Дача у меня расположена в двух километрах по курсу от торца взлётно-посадочной полосы, и я уже как-то привык, что Ил-76, Ту-134, Ту-154 и Як-42 взлетают с пронзительным рёвом, в то время, как даже более крупные Боинги и Эирбасы делают это существенно тише, и даже с приятным урчанием.
Я никогда не вдавался в особенности конструкций авиадвигателей, и наивно для себя полагал, что уменьшение шума связано с толстым-толстым слоем шоколада шумоизоляции, «намотанной» вокруг реактивной камеры сгорания, что и выливается в увеличенный размер авиадвигателя и снижение его шумности.
На днях, очередной раз провожая взглядом красивый, но жутко ревущий Ил-76, я вдруг подумал, что, может быть, не всё так просто? Полез изучать этот вопрос в Интернет. И тут выяснились удивительные вещи, о которых я и расскажу в этой статье.
Специалисты и люди, имеющее отношение к авиации, наверное, снисходительно улыбнутся, но факт остаётся фактом — подавляющему большинству людей других специальностей причины столь сильного снижения шума и даже изменения его характера в новых авиадвигателях совершенно неведомы! )))
Данная статья призвана прояснить для неспециалистов реальное положение дел, опираясь на простые понятия и без терминологии, усложняющей восприятие любого материала. Также в статье будут заведомые упрощения, порой такие, от которых у специалистов будут скрежетать зубы. Но точность и всеобъемлемость описаний большинству просто не нужна. Важно дать читателю лишь общие понятия и представления.
Пропеллерная или реактивная тяга?
Наверно вы знаете, что существует два визуально различающихся типа двигателя — пропеллерный и реактивный. Так, у Ан-24, Ил-18, и Ту-95 мы видим пропеллеры, а у Ил-96, Ту-154 и Як-42 — реактивные двигатели. На этом, как правило, наши познания заканчиваются.
На самом деле типов двигателей намного больше, но давайте исключим, скажем, поршневые двигатели учебных и спортивных самолётов и двигатели вертолётов, сегодня речь не о них.
Так вот, когда мы смотрим на пропеллерные и реактивные двигатели пассажирских самолётов, нам кажется, что мы видим два принципиально разных типа двигателя. Один отталкивается от воздуха лопастями а второй толкает самолёт за счёт реактивной струи. Всё, как нам и объясняли ещё в школе на уроках физики.
Но правда жизни такова, что и в одном и в другом случае мы видим один и тот-же гибрид пропеллерно-реактивного двигателя! ))) Ведь в школе нам объясняли всего лишь принципы пропеллерного и реактивного движения на примерах классических двигательных установок, а не работу реальных двигателей.
Если упростить описание конструкции этих двигателей до предела, то мы получим почти одну и ту-же схему для обоих типов двигателя. В центре и одного и второго двигателя стоит камера сгорания, в которую компрессором накачивается воздух и подаётся топливо. Эта смесь горит, горячие газы ускоряются сопловым устройством и направляются на лопатки турбины, раскручивая её.
На микроуровне происходит следующее. При горении топлива температура подаваемого компрессором воздуха сильно растёт (молекулы газа увеличивают свою хаотичную скорость, чаще соударяются друг с другом, газ становится менее плотным, т.е. более расширенным). За счёт постоянного протока воздуха давление в камере сгорания стабилизируется на величине, которую может дать компрессор.
Далее раскалённые газы направляются в специальное сопловое устройство, которое за счёт сужающихся каналов сильно увеличивает скорость проталкиваемого раскалённого газа, а за счёт их последующего расширения превращает хаотичное и очень сильное тепловое движение молекул в упорядоченное, ускоряя их ещё больше и направляя на лопатки турбины. Молекулы с силой ударяются в них, создавая давление при изменении направления их движения, и раскручивают турбину.
Ускорение на расширении сопел вместо, казалось бы, ожидаемого замедления происходит из-за очень большой скорости потока газа, который не успевает расширится до расширяющихся стенок. Молекулы в своём хаотичном тепловом движении перестают терять энергию на столкновениях со стенками и другими молекулами, уже отражёнными от стенок, и всю свою неослабленную боковыми столкновениями энергию направляют на столкновения в преимущественно упорядоченном продольном направлении.
При продольных столкновениях задние молекулы разгоняют передние. Хаотичного бокового движения, которое ощущается нами, как температура, в итоге становится меньше, а скорость увеличивается.
Турбина и там и там крутит пропеллер (или вентилятор), а газы, прошедшие турбину и потерявшие на ней часть энергии (но не всю), уже беспрепятственно выходят сзади из камеры сгорания, что создаёт реактивную тягу.
Таким образом, все двигатели, которые мы видим на относительно современных больших пассажирских и транспортных самолётах — они «пропеллерно-реактивные» вне зависимости от того, видим ли мы пропеллер (более правильно называть его воздушным винтом), или он спрятан внутри двигателя под кожухом.
И в том и в другом двигателе стоит турбина, крутящая вал с воздушным винтом. Именно поэтому в названиях всех этих двигателей стоит приставка «турбо» —турбовинтовые и турбовентиляторные (правильно их называть «турбореактивные двухконтурные двигатели», ТРДД, но нам такие подробности пока не важны, поэтому используем упрощённую кальку с английского).
Часто турбовентиляторные двигатели ошибочно называют просто турбореактивными, хотя чистые турбореактивные уже не применяются, хотя ранее и применялись в военной истребительной авиации, где движение самолёта всегда происходило действительно только за счёт реактивной струи.
Но если принципы работы двигателей схожи, а названия разные, то в чём же тогда отличие? Оно отчётливо проявлялось на заре развития турбовентиляторных двигателей, у которых реактивная струя давала основную тягу (65-75%) в то время, как у турбовинтовых двигателей реактивная струя выхлопа даёт обычно только 5-15% тяги. Ранее эта разница легко понималась, как первичность типа тяги.
Современные турбовентиляторные двигатели для пассажирских авиалайнеров приблизились по показателю пропорций тяги к турбовинтовым (реактивная струя даёт у них уже только 10-20% тяги, а всё остальное даёт вентилятор), потому что именно такая пропорция оказалась для пассажирских перевозок на большие расстояния самой подходящей по скорости и экономичности.
Чтобы понять сегодняшние отличия, которые на первый взгляд уже неочевидны, требуется уже немного углубиться в детали конструкции. Турбовинтовые двигатели имеют открытый воздушный винт, который просто загребает внешний воздух и отбрасывает его назад, а в турбовентиляторных двигателях тот же винт (но с другим количеством и формой лопаток) тоже загребает внешний воздух, но, отбрасывая его назад в почти замкнутый объём, создаёт внутри него давление, которое затем сбрасывается сзади через заднее сопло, тоже создавая своего рода реактивную тягу.
Строго говоря, обычный воздушный винт в турбовинтовых двигателях тоже создаёт реактивную тягу, ведь его лопасти, загребая воздух, с силой отбрасывают его назад, за счёт чего он и движется вперёд, а это ни что иное, как реактивное движение.
Чтобы избежать дальнейшей путаницы, предлагаю реактивной тягой называть только тягу, в которой участвует воспламенение топлива и, как следствие, расширение горячих газов, выбрасываемых назад в сопло. Остальную тягу будем называть просто вентиляторной.
Замечу, что предел скорости вращения винтов у турбовентиляторных двигателей ограничен порогом эффективности захвата воздуха, и он ниже, чем у винтов вентиляторов, конструктивно обрамлённых корпусом кожуха в турбовентиляторных изделиях. Поэтому турбовентиляторные двигатели продолжают эффективно работать и на более высоких скоростях полёта.
Таким образом, определяем нюанс, отличающий типы этих двух двигателей. В турбовинтовом двигателе винт оптимизирован для мгновенного отбрасывания воздуха назад, а в турбовентиляторном — для создания статического давления внутри полости двигателя с последующем выдавливанием сжатого воздуха назад. Признаться, разница невелика :-)
Так что там с громкостью шума?
А вот тут мы подошли к ещё более интересному моменту. На заре реактивного двигателестроения, когда к турбореактивному двигателю придумали приделать вентилятор (организовать в двигателе второй контур прохождения воздуха для создания дополнительной тяги), это был не основной, а лишь дополнительный источник тяги. Основную работу всё так же создавала струя раскалённых газов, с большой скоростью вырывавшихся из камеры сгорания.
При выходе газов со столь большой скоростью на границе сопла неминуемо образовываются воздушные завихрения, очень сильные из-за большой разницы в скоростях струи и окружающего воздуха. Вот они-то и создавают основной шум у турбореактивных двигателей. Чтобы уменьшить шум, нужно уменьшить разницу в скоростях вырывающейся струи и окружающего воздуха, а также уменьшить реактивный вклад в тягу за счёт добавления нереактивного винтового вклада. Всё это и происходит в турбовентиляторных двигателях.
Часть энергии вырывающихся реактивных газов забирает на себя турбина, раскручивая тот самый винт (вентилятор), который частично нагнетает воздух в камеру сгорания, а частично создаёт дополнительную «тихую» тягу. Воздух, за счёт которого создаётся дополнительная тяга, накачивается во второй контур, но перед выходом из двигателя или сразу после выхода из него смешивался с раскалёнными высокоскоростными газами, выходящими из реактивной части двигателя.
Происходит взаимоуравнивание скоростей воздуха — вентиляторный разгонялся а реактивный затормаживался. В результате реактивная тяга остаётся прежней (даже, исходя из формул, чуть увеличивается), потому что, хотя скорость итоговой струи и падает, но возрастает количество увлекаемого ею воздуха. Вместе с тем, более медленная струя даёт меньше завихрений, и шум заметно уменьшается.
Чем больше вклад в тягу вентилятора, тем в общем случае тише работает двигатель. Во-первых, вентилятор априори тише реактивной струи, а при увеличении размера вентилятора мощность реактивной струи можно уменьшить. Во-вторых, чем больше вентилятор, тем больше воздуха имеется для смешивания с громкой реактивной струёй, и тем меньше итоговая скорость, а значит, и шумность, реактивных газов. А в-третьих, шум от всё увеличивающегося вентилятора проще изолировать шумоизоляцией кожуха, чем шум от длинной реактивной струи.
Так вот, у Ил-76 и других советских самолётов, которые разрабатывались довольно давно, размер вентилятора в двигателях небольшой, и вклад его в тягу не основной. Основная тяга идёт за счёт выброса реактивной струи.
В современных двигателях, в том числе и в новых российских ПД-14, основной вклад в тягу даёт огромный вентилятор. Поэтому и диаметр турбины большой, и шумят такие двигатели намного меньше. Да, с ростом размера винта его доля в шум двигателя возрастает, но, как уже было сказано выше, этот шум уже можно снизить шумоизоляцией самого кожуха.
Немного подробностей
Пути прохождения воздуха от вентилятора внутри двигателя называют контурами. Горячий контур — это классический турбореактивный двигатель с камерой сгорания, дающий реактивную составляющую тяги. Холодный контур — это путь прохождения воздуха, накачиваемого вентилятором для создания чисто вентиляторной тяги. Пропорция количества воздуха (не пропорция тяги!), проходящая через горячий и холодный контур называется степенью двухконтурности.
У Ил-76МД-90А и Ил-96 двигатели ПС-90А имеют степень двухконтурности 4,5, что даёт распределение тяги ~40-45% на реактивную тягу и ~55-60% на вентилятор. Почти пополам, но это всё ещё довольно шумно. У современного двигателя ПД-14 степень двухконтурности 8,5, что даёт распределение тяги ~10% на реактивную тягу и ~90% на вентилятор. Такая пропорция даёт намного меньше шума. А вот у старых Ил-76 двигатели Д-30КП имели степень двухконтурности 2,4, и шумели ещё сильнее, чем ПС-90А.
Чем выше степень двухконтурности, тем лучше?
Смотря для чего. Для пассажирских авиалайнеров — да. Кстати, после степени двухконтурности «8» при дальнейшем увеличении этой степени вклад вентилятора в тягу в процентном отношении к вкладу реактивной тяги почти не растёт или растёт существенно медленнее. Но некоторые зарубежные двигатели имеют степень двухконтурности «12».
Это достигается огромными вентиляторами со всеми вытекающими прочностными проблемами, что хотя и даёт микроскопический прирост топливной экономичности, но для авиакомпании, которая сжигает миллионы тонн топлива в год, экономия даже в 1.5-2% — это колоссальные деньги.
Для военной транспортной авиации экономичность и шум — не самые важные характеристики, и выжимать ради неё степень двухконтурности 12 никто не будет. На первый план выходит, надёжность двигателя а также стойкость к внешним деструктивным воздействиям. Для этого большой диаметр вентилятора противопоказан.
Во-первых, это увеличивает вероятность попадания в двигатель ракет, дронов и т.п. от боевого воздействия или инородных предметов при взлёте с грунтовых полос.
Во-вторых, у двигателей с низкой степенью двухконтурности более предсказуемая и стабильная тяга при взлете с короткой ВПП и наборе высоты, особенно с максимальным грузом.
В-третьих, конструкция двигателей с низкой степенью двухконтурности, как правило, более проста и ремонтопригодна в условиях, близких к полевым.
Также, потенциально двигатели с низкой степенью двухконтурности могут разгонять самолёт до более высокой скорости, что используется, например, в современных истребителях.
Заключение
Кстати, вот тут, на мой взгляд, неплохой материал для более углублённого изучения: https://www.radio-sarafan.ru/avia/wp-content/uploads/1614/59/Teoriya_aviatsionnih_dvigatelei_ch1.pdf
На сегодня всё. Ставьте нравлики, делитесь своим мнением в комментариях и подписывайтесь на мой канал. Удачи! :-)