Роллс-Ройс/Снекма Олимп 593

Олимп 593
На выставке в Бристоля Аэрокосмическом музее .
Тип	Турбореактивный двигатель
Национальное происхождение	Великобритания / Франция
Производитель	Роллс-Ройс Лимитед / Snecma
Первый запуск	Июнь 1966 г.
Основные приложения	Конкорд
Разработано на основе	Роллс-Ройс Олимп

Rolls -Royce/Snecma Olympus 593 — англо-французский турбореактивный двигатель с промежуточным подогревом , который использовался на сверхзвуковом авиалайнере «Конкорд» . Первоначально это был совместный проект Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL) и Snecma , созданный на основе двигателя Bristol Siddeley Olympus 22R. Rolls-Royce Limited приобрела BSEL в 1966 году во время разработки двигателя, в результате чего BSEL стало Бристольским моторным подразделением Rolls-Royce.

До тех пор, пока в октябре 2003 года не прекратились регулярные коммерческие полеты Concorde, турбореактивный двигатель Olympus был уникальным в авиации как единственный турбореактивный двигатель с промежуточным нагревом, приводивший в действие коммерческий самолет.

Общий тепловой КПД двигателя в сверхзвуковом крейсерском полете ( суперкрейсерском полете ) составлял около 43%, что на тот момент было самым высоким показателем, зафиксированным для любой нормальной термодинамической машины .

Разработка

Первоначальная конструкция двигателя представляла собой гражданскую версию Olympus 22R, переименованную в 591. 22R был разработан для продолжительного (45 минут) полета на скорости 2,2 Маха. в качестве двигателя для ВАК ТСР-2 . Модель 591 была модернизирована и стала известна как 593, а спецификация была окончательно утверждена 1 января 1964 года. Бристоль Сиддели из Великобритании и Snecma Moteurs из Франции должны были разделить проект. SNECMA и Bristol Siddeley также участвовали в несвязанном совместном проекте — турбовентиляторном двигателе M45H .

На ранних этапах разработки была подтверждена базовая концепция конструкции, но потребовалось множество исследований для соответствия спецификациям, которые включали расход топлива по удельной тяге (TSFC или просто SFC), степень сжатия двигателя, размер и вес, а также температуру на входе в турбину.

Первоначальные исследования касались турбореактивных двигателей и турбовентиляторных двигателей , но в конечном итоге было показано, что нижняя площадь лобового поперечного сечения турбореактивных двигателей является решающим фактором в достижении превосходных характеристик. Конкурирующий российский Ту-144 изначально использовал ТРДДД с промежуточным перегревом, но был заменен на ТРДД без промежуточного перегрева. со значительным улучшением производительности.

216 (G-BOAF) с двигателем Olympus Concorde во время последней в истории посадки Конкорда в Бристоле , Англия.

За разработку двигателя и его аксессуаров отвечала компания Bristol Siddeley; Компания BAC отвечала за регулируемый впуск и общую установку двигателя, а Snecma взяла на себя выхлопное сопло, включающее реверс тяги, шумоподавление и подогрев . Британия должна была иметь большую долю в производстве силовой установки на базе Olympus 593, поскольку Франция имела большую долю в производстве фюзеляжа. Наземные испытания двигателей координировались между Бристолем Сиддели, Патчуэй ; Национальное предприятие по производству газовых турбин (NGTE), Писток, Великобритания; и Центр исследований двигателей (CEPr) в Сакле , Франция.

Увеличение веса самолета на этапе проектирования привело к тому, что двигатель не мог удовлетворить требования к взлетной тяге. Требуемый дефицит в 20% был покрыт за счет введения частичного повторного нагрева, произведенного SNECMA.

В июле 1964 года были произведены два прототипа двигателя 593D («D» от «Производный», т. е. созданный на основе двигателя 22R). Эти два производных двигателя были созданы для определения обоснованности таких конструктивных решений, как охлаждение статора и ротора турбины, а также для испытаний системы при высоких температурах окружающей среды. Они также продемонстрировали необходимость в более крупных двигателях, получивших обозначение 593B.

Olympus 593B впервые был запущен в ноябре 1965 года. B (от «Big») представлял собой модернизированную конструкцию 593D, которая планировалась для более ранней конструкции Concorde меньшего размера. Результаты испытаний 593D были использованы при разработке B. Позже буква B была исключена из обозначения. Snecma использовала Olympus 301 для тестирования масштабных моделей системы форсунок.

впервые был запущен полный двигатель Olympus 593 и выхлопная система с изменяемой геометрией В июне 1966 года на заводе Мелен-Вилларош . В Бристоле начались летные испытания бомбардировщика RAF Avro Vulcan с двигателем и гондолой, прикрепленными под бомбовым отсеком. Из-за аэродинамических ограничений Vulcan испытания были ограничены скоростью 0,98 Маха (1200 км/ч). В ходе этих испытаний модель 593 достигла тяги в 35 190 фунтов силы (157 кН), что превысило технические характеристики двигателя.

В начале 1966 года Olympus 593 развивал тягу 37 000 фунтов силы (160 кН) с повторным нагревом.

В апреле 1967 года Olympus 593 впервые пробежал в высотной камере в Сакле . В январе 1968 года летающий испытательный стенд Vulcan налетал 100 часов, а выхлопная система с изменяемой геометрией двигателя Olympus 593 была допущена в Мелен-Виллароше для полета на прототипах Concorde.

Прототип Concorde 001 совершил свой первый полет из Тулузы 2 марта 1969 года. Его пилотировал Андре Тюркат , главный летчик-испытатель Sud Aviation. С помощью разогрева он поднялся со скоростью 205 узлов (380 км/ч) после пробега в 4700 футов (1,4 км).

Была предложена более тихая версия с большей тягой - Mk 622. Повторный нагрев не требовался, а более низкая скорость струи снизила шум выхлопа. Повышенная эффективность позволила бы увеличить дальность полета и открыть новые маршруты, особенно через Тихий океан, а также трансконтинентальные маршруты через Америку. Однако низкие продажи Concorde привели к тому, что этот план по созданию Concorde B не был реализован.

Проектирование двигательной установки

Двигатель

Olympus 593 представлял собой двухвальный турбореактивный двигатель с промежуточным перегревом. Компрессоры низкого давления (НД) и высокого давления (ВД) имели семь ступеней и приводились каждый от одноступенчатой ​​турбины. Из-за высокой температуры воздуха на входе в крейсерском режиме 2 Маха - более 120 ° C (393 K; 248 ° F). - барабаны и лопатки компрессора были изготовлены из титана, за исключением последних четырех ступеней ВД, которые были изготовлены из Nimonic 90. никелевый сплав. Никелевые сплавы обычно требовались только в наиболее горячих зонах турбины, но высокие температуры, возникающие на последних ступенях компрессора при сверхзвуковых скоростях полета, диктовали его использование и в компрессоре. Статор и лопатки ротора турбины ВД и лопатки ротора турбины низкого давления охлаждались.

Повторный нагрев обеспечивает увеличение тяги на 20%. был установлен для обеспечения взлетной тяги, необходимой для полета Конкорда с существующих взлетно-посадочных полос, а также для околозвукового ускорения от 0,95 до 1,7 Маха; самолет летел на сверхзвуке без разогрева выше этой скорости. В крейсерском режиме прямой вклад двигателя в прямую тягу составлял 8% от вклада всей двигательной установки: 63% приходилось на прямое давление на конструкции внутри системы воздухозаборника, а 28% - на прямое давление на выхлопные сопла.

Все основные компоненты Olympus 593 были рассчитаны на срок службы 25 000 часов, за исключением лопаток компрессора и турбины, которые были рассчитаны на срок службы 10 000 часов. Двигатель, установленный на Конкорде, можно было заменить за 1 час 50 минут.

Впуск

Схема системы впуска Конкорда

Система впуска Конкорда

Предсерийный Concorde G-AXDN , Даксфорд, двигатели крупным планом, с выступающими зубчатыми реверсорами тяги. На серийных самолетах использовалась переработанная конструкция изменяемого сопла/реверсора тяги «века».

Воздухозаборник Concorde с изменяемой геометрией, разработанный BAC , как и любой воздухозаборник реактивного двигателя, должен подавать воздух в двигатель под максимально высоким давлением (восстановление давления) и с изменением распределения давления (искажение), которое может быть выдерживает компрессор. Плохое восстановление давления является недопустимой потерей для процесса сжатия впуска, а чрезмерная деформация вызывает помпаж двигателя (из-за потери запаса по помпажу). Если двигатель является турбореактивным с промежуточным перегревом, воздухозаборник также должен подавать охлаждающий воздух для горячего канала промежуточного подогрева и сопла двигателя. Чтобы Конкорд стал жизнеспособным коммерческим самолетом, необходимо было выполнить все вышеперечисленные требования во всем диапазоне сертифицированных эксплуатационных условий. Их встретили воздухозаборником изменяемой геометрии и системой управления впуском, не нарушавшей ни работу двигателя, ни управление самолетом.

Восстановление сверхзвукового давления определяется количеством ударных волн , генерируемых воздухозаборником: чем больше их число, тем выше восстановление давления. Сверхзвуковой поток сжимается или замедляется из-за изменения направления. Передние рампы впуска Concorde изменили направление потока, вызвав косые внешние толчки и изэнтропическое сжатие в сверхзвуковом потоке. В TSR-2 использовался полуконус, перемещающий центральный корпус для изменения направления. Восстановление дозвукового давления решается путем удаления пограничного слоя (в сливной щели рампы) и соответствующей формы дозвукового диффузора, ведущего к двигателю. Восстановление давления, достигнутое воздухозаборниками двигателя Конкорда на крейсерской скорости 2 Маха, дало соотношение давлений на впуске 7,3:1.

Ударные волны привели к чрезмерному росту пограничного слоя на передней рампе. Пограничный слой удалялся через дренажную щель рампы и обходил дозвуковой диффузор и двигатель, где в противном случае он вызвал бы чрезмерные потери в воздуховоде и неприемлемые искажения в двигателе. Поскольку спускной паз рампы находился в дозвуковом диффузоре после ударной системы, изменения потока, требуемые двигателем, будут компенсироваться соответствующими изменениями потока в спускном пазе без существенного влияния на внешний характер ударной нагрузки. Снижение расхода двигателя, вызванное дросселированием или остановкой, устранялось открытием люка самосвала.

Сбросные створки на крейсерском ходу закрывались для предотвращения потери тяги, так как утечка воздуха из воздуховода не способствует восстановлению давления во впуске.

Поскольку площадь воздухозаборника была оптимальной для крейсерского режима, был предусмотрен вспомогательный воздухозаборник для обеспечения более высокого потока воздуха в двигателе, необходимого для взлета. Также необходимо было устранить искажение потока в торцевой части двигателя, что привело к возникновению аэродинамического каскада со вспомогательной дверью.

Силы внутреннего воздушного потока на впускной конструкции направлены назад (сопротивление) на начальном сужающемся участке, где происходит сверхзвуковое торможение, и вперед на расширяющемся канале, где происходит дозвуковое торможение вплоть до входа в двигатель. Сумма двух сил давала 63% тяги на крейсерском ходу от воздухозаборной части двигательной установки.

Для достижения необходимой точности управления рампой воздухозаборника и позиционированием разлива было признано необходимым использовать цифровой сигнальный процессор в блоках управления воздухозаборником . Он был разработан примерно в 1972 году, на относительно позднем этапе программы, подразделением электроники и космических систем Британской авиастроительной корпорации в Филтоне . Блоки управления воздухозаборниками обеспечивали необходимую экономию топлива при трансатлантических перелетах. Цифровой процессор также точно рассчитал необходимую частоту вращения двигателя, чтобы обеспечить достаточный запас по помпажу при всех условиях эксплуатации двигателя и планера.

Система управления воздухозаборником Concorde также стала пионером в использовании цифровых магистралей данных ( мультиплексных последовательных шин данных ), которые соединяли блоки датчиков воздухозаборника, которые собирали аэродинамические данные в носовой части самолета (общее давление, статическое давление, угол атаки и боковое скольжение) и отправил его в блоки управления воздухозаборниками, расположенные ближе к воздухозаборникам, на расстоянии около 190 футов (58 м), используя экранированную витую пару для замены того, что было бы гораздо большим весом в проводке самолета, имело только аналоговую сигнальную проводку и пневматическую трубопроводы использовались.

Система управления впуском обладала уникальной способностью поддерживать правильную работу силовых установок и способствовать восстановлению любых действий пилотов, самолета и атмосферы в то время.

Общий коэффициент давления в силовой установке при крейсерской скорости 2,0 Маха на высоте 51 000 футов (15 500 м) составлял около 82:1, из них 7,3:1 на впуске и 11,3:1 на двух компрессорах двигателей, что намного выше, чем у любого дозвукового самолета того времени. , что дает соответственно высокий тепловой КПД около 43%.

Выхлопное сопло

Выхлопное сопло Concorde с изменяемой геометрией

Использование выхлопной системы Конкорда при А) взлете Б) сверхзвуке В) реверсе тяги

Выхлопное сопло изменяемой геометрии, разработанное SNECMA , состояло из двух «веков», которые меняли свое положение в потоке выхлопных газов в зависимости от режима полета; например, когда они полностью закрыты (в поток выхлопных газов), они действуют как реверсоры тяги, способствуя замедлению от приземления до скорости руления. В полностью открытом крейсерском положении они вместе с соплом двигателя образовывали сопло эжектора для управления расширением выхлопа. Веки образовывали расширяющийся канал, в то время как выхлоп двигателя выбрасывал или перекачивал вторичный поток из выпускной щели впускной рампы.

Расширяющийся поток в расширяющейся секции вызвал силу тяги вперед на выхлопном сопле: вклад в общую тягу двигательной установки на крейсерском ходу составил 29%.

Во время крейсерского полета на скорости 2,02 Маха каждый Olympus 593 развивал тягу около 10 000 фунтов силы (44 кН), что эквивалентно 36 000 л.с. (27 000 кВт) на двигатель. Имс (SAE Transactions 1991), однако, упоминает, что крейсерская тяга каждого двигателя составляет 6790 фунтов силы (30 кН), что соответствует 2000 л.с. (1500 кВт) на двигатель и 100 000 л.с. (75 000 кВт) для всего автомобиля. 10 000 фунтов силы — это, пожалуй, максимальная тяга, доступная на крейсерской скорости (используется во время ускорения и набора высоты непосредственно перед переходом в крейсерский режим). Разница между двумя приведенными выше значениями тяги обусловлена ​​высотой, на которой летит самолет. Конкорд набирает высоту с 50 000 футов (15 200 м) до 60 000 футов (18 300 м) во время крейсерского полета, поскольку самолет становится легче за счет сжигания топлива. Каждый двигатель будет производить примерно 10 000 фунтов силы на высоте 50 000 футов и только 6 790 фунтов силы на высоте 60 000 футов из-за уменьшения плотности воздуха.

Основное выхлопное сопло и водометная труба были рассчитаны на срок службы 30 000 часов; задняя конструкция реверса тяги (TRA) рассчитана на срок службы 40 000 часов.

Варианты

• 593 — оригинальная версия, разработанная для Concorde.
  • Тяга: 20 000 фунтов силы (89 кН) в сухом состоянии / 30 610 фунтов силы (136 кН) с повторным нагревом
• 593-22Р — силовая установка на опытных образцах. Более высокие характеристики, чем у оригинального двигателя, из-за изменений в характеристиках самолета.
  • Тяга: 34 650 фунтов силы (154 кН) в сухом состоянии / 37 180 фунтов силы (165 кН) с прогревом
• 593-610-14-28 - Окончательная версия, установленная на серийном Concorde.
  • Тяга: 32 000 фунтов силы (142 кН) в сухом состоянии / 38 050 фунтов силы (169 кН) с повторным нагревом

Двигатели на выставке

Сохранившиеся образцы Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 выставлены в следующих музеях :

• Аэроспейс Бристоль , Бристоль, Великобритания
• Ньюаркский музей авиации , Ньюарк, Великобритания

Помимо этих музеев, примеры Olympus 593 представлены и на других сайтах:

• Лаборатория Талбота Иллинойского университета в Урбана-Шампейн , Иллинойс, США
• Здание космической науки и технологий Вебера в Технологическом институте Джорджии , Джорджия, США
• Здание Уиттла в Университете Крэнфилда , Крэнфилд, Великобритания

• 
  Пара двигателей с реверсорами тяги в Музее аэронавтики и космонавтики Safran
• 
  Двигатель на выставке в Крэнфилдском университете

Технические характеристики (Олимп 593 Мк 610)

Секция турбины и желоба подогрева Olympus 593 на выставке в Музее авиации флота.

Данные Джейн.

Общие характеристики

• Тип: турбореактивный
• Длина: 4,039 м (13 футов 3,0 дюйма)
• Диаметр: 1,212 м (3 фута 11,7 дюйма)
• Сухой вес: 3175 кг (7000 фунтов)

Компоненты

• Компрессор: Осевой, 7-ступенчатый низкого давления, 7-ступенчатый высокого давления
• Камеры сгорания : кольцевая камера конструкции из никелевого сплава, 16 испарительных горелок, каждая с двумя выходными отверстиями.
• Турбина : Две ступени: одна высокого давления, одна низкого давления.
• Тип топлива: Джет А1

Производительность

• Максимальная тяга : мокрая: 169,2 кН ​​(38 000 фунтов силы) сухая: 139,4 кН (31 300 фунтов силы)
• Общая степень сжатия : 15,5:1 (при неподвижном самолете).
• Общая степень сжатия : около 82:1 при скорости 2,0 Маха (включая повышение давления во впуске 7,3:1 и в двигателе 11,3:1, что меньше, чем в неподвижном состоянии из-за повышения температуры поршня)
• Массовый расход воздуха: (186 кг (410 фунтов))/с)
• Удельный расход топлива : 1,195 фунта/(фунт-сила-ч) (33,8 г/(кН⋅с)) крейсерский / 1,39 фунта/(фунт-сила-час) (39 г/(кН⋅с)) SL (уровень моря).
• Тяговооруженность : 5,4:1

См. также

Связанные разработки

• Роллс-Ройс Олимп

Сопоставимые двигатели

• Kolesov RD-36-51
• Кузнецов НК-144
• Пратт и Уитни J58
• Дженерал Электрик YJ93
• Дженерал Электрик GE4

Связанные списки

• Список авиационных двигателей

Ссылки

• М. Х. Бинланд "Развитие Олимпа 593", 1969 г. , Flight International.

Внешние ссылки

• «Четыре двигателя Olympus будут приводить в движение Конкорд…» реклама Olympus in Flight 1965 года.
• «Олимп для Конкорда» статья 1966 года - летная на основе Olympus 593 для Конкорда.
• Олимпийские ковши и лопаты - статья Flight International 1971 года о вторичном сопле / реверсоре тяги Olympus 593s Type 28 TRA.
• «Летные испытания Olympus» - статья 1972 года летная об испытаниях Olympus 593.
• Concorde Olympus 593 MK.610 Двигатели Heritage Concorde