Как устроен авиационный двигатель

Пассажир идёт к трапу мимо двигателя и видит гладкую овальную гондолу, из-под которой выступают только лопатки вентилятора. Снаружи двигатель выглядит цельным предметом, чем-то вроде большой трубы под крылом.

Всё, что делает его двигателем, скрыто под кожухами и видно только в цехе: со снятыми створками, снятым с крыла, разобранным на столе. Под гондолой стоит плотно набитый агрегатами корпус, большая часть воздуха вообще не доходит до огня, а лопатки в глубине компрессора умещаются в ладони.

Что скрыто под кожухом

Гондола работает обтекателем, а не корпусом двигателя. Она задаёт форму, по которой идёт набегающий поток, и закрывает собой всё, что навешано на двигатель снаружи. Сам двигатель подвешен не к крылу напрямую, а к пилону – балке, которая держит его под крылом и передаёт тягу на конструкцию.

Боковые панели гондолы называются створками капота. Механик отпирает замки по нижней кромке и поднимает створки вверх, где их удерживают телескопические подпорки. Под ними открывается то, ради чего гондолу и делают разъёмной: топливные и гидравлические трубопроводы, жгуты электропроводки, датчики, а в нижней части корпуса – коробка приводов агрегатов (AGB, Accessory Gearbox). Вал двигателя вращает эту коробку через угловую передачу, а от неё уже работают генератор, топливный и гидравлический насосы.

Створки поднимаются почти вертикально и открывают двигатель сразу с обеих сторон. Так сделано из-за того, как устроена работа на перроне: стоянка между рейсами занимает 35-50 минут, и за это время инженер должен осмотреть двигатель, проверить уровень масла и при необходимости заменить агрегат. Тянуться к нему через узкий лючок в таком темпе невозможно, поэтому доступ открывают ко всему сразу, а агрегаты, которые меняют чаще прочих, ставят снизу, на высоте вытянутой руки от бетона.

Что происходит с воздухом внутри двигателя

За вентилятором поток раздваивается. Меньшая его часть уходит во внутренний контур: компрессор сжимает её ступень за ступенью, в камере сгорания сжатый воздух смешивается с керосином, дальше эта смесь загорается, и раскалённые газы раскручивают турбину. Большая часть поступает во внешний контур – кольцевой канал между корпусом двигателя и гондолой, где воздух разгоняется вентилятором и выбрасывается назад холодным.

Тягу создаёт в основном этот холодный поток. У CFM56, которые стоят на Boeing 737 и Airbus A320, через внешний контур проходит примерно впятеро больше воздуха, чем через внутренний, на него приходится около 80% тяги. У новых двигателей с большим вентилятором вроде PW1100G доля доходит до 90%.

Причина такого разделения в том, как возникает тяга. Последняя равна массе отброшенного назад воздуха, умноженной на прибавку к его скорости, поэтому одну и ту же тягу можно получить, разогнав немного воздуха довольно сильно, или много воздуха, но слегка. Второй способ экономичнее, потому что энергия, унесённая струёй впустую, растёт со скоростью гораздо быстрее самой тяги. Медленная струя вдобавок заметно тише.

Этот низкий ровный гул на взлёте и в наборе высоты возникает как раз от внешнего контура, а не от горячей струи. О нём и об остальных звуках на борту, от гула вспомогательной силовой установки у трапа до удара створок при уборке шасси, редакция «Лёгкого неба» рассказывала в статье Что это за звуки в самолёте.

Внутренний контур работает на привод. Турбина стоит в потоке горячих газов, забирает у них почти всю энергию и вращает компрессор и вентилятор, которые установлены с ней на общих валах. Сама турбина тяги не создаёт, а до сопла доходит лишь небольшой остаток. У первых реактивных двигателей без внешнего контура было наоборот: турбина брала ровно столько, сколько нужно компрессору, а тягу давала горячая струя.

Из этого и складывается размер вентилятора: чем больше диаметр, тем больше воздуха проходит через внешний контур на каждый килограмм керосина, сгоревшего внутри. Расти бесконечно диаметр не может, потому что мешают вес, лобовое сопротивление гондолы и расстояние от двигателя до поверхности. Есть и четвёртое ограничение: из-за того, что вентилятор установлен на одном валу с турбиной низкого давления, он вращается с ней с одинаковой частотой, а на большом диаметре концы лопаток при этом разгоняются до околозвуковой скорости, и вентилятор теряет эффективность. На PW1100G между валом и вентилятором поставили редуктор, который понижает частоту примерно втрое, поэтому вентилятор вращается медленно, а турбина за ним – быстро.

От компрессора отбирается воздух для салона. Отбираемый воздух (bleed air) уходит от одной из ступеней по трубопроводу в систему кондиционирования, где он охлаждается и подает в гермокабину. Как из этого получается давление, при котором можно дышать на высоте 11 километров, и почему на снижении уши закладывает сильнее, чем на наборе высоты, редакция «Лёгкого неба» разбирала в статье Почему закладывает уши в самолёте.

Почему лопатки в двигателе такие разные

На столе в цехе разница видна лучше всего: лопатка вентилятора длиной с предплечье (у 737 Classic; чем больше двигатель – тем больше лопатки вентилятора), а лопатки из глубины компрессора умещаются в ладони. Последний сжимает поток ступень за ступенью, после каждой из них воздух одинаковой массы занимает меньший объём. Проход для него сужается, поэтому лопатки от ступени к ступени укорачиваются. Корпус компрессора к концу тоже уменьшается в диаметре.

Ступеней много, потому что каждая поднимает давление понемногу. Она собрана из рабочего колеса с лопатками, которое разгоняет воздух, и неподвижного направляющего аппарата за ним: аппарат притормаживает поток и превращает скорость в давление. У CFM56 ступеней компрессора 12, три в компрессоре низкого давления и девять в компрессоре высокого. На выходе последней ступени давление выше атмосферного более чем в 20 раз, а воздух разогрет до нескольких сотен градусов ещё до того, как в него подадут керосин.

За камерой сгорания лопатки снова становятся крупнее. Газ на входе в турбину горячее, чем температура плавления сплава, из которого лопатка сделана, поэтому её отливают полой: внутрь подаётся воздух, отобранный от компрессора, он выходит через мелкие отверстия по поверхности и держит на ней тонкую холодную плёнку.

Лопатки вентилятора стоят в диске каждая по отдельности, поэтому повреждённую механики меняют поштучно, не трогая остальные. До лопаток компрессора и турбины добраться можно только на снятом двигателе, в цехе.

Когда двигатель снимают с крыла

Двигатель меняют не тогда, когда он сломался, а когда выработал ресурс. Его считают в циклах: один цикл – это запуск, выход на взлётный режим, полёт и остановка, то есть полноценный полёт. Так же, по циклам, считают ресурс фюзеляжа, который в каждом полёте нагружается перепадом давления.

Сильнее всего двигатель изнашивается на взлётном режиме. Температура газов за турбиной подходит там к пределу, на который рассчитаны лопатки, поэтому несколько минут взлёта стоят двигателю дороже, чем часы крейсерского полёта на пониженном режиме. Отсюда возникает расчёт в циклах: самолёт с шестью короткими рейсами в день подходит к смене быстрее дальнемагистрального, у которого часов налёта больше.

Время начала технического обслуживания известно заранее. У дисков, лопаток и других деталей двигателя есть определённый ресурс в циклах. В каждом полёте деталь нагружается и разгружается, от повторяющихся нагрузок в металле накапливается усталость, а первые микротрещины настолько мелкие, что увидеть их при осмотре невозможно. Поэтому инженеры отправляют двигатель в цех на диагностику по счёту циклов, не дожидаясь, пока в детали что-то появится.

В цехе двигатель разбирают на модули – горячую часть, компрессор, вентилятор, коробку приводов. У каждого своя наработка и свой срок до ремонта, поэтому чаще меняют модуль, а не двигатель целиком. Детали осматривают и находят дефекты, изношенные лопатки и уплотнения заменяют, двигатель собирают заново и перед возвратом в эксплуатацию проводят необходимые проверки.

Когда самолёт красят

Раз в несколько лет самолёт перекрашивают. Краска и растворитель для двигателя опасны: капли на лопатке меняют её форму и добавляют лишний вес вращающейся детали, растворитель разъедает резиновые уплотнения, а взвесь оседает в приёмных отверстиях датчиков, по которым автоматика рассчитывает параметры работы. Поэтому перед покраской двигатель закрывают.

Заглушки для внешних приборов при этом делают яркими и с длинными лентами, чтобы после проведения работ техники не забыли их снять. Полная перекраска – это отдельная работа со своим простоем, с тяжёлыми формами технического обслуживания её не совмещают. А вот подкраску и покраску интерьерных элементов салона делают как раз во время тяжёлых форм обслуживания, когда самолёт стоит в ангаре неделями.

Что делают с двигателем, когда самолёт не летает

На хранении двигатель выглядит похоже, только стоит на транспортировочной стойке в том же чехле из плёнки. Открытым его не оставляют:

• влага вызывает коррозию деталей;
• пыль и песок оседают на лопатках компрессора;
• птицы могут свить гнездо в воздухозаборнике и в сопле;
• в открытый двигатель может попасть посторонний предмет.

Внутрь кладут осушитель, а масляную систему при долгом хранении заполняют консервирующим маслом, чтобы подшипники не оставались сухими. Хранят двигатель горизонтально, так же как он установлен под крылом, ведь валы и опоры рассчитаны на такое положение.

Срок хранения ограничен, по его истечении двигатель расконсервируют и проверяют или консервируют заново. Ждать своей очереди в цех или отправки заказчику он может месяцами.

Двигатель живёт отдельно от самолёта

В мировой практике самолёты и двигатели принадлежат не авиакомпаниям, а лизинговым компаниям, которые передают их в аренду. Самый распространённый вид – операционный лизинг, в среднем на 10-12 лет; при финансовом лизинге авиакомпания постепенно выкупает технику в собственность.

В России картина немного другая. К 2026 году почти весь иностранный парк выкуплен из-за санкций, поэтому у российских перевозчиков двигатели чаще всего свои.

От собственника это не зависит: в документах двигатель проходит самостоятельной единицей, со своим серийным номером, наработкой в циклах и историей ремонтов. За годы службы на одном борту успевает поработать несколько разных двигателей, а снятый после ремонта может даже уйти на самолёт другой авиакомпании в другой стране. На крыле при этом могут быть установлены два двигателя с разной наработкой, если один из них меняли, а второй нет.

Перевозят двигатели тоже отдельно, в специальных контейнерах или чаще на специальных телегах на автомобильных прицепах или в грузовом отсеке самолёта. У Boeing 747 для этого была предусмотрена пятая точка подвески под левым крылом: на неё прикрепляли запасной двигатель.