Двигатель CFM56. О нем и о том, что вокруг него. технология

1 Двигатель CFM56 О нем и о том, что вокруг него Олег Юрьевич Бондарев, специалист II уровня по визуальному и измерительному контролю, президент Промышленной ассоциации "МЕГА" в области технической диагностики Юрий Александрович Тарасенко, специалист инженерно-авиационной службы ВВС Серия CFM56-5 (рис. 11) - модификация двигателя CFM56, имеющая самое большое количество вариантов и подвариантов. Создана для того, чтобы удовлетворить все возможные "запросы" самолетов Airbus (главным образом семейства А320, а также А340), поэтому имеет довольно широкий диапазон тяговых параметров. (Окончание. Начало в ) КНД (подпорные ступени) ТВД Вентилятор Рис. 11. Двигатель CFM56-5А, основные узлы ТНД КВД Передний подшипник Коробка приводов Спроектированные на базе своих предшественников CFM56-2 и CFM56-3, двигатели пятой модификации ощутимо отличаются от них аэродинамикой (и аэродинамической компоновкой) проточной части. Кроме того, все эти двигатели оборудованы цифровой компьютеризированной системой управления FADEC (Full authority digital engine Controller). Двигатели модели CFM56-5А. Эти движки создавались для самолетов группы А320. Диаметр вернулся к исходному диаметру "двойки" см. Количество лопаток в нем 36. Улучшилась аэродинамика, обоих компрессоров (КНД и КВД) и кольцевой камеры сгорания. Все это позволило улучшить топливную эффективность серии почти на 11 % по сравнению с предшественниками. CFM56-5A1: Р lbf, С - 6,0 (устанавливается на А320). CFM56-5A3: Р lbf, С - 6,0 (А320). CFM56-5A4: Р lbf, С - 6,2 (А319). CFM56-5A5: Р lbf, С - 6,2 (А319). Далее следует версия CFM56-5С (рис. 12). Это самые мощные двигатели семейства CFM56. Имеют увеличенные тягу, степень двухконтурности, степень повышения давления в компрессоре и, конечно, массу: 3990 кг против 2270 кг (двигатель 5А). Устанавливаются на дальнемагистральные самолеты А /300 (рис. 13). Диаметр Рис. 12. Двигатель CFM56-5С увеличен до 184 см. Рис. 13. Airbus A Х Двигатели этой модели на самолете А340 выполнены со смешением потоков. Это единственный такой вариант во всей линейке CFM56. В остальных вариантах смешения потоков нет. Чтобы иметь возможность вращать такую массу и обеспечивать нужные параметры, компрессору и турбине низкого давления добавлено по одной ступени, то есть КНД имеет 4 ступени, ТНД - пять ступеней. CFM56-5C2: Р lbf, С - 6,6. CFM56-5C3: Р lbf, С - 6,5. CFM56-5C4: Р lbf, С - 6,4. Теперь о двигателях модели CFM56-5В. Если описанные модификации CFM56, -2, -3, -5А и -5С считаются уже моделями отработанными, можно сказать, "базовыми", то следующие две модели имеют категорию "перспективные". Это CFM56-5B (рис. 14) и CFM56-7В (рис. 15). Рис. 14. Двигатель CFM56-5В Версия 5В создана на основе 5А, однако заметно превосходит ее. Поступила в эксплуатацию в 1994 г. Первоначально создавалась для установки на самолет А321, однако широкий диапазон тяговых параметров (у 5В целых девять вариантов!) позволяет использовать этот двигатель на всех самолетах семейства А320 и тем самым вытеснить версию 5А. Этот двигатель получил новый вентилятор в удлиненном корпу- 4 (88)

2 Рис. 15. Двигатель CFM56-7В се (диаметр 173 см). Компрессор низкого давления стал четырехступенчатым. CFM56-5B - первый двигатель (серии CFM56), на который можно устанавливать (как опцию) новую двойную кольцевую камеру сгорания (рис. 16), которая позволяет улучшить полноту сгорания топлива и уменьшить количество вредных выбросов (NO x и СО 2 ). В виде отступления стоит сказать, что новая, более совершенная камера сгорания (рис. 17) - это один из пунктов инновационной программы фирмы CFMI, носящей название "Tech Insertion". Первоначально существовала программа "Tech56", анонсированная в 1998 г., для создания перспективного двигателя с использованием новейших технологий и разработок. Помимо опробования новой камеры сгорания, в рамках этой программы проводились испытания КВД с шестью ступенями, причем без снижения степени повышения давления (выше 30), которая присутствует на девятиступенчатом компрессоре. Такой двигатель должен был быть создан для установки на новые перспективные узкофюзеляжные самолеты фирм Boeing и Airbus (взамен В737 и А320). Однако вскоре стало ясно, что в ближайшем будущем появления такого самолета не ожидается. Поэтому CFMI решила применить некоторые технологии "Tech56" на имеющихся в наличии CFM56. Главными направлениями новой программы "Tech Insertion" стали повышение топливной эффективности, снижение стоимости обслуживания и уменьшение количества вредных выбросов. С этой целью перепрофилируются и улучшаются КВД путем изменения аэродинамики лопаток. Улучшаются также ТНД и ТВД. В турбине высокого давления используются монокристаллические лопатки. Улучшается камера сгорания. Предусматривается использование двойной кольцевой КС. Программа была введена в действие в 2004 г. и, начиная с 2007 г., все вновь выпускаемые двигатели CFM56-5B и CFM56-7B изготавливаются с применением "Tech Insertion". Варианты CFM56-5B: B1: Р lbf, С - 5,5 (устанавливаются на самолет А321). В2: Р lbf, С - 5,5 (А321). В3: Р lbf, С - 5,4 (А321). В4: Р lbf, С - 5,7 (А320). В5: Р lbf, С - 6,0 (А319). В6: Р lbf, С - 5,9 (А319). В7: Р lbf, С - 5,7 (А319 и А319CJ). В8: Р lbf, С - 6,0 (А318, рис. 18). В9: Р lbf, С - 5,9 (А318). Внешний опорный S-образный фланец Форсунки Рис. 18. Самолет A Колпак завихрителя Капот Топливопровод Капот Внутреннее удерживающее уплотнение Рис. 16. Двойная кольцевая камера сгорания CFM56-5B/7 Головка Передняя опора сопла Облицовка Рис. 17. Перспективная камера сгорания для CFM56 Выходное сопло Внутренний опорный фланец Передняя внутренняя опора сопла Корпус камеры сгорания Версия CFM56-7 (рис. 15) - следующая модификация в этой линии. Считается развитием двигателя CFM56-3 и создавалась в первую очередь для установки на самолеты серии Boeing 737 Next Generation ( /700/800/900). В конструктивном плане (базовая механика) этот двигатель похож на своего предшественника, однако более эффективен и дешев в эксплуатации. Значительно улучшена аэродинамика и внутренний дизайн проточной части. На "семерке" применена технология "широкохордных" лопаток. Благодаря этому количество лопаток сократилось с 38 (у CFM56-3) до 24. От CFM56-5 этому двигателю досталось цифровое управление с использованием FADEC и возможность установки (опция) двойной кольцевой камеры сгорания. На этом движке используются передовые материалы и технологии ("Tech Insertion"), в частности применены монокристаллические рабочие лопатки в турбине высокого давления. Самолеты В-737, оборудованные двигателями CFM56-7, соответствуют правилам ETOPS 180, утвержденным FAA. То есть они могут находиться в воздухе на расстоянии досягаемости ближайшего аэродрома в течение 180 минут в случае отказа одного из двигателей. Это максимальное время согласно правилам FAA. CFM56-7B18: Р lbf, С - 5,5 (Boeing ). CFM56-7B20: Р lbf, С - 5,5 (Boeing ). CFM56-7B22: Р lbf, С - 5,3 (Boeing , ). CFM56-7B24: Р lbf, С - 5,3 (Boeing /800/900). CFM56-7B26: Р lbf, С - 5,1 (Boeing /800/900). 13

3 газогенератора Рис. 19. Самолет Boeing Business Jet CFM56-7B27: Р lbf, С - 5,1 (Boeing /900, Boeing Business Jet (рис. 19). В 2009 г. CFMI анонсировала новую модификацию CFM56-7BЕ (CFM56-7B Evolution) со сниженной на 4 % стоимостью технического обслуживания и улучшенной топливной экономичностью (около 2 %). В июле 2010 г. этот двигатель был сертифицирован EASA и FAA. Разработку устройств реверса двигателей CFMI проводит совместно с фирмами-изготовителями самолетов. На двигателях CFM56 используются два типа реверсивных устройств: перенаправление потока при помощи профилированных решеток и дефлекторов и при помощи открывающихся створок. Кроме того, для самолетов А321 как опция предлагается установка шевронов на выходном устройстве первого контура (что-то вроде треугольных выступов по краю сопла). Проведенные исследования показали, что такого рода устройство позволяет снижать уровень шума при взаимной турбулизации во время смешения потоков, выходящих из двигателя. Одним из достоинств двигателей CFM56 является их хорошая ремонто- и контролепригодность. Эти параметры очень важны в эксплуатации, потому что напрямую влияют на безопасность полетов, а также на величину финансовых и трудовых затрат на обслуживание авиатехники. Расположение CFM56 на самолетах очень удачное. Подвеска на пилоне и открывающиеся (если понадобится - съемные) капоты делают двигатель практически полностью доступным для осмотра и, при необходимости, ремонта (рис. 20). Возможности ремонта улучшает модульная конструкция двигателя. Двигатель имеет четыре главных узла-модуля (рис. 21): 1. (рис. 22); 2. турбокомпрессора высокого давления (рис. 23); 3. турбины низкого давления; 4. коробки привода агрегатов. Иногда в двигателе CFM56-3 четвертый модуль отдельно не выделяют. Кроме того, главные модули имеют деление на субмодули. Всего их насчитывается семнадцать. Преимущества модульной конструкции очевидны. Она значительно повышает возможности ремонта, упрощает его и снижает его стоимость. Рис. 20. Раскрытый двигатель самолета А Работы на одном из трех главных модулей могут проводиться при минимальной разборке других узлов. Ремонт двигателя в принципе сводится к замене отдельных модулей (субмодулей), причем часто без съема его с самолета. Обработка этих снятых узлов потом может проводиться (при Рис. 21. ная конструкция двигателя CFM56-5A необходимости), в и подпорных ступеней свободное время и в Рис. 22. и КНД CFM56-3 положенном месте. Самолет в это время уже летает, а не "загорает" на стоянке. Ротор КВД Корпус и передние статорные лопатки КВД коробки приводов 3-го подшипника Выходные статорные лопатки КВД турбины низкого давления с коробкой приводов корпуса 1 и 2-го подшипника Сопловые аппараты ступени ТВД Ротор ТВД в сборе Рис. 23. турбокомпрессора высокого давления (газогенератора) CFM-56-5A Транспортироваться двигатель тоже может в разборном виде (разбирается на три главных модуля, кроме коробки приводов). Причем после сборки не требуются какие-либо дополнительные стендовые испытания, двигатель сразу устанавливается на самолет. В систему технического наземного обслуживания двигателей CFM56 заложена концепция, носящая название "по техническому состоянию" ("On Condition Maintenance"). То есть двигатель не имеет каких-либо жестких графиков периодических регламетных работ, во время которых он выключается из эксплуатации (или даже снимается с самолета). Работы (съем двигателя) проводятся в случае обнаружения серьезных проблем или по истечении ресурса, полного или же отдельных агрегатов. В рамках такой концепции существует специальная программа мер для осуществления "контроля за ситуацией". Она включает в себя постоянный анализ параметров работы двигателя и определенные проверочные операции, такие как, например, проверка на- 4 (88)

4 личия стружки в масле, спектрометрический анализ масла, постоянные замеры вибрации двигателя штатными датчиками и, конечно, бороскопический контроль. Без визуального осмотра никак не обойтись. Если взять, например, такое неприятное, но достаточно часто встречающееся явление, как попадание посторонних предметов и птиц в двигатель, то тут возможность осуществления контроля газовоздушного тракта двигателя с последующим ремонтом (если потребуется) становится во главу угла. Двигатель CFM56 для этого максимально открыт. Можно достаточно легко через выходное устройство осмотреть лопатки последней ступени турбины низкого давления. Кроме того, размер входного устройства позволяет без проблем осматривать вентилятор. Причем крепление его лопаток выполнено таким образом, что в случае обнаружения повреждений (из-за попадания птиц, например), при которых дальнейшая эксплуатация невозможна, поврежденная лопатка (лопатки) заменяются достаточно легко без съема двигателя с самолета. CFM56 - один из первых двигателей, на которых появилась такая возможность. Однако в двигателе часто бывает важно осмотреть те узлы, которые скрыты от глаза человека, так называемые внутренние полости. Вот тут на помощь приходит бороскоп (иначе его еще называют эндоскоп). Что такое бороскоп? Это оптический прибор, позволяющий увидеть состояние различных закрытых объемов изнутри, не разрушая и не разбирая их. Такого рода объемами как раз являются закрытые полости газовоздушного тракта, в которые невозможно заглянуть обычным способом. Для двигателя CFM56 (как, впрочем, и для других) такими полостями являются проточные части компрессоров низкого и высокого давления, камеры сгорания и обеих турбин (ТНД и ТВД). Бороскоп обычно представляет собой трубу очень малого диаметра (жесткую или гибкую), на одном конце которой расположен окуляр, а на другом - объектив, который снабжен подсветкой. Объектив на конце трубы (зонд) может проникать в закрытые полости через функциональные, либо специальные технологические отверстия. Современные бороскопы уже, конечно, мало соответствуют такому примитивному описанию, хотя принцип работы остался тем же. Интересно, что одним из крупнейших разработчиков и производителей современных бороскопов является все та же фирма GE. Для этого у нее существует специальное подразделение, "GE Measurement & Control Solutions". Спектр производимой им продукции достаточно широк, от обычных жестких эндоскопов до видеобороскопов с элементами 3D технологий (рис. 24, 25, 26). Гибкие управляемые зонды различных Рис. 25. Видеобороскоп XLG0+ Рис. 26. Видеобороскоп XLVU диаметров с отличной артикуляцией (изгибные движения зонда в пространстве под управлением специального джойстика) на 360 (All-way) и мощным освещением позволяют отчетливо рассмотреть внутреннее состояние практически любой полости двигателя. При этом изображение на цветном жидкокристаллическом экране может быть зафиксировано в любом формате, а осматриваемый объект может быть измерен с применением различных режимов (стерео, теневые, сравнительные, 3D). Существуют "навороченные" эндоскопы с функциями компьютера, такие как, например, видеоэндоскоп XLG3 ( а есть приборы попроще, типа XLGO+ ( или XLVu ( Однако в данном случае слово "попроще" отнюдь не означает примитивнее. CFM56 хорошо приcпособлен к такого рода работам, и проведение периодических бороскопических инспекций позволяет поддерживать его надежность на довольно высоком уровне (рис. 27). По всему двигателю расположены специальные бороскопические порты или, попросту говоря, отверстия, прикрытые пробками определенной конструкции. Рис. 27. Осмотр двигателя CFM56 с помощью видеобороскопа XLG3 Рис. 24. Видеобороскоп XLG3 Через эти отверстия зонд бороскопа легко проникает во внутренние полости двигателя и на экране можно видеть состояние поверхностей. Для осмотра компрессора низкого давления имеется один порт (на внешнем корпусе за вентилятором), для компрессора высокого давления - девять портов на корпусе статора (по числу ступеней, на схеме S1-S9), на корпусе камеры сгорания выполнены четыре порта по окружности корпуса, через которые можно осмотреть саму кольцевую жаровую трубу (рис. 28, 29). Кроме того, через пусковые воспламенители камеры сгорания (места установки свечей зажигания, их два) можно выполнить осмотр соплового аппарата и передней кромки лопаток турбины высокого давления. 15

5 Рис. 28. Порты бороскопического контроля компрессора высокого давления [инструкция по эксплуатации двигателя CFM-56-5] Рис. 30. Порты бороскопического контроля на турбине низкого давления [инструкция по эксплуатации двигателя CFM-56-5] Для линии двигателей CFM56 бороскопический контроль с использованием современных видеоэндоскопов играет большую роль. Это позволяет в сочетании с другими передовыми техническими методами успешно осуществлять эксплуатацию двигателей с высоким уровнем надежности, совмещая его с невысокими затратами на техническое обслуживание. А отсюда напрямую проистекает популярность этих двигателей. И, судя по происходящему на рынке двигателестроения, эта популярность будет только возрастать Рис. 29. Порты бороскопического контроля камеры сгорания [инструкция по эксплуатации двигателя CFM-56-5А] Далее следуют точки осмотра турбин высокого и низкого давления (S17-S22, рис. 30). В этих точках зонд бороскопа входит между лопатками соплового аппарата турбины, и за счет его артикуляции могут быть осмотрены передние и задние кромки лопаток соответствующих ступеней. Ротор двигателя (турбокомпрессора высокого давления) при этом приводится в необходимое для осмотра вращение через коробку приводов агрегатов при помощи специального приспособления. В итоге получается достаточно эффективная и несложная в плане осуществления проверка, которая не занимает много времени и не требует исключения самолета из полетного графика. Официальный поставщик технических видеоэндоскопов XLGO+ в России, дистрибьютор компании General Electric по направлению визуально-измерительного контроля ООО "Мега Инжиниринг": Москва, , Проезд Серебрякова, д. 2/1 Многоканальный телефон: 8 (495) Факс: 8 (495) Бесплатный телефон по России: 8 (800) Срочные вопросы: 8 (985) Интернет:

АИ-28 Авиационный турбореактивный двухконтурный двигатель ИДЕОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ Двигатель АИ-28 предназначен для применения на последующих модификациях самолета Ан-148, а также на вновь разрабатываемых