Як виробники двигунів вирішують проблеми забруднення пилом

Пил на низькій висоті в таких місцях, як Дубай, спричиняє знос двигунів нового покоління.Авторство: Wael Hamdan/Alamy Фото

Проблеми з двигунами нового покоління гостро відчуваються в запилених регіонах, таких як Близький Схід, де велике споживання твердих частинок загострило існуючі проблеми двигунів усіх трьох основних виробників силових установок.

Дослідження цього року, проведене європейськими вченими, відзначило, що кількість мінерального пилу, що досягає серцевини двигуна під час сектору польоту, зазвичай може становити близько 5 грамів, що є незначною проблемою.

«Однак, якщо врахувати, що багато двигунів стикаються з таким рівнем пилу кожного польоту, особливо тими, що виконуються авіакомпаніями з хабами в запилених аеропортах, кумулятивна доза починає представляти більшу проблему; 1000 посадок і подальших вильотів із запорошеного аеропорту становлять приблизно 10 кг накопиченого пилу», – зазначається в дослідженні.

«Вплив контрольованого випробування на потрапляння пилу, проведеного в 2018 році, який доставив приблизно 5 кг пилу, склад якого був репрезентативним для регіону навколо Дубая, [означав, що] рівень забруднення в гарячих секціях двигуна був достатнім, щоб призвести до прискорення погіршення роботи двигуна та суттєве скорочення терміну служби компонентів».

Двигун GTF Advantage компанії Pratt & Whitney включає кілька технологічних досягнень, які зменшують окислення та корозію. Авторство: Pratt & Whitney

Найбільші пошкодження завдаються під час зльоту та набору висоти, коли двигун розігрітий, пояснив технічний керівник Rolls-Royce, демонстратор R&T Енді Мітчелл.

«Під час цих фаз польоту пил втягується в серцевину двигуна, розбивається на більш дрібні шматки і зрештою плавиться на гарячих лопатях турбіни», — сказав він.

«Цей розплавлений камінь, алюмосилікат кальцію і магнію, або CMAS, може просочуватися між матеріальними компонентами лопатей турбіни, коли вони розширюються та стискаються під час зміни температури. Згодом це руйнує тепловий бар’єр лопатей турбіни, що означає частіші послуги з обслуговування та простої літака».

Мітчелл сказав, що двигуни старого покоління були менш сприйнятливі до пошкоджень, оскільки вони працювали при нижчих температурах, ніж, наприклад, Trent XWB-97, який є двигуном Airbus A350-1000.

Двигуни нового покоління, такі як Trent XWB-97, показані тут у зібраному вигляді, працюють при вищих температурах, особливо під час зльоту та набору висоти. Авторство: Rolls Royce

Ця проблема спонукала дослідження щодо збереження двигунів охолодженими в жарких і суворих умовах.

«У Rolls-Royce ми розробили та випробували нове інноваційне покриття, яке збільшує термін служби цих теплових бар’єрів і продовжує час перебування на крилі до 30%», — сказав Мітчелл. «Покриття складається з цирконату гадолінію, який взаємодіє з CMAS, збільшуючи його в’язкість, тому воно не проникає в матеріал однаковим чином. Це покриття зараз використовується на Trent XWB-97».

Розробка покриття «означала розуміння роботи самого CMAS і того, як його хімічний склад змінювався під час проходження через двигун», додав він.

Команда Rolls працювала з геологами та професорами Манчестерського університету у Великій Британії, щоб створити пил, який допоміг би імітувати умови Близького Сходу.

«Процес тестування включав різні етапи моніторингу впливу CMAS на гарячі матеріали до 1400°C (2552°F). Ми провели те, що ми називаємо райдужними тестами, застосувавши різні стандарти покриття до 62 лопатей турбіни, щоб оцінити порівняльні результати». 

Компанія GE Aerospace створила «пиксі-пил» — нову суміш, призначену для імітації твердих частинок, що знаходяться в повітрі. Авторство: GE Aerospace Research

Необхідність знайти рішення проблеми пилу є гострою, сказав Майкл Вінтер, головний науковий співробітник материнської компанії Pratt & Whitney RTX.

«Очікується, що найбільше зростання попиту на авіаційну техніку в майбутньому спостерігатиметься в регіонах світу з більш жарким і запиленим робочим середовищем».

Маючи це на увазі, Пратт розробив кілька заходів для пом’якшення проблеми, включаючи вдосконалену аеродинамічну поверхню з високою турбіною, що включає перевірені технології покриття, стійкі до CMAS; оптимізований розмір отвору охолодження, форми та розташування для камери згоряння та турбіни високого тиску; лопаті турбіни з передового сплаву, які забезпечують більш ефективне охолодження та мають покриття для зменшення окислення та корозії.

«Двигун GTF Advantage, наступна еволюція силової установки, є принципово більш довговічною конфігурацією. Ми об’єднали посилений повітряний потік через серцевину, який забезпечує більшу тягу при зниженні робочих температур, і сучасну гарячу секцію, щоб збільшити час на крилі», – сказав Вінтер.

RTX також розробляє заходи для мінімізації впливу шкідливого пилу, додав він.

«Наприклад, Collins Aerospace [також компанія RTX] керує управлінням повітряним рухом через супутники та наземні станції, надаючи операторам оновлену інформацію про погоду в реальному часі для інформування про маршрути польоту та відстеження в режимі реального часу за допомогою FlightAware разом із адаптацією траєкторії [і ] рекомендоване програмне забезпечення».

Тим часом інженери GE Aerospace звернулися до малоймовірного інгредієнта «пиксового пилу», щоб допомогти зрозуміти проблеми, з якими стикається CFM International LEAP.

У статті GE Reports менеджер з інженерних робіт GE Aerospace Services Карлос Перес згадав випробування пилу на початку 2000-х років на попереднику LEAP, CFM56.

«Ми використовували пісок, тому що наша гіпотеза полягала в тому, що цей пил вилітає прямо з боку злітно-посадкової смуги. Ми поставили совок, наповнений дорожнім пилом Арізони, перед двигуном, щоб побачити, що сталося», — написав він.

Можливо, не дивно, що було пошкоджено лопаті вентилятора двигуна.

Однак була потрібна певна переробка пилу, оскільки вистрілювання колекції крихітних камінців і гальки у вентилятор не відтворювало реальних умов.

Інженери GE Aerospace проаналізували типові умови пустелі та швидко виявили, що проблема полягає не в пилу на рівні землі, а в частинках повітря.

«Ці неймовірно потужні реактивні двигуни погіршувалися завдяки справді дрібному пилу, що висів у повітрі. Ми говоримо про частинки, які становлять одну десяту ширини людської волосини», – написав Перес.

Тому GE створила свій «пиксі-пил».

«Працюючи з трьома геологами з докторським рівнем, ми виготовили власну суміш», — пояснив Перес. Отримана суміш має консистенцію тальку, який ширяє в повітрі, як дим, а не падає на землю.

Щоб імітувати потік цього наддрібного пилу, інженери побудували металеву конструкцію перед двигуном LEAP на випробувальному стенді, який підтримував обладнання, яке могло регулювати потік пилу прямо в серцевину двигуна. Це дозволило їм повторювати цикли двигуна тисячі разів.