Авиадвигатели мира: текущее состояние

Турбореактивный двигатель (ТРД) — одно из главных технических достижений человечества, которое можно поставить в один ряд с изобретением колеса, паруса, паровой машины, двигателя внутреннего сгорания, ракетного двигателя и атомного реактора. Именно благодаря ТРД наша планета вдруг стала маленькой и уютной. Любой человек может за считанные часы комфортно и безопасно добраться до самого отдаленного ее уголка.

И вот при всём при этом мировое авиационное двигателестроение находится в страшном кризисе. При кажущемся прогрессе оно умирает, и причина этого — в конкуренции. Волшебная рука рынка так бодро шарит в карманах производителей, что они просто рыдают навзрыд.

Глобализации так и не удалось вывести производителей авиамоторов из-под крыш национальных государств. Слишком уж это чувствительная область технологий. И даже собрать всех производителей под крышей «мирового гегемона» США не вышло. Судите сами — SNECMA французская, RR британский. Отделение авиадвигателей Pratt & Whitney фактически канадское — оно сугубо формально через «Юнайтед Текнолоджис» считается американским. Собственно американский производитель авиадвигателей из крупных остался ровно один — General Electric.

А еще есть такой производитель авиамоторов, как International Aero Engines (IAE) — это как бы СП Pratt & Whitney с японцами JAEC и немцами MTU (раньше там еще участвовали RR, но их долю выкупили PW). Они делают, например, двигатели семейства V2500 — эти моторы популярны на Арбузах линейки А320, а также на Airbus Corporate Jet. Их же ставят бразильцы на свои военные транспортники Embraer 390. Интересно, что на этом моторе Pratt & Whitney разработала только камеру сгорания и двухступенчатую с воздушным охлаждением турбину высокого давления, а всё остальное — разработка японцев и немцев, ну и инженеры Rolls-Royce поучаствовали. В общем, моторы IAE делаются в весьма заметных количествах — их выпускается в полтора раза больше, чем моторов Rolls-Royce всех типов (правда, они и подешевле, чем продукция RR).

Да — американский производитель GE мощный, спору нет. Формально он считается крупнейшим в мире (с учетом участия во всяких СП). Но и у него деградация имеется.

А причина между тем довольно проста — авиадвигатели сейчас УБЫТОЧНЫ практически у всех, они продаются ниже себестоимости из-за большой конкуренции. И чем сложнее технически мотор — тем убытки больше. До сих пор GE и RR сводили концы с концами за счет сервисных контрактов (запчасти + обслуживание), но эта система некоторое время назад перестала покрывать убытки (потому что сервис оттягивают на себя производители самолетов), и теперь фирмы-двигателестроители выживают только за счет госдотаций.

Естественно, в такой ситуации никакие крупные вложения в разработку нового — невозможны.

Вот, например, двигатель GE9X, который GE выдает за «новое слово техники» — это по сути обычный GE90-115B от 777 боинга, у которого в вентиляторе вместо 22 лопаток поставлено 16, но более широких из композита. Остальные доработки там, в общем-то, косметические — чуть подняли температуру в камере сгорания, чуть поменяли форму лопастей у турбины. Ну там еще придумали закручивать смесь в камере сгорания, чтобы добиться лучшего дожигания окислов азота. Не тянет это всё на «новое слово».

Двигатели LEAP генеральские электрики вообще не осилили сами — были вынуждены звать на помощь французскую SNECMA. А ведь их конкуренты из Канады слепили свои PW1000G самостоятельно, без приглашения варягов. Это кагбэ намекает нам на то, что потенциал GE как разработчика авиамоторов — упал ниже плинтуса. По сути, GE до сих пор едут на заделах 70-х годов.

Между прочим, самое популярное в гражданской авиации семейство моторов CFM56, которых в год поставляется больше, чем всех остальных моторов вместе взятых — тоже сделано французами из Снекмы, хотя и как бы с участием GE. Вы знаете, как был сделан этот мотор? Французами взята горячая часть от мотора General Electric F101 (он применяется на бомбардировщике B1B Lancer), и на нее навешен французский вентилятор с приводом от французской турбины низкого давления. А чтобы GE не сильно возмущалась — был сделан альянс CFM International, с долями 50/50, соответственно мотор CFM56 пошел не только на европейские арбузы, но и на американские Боинги, и даже в US Air Force (там его называют General Electric F108, чтобы не позориться использованием не-американского мотора).

Кстати, с новыми «экономичными» моторами что у GE, что у PW серьезные проблемы.

У PW1000G текут сальники редуктора — и проблема, понятное дело, не в самих сальниках, а в конструкции редуктора. Проблема и с торцевыми уплотнениями. Но это плата за принципиально новую конструкцию. Хотя в общем-то «новая» она условно — это по сути турбовинтовой мотор, у которого винты заключены в кольцевой обтекатель (пропеллер заменен на импеллер).

Leap безредукторный (как наш ПД14), у него этих проблем нет — но у него проблемы с компрессором. Вообще LEAP это фактически переделанный CFM56, у которого попытались поднять эффективность за счет вентилятора бОльшего диаметра — соответственно пришлось снизить скорость его вращения, это потянуло за собой снижение скорости турбины низкого давления, ну и вот — компрессор не в состоянии на некоторых режимах наддувать камеру сгорания должным образом. И это сказывается не только на провалах тяги — но и, что важнее, на долговечности мотора.

Вот смотрите — это вот пресловутый мотор LEAP:


Видите, до какой степени у него раздута турбина низкого давления? Да-да, вот эта раковая опухоль, раздутие в конце мотора с кучей колес и лопаток? Ну и компрессор низкого давления тоже имеет большой диаметр и сложность.

Русский ПД14 сразу сделан более простым — он вряд ли достигнет показателей экономичности PW, но он сильно дешевле и сам по себе и в обслуживании, по крайней мере потенциально:


Тут русские нашли оригинальное решение, применив широкохордные лопатки на турбине низкого давления. Это позволило уменьшить число колес и диаметр этой турбины. При этом степень двухконтурности у ПД-14 почти такая же, как у LEAP-1B (8.5-8.6 против 9), при схожей компрессии (около 40). Причем LEAP-1B развивает взлетную тягу 130 кН против 137 кН у ПД-14 и 153 кН у ПД-14М. 137 кн развивает LEAP-1C — но у него диаметр вентилятора больше, чем у ПД-14, а это создает некоторые габаритные проблемы. В конце концов, у нас тоже от редукторной версии ПД-14, называемой ПД-18Р, ожидают взлетную тягу аж 178 кН ценой увеличения диаметра вентилятора.

Ну и в общем не секрет, что русские попятили конструкцию и методику расчета камеры сгорания, примененной в моторах ПД-14, у Pratt&Whitney — примерно так же, как французы попятили камеру сгорания у GE. Но зато широкохордные лопатки турбины низкого давления и блиски в компрессоре — у нас собственные.

Кстати, схожих параметров мотор CJ-1000A (Chang Jiang-1000A) разрабатывают китайцы, и в мае 2018 года уже предъявили вполне рабочий образец, которым собираются комплектовать свои самолеты Comac C919 (главного конкурента наших МС-21). Причем у китайцев есть и альтернатива со сходными параметрами — мотор Shenyang WS-20, созданный на базе горячей части от мотора WS-10 (китайский аналог АЛ-31Ф, сделанный с использованием конструкции гражданского CFM56) примерно таким же образом, каким в своё время французы сделали CFM56 на базе горячей части мотора GE от B1B.

Это кагбэ намекает всем имеющим мозг, что уровень технологий современного авиационного моторостроения — совсем не запредельный.

Возвращаясь же обратно к «мировым грандам», хочу заметить, что новые моторы у GE и PW сами по себе работают, но вот заявленные расходы на ремонты и близко не показывают. И это — серьезная проблема для их производителей. С одной стороны, более 85% экономии топлива Boeing 737 MAX приходится на эти самые новые двигатели — а с другой стороны, у авиакомпаний и авиастроителей есть достаточно широкий выбор альтернативных моторов, отсюда конкуренция и снижение цен на моторы и на запчасти к ним. Хуже того — авиастроители уже дошли до того, что заставляют производителей авиадвигателей платить за разработку самолетов в обмен на обещание поставить туда их моторы, а не моторы конкурентов. Откуда уж тут взяться прибылям… Не секрет, что RR теряет на каждом проданном моторе Trent около 1,6 млн фунтов. Немногим меньше теряет и GE на своих больших моторах.

Французская промышленная группа Safran включает подразделение «Авиационные и космические двигатели», которое основную часть своей выручки и прибыли получает сегодня от продаж двигателей семейства CFM56 в рамках партнерского проекта CFM International (CFMI), организованного совместно с американской компанией General Electric более сорока лет назад, в 1974 г. (в 2008 г. соглашение было продлено обеими компаниями на период до 2040 г.).

Основной двигателестроительный актив французской группы для коммерческих самолетов – компания Snecma. С конца 70-х гг. выпущено уже свыше 26 тыс. двигателей CFM56, которые сегодня эксплуатируются под крылом более 11 тыс. авиалайнеров Boeing 737 и Airbus A320, включая их многочисленные, в т.ч. военные, варианты. Наработка двигателей превысила уже 630 млн часов, а рекорд «жизнедеятельности», принадлежащий двигателю семейства CFM56, составляет более 50 тыс. часов без съема с крыла.

Собственно, поэтому как бы российский мотор PowerJet SaM146 наше НПО Сатурн делало с этими же французами на основе этого же CFM56. Для французов SaM146 является промежуточным этапом на пути от CFM56 к LEAP — это как бы упрощенный CFM56, на котором внедрен ряд технологий, затем используемых в LEAP (в частности, французы наконец переделали камеру сгорания и горячую турбину, изменив их древнюю американскую схему GE на якобы свою собственную, более модную). Да-да, речь про пресловутую камеру сгорания Twin-Annular, Pre-Mixing Swirler — камера сгорания одинарная, но с двойным закрученным потоком и двумя зонами горения, которую GE придумали для большого мотора GEnx (чтобы конкурировать с RR), а французы попятили у них идею и адаптировали к размерности CFM56.

CFM56 это объективно лучший мотор в мире, но это — технологии тех самых 70-х годов. Попытки двинуться дальше вылились в создание LEAP и PW1000G — но пока что эти моторы не радуют ресурсом, а главное — на самом деле ничего революционного в них нет. Как я уже сказал — LEAP это просто модернизированный CFM56 с вентилятором увеличенного диаметра, а PW1000G — попытка использовать турбовинтовой мотор там, где раньше использовали турбореактивные (то есть поднять у турбовинтового мотора скорость потока и снизить шумность).

Ничего нового не изобрели и в Rolls-Royce. В феврале 2014 г. исполнительный вицепрезидент компании по стратегии и перспективным технологиям Саймон Карлайл объявил о том, что ведется разработка двух новых моделей семейства Trent, которые планируется передать в эксплуатацию в 2020 г. и 2025 г. и которые будут иметь на 10% лучшую топливную экономичность в сравнении с двигателями Trent XWB для A350 XWB. Они получили рабочие наименования Advance и UltraFan. Первый двигатель конструктивно совместит трехвальную конструкцию Trent с более крупным компрессором высокого давления и уменьшенным компрессором промежуточного давления, будет отличаться вентилятором с композитно-титановыми лопастями вентилятора и композитным корпусом, что позволит снизить массу двигателя. Степень двухконтурности данной модели составит 11. Второй же, со степенью двухконтурности 15, будет использовать редукторную схему.

Испытания первой модели планировалось начать уже в 2015 г., второй – ближе к концу десятилетия. Насколько я знаю — не начали до сих пор. А ведь Rolls-Royce занимает долю порядка 54% на рынке двигателей для широкофюзеляжных авиалайнеров.

Видите, какая складывается ситуация? Даже Россия, которая во времена СССР всегда уступала Западу в технологиях турбореактивных двигателей (да-да, уступала, и сильно — даже в военных моторах), сейчас смогла догнать мировой уровень не только в военных, но и в гражданских моторах. И это при том, что большая часть советского моторостроения осталась вна Украине, где и сдохла.

Причина этого — в том, что Запад после 70-х сильно стагнировал в технологиях. Нет там никаких прорывов ни в материалах, ни в конструкциях.


Вот это, например — труба эжектора двигателя LEAP, создающего разрежение в полости подшипника передней опоры. Как и положено в современных двигателях, где-то в конструкции должен быть большой косяк. На PW1100 решили сг@внить покрытие лопаток, а вот тут поржали с расхода масла через эту дырку. Самолёты только недавно пришли, а внутри уже закоксовано по уши, и ещё оттуда подкапывает на стоянке. То есть, как и у PW, сальники нихрена не держат.

— Командиру экипажа из салона: у вас масло подтекает!
— Командир — салону: я в курсе, дозаправимся позже!
И сюардессы такие — шнырь-шнырь по салону с канистрами масла.

А вот вам еще новый самолёт. Облезает резина на лопатках статора вентилятора двигателя PW1100:


И это у них считается нормальным. Нормальным также считается съём нового двигателя по стружке в масле. В общем — авиаторы смело идут путем немецких двигателей-миллионников, выродившихся в экодеформированное короткопоршневое термоперегруженное г@вно.

Если кто не в курсе — стружка в масле означает начавшееся разрушение шестерёнок, подшипников или ещё каких-то металлических элементов двигателя. Когда такое повторяется на нескольких подряд новых двигателях, это значит, что при их изготовлении или проектировании были допущены грубые ошибки.

Вот как раз в продолжение темы эффективности капитализма и денег, как критерия оценки таковой. Зато финансовый отчет наверняка был хороший, когда это всё делалось. Сэкономили на разработке, испытаниях и доводке. Денег-то нету, продают моторы себе в убыток.