whitney уже имелось кое-что на готове. Довольно громкая надпись «Это меняет всё» появилась на гондоле совсем не случайно. Подписчики на Boosty увидели этот выпуск первыми. Поддерживайте авиасмотр по ссылке в описании или при помощи QR-кода. Лётные испытания прототипа новейшего двигателя, которому дали название PurePower PW1000G или GTF, стартовали в середине 2008 года. Их проводили на летающей лаборатории, основанной на базе Boeing 747SP, это наименее вместительная версия легендарного лайнера. Модификации двигателя с максимальной тягой до 8 тонн подвешивались на отдельный горизонтальный пилон, установленный на уровне верхней палубы Более тяговитые версии, а их было большинство, подвешивались на пилон вместо второго штатного двигателя. Аналогичным образом прототип GTF испытывался и в Европе. Специалисты компании Airbus провели собственную лётную программу на летающей лаборатории А340, чтобы на практике убедиться в заявленных преимуществах. Успешный исход этих европейских испытаний был чрезвычайно важен для Pratt & Whitney, ведь именно в сотрудничестве с Airbus компания планировала получить наибольшие объёмы заказов и прибыль. Переговоры с авиастроителями со всего света в итоге принесли по-настоящему впечатляющие результаты. Сразу пять авиационных проектов выбрали двигатели GTF. И так получилось, что все они взлетали друг за другом буквально каждый год. Этот символический воздушный парад открыла канадская компания Bombardier. В сентябре 2013-го впервые взлетел авиалайнер CS-100, созданный по программе C-Series. В сентябре 2014-го состоялся первый полёт модифицированного Airbus A320 с приставкой «Neo», которая буквально означала появление новых двигателей. В ноябре 2015-го начались испытания регионального самолёта MRJ-90, его созданием занималась японская компания Mitsubishi. В мае 2016-го впервые полетел обновлённый И-190, построенный по программе «Иджеты-2». Это проект бразильской фирмы Embraer. А завершился данный парад российским авиалайнером МС-21, первый полёт которого состоялся в мае 2017-го года. В качестве эксклюзивного поставщика силовой установки Pratt & Whitney зашла в три проекта. Это Bombardier C-Series, Mitsubishi MRJ и Embraer I-Jet-2. А для самолётов линейки Airbus A320 Neo и MS-21 двигатели GTF были доступны в качестве одной из двух опций. С точки зрения маркетинга просто великолепный результат, суливший очень большой объём заказов. Оставалось подтвердить заявленные характеристики на практике. По данным компании Pratt & Whitney, основные преимущества двигателей семейства PW1000G были такими – до 20% меньше потребления топлива, до 50% снижения эмиссии вредных веществ и до 75% снижения шума на местности. Всё это в сравнении с двигателями предыдущего поколения. Под ними подразумевается тот самый CFM56, V2500, а также CF34 производства компании General Electric, который устанавливался на небольших региональных самолётах. Все они родом из 70-х-80-х годов прошлого века, с некоторой доводкой в 90-х у более свежих модификаций. Заявленное преимущество новых двигателей GTF перед ними очень солидное. Сейчас разберёмся, каким образом инженеры Pratt & Whitney смогли добиться таких результатов. Начнём с названия. Линейка двигателей PurePower PW1000G презентуется под зарегистрированной торговой маркой Pratt & Whitney GTF – редукторный турбовентиляторный двигатель. Именно планетарный редуктор сыграл ключевую роль в его конструкции и позволил совершить очень существенный рывок в производительности и эффективности. Хотя бы немного знакомые с авиационными силовыми установками зрители тут же вспомнят, что редуктор – это неотъемлемая часть конструкции турбовинтового двигателя, и без него там никак не обойтись. Всё дело в том, что соединительный вал, выходящий из газотурбинной секции, может вращаться с частотой от нескольких тысяч до 1-2 десятков тысяч оборотов в минуту, в то время как воздушный винт в силу своих размеров, массы и некоторых сопутствующих ограничений работает на гораздо меньших оборотах – в пределах от 700 до 2000. Вот здесь-то и приходит на помощь редуктор, который уменьшает скорость вращения, а вместе с тем увеличивает крутящий момент. Теперь взглянем на конструкцию практически любого современного турбовентиляторного двигателя двухвальной конструкции. Тот самый одноступенчатый вентилятор, создающий более 70% его тяги, приводится во вращение валом, на котором сидят компрессор низкого давления и турбина низкого давления, а на втором валу компрессор и турбина высокого давления. На взлётном режиме он может вращаться с частотой от 10 до 15 тысяч оборотов в минуту, в то время как вал с компрессором и турбиной низкого давления вращается в 3-4 раза медленнее, и скорость вращения тут ограничена пределами эффективной работы вентилятора. Ровно как и в случае с воздушным винтом, на лопастях крайне нежелательно допускать сверхзвуковых течений воздуха, иначе возникшие скачки уплотнения приведут к увеличению сопротивления и вдобавок значительно повысят уровень издаваемого шума. Впрочем, концевые части лопаток вентиляторов абсолютно всех современных и не очень турбо-вентиляторных двигателей вращаются быстрее скорости звука. Минимальный зазор между лопатками и кольцевым каналом помогает несколько сгладить негативные эффекты. Но даже использование специальных звукопоглощающих панелей в мотогондоле проблему шума полностью не решают. К примеру, всё тот же двигатель V2500. Концевые части лопаток его вентилятора при выходе на взлётный режим вращаются с угловой скоростью около 470 метров в секунду, примерно на треть быстрее скорости распространения звука у Земли на уровне моря. Отсюда этот характерный шум, похожий на звук дисковой пилы, который появляется на максимальных оборотах. У его конкурента CFM56 та же история. Для того, чтобы уменьшить этот шум, необходимо снижать предельные скорости вращения вентилятора, и на двигателях GTF эту задачу решили путём установки планетарного редуктора. Впрочем, это только одно из нескольких весомых преимуществ, полученных от его применения. Влияние редуктора на конструкцию двигателя и его характеристики поистине всеобъемлющие. Частота вращения вала, на котором сидят компрессор и турбина низкого давления, выросла до 10 с небольшим 1000 оборотов в минуту. Таким образом, инженерам удалось уменьшить диаметр турбины низкого давления и количество её ступеней, а сэкономленная масса в какой-то мере помогла компенсировать появление редуктора. Он весит почти 300 килограмм и способен передать мощность до 30 тысяч лошадиных сил. Эти числа и далее все остальные справедливы для наиболее массовой модификации двигателя PW1100G, который устанавливается на Airbus A320neo. Планетарный редуктор обладает передаточным числом 3, чем обеспечивает скорость вращения вентилятора в три раза меньшую, чем у вала с турбиной низкого давления. Как результат – снижение расхода топлива, значительное уменьшение шума и некоторое снижение массы двигателя. Но каким образом все это сработало? Вентилятор диаметром 2 метра и 6 сантиметров способен вращаться с максимальной частотой 3281 оборот в минуту. В этот момент концевые части его лопаток имеют угловую скорость около 354 метров в секунду, то есть едва переваливают за скорость звука. А у модификаций двигателя с немного меньшим диаметром вентилятора, которые устанавливаются на Airbus A220 и Embraer E190, угловая скорость движения концевых частей лопаток так и вовсе не превышает скорость звука. Именно поэтому фактически пропал тот самый звук пилы и как следствие очень существенно уменьшился уровень издаваемого шума. Кстати, тот самый звук, который многие сравнивают с пением китов, и это действительно очень похоже, никакого отношения к вентилятору не имеет. Вероятно, из-за своей относительно тихой работы он его даже немного демаскирует. Поговаривают, что пение китов успокаивает и позитивно влияет на эмоциональное состояние человека. Но, конечно, только не в том случае, когда от него буквально звенит и вибрирует пассажирский салон. Впрочем, ничего опасного в этом явлении нет. Этот звук возникает в камере сгорания, в тот момент, когда на режимах малой тяги начинают расти обороты двигателя. При подаче обедненной топливно-воздушной смеси в фронт пламени некоторое время нестабилен, и его крайне быстрое пульсирующее перемещение как раз и формирует акустический резонанс так похожий на китовьи песни. Помимо характерного звука, камера сгорания Telenex отличается ещё и сниженным уровнем эмиссии оксидов азота твёрдых частиц и монооксида углерода. Кроме снижения шума, низкооборотистый вентилятор позволил прибавить ещё и в топливной эффективности. Её добились за счёт рекордного повышения степени двухконтурности. У двигателей GTF она равна 12, это в два раза больше, чем у CFM56 и V2500. У самых современных турбовентиляторных двигателей в классе большой тяги, таких как General Electric GE9X для новой модификации Boeing 777-9 и Rolls-Royce Trent XWB для Airbus A350, этот показатель не превышает 10. Напомним, что степень двухконтурности – это отношение массы воздуха, проходящего через внешний контур, к массе потока воздуха, проходящего через газогенератор, там, где компрессор, камера сгорания и турбина. Говоря простыми словами, в сердце любого турбовентиляторного двигателя расположен классический турбореактивный двигатель, который не только приводит во вращение вентилятор, но ещё и создаёт до одной трети суммарной тяги за счёт энергии газа, вытекающего из реактивного сопла. Остальные две трети и более создаёт вентилятор за счёт того, что отбрасывает намного большей массы воздуха через внешний контур. Если за счёт той же массы сжигаемого топлива удастся прокачать через двигатель больше воздуха, который не участвует в горении, то можно значительно повысить его КПД. В этом и есть суть стремления двигателестроительных фирм во всё большем увеличении степени двухконтурности. Однако запас этого роста весьма ограничен, поскольку с увеличением диаметра вентилятора растут размеры и масса мотогондолы, а за ними и аэродинамическое сопротивление. Благодаря высокой степени двухконтурности двигатель на взлётном режиме пропускает через себя до 620 кг воздуха в секунду, в то время как CFM56 с аналогичной взлётной тягой около 14,5 тонн перемалывает до 430 кг в секунду. Вот только почти на треть больший расход воздуха у GTF вовсе не означает, что он ровно настолько же более экономичен. Линейной зависимости тут нет. Разница в удельном расходе топлива на крейсерском режиме около 15% в пользу двигателя Pratt & Whitney, и это при том, что он весит почти на 400 кг больше. Впрочем, немного сэкономить на массе инженерам всё-таки удалось. Вместо традиционного титана лопатки вентилятора изготовлены из более лёгкого сплава алюминия с сотовым заполнением, поскольку вкупе с уменьшением скоростей вращения значительно уменьшились и требования к прочности на разрыв. Однако полностью без титана обойтись не удалось. Из его сплава изготовлена передняя кромка, которая повышает стойкость лопатки к ударным нагрузкам. Коммерческая эксплуатация двигателей Pratt & Whitney GTF стартовала в самом начале 2016 года, когда на регулярных рейсах появился A320neo, а всего через полгода к нему присоединился бомбардье CS-100, который через год перешёл под крыло Airbus и сменил название на A220. На первых парах эксплуатации фактически любого турбовентиляторного двигателя неизбежно возникают проблемы с надёжностью, но со временем производитель дорабатывает его конструкцию, корректирует производство и силовая установка начинает работать как положено по многу тысяч часов без досрочных съёмов с крыла. В случае с двигателями GTF всё внимание было приковано к тому, как себя покажет планетарный редуктор, где большая мощность, а вместе с ней высокие механические и тепловые нагрузки. Но, судя по всему, редуктор оказался одним из самых надёжных узлов, и проблемы пришли совсем не оттуда. В первые годы двигатели слишком долго запускались и страдали от негерметичных уплотнений, нередко имели повышенную вибрацию и неожиданно выключались в полёте. Эти и некоторые другие проблемы приводили к частым съёмам двигателей с крыла и очень длительному ремонту из-за нехватки запчастей. Но всё это вместе взятое не идёт ни в какое сравнение с той ситуацией, которая сложилась буквально в последние полтора-два года. По некоторым данным, на конец лета 2024-го в простое находилось около 650 самолётов, оснащённых двигателями серии PW1000G. Это примерно треть от всего объёма выпущенных самолётов с такими двигателями. Всему виной – некачественный металл, который использовался для изготовления дисков турбин высокого давления. Наличие в нём посторонних примесей приводит к повышенному риску образования микротрещин. Эта проблема характерна для двигателей, изготовленных в период с 2015 по 2021 год, а за тот период их построили около 3000 штук. По заявлению Pratt & Whitney, на проверку и замену дефектных компонентов может потребоваться до 300 дней, но там делают всё возможное, чтобы сократить сроки ремонта. Более 60 перевозчиков по всему миру пострадали от проблем с двигателями GTF. Индийский лоукостер Go First так и вовсе обвинил Pratt & Whitney в своём банкротстве весной 2023 года, поскольку половина его флота A320neo простаивала на земле и не приносила прибыль. Глобальные технические проблемы – это ещё не все неприятности, настигшие линейку двигателей PW1000G. В начале 20-х годов Pratt & Whitney потеряла сразу двух из пяти клиентов. Сначала японская компания Mitsubishi Heavy Industries закрыла программу MRJ, она же SpaceJet, потратив на неё 10 миллиардов долларов. А затем из обоймы выпал российский проект МС-21. В первом случае возникли большие трудности с процессом сертификации самолёта и переделкой его конструкции, а во втором поставки двигателей GTF прекратились из-за введённых санкционных ограничений со стороны Соединённых Штатов. В результате Pratt & Whitney лишилась дохода от потенциальной продажи нескольких сотен двигателей и понесла убытки в виде затрат на разработку данных модификаций. Использование планетарного редуктора в конструкции турбовентиляторного двигателя – довольно рискованная ставка от Pratt & Whitney. Их основной конкурент, компания CFM International, придерживалась более консервативных подходов при создании двигателя CFM Leap, наследника CFM56 и прямого конкурента GTF за место под крылом A320neo. Он построен по классической двухвальной схеме с использованием самых передовых наработок по знаменитому двигателю General Electric GE90. В нём применяются керамические матричные композиты, которые по заявлению производителя обеспечивают существенную экономию топлива. По степени двухконтурности CFM Leap немного не дотянул до GTF – 11 против 12, но дальнейшего запаса по увеличению этого показателя с применением той же конструктивной схемы больше нет, и потому инженерам приходится повышать эффективность работы газогенератора, что с каждым новым поколением двигателей даётся с невероятно большим трудом. Один из вариантов решения проблемы – использование более сложной трёхвальной схемы, традиционной для двигателей большой тяги производства британской компании Rolls-Royce. Но даже та решила отказаться от неё в пользу редуктора и довольно активными темпами развивает программу UltraFan. Пока она находится на стадии демонстратора технологии, но планы у британцев весьма амбициозные. Они хотят создать целую линейку редукторных двигателей со степенью двухконтурности 15 в диапазоне тяги от 11 до 50 тонн, обеспечив ими как узкофюзеляжные, так и широкофюзеляжные авиалайнеры будущего. Но пока на горизонте не просматриваются подобные проекты, и наиболее вероятным стартом UltraFan видится ремоторизация Airbus A350, по примеру того, как это произошло с A330neo. Своей линейкой PW1000G американская компания Pratt & Whitney показала, что планетарный редуктор — абсолютно жизнеспособная идея для дальнейшего роста эффективности турбовентиляторных двигателей, и стремление конкурентов использовать его в своих перспективных проектах тому весомое подтверждение.