propfan - Propfan

Nie mylić z turbośmigłowym lub turbowentylatorowym .
Makieta GE36 w Musée aéronautique et przestrzen Safran
Część serii na
Napęd samolotu
Wałów silników :
napędzające śmigła , wirniki , kanałowe wentylatory lub propfans
Silniki reakcyjne

Propfan , zwany również otwarty silnik wirnika , lub unducted wentylator (w przeciwieństwie do kanałowych wentylatora ) to rodzaj silnika samolotu powiązanych w koncepcji zarówno turbośmigłowe i turbowentylatorowych , ale różni się od nich. Projekt ma oferować prędkość i osiągi turbowentylatorowego przy oszczędności paliwa turbośmigłowego. Profan jest zwykle zaprojektowany z dużą liczbą krótkich, mocno skręconych łopatek, podobnie jak sprężarka obejściowa turbowentylatora (sam wentylator). Z tego powodu propfan był różnie opisywany jako „wentylator bezprzewodowy” (UDF) lub „turbowentylator o ultra wysokim obejściu (UHB)”.

Definicja

W latach 70. Hamilton Standard opisał swój propfan jako „ małą średnicę, wysoko obciążony wielołopatkowy pędnik o zmiennym skoku, posiadający skośne łopatki z cienkimi zaawansowanymi sekcjami płata , zintegrowany z gondolą o wyprofilowanym kształcie, aby opóźnić przepływ powietrza przez łopatki, zmniejszając w ten sposób straty ściśliwości i zaprojektowany do działają z silnikiem turbinowym i przy użyciu jednostopniowej przekładni redukcyjnej, co zapewnia wysoką wydajność ” . W 1982 roku tygodnik lotniczy Flight International zdefiniował śmigło jako śmigło z 8–10 wysoko skośnymi łopatami, które poruszały się z prędkością 390–480 węzłów (450-550 mil na godzinę; 720-890 kilometrów na godzinę), chociaż jego definicja ewoluowała kilka lat później wraz z pojawieniem się przeciwbieżnych propfanów.

W 1986 roku brytyjski producent silników Rolls-Royce użył terminu otwarty wirnik jako synonimu pierwotnego znaczenia propfan. Działanie to miało na celu odróżnienie typu silnika propfan od wielu propozycji silników kanałowych w tym czasie, które miały w nazwie propfan . W 2000 roku, otwarty wirnik (OR) stał się preferowanym terminem dla technologii propfan w badaniach i doniesieniach prasowych, przy czym czasami używano również otwartego wirnika przeciwbieżnego (CROR) do rozróżnienia między propfanami jednoobrotowymi. Od 2015 r. Europejska Agencja Bezpieczeństwa Lotniczego (EASA) zdefiniowała otwarty wirnik konkretnie (ale szeroko) jako „ stopień wentylatora silnika turbinowego, który nie jest zamknięty w obudowie; ” w przeciwieństwie do tego miał tylko roboczą definicję otwartego wirnika silnik (bardziej powszechnie używany termin na propfan w XXI wieku), nazywając go „ silnikiem turbinowym z przeciwbieżnymi stopniami wentylatora, które nie są zamknięte w obudowie ”. Silnik wykorzystuje turbinę gazową do napędzania nieosłoniętego (otwartego) przeciwbieżnego śmigło jak turbośmigłowe, ale konstrukcja samego śmigła jest ściślej powiązana z konstrukcją turbiny, a obie są certyfikowane jako jedna jednostka.

El-Sayed rozróżnia śmigła turbośmigłowe i śmigła według 11 różnych kryteriów, w tym liczby łopat, kształtu łopat, prędkości końcówki, współczynnika obejścia , liczby Macha i wysokości przelotowej .

Historia

Około dziesięć lat po tym, jak niemieccy inżynierowie z branży lotniczej zaczęli badać pomysł wykorzystania skośnych skrzydeł w celu zmniejszenia oporu w samolotach o prędkości transsonicznej , Hamilton Standard w latach 40. próbował zastosować podobną koncepcję do śmigieł silnikowych. Stworzył bardzo zakrzywione łopaty śmigieł o naddźwiękowych prędkościach szczytowych, dzięki czemu silniki z odsłoniętymi śmigłami mogły napędzać samoloty do prędkości i wysokości przelotowych osiąganych tylko przez nowe silniki turboodrzutowe i turbowentylatorowe . Wczesne testy tych ostrzy ujawniły nierozwiązywalne wówczas problemy z trzepotaniem i naprężeniem ostrza, a wysoki poziom hałasu uznano za kolejną przeszkodę. Popularność turboodrzutowców i turbowentylatorów ograniczyła badania nad śmigłami, ale w latach 60. zainteresowanie wzrosło, gdy badania wykazały, że odsłonięte śmigło napędzane turbiną gazową może napędzać samolot pasażerski lecący z prędkością 0,7–0,8 Macha i na wysokości 35 000 stóp (11 000 metrów). Termin propfan powstał w tym okresie.

Jednym z najwcześniejszych silników, który przypominał koncepcję propfanu, był Metrovick F.5 o sile 4710 funtów (21,0 kiloniutonów) , wyposażony w dwa przeciwbieżne wentylatory — 14 łopatek z przodu (przedni) i 12 łopatek z tyłu (z tyłu). ) wentylator – z tyłu silnika i został po raz pierwszy uruchomiony w 1946 roku. Łopaty jednak były w większości nie wymiecione. Inne przeciwbieżne silniki śmigłowe, które występowały w zwykłych samolotach, obejmowały cztery potężne silniki Kuzniecow NK-12 (każdy napędzający własny zestaw współosiowych przeciwbieżnych śmigieł) w szybkim bombowcu wojskowym Tupolewa Tu-95 Bear Związku Radzieckiego i Antonow An -22 wojskowe samoloty transportowe oraz silniki Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (oba połączone z pojedynczym zestawem współosiowych przeciwbieżnych śmigieł) na brytyjskim samolocie do zwalczania okrętów podwodnych Fairey Gannet . Obie konfiguracje miały cztery w dużej mierze nie wygięte łopaty w przednim i tylnym śmigle.

1970-1980

Kiedy kryzys naftowy w 1973 r. spowodował skoki cen ropy naftowej na początku lat 70., zainteresowanie propfanami gwałtownie wzrosło, a finansowane przez NASA badania zaczęły przyspieszać. Koncepcja wentylatora została nakreślona przez Carla Rohrbacha i Bruce'a Metzgera z oddziału Hamilton Standard firmy United Technologies w 1975 roku i została opatentowana przez Rohrbacha i Roberta Cornella z Hamilton Standard w 1979 roku. Późniejsze prace General Electric nad podobnymi pędnikami przyjęły nazwę wentylator bezprzewodowy, który był zmodyfikowanym silnikiem turbowentylatorowym , z wentylatorem umieszczonym na zewnątrz gondoli silnika na tej samej osi, co łopatki sprężarki .

W tej epoce problemy ze śmigłem stały się możliwe do naprawienia. Poczyniono postępy w materiałach konstrukcyjnych, takich jak tytan metaliczny i grafit oraz kompozyty z włókna szklanego nasycone żywicą . Materiały te zastąpiły metale aluminiowe i stalowe w konstrukcji ostrzy, co pozwoliło na uzyskanie cieńszych i mocniejszych ostrzy. Komputerowe wspomaganie projektowania było również przydatne w udoskonalaniu charakterystyki ostrza. Ponieważ ostrza wyginają się i odchylają przy większym obciążeniu i sile odśrodkowej , początkowe projekty musiały być oparte na kształcie w ruchu. Przy pomocy komputerów projektanci ostrzy pracowaliby wstecz, aby znaleźć optymalny kształt nieobciążony do celów produkcyjnych.

Programy testów w locie

Instalacja do testów naziemnych silnika Allison 501-M78 z ośmiołopatowym śmigłem Hamilton Standard o średnicy 9,0 stóp (2,7 m) do oceny testu propfanu NASA.

Hamilton Standard, jedyny duży amerykański producent śmigieł lotniczych, opracował koncepcję propfan we wczesnych latach 70-tych. Hamilton Standard przetestował wiele odmian we współpracy z NASA .

W ramach programu Propfan Test Assessment (PTA), Lockheed-Georgia zaproponował zmodyfikowanie Gulfstream II, aby działał jako stanowisko testowe w locie dla koncepcji propfan, podczas gdy McDonnell Douglas zaproponował modyfikację DC-9 w tym samym celu. NASA wybrała propozycję Lockheed . DC-9 miał nacelle dodany do lewego skrzydła, zawierający 6000 KM (4500 kW) Allison 570 silnik turbośmigłowy (pochodzący z XT701 turboshaft opracowany dla Boeing Vertol XCH-62 ciężkiego dźwigu helikoptera ). Silnik wykorzystywał ośmiołopatowy, 9-stopowy średnicę (2,7 metra; 110 cali; 270 centymetrów), jednoobrotowy propfan Hamilton Standard SR-7. Silnik testowy, nazwany Allison 501-M78, miał siłę ciągu 9000 lbf (40 kN). Po raz pierwszy wystartował w locie 28 marca 1987 roku. Rozległy program testowy, który kosztował około 56 milionów dolarów, obejmował 73 loty i ponad 133 godziny lotu przed zakończeniem 25 marca 1988 roku. Jednak w 1989 roku samolot testowy powrócił w powietrze od 3 kwietnia do 14 kwietnia, aby zmierzyć poziom hałasu naziemnego podczas lotu. Silnik został następnie usunięty, a samolot został przekształcony w samolot szkoleniowy promu kosmicznego w tym samym roku.

GE36 na demonstratorze McDonnell Douglas MD-80 na pokazie lotniczym w Farnborough w 1988 roku . Bezprzekładniowy silnik wentylatora bezprzewodowego miał całkowitą średnicę 11,67 stopy (3,56 m), z ośmioma lub dziesięcioma łopatkami z przodu (w zależności od konkretnej konfiguracji) i ośmioma łopatkami z tyłu.

GE36 Unducted Fan (UDF), od amerykański producent silników General Electric (GE) z 35-procentowym udziale francuskiego partnera Snecma (obecnie Safran ), był odmianą oryginalnej koncepcji propfan i przypominał konfiguracja popychacza silnik tłokowy. UDF firmy GE miał nowatorski układ napędu bezpośredniego, w którym przekładnię redukcyjną zastąpiono wolnoobrotową siedmiostopniową turbiną wolną. Jeden zestaw wirników turbiny napędzał przedni zestaw śmigieł, podczas gdy tylny zestaw był napędzany przez drugi zestaw wirników, które obracały się w przeciwnym kierunku. Turbina posiadała 14 rzędów łopatek z siedmioma stopniami. Każdy etap składał się z pary przeciwstawnych rzędów. Samoloty, które obawiały się podatnych na problemy skrzyń biegów od lat pięćdziesiątych, lubiły bezprzekładniową wersję śruby napędowej GE: Boeing zamierzał zaoferować silnik GE z popychaczem UDF na platformie 7J7 (która miałaby prędkość przelotową Mach 0,83) oraz McDonnell Douglas planował zrobić to samo na swoim samolocie MD-94X . GE36 został po raz pierwszy przetestowany w locie zamontowany na stacji silnika nr 3 Boeinga 727-100 w dniu 20 sierpnia 1986 r. Planowano, że GE36 UDF dla 7J7 będzie miał ciąg 25 000 funtów-siła (110 kN), ale GE twierdzi, że że ogólnie koncepcja UDF może obejmować zakres ciągu od 9000 do 75 000 lbf (od 40 do 334 kN), więc silnik UDF mógłby ewentualnie dorównać lub przewyższyć ciąg CF6 , rodziny szerokokadłubowych silników GE w tamtym czasie.

McDonnell Douglas opracował samolot typu „proof-of-concept”, modyfikując należący do firmy MD-80 , który jest odpowiedni dla propfanów ze względu na silniki montowane na kadłubie rufowym (jak jego przodek DC-9), w ramach przygotowań do ewentualnego napędzania propfanem. Pochodne MD-91 i MD-92 oraz możliwy samolot MD-94X . Zamienili lewy silnik turbowentylatorowy JT8D na GE36. Loty testowe rozpoczęły się w maju 1987 r., co potwierdziło zdatność do lotu, właściwości aerodynamiczne i sygnaturę hałasu. Po wstępnych testach zainstalowano kabinę pierwszej klasy w tylnej części kadłuba, a kierownictwo linii lotniczych miało możliwość bezpośredniego zapoznania się z samolotem napędzanym przez UDF. Loty testowe i marketingowe samolotu demonstracyjnego wyposażonego w GE zakończyły się w 1988 roku, wykazując 30% zmniejszenie zużycia paliwa w porównaniu z MD-80 napędzanym turbowentylatorem, pełną zgodność z poziomem hałasu Stage 3 oraz niski poziom hałasu/wibracji we wnętrzu. GE36 miałby taki sam ciąg 25 000 lbf (110 kN) jak MD-92X, ale ten sam silnik byłby obniżony do 22 000 lbf (98 kN) ciągu w mniejszym MD-91X. MD-80 został również pomyślnie przetestowany w locie w kwietniu 1989 roku z propfanem 578-DX , który był prototypem firmy Allison Engine Company (wówczas oddział General Motors ), który również wywodził się z Allison XT701 i był zbudowany we współpracy z Hamiltonem. Śmigła standardowe. Program silników został opracowany wspólnie przez Allison i inny oddział United Technologies, producenta silników Pratt & Whitney . W przeciwieństwie do konkurencyjnego GE36 UDF, 578-DX był dość konwencjonalny, mając przekładnię redukcyjną między turbiną LP a łopatkami propfanu. Ze względu na spadki cen paliwa do silników odrzutowych i zmieniające się priorytety marketingowe, Douglas odłożył program propfan jeszcze w tym samym roku.

Silnik PW-Allison 578-DX zainstalowany na tym samym stanowisku testowym MD-80. Przeciwbieżny, zębaty silnik propfan ma 11,6 stopy (3,5 m) średnicy, z sześcioma łopatkami z przodu i sześcioma łopatkami z tyłu.

Inne proponowane aplikacje

Inne zapowiedzi przyszłych samolotów napędzanych propfanem obejmowały:

  • Fokker FXX, A 100-120 siedzenie propfan zasilany samolot, który badano w 1982 roku
  • MPC-75 , 80-siedzenia, Mach 0,76 prędkość rejs, 1500 Zakres NMI (1700 mil, 2800 km) samolot regionalny stworzony przez Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) z RFN i chiński Aero Technologia Export / Import Corporation ( CATIC); wykorzystane jako napędowego bazowym dwa z bezpośrednim napędem General Electric GE38 -B5 UDF silniki dostarczające 9,644 i 2,190 (4,374 lbf i 993 kG; 42,90 i 9,74 kN) w statycznego nacisku i rejs z zużyciem paliwa oporowej specyficzne (TSFC) z 0,240 i 0,519 lb/(lbf⋅h) (6,8 i 14,7 g/(kN⋅s)), odpowiednio, przez propfan o średnicy 85 cali (2,1 m) z 11 i 9 łopatkami na przeciwbieżnych śrubach napędowych; zaproponowano alternatywne napędowego 14,500 funtów siły (6600 kG, 64 kN) Siła statyczne PW-Allison 501-M80E ukierunkowanej propfan silnika, który pochodzi od turboshaft 501-M80C, który został wybrany do zasilania US Navy jest Osprey tiltrotor samolot; później opisał silnik propfan jako jeden z rdzeniem z T406 (wojskowe oznaczenie zespołu napędowego Osprey's), zawierający propfan o średnicy 108 (2,7 m), który zapewniał 2450 lbf (1110 kgf; 10,9 kN) ciągu podczas rejsu z TSFC 0,51 funta/(lbf⋅h) (14 g/(kN⋅s))
  • ATR 92, samolot o prędkości przelotowej 400 kn (460 mph; 740 km/h), pięcio- lub sześciorzędowy, 100-miejscowy samolot z Avions de Transport Regional (ATR, joint venture francuskiego Aerospatiale i włoskiego Aeritalia ) i hiszpańskiego Construcciones Aeronáuticas SA (CASA), która prawdopodobnie byłaby zasilana przez UDF
  • Aerospatiale AS.100, samolot regionalny o zasięgu 1500 NMI (1700 mil; 2800 km), prędkości przelotowej 0,74–0,78 Macha na wysokości 30 000 stóp (9100 m) i pojemności 80-100 miejsc może być zasilany przez UDF lub przez propfan wersji Allison T406 tiltrotor silnika
  • ATRA-90 (Advanced Technology samolot regionalny), samolot 83- do 115-osobowa przedziale 1,500-2,100 NMI (1,700-2,400 Mi; 2,800-3,900 km) i prędkość przelotową 0,8 Macha na 30.000 stóp (9100 m) wysokość, która miała być zbudowana przez międzynarodowe joint venture składające się z Industri Pesawat Terbang Nusantara ( IPTN ) z Indonezji, Boeing (USA), MBB (Niemcy Zachodnie) i Fokker (Holandia)
  • Tu-334 , samolot 126 stanowisk, które mogą przemieszczać się 1,860 NMI (2,140 mi, 3450 km), z 11,430 kg ładunku (25200 funtów, 11,43 t, 12,60-krótki ton), który jest zasilany przez dwa Progress (znany również jako Lotarev) śmigła D-236 o jednostkowym spalaniu 0,46 kg/kg ciągu/godz., ciągu przelotowym 1,6 tony (3500 lbf; 16 kN) i statycznym ciągu od 8 do 9 tf (18 000 do 20 000 lbf; 78 do 88 kN)
  • Ił-88 , następcą cztery turbośmigłowe An-12 taktycznego transportera, które są napędzane przez dwa 11.000 KM (8200 kW) Postęp D-236 propfans
  • Iljuszyn Ił-118, modernizacja czterosilnikowego samolotu pasażerskiego Ił-18 ; zaproponowany w 1984 roku, samolot miałby być napędzany dwoma śmigłami D-236, przy czym ośmiołopatowe przednie śmigło na każdym silniku obracałoby się z prędkością 1100 obr./min, a sześciołopatowe tylne śmigło obracało się z prędkością 1000 obr./min w celu zmniejszenia hałasu i wibracji
  • Ponowne silnikiem Antonov An-124 , zastępując cztery Progress D-18T turbofans przez 55,100 lbf oporowe (245.2 kN) Kuznetsov NK-62 propfans

Spadek

Żaden z tych projektów nie doszedł jednak do skutku, głównie z powodu nadmiernego hałasu w kabinie (w porównaniu z turbowentylatorami) i niskich cen paliwa. Dla General Electric, GE36 UDF miał zastąpić turbowentylator wysokoprzepustowy CFM56, który wyprodukował z równorzędnym partnerem Snecma w ich wspólnym przedsięwzięciu CFM International . W latach 80. silnik początkowo nie był konkurencyjny w stosunku do konkurencyjnej oferty International Aero Engines , IAE V2500 . W grudniu 1986 r. prezes Snecma oświadczył, że opracowywany CFM56-5S2 będzie ostatnim turbowentylatorem stworzonym dla rodziny CFM56 i że „ Nie ma sensu wydawać więcej pieniędzy na turbowentylatory. UDF to przyszłość”. V2500 napotkał jednak problemy techniczne w 1987 roku, a CFM56 nabrał znacznego rozpędu sprzedaży. General Electric stracił zainteresowanie GE36 kanibalizacją CFM56, co minęło pięć lat przed otrzymaniem pierwszego zamówienia w 1979 roku, i chociaż „UDF mógł być niezawodny według wcześniejszych standardów, turbowentylatory stawały się znacznie lepsze”. General Electric dodał technologię łopat UDF bezpośrednio do GE90 , najpotężniejszego silnika odrzutowego, jaki kiedykolwiek wyprodukowano, dla Boeinga 777 .

1990

Progress D-236 propfan silnik na Jak-42, E-LL pilotowej samolotu na Paris Air Show w 1991 roku.

Na początku lat 90. Związek Radziecki / Rosja przeprowadziły testy w locie na Progress D-236 , przekładniowym silniku śmigłowym z przekładnią przeciwbieżną, opartym na rdzeniu turbowentylatorowego Progress D-36 , z ośmioma łopatkami na przednim śmigle i sześcioma łopatkami. łopatki na tylnym śmigle. Jednym ze stanowisk testowych był wentylator śmigłowy o mocy 10100 KM (7500 kW) zamontowany na Ił-76 Iljuszyn i przetransportowany na pokaz lotniczy Hannover ILA 90, który był przeznaczony dla niezidentyfikowanego samolotu czteropromiennikowego. D-236 poleciał 36 razy, w sumie 70 godzin lotu na Ił-76. Drugim stanowiskiem testowym była jednostka o mocy 10,990 KM (8195 kW), 14 ft (4,2 m; 170 cali; 420 cm) zamontowana na Jakowlew Jak-42 E-LL i polecona na pokaz lotniczy w Paryżu w 1991 roku , jako demonstracja planowanego Samolot Jak-46 z dwoma silnikami propfan, który w podstawowej wersji 150-miejscowej miałby zasięg 1900 mil morskich (2200 mil; 3500 km) i latał z prędkością 460 kn (530 mph; 850 km/h; 780 stóp) /s; 240 m/s) (Mach 0,75). Sowieci twierdzili, że D-236 ma rzeczywistą wydajność aerodynamiczną na poziomie 28 procent i oszczędność paliwa o 30 procent w porównaniu z równoważnym turbośmigłowym silnikiem . Ujawnili również plany dotyczące wentylatorów o mocy 14100 i 30200 KM (10500 i 22500 kW).

Progress D27 Śmigła zamontowane na Antonov An-70 .

Podobnie jak Progress D-236, mocniejszy silnik propfan Progress D-27 jest propfanem przeciwbieżnym z ośmioma przednimi i sześcioma tylnymi łopatkami, ale D-27 ma zaawansowane łopatki kompozytowe o zmniejszonym stosunku grubości do cięciwy i bardziej wyraźna krzywizna na krawędzi natarcia . Silnik, który został wprowadzony na rynek w 1985 roku, D-27 dostarcza 14 000 KM (10 440 kW) mocy przy 27 000 lbf (119 kN) ciągu przy starcie. Dwa zamontowane z tyłu śmigła D-27 napędzały ukraiński Antonov An-180 , który miał wykonać pierwszy lot w 1995 roku i wejść do służby w 1997 roku. W styczniu 1994 roku Antonow wypuścił na rynek pierwszy prototyp wojskowego samolotu transportowego An-70 , napędzany czterema samolotami Progress D-27 przymocowanymi do skrzydeł u góry kadłuba. Russian Air Force złożył zamówienie na 164 samolotów w 2003 roku , później anulowany. Od 2013 roku An-70 wciąż miał obiecującą przyszłość jako frachtowiec. Ponieważ jednak część śmigła Progress D-27 jest produkowana przez rosyjską SPE Aerosila , An-70 był zagrożony przez konflikt polityczny Ukrainy z Rosją . Zamiast tego Antonow rozpoczął współpracę z Turcją w 2018 r. nad przebudową An-70 na An-77 pod nową nazwą , tak aby samolot mógł spełniać współczesne wymagania bez udziału rosyjskiego dostawcy.

Dwudziesty pierwszy wiek

W pierwszej dekadzie XXI wieku rosnące ceny paliwa do silników odrzutowych zwiększyły nacisk na wydajność silnika/płatowca w celu zmniejszenia emisji, co ponownie zainteresowało koncepcją propfan dla samolotów odrzutowych poza Boeingiem 787 i Airbusem A350 XWB. Na przykład, Airbus opatentował projekty samolotów z dwoma przeciwbieżnymi wentylatorami umieszczonymi z tyłu. Rolls-Royce miał tylną (popychacz) konfigurację RB.509-11 i przednią (ciągnik) konfigurację RB.509-14 z przekładnią propfan, która wytwarzała ciąg 15000-25000 lbf (6800-11300 kgf; 67-111 kN) generator gazu z silnika XG-40 o mocy 13 000 KM (9700 kW) na wale. W latach osiemdziesiątych technologia propfan stała się letnia, chociaż opracowała konstrukcję z otwartym wirnikiem, która była uważana za finalistę wąskokadłubowego samolotu Irkut MS-21 . Silnik Rolls-Royce RB3011 miałby średnicę około 170 cali (430 cm; 14 stóp; 4,3 m) i wymagałby skrzyni biegów o mocy 16 000 KM (12 000 kW) .

Makieta z otwartym wirnikiem Safran w 2017 roku.

W 2008 r. Komisja Europejska uruchomiła demonstrację Open Rotor kierowaną przez Safrana w ramach programu Czyste niebo finansowanego kwotą 65 mln euro w ciągu ośmiu lat. Pokazowego zamontowano w 2015 roku, i miele testowano w maju 2017 r jego testowym świeżym powietrzu platformy w Istres , zmierzające do zmniejszenia zużycia paliwa i związane z CO 2 emisji o 30% w porównaniu z obecnymi CFM56 turbofans. Po zakończeniu testów naziemnych pod koniec 2017 r., silnik z otwartym wirnikiem Safran osiągnął poziom gotowości technologicznej 5. Dwunastołopatowe przednie śmigło demonstratora i dziesięciołopatowe tylne śmigło miały średnice 13,1 i 12,5 stopy (4,0 i 3,8 m); 160 i 150 cali; 400 i 380 cm). Demonstrator, oparty na rdzeniu wojskowego silnika myśliwskiego Snecma M88 , zużywa do 12 200 koni mechanicznych (9 megawatów), zapewnia ciąg około 22 000 lbf (100 kN) i porusza się z prędkością 0,75 Macha. Przyszły silnik z otwartym wirnikiem Safran miałby jednak maksymalną średnicę prawie 14,8 stopy (4,50 m; 177 cali; 450 cm).

W 2007 r. Progress D-27 został pomyślnie zmodyfikowany, aby spełniał przepisy Amerykańskiej Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA) Stage 4, które odpowiadają normom Rozdziału 4 Organizacji Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO). W badaniu handlowym z 2012 r. przewidywano, że hałas propfanu będzie o 10–13 decybeli cichszy niż zezwalają na to przepisy dotyczące etapu 4. Limity hałasu etapu 5 zmniejszają limity tylko o siedem efektywnych decybeli hałasu odczuwalnego ( EPNdB ), w obrębie obwiedni hałasu propfanu. Badanie przewidywało również, że otwarte wirniki będą o 9 procent bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa, ale pozostaną o 10–12 decybeli głośniejsze niż turbowentylatory. Snecma twierdził, że jego silniki propfan będą miały mniej więcej taki sam poziom hałasu jak silnik turbowentylatorowy CFM LEAP .

W 2021 r. firma CFM ogłosiła program rozwojowy Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE), którego celem jest wyprodukowanie jednostopniowego propfanu napędzanego przekładnią w połączeniu z aktywnymi stojanami w ściągaczu/ciągniku, w konfiguracji z testami w locie, które mają się rozpocząć do 2025 r. Oczekiwano, że wirnik przekroczyć średnicę. Oczekiwano, że silnik wyprodukuje 20 000-35 000 funtów. ciągu przy 20% wzroście efektywności paliwowej. Firma twierdziła, że ​​jej motywacją był globalny nacisk na redukcję emisji. Silnik miał obsługiwać zarówno wodór, jak i paliwa zrównoważonego lotnictwa. Oczekiwano, że silnik będzie zawierał kompaktowy rdzeń wysokociśnieniowy i system rekuperacji do wstępnego podgrzewania powietrza do spalania ciepłem odlotowym, a także kompozyty z osnową ceramiczną w sekcji gorącej oraz kompozytowe łopatki wentylatora formowane metodą transferu żywicy. Oprócz wirnika konstrukcja obejmuje nieobrotowy zestaw łopatek stojana o zmiennym skoku, które działają jak łopatki odzysku przepływu. Konstrukcja zwiększa współczynnik ciśnienia wentylatora i zmniejsza obciążenie wirnika, zwiększając prędkość powietrza. Stopień wentylatora ma być zasilany przez wysokoobrotową sprężarkę doładowującą i szybkoobrotową, niskociśnieniową przednią skrzynię biegów napędzaną wałem. Silnik jest przeznaczony do certyfikacji jako „silnik zintegrowany” zamiast tradycyjnego „śmigła/silnika” ze względu na złożoność integracji z płatowcem.

Wyzwania

Konstrukcja ostrza

Turbośmigłowe mają optymalną prędkość poniżej około 450 mil na godzinę (390 kn; 720 km/h), ponieważ śmigła tracą wydajność przy dużej prędkości, ze względu na efekt znany jako opór fali, który występuje tuż poniżej prędkości naddźwiękowych . Ten potężny opór ma nagły początek i doprowadził do koncepcji bariery dźwięku, kiedy po raz pierwszy napotkano ją w latach 40. XX wieku. Ten efekt może wystąpić, gdy śmigło kręci się na tyle szybko, że końcówki łopatek zbliżają się do prędkości dźwięku.

Najskuteczniejszym sposobem rozwiązania tego problemu jest dodanie łopatek do śruby napędowej, co pozwala na dostarczanie większej mocy przy niższej prędkości obrotowej. To dlatego wiele projektów myśliwców z okresu II wojny światowej zaczynało od dwu- lub trzyłopatowych śmigieł, ale pod koniec wojny używano nawet pięciu łopat; gdy silniki zostały zmodernizowane, potrzebne były nowe śmigła, aby wydajniej przetwarzać tę moc. Dodanie łopatek utrudnia wyważenie i konserwację śmigła, a dodatkowe łopatki powodują niewielkie spadki wydajności z powodu problemów z oporem i wydajnością. Ale nawet przy tego rodzaju środkach, ostatecznie prędkość samolotu w połączeniu z prędkością obrotową końcówek łopat śmigła (razem znana jako prędkość końcówki śrubowej) ponownie spowoduje problemy z oporem fal. W przypadku większości samolotów nastąpi to przy prędkościach powyżej około 450 mil na godzinę (390 węzłów; 720 km/h).

Wymiatane śmigło

W 1935 roku niemieccy badacze odkryli metodę zmniejszania oporu falowego – odsuwanie skrzydła do tyłu. Obecnie prawie wszystkie samoloty zaprojektowane do latania znacznie powyżej 450 mil na godzinę (390 kn; 720 km/h) używają skośnego skrzydła . Ponieważ wnętrze śmigła porusza się wolniej w kierunku obrotowym niż na zewnątrz, łopata jest stopniowo coraz bardziej odchylana na zewnątrz, co prowadzi do zakrzywionego kształtu podobnego do buławy – praktyka ta została zastosowana po raz pierwszy już w 1909 roku. w dwułopatowym drewnianym śmigle Chauvière, używanym w Blériot XI . (Przy nasadzie łopaty, łopata jest w rzeczywistości odchylona do przodu w kierunku obrotowym, aby przeciwdziałać skręcaniu, które jest generowane przez przesunięte do tyłu końcówki łopaty). Profan testowy Hamilton Standard został przesunięty progresywnie do maksimum 39 stopni na końcach łopaty , pozwalając propfanowi na wytworzenie ciągu, mimo że ostrza miały spiralną prędkość końcówki około 1,15 Macha.

Łopaty GE36 UDF i 578-DX mają maksymalną prędkość w obrocie około 750-800 ft / s (230-240 m / s; 510-550 mph; 820-880 km / h) lub około połowy maksymalna prędkość końcówki dla łopatek śmigła konwencjonalnego turbowentylatora. Ta maksymalna prędkość ostrza byłaby utrzymywana na stałym poziomie pomimo szerszej lub węższej średnicy śmigła (co skutkuje odpowiednio zmniejszeniem lub wzrostem obrotów).

Opór można również zmniejszyć, zmniejszając grubość ostrzy, co zwiększa prędkość, jaką ostrza mogą osiągnąć, zanim powietrze przed nimi stanie się ściśliwe i wywoła fale uderzeniowe. Na przykład łopatki propfanu testowego Hamilton Standard miały stosunek grubości do cięciwy, który zwężał się od mniej niż 20% na połączeniu spinner do 2% na końcówkach i 4% w połowie rozpiętości. Łopaty propfanu miały w przybliżeniu o połowę mniejszy stosunek grubości do cięciwy niż najlepsze konwencjonalne łopatki śmigła tamtych czasów, były cieńsze do brzytwy na krawędziach i ważyły ​​zaledwie 20 funtów (9,1 kg). (Silnik GE36 UDF testowany na Boeingu 727 miał przednie i tylne łopaty, które ważyły ​​22,5 i 21,5 funta (10,2 i 9,8 kg) każda.)

Porównanie propfanu z innymi typami silników lotniczych.

Hałas

Jednym z głównych problemów z propfanem jest hałas. Badania nad propfanem w latach 80. odkryły sposoby na zmniejszenie hałasu, ale kosztem zmniejszonej wydajności paliwowej, łagodząc niektóre zalety propfanu.

Ogólne metody redukcji hałasu obejmują obniżenie prędkości końcówek i zmniejszenie obciążenia łopaty lub wielkości ciągu na jednostkę powierzchni łopaty. Koncepcja podobna do obciążania skrzydeł, obciążenie łopaty można zmniejszyć, zmniejszając wymaganą siłę ciągu lub zwiększając ilość, szerokość i/lub długość łopat. W przypadku śmigieł przeciwbieżnych, które mogą być głośniejsze niż śmigła turbośmigłowe lub śmigła jednoobrotowe, hałas można również obniżyć poprzez:

  • zwiększenie szczeliny między śmigłami;
  • utrzymywanie łopatek tylnej śruby napędowej krótszej niż w przypadku przedniej śruby napędowej, tak aby łopatki tylnej śruby nie przecinały wirów wierzchołka łopaty przedniej śruby napędowej ( interakcja łopata-wir );
  • użycie różnej liczby łopatek na dwóch śmigłach, aby uniknąć wzmocnienia akustycznego ; oraz
  • obracanie przedniego i tylnego śmigła z różnymi prędkościami, również w celu uniknięcia wzmocnienia akustycznego.

Hałas społeczności

Producenci silników oczekują, że implementacje propfan spełnią wymagania społeczności (w przeciwieństwie do przepisów dotyczących hałasu w kabinie) bez poświęcania przewagi w zakresie wydajności. Niektórzy uważają, że propfans może potencjalnie powodować mniejszy wpływ na społeczność niż turbofans, biorąc pod uwagę ich niższe prędkości obrotowe. Z tego samego powodu propfany z przekładnią powinny mieć przewagę nad propfanami bez przekładni.

W 2007 r. Progress D-27 został pomyślnie zmodyfikowany, aby spełnić przepisy Federalnej Administracji Lotnictwa Cywilnego Stanów Zjednoczonych (FAA) Stage 4, które odpowiadają normom Rozdziału 4 Organizacji Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO) i zostały przyjęte w 2006 r. Przewiduje się badanie handlu z 2012 r. hałas powodowany przez istniejącą technologię otwartego wirnika byłby o 10–13 decybeli cichszy niż maksymalny poziom hałasu dozwolony przez przepisy dotyczące etapu 4; nowsze limity hałasu Etapu 5 (które zastąpiły przepisy dotyczące Etapu 4 dla większych statków powietrznych w 2018 r. i odzwierciedlały normę hałasu ICAO Rozdział 14 ustaloną w 2014 r.) są bardziej restrykcyjne niż wymogi Etapu 4 o zaledwie siedem efektywnych decybeli hałasu odczuwalnego ( EPNdB ), więc Obecna technologia propfanu nie powinna być krępowana przez standardy Stage 5. Badanie przewidywało również, że na istniejących poziomach technologii otwarte wirniki będą o dziewięć procent bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa, ale będą o 10–12 decybeli głośniejsze niż turbowentylatory. Snecma utrzymuje jednak, że testy z otwartym wirnikiem pokazują, że jego silniki śmigłowe będą miały mniej więcej taki sam poziom hałasu jak silnik turbowentylatorowy CFM LEAP , który wszedł do służby w 2016 roku.

Dalsze redukcje można osiągnąć poprzez przeprojektowanie konstrukcji samolotu w celu ochrony przed hałasem z ziemi. Na przykład w innym badaniu oszacowano, że gdyby silniki śmigłowe były używane do napędzania hybrydowego samolotu ze skrzydłami zamiast konwencjonalnych samolotów o konstrukcji rurowo -skrzydłowej, poziom hałasu mógłby zostać obniżony nawet o 38 EPNdB w porównaniu z wymogami rozdziału 4 ICAO. W 2007 roku brytyjska, budżetowa linia lotnicza easyJet wprowadziła koncepcję ecoJet, 150-250 miejscowego samolotu z silnikami z otwartym wirnikiem montowanymi w kształcie litery V, połączonymi z tylnym kadłubem i osłoniętymi ogonem w kształcie litery U. Bezskutecznie zainicjował rozmowy z Airbusem, Boeingiem i Rolls-Roycem na temat produkcji samolotu.

Rozmiar

Dwusilnikowy samolot przewożący 100-150 pasażerów wymagałby śmigła o średnicy 120-168 cali (300-430 cm; 10,0-14,0 stóp; 3,0-4,3 m) i propfanu o średnicy śmigła 236 cali (600 cm); 19,7 stóp; 6,0 m) teoretycznie wytworzyłoby prawie 60 000 lbf (270 kN) ciągu. Rozmiary te osiągają pożądane wysokie współczynniki obejścia ponad 30, ale są w przybliżeniu dwukrotnie większe od średnicy silników turbowentylatorowych o równoważnej wydajności. Z tego powodu, airframers zwykle zaprojektować usterzenia o T ogona konfiguracji dla aerodynamicznych celów i propfans może być przymocowana do górnej części tylnej kadłuba . W przypadku prototypu propfan Rolls-Royce RB3011 wymagany byłby pylon o długości około 8,3 stopy (2,54 m; 100 cali; 254 cm), aby połączyć środek każdego silnika z bokiem kadłuba. W przypadku zamontowania śmigła do skrzydeł skrzydła byłyby mocowane do samolotu w konfiguracji wysokopłatowej , co pozwala na uzyskanie prześwitu bez konieczności stosowania zbyt długiego podwozia . Dla tej samej ilości wytwarzanej mocy lub ciągu wentylator bezkanałowy wymaga krótszych łopatek niż wentylator z przekładnią, chociaż ogólne problemy z instalacją nadal mają zastosowanie.

Ocena wyjściowa

Silniki turbośmigłowe i większość śmigieł są oceniane na podstawie wytwarzanej przez nie mocy wału (shp), w przeciwieństwie do turbowentylatorów i typu śmigła UDF, które są oceniane na podstawie wytwarzanego ciągu . Ogólna zasada jest taka, że ​​na poziomie morza przy statycznym silniku moc 1 wału (750 watów) jest w przybliżeniu odpowiednikiem ciągu 2 funtów (8,9 N), ale na wysokości przelotowej zmienia się to na około 1 funt siły (4,4 N). N) ciąg. Oznacza to, że dwa silniki o ciągu 25 000 lbf (110 kN) można teoretycznie zastąpić parą wentylatorów o mocy 12 000–13 000 KM (8900–9 700 kW) lub dwoma wentylatorami UDF o ciągu 25 000 lbf (110 kN).

Samoloty z propfanami

Kategoria główna: Samoloty z napędem propfan

Zobacz też

Porównywalne silniki

Powiązane listy

Bibliografia

Zasoby ogólne

  • Koncepcje napędu wentylatorów śmigła: przegląd technologii, metodologia projektowania, najnowocześniejsze projekty i perspektywy na przyszłość. Raymond Scott Ciszek. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej Uniwersytetu Wirginii. Projekt pracy dyplomowej seniora. 25 marca 2002 r.

Bibliografia

Zewnętrzne linki