В конструктивных схемах современных авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) выделяются две закономерности: реализация противоположного вращением роторов и установка редукторного привода вентилятора. Примером может служить двигатель, установленный на первых образцах отечественного среднемагистрального самолёта МС-21. Статья посвящена оценке результатов применения редукторного привода вентилятора.
Для тяжёлых пассажирских и транспортных самолётов большой дальности применяются ТРДД, имеющие высокие значения степеней двухконтурности (4–6) и предельно высокие параметры рабочего процесса (степень повышения полного давления — 26–40, температура газов — 1500–1600 °К). Это обеспечивает низкие удельные расходы топлива двигателей.
Увеличение степени двухконтурности (больше 8–10) с целью дальнейшего улучшения экономичности ТРДД привело к разработке двигателей с редукторным приводом вентилятора (GTF — Geared Turbofan). Редукторный привод вентилятора (РПВ, Fan Drive Gear System) позволяет устранить несоответствие в потребных окружных скоростях вентилятора (относительный диаметр которого увеличивается с ростом степени двухконтурности, а потребная окружная скорость уменьшается из-за снижения степени повышения полного давления) с окружными скоростями турбины вентилятора, которая в безредукторной схеме ТРДД оказывается недогруженной по окружным скоростям, и уменьшить за счёт этого число её ступеней.
РПВ позволяет оптимизировать частоты вращения и другие параметры вентилятора и ротора низкого давления (РНД) с обеспечением: максимального КПД и низкого уровня шума вентилятора; максимального КПД и малого числа ступеней турбины низкого давления (ТНД); прочности вала РНД при уменьшенном диаметре.
В целом, функционирование ТРДД с РПВ (GTF) аналогично работе традиционных двигателей с той разницей, что он расходует меньше топлива и создаёт меньше шума. Наличие РПВ позволяет сократить количество ступеней двигателя, уменьшая тем самым общий вес и число его модулей.
Благодаря наличию РПВ турбина низкого давления двигателя может вращаться с более высокой скоростью, обеспечивая максимальный КПД, при этом вентилятор двигателя может вращаться с меньшей скоростью, развивая бóльшую тягу при гораздо более низком уровне шума.
В традиционных двигателях законцовки лопаток вентилятора разгоняются практически до скорости звука. Переход звукового барьера чреват снижением эффективности работы вентилятора. Вентилятор ТРДД с РПВ вращается медленнее, что допускает увеличение его диаметра. Чем длиннее лопатки, тем больше воздуха выталкивает за собой вентилятор и тем сильнее реактивная тяга. Увеличивается степень двухконтурности, что гарантирует высокую эффективность двигателя и экономию топлива.
Степень двухконтурности ТРДД с РПВ удаётся повысить не только за счёт увеличения вентилятора, но и за счёт уменьшения внутреннего контура. Тот факт, что компрессор и ТНД работают на повышенных оборотах, позволяет сделать их компоненты более компактными и лёгкими.
РПВ — ключевой элемент конструкции двигателя. Редуктор планетарный, передаточное (число) отношение 3:1.
Редуктор состоит из центральной шестерни, пяти промежуточных шестерён соосной передачи и шестерни с внутренним зацеплением, соединённой с валом вентилятора.
РПВ передаёт крутящий момент от РНД на вал вентилятора.
Центральная шестерня (привод от РНД) передаёт вращение пяти промежуточным планетарным шестерням с последующей передачей вращения от них шестерне с внутренним зацеплением (привод вала вентилятора). Шестерня с внутренним зацеплением поворачивает вал вентилятора, который передаёт крутящий момент узлу вентилятора.
Узел опоры двух подшипников (вентилятора и РПВ) крепится к промежуточному корпусу вентилятора и обеспечивает хранение масла в отсеке. Подшипники конические роликовые, радиально-упорные. Локализация масла по переднему краю узла опоры обеспечена графитовым уплотнением переднего подшипника. На внешнюю сторону графитового уплотнения переднего подшипника нанесено сотовое легкосрабатываемое покрытие, которое с гребешками лабиринтов втулки вентилятора образует воздушное уплотнение гарантирующее наддув масляной полости.
С целью обеспечения надёжной работы РПВ в конструкции двигателя реализована резервная подача масла (Auxiliary Oil Supply).
Резервное питание маслом осуществляется при маневрировании самолёта или авторотации двигателя, когда давления в основной магистрали нагнетания недостаточно для надёжной работы и не обеспечивается непрерывная подача смазки в РПВ.
Для резервной подачи смазки используется один двухступенчатый маслонасос вентилятора, установленный в отсеке передней опоры двигателя. Насос приводится от ротора вентилятора, так что масло под давлением поступает в челночный клапан (Journal Oil Shuttle Valve), который в штатной ситуации перепускает его в маслобак двигателя. Последовательность зубчатых зацеплений представляет собой систему шестерён, которая гарантирует, что направление подачи масла насосом не будет меняться в случае противоположного вращения вала вентилятора (обратная авторотация).
В случае понижения давления масла челночный клапан переключает подачу смазки из маслонасоса вентилятора обратно в отсек подшипников.
При нулевой или отрицательных перегрузках насос вентилятора качает масло через весовой клапан из масляного резервуара.
При авторотации насос вентилятора качает масло через весовой клапан из отстойника передней опоры, который непрерывно заполняется отработанным маслом, поступающим из РПВ и опор вала.
Непрерывная подача масла в опорные подшипники предотвращает их преждевременный износ и повреждение.
РПВ, имея 18 дюймов в диаметре и массу 250 фунтов, передаёт мощность равную 30000 лошадиных сил…
О противоположном вращении роторов здесь.
