Основу современного воздушного транспорта составляют дозвуковые пассажирские самолеты (ДПС) с газотурбинными двигателями. Усложнение задач, решаемых гражданской авиацией, неминуемо ведет к расширению типоразмеров ГТД, и, как следствие, - к увеличению номенклатуры двигателей. В условиях технического прогресса, постоянно изменяющегося спроса, жесткой конкурентной борьбы возрастает цена возможных ошибок, допущенных при проектировании двигателей, особенно на этапах формирования технического задания/предложения. Даже незначительные просчеты в определении облика будущего двигателя могут привести к неблагоприятному выполнению программы нового изделия.

Наиболее эффективны долгосрочные программы с большим объемом производства. Значительную роль в коммерческом успехе играет политика продвижения продукции на рынок, ее сертифицирование и строгое соблюдение сроков поставки двигателей заказчику. Последнее особенно трудно, поскольку, сроки разработки новых самолетов гораздо короче сроков разработки двигателя. Одновременная разработка планера самолета В-747 и двигателя JT9D привела к большим проблемам. Затраты Pratt&Whitney на их решение достигли $200 млн и сравнялись с затратами на разработку JT9D. По этим причинам В-747 первоначально оснащался двигателем General Electric CF6-6.

Поскольку стоимость разработки нового двигателя и нового планера примерно равны (а при переходе к новому поколению двигателей этап их предварительного проектирования существенно дороже), то двигателестроителям требовалось минимизировать технические и экономические риски, возникающие при выборе двигателя в начале работы по программе создания самолета. В связи с этим необходим переход к новой методологии проектирования, учитывающей при создании нового двигателя неопределенность развития ситуации.

Относительная неудача, постигшая Pratt&Whitney, вынудила ее начать разработку турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) большой тяги следующего поколения PW4000. Новый двигатель создавался на базе ТРДД PW2037 с учетом опыта эксплуатации многочисленных модификаций JT9D. Решение о начале программы было принято в декабре 1982 г., хотя фактически работа велась уже с 1981 г. К этому времени вполне определилась тенденция развития ДПС, в частности широкофюзеляжных, для которых в основном и предназначены ТРДД большой тяги. В соответствии с указанной тенденцией, для снижения суммарных капитальных затрат разрабатывается не единичный самолет, а целое семейство модификаций, в котором есть и уменьшенные варианты базового самолета, и (значительно чаще) модификации с увеличенной по отношению к базовой взлетной массой.

Следует учитывать, что обычно от момента начала проектных работ до первого вылета ДПС взлетная масса возрастает на 5…30 %. После первого полета возможен дальнейший рост (на 20…50 %) взлетной массы самолета. Так, взлетная масса DC-10 через два года после первого полета возросла на 29 % (DC-10-30), а через 21 год - на 46,6 % (MD-11). Взлетная масса самолета В-767 за такой же период выросла на 74 %.

Для сохранения летно-технических характеристик самолета параллельно должна расти и тяга двигателя. Практически все ТРДД в 70-х годах XX века развивались путем создания новых модификаций, отличающихся повышенной тягой. Так, фирма Pratt&Whitney вынуждена была увеличивать тягу JT9D строго в соответствии с ростом массы B-747. Первое требование о дополнительном увеличении тяги со стороны Boeing последовало в октябре 1966 г., а второе - уже в начале 1967 г. Увеличение тяги обеспечивалось путем создания новых модификаций двигателя, в частности, JT9D-3. Авиастроители, однако, не успокаивались на достигнутом, и, как следствие, рост тяги JT9D в период 1970-1983 гг. составил еще 26,0 %. При подобном развитии событий возникает проблема обеспечения надежности. Единственный способ ее достижения - дорогостоящие и длительные испытания с последующей сертификацией очередной модификации. При этом, если сохранять неизменной размерность вентилятора и газогенератора, то можно увеличить тягу не более чем на треть, что почти в два раза меньше прогнозируемого роста взлетной массы ДПС.

Выход был найден в одновременной разработке не единичного двигателя, модифицируемого по мере необходимости, а целого семейства модификаций ТРДД одного назначения на базе унифицированного газогенератора. Ввод в эксплуатацию производится последовательно, с интервалом около года (или чуть более), по мере возникновения надобности у заказчиков.

Такой подход позволяет гибко реагировать на будущие требования заказчика, а диапазон тяг семейства может достигать 100 %, если за исходную принять наименьшую тягу.

Семейства авиационных ГТД исторически делятся на два типа. К первому типу относят семейства JT8D, JT9D, CFM56, CF6, CF6-50, CF6-80, CF6-80C2, RB.211, НК-8. Второй тип - двигатели, создаваемые на базе полностью унифицированного газогенератора, скомпонованные с турбинами низкого давления и их вентиляторами (турбовентиляторами внешнего контура), имеющими различные наружные диаметры и число ступеней. Полная взаимозаменяемость унифицированных газогенераторов есть свойство скорее желаемое, чем достигаемое в реализованных семействах ТРДД. Комбинация газогенератора с турбовентилятором образует подсемейство ТРДД, представленное несколькими модификациями двигателей разной тяги и перекрывает свой, более узкий диапазон тяг. Характерным признаком второго типа семейств ТРДД служит быстрый рост тяги от модификации к модификации: более 60 кгс/мес. для подсемейства и 150…240 кгс/мес. для семейства (в сравнении с 35…60 кгс/мес. для семейств первого типа).

В настоящее время существуют и развиваются, по крайней мере, три таких семейства ТРДД: Trent производства Rolls-Royce, PW4000 фирмы Pratt&Whitney и BR700 консорциума BMW-Rolls-Royce. При этом Rolls-Royce сразу объявила о разработке трех подсемейств двигателя Trent: Trent600, Trent700 и Trent800, отличающихся тягой и диаметром вентилятора, степенью двухконтурности и суммарной степенью повышения полного давления. Аналогичная картина наблюдается и в семействах PW4000 и BR700. Рост тяги в рамках семейства достигает 40 % (модификации ТРДД Trent на базе одного газогенератора), 47 % (BR700), 102,7 % (PW4000), что вполне соответствует росту массы ДПС.

Стратегию создания семейства ТРДД второго типа иллюстрирует технико-экономическая политика Pratt&Whitney. Все семейство PW4000 подразделяется на три подсемейства, связанных с диаметром вентилятора: 94, 100 и 112 дюймов. Первый двигатель семейства - PW4050, относящийся к подсемейству 94 дюймов (PW4000-94"), был сертифицирован в 1986 г, а к 2000 г. в эксплуатации было 13 основных модификаций.

Ранние модификации первого подсемейства - PW4050, PW4052 и PW4156 соответствуют по тяге двигателям семейства JT9D-7R4. Фирмы-разработчики и фирмы-эксплуатанты самолетов охотно заменяли двигатели предыдущего поколения на новые: JT9D-7R4D на PW4050 для В-767-200, JT9D-7R4 на PW4156 для А-310-300 и т.п. Разрабатывавшиеся в конце 80-х годов модификации ДПС с большей дальностью полета и с большой взлетной массой требовали двигателей с увеличенной взлетной тягой. Возникшую потребность удовлетворили двигатели PW4058, PW4060, PW4062, устанавливавшиеся на самолеты MD-11, B-767-200ER и т.д. Их привлекательность повышалась благодаря полной взаимозаменяемости газогенераторов. Использование двигателей одного подсемейства позволяет экономить на подготовке технического персонала и переносить опыт технического обслуживания и ремонта на новые модификации.

Сертификация двигателей производилась с необходимым опережением сертификации самолета и не задерживала его. За семь лет развития первого подсемейства тяга выросла на 24 %, и возможности по росту тяги двигателя с вентилятором в 94 дюйма были исчерпаны. Темп роста взлетной тяги первого подсемейства PW4000 значительно выше, чем у семейства JT9D. Можно предположить, что все модификации первого подсемейства в той или иной степени являются дефорсированными по температуре и тяге версиями PW4062.

Второе подсемейство с вентилятором в 100 дюймов представлено только двумя модификациями - PW4068 и PW4173. Это объясняется тем, что в возможном для этого семейства диапазоне тяг востребованной оказались тяги в 30845 кгс и 33108 кгс для самолета А-330. Фактически второе подсемейство обеспечивает тягу в диапазоне 29030...33108 кгс, то есть между первым и третьим подсемействами.

В третьем подсемействе PW4000 с вентилятором в 112 дюймов впервые в практике Pratt&Whitney применен широкохордный вентилятор с полыми лопатками без бандажных полок. Двигатели этого подсемейства предназначены для разных модификаций самолета В-777. Рост дальности полета и взлетной массы В-777 от одной модификации к другой вызвал соответствующее увеличение тяги двигателей третьего подсемейства PW4000.

Процесс доводки совместился по времени с эксплуатацией дефорсированных вариантов газогенераторов и позволил перейти в 1994 г. к фактически унифицированному для первых двух подсемейств газогенератору. По сути, сроки доводки двигателя остались прежними - 10…15 лет, но первая, дефорсированная версия начала эксплуатироваться уже через 6 лет, обеспечивая разработчикам опыт эксплуатации и окупаемость вложенных средств. Изменение удельного веса двигателей Pratt&Whitney может служить подтверждением переразмеренности первых модификаций каждого подсемейства. Из заложенного диапазона тяг для каждого подсемейства реализовывался требуемый заказчику вариант.

Темп роста тяги двигателей третьего подсемейства очень велик, превосходя первый вдвое (59 кгс/мес. и 102 кгс/мес.).

Можно предположить, что в момент выбора проектных параметров двигателей семейства и размерности унифицированного газогенератора (скорее всего это происходило в 1978-1980 гг.) основой послужил ТРДД с проектными параметрами, близкими к PW4084 (третьего подсемейства). Позже на его основе был определен облик газогенератора и выбраны проектные параметры двигателей всех подсемейств. Соответственно для первого подсемейства вентилятор имел входной диаметр 2377,4 мм - для обеспечения замены двигателей семейства JT9D-7R4 с таким же диаметром вентилятора на существующих самолетах (на момент сертификации двигателей первого подсемейства). Отсюда и относительно меньшая двухконтурность ТРДД первого подсемейства: 4,8...5,1. Двигатели-современники имеют двухконтурность в диапазоне 6...7,7 (CFM.56-C2, PW2037, Е3 GE, E3 PW).

Для второго подсемейства вентилятор PW2037 был модифицирован по расходу воздуха (с увеличением в 1,65 раза), и его диаметр составил 2535 мм. Дальнейший рост тяги, переход к третьему подсемейству и получение степени двухконтурности, предусмотренной в момент выбора проектных параметров исходного облика ТРДД каждой из будущих модификаций с одновременным увеличением удельной и лобовой тяг, обеспечил новый широкохордный вентилятор с лопатками без бандажных полок. Он разрабатывался и доводился 15 лет. В подсемействе 112-дюймовых вентиляторов имеются две разновидности: диаметром 2845 мм для PW4074, PW4077, PW4084, PW4090 и 2868 мм для PW4098 и PW40102. Вторая версия разработана для обеспечения очень больших тяг (44452 и 46262 кгс) вместо предполагавшегося закапотированного винтовентилятора диаметром 140 дюймов.

К особенностям выбора размерности газогенератора ТРДД большой тяги Pratt&Whitney следует отнести его увеличенную, по сравнению с аналогичных ТРДД других фирм, размерность. Для JT9D-7 величина приведенного взлетного расхода воздуха через первый контур равна 8,5 кг/с, а для CF6-6 - 5,5 кг/с. Аналогична ситуация и для новых двигателей: PW4000 - 8,17 кг/с и GE90 - 6,9 кг/с. Выбор размерности газогенератора очень важен при создании семейства ТРДД второго типа (для обеспечения возможности значительного увеличения тяги при минимальных модификациях). Очевидно, Pratt&Whitney не ставила задачу минимизации расходов топлива в первом подсемействе PW4000, поскольку PW4052 по крейсерскому удельному расходу топлива уступает не только PW2037 (базовому для PW4000), но и CF80-C2-A1, сертифицированному в том же году, но являющемуся модификацией двигателя предыдущего поколения. Крейсерские удельные расходы топлива более поздних модификаций PW4000 в рекламных материалах фирмы вообще не приводятся. Конечно, они выше, чем у конкурирующего ТРДД General Electric GE90 (0,522...0,545 кг/кгс·ч), но сертификация первой модификации семейства PW4000 была проведена на 9 лет раньше, чем GE90. В итоге двигатели семейства PW4000 устанавливаются на семи типах ДПС четырнадцати модификаций, a GE90 - только на одной модификации В-777. К 1996 г Pratt&Whitney захватила 50 % рынка сбыта ТРДД в диапазоне тяг 22680...39354 кгс.

Таким образом, можно отметить следующие основные черты методологии определения облика двигателей, используемой фирмой Pratt&Whitney: на основе анализа тенденций развития ДПС и динамики замены списываемых самолетов выполняется долгосрочный прогноз потребных тяг ТРДД. Далее, выбирается наиболее перспективный диапазон тяг с отношением максимальной тяги к минимальной, равным 1,6. Именно такая величина гарантированно обеспечивается применением трех различных турбовентиляторов, и при этом отличие двигателей семейства от оптимизированного для конкретной тяги не настолько велико, чтобы сделать их неконкурентоспособными. Проектные параметры оптимизируются и выбирается наилучшая по выбранному критерию комбинация обликов ТРДД для трех подсемейств. Они отличаются возрастающим диаметром вентилятора, числом ступеней турбовентилятора и соответствующим увеличением среднемассовой температуры газа перед турбиной. Верхний уровень этой температуры выбирается, исходя из имеющегося задела с расчетом его достижения через 12...15 лет. Уровень технического риска при этом очень низок. Подсемейства должны последовательно, с некоторым перекрытием заполнять весь выбранный диапазон тяг. Ввод в эксплуатацию двигателей начинают с подсемейства с наименьшей температурой газа перед турбиной в освоенном ранее диапазоне тяг. Вместе с тем, непременным условием является наличие спроса на двигатели в соответствующем диапазоне тяг и существенное технико-экономическое превосходство нового двигателя (следующего поколения), делающее привлекательной замену старого изделия на новое.

Наилучшим вариантом является замена двигателей предыдущего поколения, однако может потребоваться сохранение диаметра вентилятора, определяющего двухконтурность двигателей первого подсемейства. Далее, значение температуры газа перед турбиной для первого подсемейства выбирается таким образом, чтобы гарантированно сертифицировать очередную модификацию двигателя в срок не более года. Требуется также обязательно унифицировать газогенератор подсемейства. Кроме того, должна быть обеспечена возможность унификации газогенератора между подсемействами путем установки новых его версий на двигатели более ранних модификаций и подсемейств.