Двигатель самолёта: как работает турбовентиляторный двигатель

Современный авиалайнер поднимается в воздух благодаря двигателям, которые преобразуют химическую энергию керосина в тягу. На большинстве пассажирских самолётов — от регионального Embraer E190 до гигантского Airbus A380 — установлены турбовентиляторные двигатели (turbofan). Это самый распространённый тип силовой установки в гражданской авиации, сочетающий высокую тягу с экономичностью и относительно низким уровнем шума.

Турбовентиляторный двигатель — эволюция классического турбореактивного. Главное отличие: большая часть воздуха проходит не через горячий контур с камерой сгорания, а обтекает его снаружи, создавая основную долю тяги. Это решение определило облик современной авиации — именно благодаря турбовентиляторным двигателям дальние перелёты стали массовыми и доступными.

Принцип работы: откуда берётся тяга

Любой реактивный двигатель работает по принципу Ньютона: отбрасывая массу воздуха назад, он толкает самолёт вперёд. Чем больше воздуха и чем быстрее он ускорен — тем больше тяга. Турбовентиляторный двигатель решает эту задачу двумя путями одновременно.

Первый контур (горячий) работает как классический турбореактивный двигатель: воздух сжимается компрессором, смешивается с топливом в камере сгорания, горячие газы вращают турбину и выбрасываются через сопло. Второй контур (холодный) — это воздух, который прогоняется огромным вентилятором в передней части двигателя, но не попадает в камеру сгорания, а обтекает горячий контур снаружи и выходит через внешнее сопло.

Парадокс в том, что именно холодный контур создаёт большую часть тяги — до 80% на современных двигателях. Интуитивно кажется, что раскалённая струя из сопла должна толкать сильнее всего. Но тяга — это масса воздуха, умноженная на его ускорение. Вентилятор диаметром три метра за одну секунду засасывает тонну воздуха, слегка ускоряет и выбрасывает назад — без всякого сгорания. Горячий контур выбрасывает гораздо меньше газа, пусть и разогнанного до огромной скорости. Количество побеждает скорость: много массы с небольшим ускорением даёт больше тяги, чем мало массы с большим.

Конструкция двигателя

Турбовентиляторный двигатель состоит из нескольких ключевых узлов, расположенных последовательно вдоль оси. Воздух проходит через них от входа к выходу, и на каждом этапе с ним что-то происходит:

• Вентилятор (Fan) — большой ротор в передней части двигателя, видимый снаружи. Его задача — засасывать воздух и разгонять его. Большая часть этого воздуха уходит в холодный контур (обтекает двигатель снаружи), меньшая — в горячий контур. Диаметр вентилятора современного двигателя достигает 3 метров.
• Компрессор низкого давления (LPC) — первая ступень сжатия воздуха, поступающего в горячий контур. Несколько рядов вращающихся и неподвижных лопаток постепенно повышают давление.
• Компрессор высокого давления (HPC) — продолжает сжатие воздуха перед камерой сгорания. На выходе давление в 30-50 раз выше атмосферного. Чем сильнее сжат воздух, тем эффективнее сгорание топлива.
• Камера сгорания — сюда впрыскивается керосин и поджигается. Сжатый воздух смешивается с топливом, температура достигает 1500-2000°C. Это самая горячая точка двигателя.
• Турбина высокого давления (HPT) — раскалённые газы из камеры сгорания вращают эту турбину. Она сидит на одном валу с компрессором высокого давления и приводит его в движение. Лопатки работают при температурах выше точки плавления металла — выживают только благодаря внутреннему охлаждению.
• Турбина низкого давления (LPT) — извлекает оставшуюся энергию из газов. Сидит на отдельном валу и приводит вентилятор и компрессор низкого давления. Именно она крутит тот огромный ротор спереди.
• Сопло — формирует выходящий поток газов, направляя их назад. Здесь горячий контур создаёт свои 20% тяги.

Вся эта конструкция размещена в корпусе (nacelle), который крепится к крылу или фюзеляжу через пилон. По сути двигатель — это два вложенных контура: внутренний горячий (компрессоры → камера сгорания → турбины → сопло) и внешний холодный (воздух от вентилятора обтекает горячую часть снаружи). Оба контура создают тягу, но холодный — в четыре раза больше.

Двигатель Pratt & Whitney PW1500G на Airbus A220

Степень двухконтурности

Ключевой параметр турбовентиляторного двигателя — степень двухконтурности (Bypass Ratio, BPR). Это отношение массы воздуха, проходящего через холодный контур, к массе воздуха через горячий. Чем выше BPR — тем экономичнее двигатель, но тем больше его диаметр.

Эволюция этого параметра показательна:

• Ранние турбовентиляторные (1960-е) — BPR около 1:1
• CFM56 (1980-е, Boeing 737, Airbus A320) — BPR 5-6:1
• GE90 (1990-е, Boeing 777) — BPR 9:1
• PW1000G (2010-е, Airbus A320neo) — BPR 12:1
• Rolls-Royce UltraFan (разработка) — BPR 15:1

Высокая степень двухконтурности — причина, по которой современные самолёты тратят вдвое меньше топлива на пассажиро-километр, чем их предшественники 50 лет назад.

Редукторный турбовентиляторный двигатель

Вентилятор не крутится сам по себе — его приводит в движение турбина низкого давления через общий вал. Проблема в том, что для эффективности им нужны противоположные режимы: турбина работает лучше на высоких оборотах, а большой вентилятор — на низких.

Причина заключается в размерах. Вентилятор современного двигателя достигает 3 метров в диаметре. При высоких оборотах кончики его лопаток движутся по огромной окружности и приближаются к скорости звука. На околозвуковых скоростях возникают ударные волны, резко падает эффективность и появляется характерный вой. Турбина же компактная — те же высокие обороты для неё безопасны, кончики лопаток далеки от звукового барьера. Пока оба узла сидят на одном валу, приходится искать компромисс, который ограничивает рост степени двухконтурности.

Но большому вентилятору и не нужно крутиться быстро. Площадь захвата растёт с квадратом диаметра: удвоил диаметр — площадь выросла в четыре раза. Маленькому пришлось бы молотить вдвое быстрее ради того же результата.

Решением является редуктор между турбиной и вентилятором. Двигатель PW1000G (Pratt & Whitney), установленный на Airbus A320neo и A220, использует планетарный редуктор, позволяющий турбине вращаться втрое быстрее вентилятора. Каждый узел работает в оптимальном режиме. Результат: расход топлива на 15-20% меньше, чем у предыдущего поколения, а шум на взлёте значительно ниже.

Системы управления

Современный турбовентиляторный двигатель управляется электронным блоком FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Это компьютер, который контролирует все параметры: подачу топлива, положение направляющих лопаток компрессора, систему перепуска воздуха, запуск и останов. Пилот задаёт только желаемую тягу рычагом в кабине — выбирая режим от малого газа до взлётного TOGA — а FADEC сам определяет, как её достичь оптимальным образом.

FADEC защищает двигатель от повреждений: не даёт превысить температуру турбины, ограничивает обороты, контролирует вибрации. Если датчики фиксируют аномалию — система корректирует режим или выдаёт предупреждение экипажу. Благодаря этому современные двигатели надёжны настолько, что отказ в полёте — исключительная редкость: статистика ETOPS-сертифицированных двигателей показывает менее одного отключения на 100 000 часов работы.

Примеры современных двигателей

На узкофюзеляжных самолётах (Boeing 737, Airbus A320) чаще всего встречаются двигатели семейства CFM56 и его преемник LEAP. CFM56 — самый массовый авиадвигатель в истории: выпущено более 35 000 экземпляров. LEAP (CFM International) устанавливается на Boeing 737 MAX и Airbus A320neo, расходуя на 15% меньше топлива.

Двигатель CFM56 на Boeing 737

На широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах используются более мощные двигатели. Boeing 777 летает на GE90 и GE9X — последний развивает тягу до 134 000 фунтов (600 кН) и является самым мощным турбовентиляторным двигателем в мире. Airbus A350 оснащается Rolls-Royce Trent XWB, Boeing 787 — GEnx или Trent 1000. Стоимость таких двигателей достигает 35-45 миллионов долларов — подробнее в отдельной статье.

Двигатель Rolls-Royce Trent 1000 на Boeing 787

Российский ПД-14, разработанный для МС-21, относится к тому же классу, что и LEAP или PW1000G, со степенью двухконтурности 8,5:1 и современными материалами в горячей части. 

Преимущества турбовентиляторных двигателей

Турбовентиляторная схема доминирует в гражданской авиации не случайно:

• Экономичность — низкий удельный расход топлива на крейсерских скоростях (0,5-0,6 кг на килограмм тяги в час)
• Низкий шум — холодный контур экранирует горячую струю, а большой медленный вентилятор тише маленького быстрого
• Высокая тяга на взлёте — критично для тяжёлых самолётов и коротких полос
• Надёжность — современные двигатели работают тысячи часов без обслуживания горячей части

Главное ограничение — скорость. Турбовентиляторные двигатели эффективны до числа Маха 0,85-0,9. На сверхзвуке холодный контур создаёт избыточное сопротивление, поэтому военные истребители используют турбореактивные двигатели с форсажной камерой, а не турбовентиляторные.

Типы авиационных двигателей

Турбовентиляторный двигатель — не единственный тип, и термины часто путают. Краткая классификация для гражданской авиации:

• Поршневой (piston) — двигатель внутреннего сгорания вращает винт. Маленькие и учебные самолёты.
• Турбовинтовой (turboprop) — газовая турбина вращает винт через редуктор. Региональные самолёты вроде ATR 72.
• Турбовентиляторный (turbofan) — газовая турбина с большим вентилятором и холодным контуром. Стандарт гражданской авиации.
• Турбореактивный (turbojet) — весь воздух через камеру сгорания, чистая реактивная струя. Сверхзвуковые и военные.

Три последних типа используют газовую турбину, но по-разному создают тягу. Турбовентиляторный — компромисс между скоростью турбореактивного и экономичностью турбовинтового.

Практическое значение

Турбовентиляторный двигатель — технология, сделавшая массовую авиацию возможной. Без роста степени двухконтурности и снижения расхода топлива билеты на дальние рейсы стоили бы в разы дороже, а многие маршруты были бы нерентабельны.

Для пассажира работа двигателей почти незаметна: ровный гул за окном, мягкое ускорение на взлёте. За этой простотой — миллионы часов инженерной работы, материалы на пределе физических возможностей и системы управления, обрабатывающие тысячи параметров в секунду. Каждый раз, когда самолёт отрывается от полосы, турбовентиляторные двигатели доказывают, что это одна из самых совершенных машин, созданных человеком.