W rozwoju napędów lotniczych, obok czynników ekonomicznych, związanych z kosztami eksploatacji samolotów, coraz istotniejszy staje się aspekt ekologiczny, niemniej jednak, producenci nie rezygnują także z pracy nad zwiększeniem osiągów i wydajności konstrukcji nowej generacji silników. W poszukiwaniu optymalnych i perspektywicznych rozwiązań, przemysł lotniczy stał się poligonem doświadczalnym nowych technologii i koncepcji konstrukcyjnych.
Coraz bardziej restrykcyjne regulacje ekologiczne nie pozostają bez wpływu na rozwój konstrukcji lotniczych. O skali wyzwań technologicznych związanych z ochroną środowiska świadczą liczby i postulaty obecne w wizji rozwoju lotnictwa Flightpath 2050 organizacji ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe):
- 75% redukcji emisji CO2 przypadającej na jednego pasażera na jeden kilometr lotu,
- 90% redukcji emisji NOx,
- 65% redukcji odczuwalnego poziomu hałasuw odniesieniu do wartości typowych dla samolotów z początków XXI wieku.
W związku z tym, pojawiają się głosy, że dotychczasowe konstrukcje napędów lotniczych zbliżają się do granic swoich możliwości, a przyszłość należeć będzie do napędów hybrydowych, elektrycznych i zintegrowanych z konstrukcją skrzydeł i kadłubów samolotów. Tymczasem jednak standardem dla cywilnych statków lotniczych w kolejnych dekadach pozostaną silniki turbowentylatorowe (ang. turbofan) i turbośmigłowe (ang. turboprop), których konstrukcja opiera się na turbinie gazowej. Rozwój inżynierii materiałowej, technologii wytwarzania i analiz komputerowych daje obecnie konstruktorom napędów lotniczych narzędzia do przezwyciężenia problemów konstrukcyjnych związanych z takimi silnikami.
Wytwarzanie przyrostowe
W ostatnich latach przemysł lotniczy coraz bardziej docenia możliwości tzw. druku 3D. Jego zastosowanie pozwala na projektowanie części o zoptymalizowanej i bardziej złożonej budowie, bez obawy o wzrost kosztów. Jest szczególnie konkurencyjne w przypadku elementów o niewielkich gabarytach i skomplikowanej geometrii, wykonanych z wytrzymałych materiałów, typu Inconel 718 czy Ti6Al4V. Na etapie konstrukcyjnym pozwala na projektowanie podzespołów o optymalnych parametrach oraz umożliwia redukcję masy i liczby części, zaś w fazie produkcyjnej zapewnia dodatkowe oszczędności, związane z redukcją odpadów produkcyjnych oraz usprawnienia, wynikające z eliminacji wymagających procesów obróbki i łączenia. Przykładem takiego wytwarzanego przyrostowo elementu może być dysza wtryskiwacza paliwa silnika turbowentylatorowego LEAP, następcy modelu CFM56. Według producenta, spółki CFM, joint-venture Safran Aircraft Engines i General Electric, dzięki zastosowaniu technik przyrostowych, element waży o 25% mniej od poprzednich modeli, przy czym cechuje się pięciokrotnie wyższą wytrzymałością od produkowanych metodami konwencjonalnymi odpowiedników. Dysze wtryskiwacza stanowią istotny podzespół w zoptymalizowanym procesie spalania silnika LEAP, który wykazuje się 15% redukcją zużycia paliwa i emisji CO2 oraz 50% spadkiem emisji tlenków azotu, w odniesieniu do silników poprzedniej generacji.
Z kolei potencjał optymalizacji konstrukcji, związany z zastosowaniem technik przyrostowych jest doskonale widoczny na przykładzie silnika GE Catalyst. To pierwszy od niemal 30 lat silnik turbośmigłowy General Electric, zaprojektowany od podstaw. W pracach nad silnikiem uczestniczyli inżynierowie z Engineering Design Center w Warszawie. Zawiera najwięcej komponentów wytwarzanych przyrostowo ze wszystkich silników produkowanych seryjnie. W jego budowie 12 podzespołów addytywnych zastąpiło 855 standardowych części, m. in. wymienniki ciepła, obudowy łożysk i elementy osłon, dzięki czemu jest on o 5% lżejszy od silników poprzedniej generacji. Może pochwalić się także 20% wzrostem sprawności. Produkowany w Czechach silnik będzie napędzał nowy samolot biznesowy Cessna Denali.
Materiały kompozytowe
Komponenty napędów lotniczych funkcjonują w bardzo wymagających warunkach, do tego stopnia, że w niektórych zastosowaniach można powiedzieć, że osiągnięty został górny pułap wytrzymałości konwencjonalnych materiałów. Zaś z powodu konieczności redukcji zużycia paliwa, potrzeba coraz to nowych rozwiązań służących obniżeniu masy konstrukcji. Poszukuje się więc innowacyjnych materiałów o zwiększonej wytrzymałości, a przy tym lżejszych i bardziej ekonomicznych w cyklu produkcyjnym. Jednym z nich są kompozyty na osnowie ceramicznej CMC (ang. Ceramic Matrix Composites), które charakteryzują się trzykrotnie niższą masą i dwukrotnie większą wytrzymałością od wykorzystywanych obecnie stopów metali, a przy tym nie wymagają równie intensywnego chłodzenia, wytrzymują bowiem temperatury wyższe nawet o 300 °C. Znajdują zastosowanie w osłonach komory spalania i łopatkach turbin. Dzięki temu, że łopatki są lżejsze, maleje siła odśrodkowa turbiny, co umożliwia zmniejszenie rozmiarów wału, na którym się ona obraca i zapewnia w ten sposób dodatkową redukcję masy silnika. Komponenty z CMC zostaną wykorzystane do budowy największego silnika lotniczego: turbowentylatorowego GE9X. Według szacunków GE Aviation, wraz z uruchomieniem jego produkcji, co nastąpi być może już w przyszłym roku, zapotrzebowanie producenta na CMC wzrośnie nawet dziesięciokrotnie.
GE9X to największy silnik lotniczy na świecie, przeznaczony do napędu samolotu Boeing 777X. Ma średnicę zbliżoną do średnicy kadłuba samolotu Boeing 737. Dzięki zastosowaniu komponentów z CMC, turbina silnika może pracować w wyższej temperaturze, co pozwoliło także na zwiększenie ciśnienia, skutkujące rekordowym sprężem całkowitym OPR 60:1 (ang. Overall Pressure Ratio). Oznacza to, że więcej energii cieplnej jest przekształcane w ciąg. Silnik wyposażono w wentylator o średnicy 3,4 m, składający się z 16 łopat wykonanych z kompozytów na osnowie z włókien węglowych, o krawędzi natarcia wzmocnionej stalą nierdzewną. Dzięki dużej średnicy wirnika i szerokości łopat, wentylator tłoczy do silnika wymaganą ilość powietrza bez potrzeby osiągania nadmiernie wysokich obrotów, co wpływa na obniżenie poziomu hałasu, który narasta, gdy prędkość końcówek łopat zbliża się do prędkości dźwięku.
Nowe rozwiązania
Tymczasem w zakładach Rolls Royce trwają prace nad silnikiem UltraFan, który dysponować będzie jeszcze większym sprężem całkowitym OPC, o wartości rzędu 70:1. Prace są prowadzone stopniowo, a kolejne elementy technologii docelowo przeznaczonej dla tego silnika, trafiają najpierw do konstrukcji przejściowych z rodziny Advanced.
Jednym z takich rozwiązań jest ALPS (Advanced Low Pressure System), w którego skład wchodzą łopatki, osłony wieńca i obudowa wentylatora, które wykonano z innowacyjnych materiałów kompozytowych, m. in. z CTi – kompozytu tytanowego, wzmocnionego włóknami węglowymi. Pozwoliło to na redukcję masy zespołu o 340 kg. Każda z łopatek została wytworzona w zrobotyzowanym procesie, w ramach którego nałożono na siebie blisko 500 warstw materiału wzmocnionego włóknem węglowym. Następnie, łopatki ukształtowano metodami obróbki plastycznej, utwardzono w wysokiej temperaturze i pod ciśnieniem oraz wykończono tytanową krawędzią natarcia.
Aby duże, szerokie i zagięte łopatki wentylatora o średnicy 3,56 m mogły poruszać się z optymalną prędkością, bez ryzyka generowania nadmiernego hałasu, inżynierowie zakładów Rolls Royce zdecydowali się na zastosowanie specjalnej przekładni pomiędzy wentylatorem a zespołem niskiego ciśnienia. Rozwijana we współpracy z Liebherr Aerospace konstrukcja to największa lotnicza przekładnia planetarna, zbudowana w konfiguracji z pięcioma kołami planetarnymi, zdolna przenosić moc 100 tys. KM.
Z kolei system ALEC (Advanced Low Emissions Combustion), oparty na założeniach procesu spalania z wykorzystaniem ubogiej mieszanki paliwowo-powietrznej (ang. lean-burn), w silniku UltraFan ma zapobiegać powstawaniu sadzy i przyczynić się do redukcji emisji tlenków azotu o połowę, w porównaniu do eksploatowanych obecnie silników. System ten odpowiadać będzie za monitoring parametrów ciągu i warunków atmosferycznych, tak by do komory spalania trafiała mieszanka powietrzno-paliwowa w odpowiednich proporcjach, dostosowanych do fazy lotu.
Prace projektowe nad silnikiem UltraFan dobiegły końca w ubiegłym roku. Obecnie trwają kolejne testy poszczególnych komponentów, które potrwają do 2021 roku, kiedy to planowane są testy silnika w locie. UltraFan do produkcji trafi najwcześniej w 2025 roku.
Nowe koncepcje
W związku z koniecznością dalszej redukcji zużycia paliwa, inżynierowie czołowych zakładów produkujących napędy lotnicze badają także różne niestandardowe koncepcje budowy silnika. Jedną z nich jest tzw. silnik śmigłowentylatorowy (ang. propfan), łączący zalety silników turbośmigłowych (ekonomiczność) i turbowentylatorowych (prędkość, wydajność), dzięki konstrukcji pozbawionej osłony wentylatora, która umożliwia znaczne zwiększenie rozmiarów łopatek, bez obawy o masę i opór aerodynamiczny obudowy. Pierwsze tego typu silniki powstały w latach osiemdziesiątych, w wyniku prac prowadzonych od czasów kryzysu naftowego w latach siedemdziesiątych. Ich konstrukcja była jednak niedoskonała i została zarzucona.
W ostatnich latach koncepcją zainteresowali się inżynierowie Safran Aircraft Engines, szukający rozwiązań umożliwiających dalsze zmniejszenie zużycia paliwa. Opracowali silnik, nazwany Open Rotor, wyposażony w dwa niezabudowane wentylatory o średnicy 4,5 m, obracające się w przeciwnych kierunkach, umiejscowione w tylnej części korpusu. Uzyskano w ten sposób rekordowy współczynnik dwuprzepływowości (ang. bypass ratio) 30:1, a więc trzykrotnie większy niż w silniku LEAP. Oznacza to, że wentylator porusza trzydzieści razy więcej zimnego powietrza od gorącego powietrza przechodzącego przez turbinę. Skutkuje to optymalną zależnością między ciągiem silnika a zużyciem paliwa, które w przypadku silnika Open Rotor jest o 30% niższe w porównaniu do obecnie eksploatowanych napędów. W dalszej perspektywie taka koncepcja umożliwia budowę większych silników bez znaczącego wzrostu ich masy i oporu aerodynamicznego. Takie silniki docelowo będą musiały być montowane w tylnej części kadłuba samolotu, ze względu na potężne łopaty.
Perspektywa półwiecza
Podczas gdy w kolejnych dekadach XXI wieku będą trwały prace nad dalszym udoskonaleniem silników turbośmigłowych i turbowentylatorowych, w dalszej perspektywie przewidywana jest popularyzacja nowych rozwiązań, rozwijanych w ścisłej współpracy między producentami samolotów i napędów. Do takich propozycji należy m. in. koncepcja napędu pochłaniającego powietrze przepływające w warstwie przyściennej (ang. Boundary Layer Ingestion Propulsion) z silnikiem umiejscowionym w końcowej części kadłuba, za przewężeniem zapewniającym dopływ powietrza do wentylatora. Nie ulega wątpliwości, że w perspektywie kilku następnych dziesięcioleci poznamy jeszcze wiele rozwiązań, które być może w przyszłości zupełnie zmienią sposób odbywania podróży powietrznych.
Jacek Zbierski
cfmaeroengines.com
cleansky.eu
geaviation.com
rolls-royce.com
safran-group.com
artykuł pochodzi z wydania 4 (139) kwiecień 2019
