ИСКАТЬ:
Главная  >  Экономика   >  Экономика России   >  Промышленность   >  Машиностроение


Двигатель-труба

11 октября 2007, 872

Вторую половину XX века можно смело назвать веком газотурбинных двигателей: именно они сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния.

Вторую половину XX века можно смело назвать веком газотурбинных двигателей: именно они сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния, обеспечили трансконтинентальную перекачку газа и выработали огромное количество электроэнергии. К тому же газотурбинный двигатель по праву считается самым технологически сложным механизмом ушедшего века. Намного сложнее ядерного реактора.
Труба с компрессором

Появлению турбореактивных двигателей человечество обязано двум странам: Великобритании и Германии, которые в течение всех 1930-х годов успешно работали над этой проблемой. Перед Второй мировой войной стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель. Принцип его довольно прост: представим себе трубу вдоль летящего самолета; с той стороны, откуда поступает набегающий воздух, труба постепенно сужается, воздух там замедляется и его давление увеличивается. В этой части в него впрыскивается горючее – обычно авиационный керосин. После сгорания топливовоздушной смеси раскаленные газы стремительно расширяются и через сопло с обратной стороны трубы выбрасываются в сторону, противоположную движению самолета. В принципе все просто, за исключением того, что для создания необходимого сжатия воздуха самолет должен лететь со скоростью, достигающей (или превышающей) скорость звука. С такими скоростями в начале века летали разве что снаряды.
Теоретическое решение тоже несложное: чтобы двигатель заработал на земле, в трубу следовало компрессором принудительно нагнетать воздух. В 1929 году молодому англичанину Фрэнку Уиттлу пришла идея, как все это реализовать на практике: объединить на общем валу компрессор и газовую турбину, которая и приводила бы в действие компрессор. За прошедшие 80 лет принципиальная схема газотурбинных двигателей не изменилась. 30 января 1930 года Уиттл подал заявку и спустя 18 месяцев получил патент на конструкцию газотурбинного двигателя (ГТД). Собственно, этот патент и дает Фрэнку Уиттлу право называться отцом ГТД.
Германский вопрос

Тем не менее родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. В 1935 году немецкий физик Ханс-Иоахим Пабст фон Охайн получил патент на реактивную самолетную установку, состоящую из двухступенчатого компрессора (осевого вентилятора и расположенного за ним центробежного компрессора) и центростремительной турбины. Такая схема в общих чертах соответствовала изобретению Фрэнка Уиттла, но точно не известно, был ли в то время Пабст фон Охайн знаком с ним. Идея турбореактивного двигателя витала в воздухе.
Потратив на постройку прототипа все свои сбережения, фон Охайн вполне мог разделить судьбу ныне позабытых изобретателей, если бы его университетский профессор не представил его Эрнсту Хейнкелю, одному из самых прогрессивных авиапромышленников середины века. Достаточно упомянуть, что фирма Хейнкеля единственная в мире в конце 1930-х годов проектировала турбореактивные и ракетные самолеты. Через год Пабст фон Охайн изготовил для Хейнкеля первый двигатель HeS 1, а к середине 1939 года – уже готовую к установке на самолет модель HeS 3. 27 августа 1939 года взлетел He 178 – первый в мире самолет, использовавший для полета энергию только турбореактивного двигателя. Приступив к разработке собственного двигателя на пять лет позже Уиттла, фон Охайн поднял свой самолет в воздух почти на два года раньше англичанина – экспериментальный Gloster E.28/39 с двигателем Уиттла Power Jets W.1 (Whittle N1) взлетел только 15 мая 1941 года. Причина такого резкого рывка Германии кроется прежде всего в широкой финансовой и организационной поддержке авиадвигателестроения со стороны немецкого правительства.
Однако дальнейшая судьба обоих изобретателей сложилась довольно грустно. Несмотря на то, что турбореактивный самолет Хейнкеля взлетел первым в мире, а в начале 1940-х годов компания разработала практически все современные типы турбореактивных двигателей, в серию не пошел ни один двигатель Хейнкеля и, соответственно, фон Охайна – руководство рейха решило, что самолетостроительная компания должна заниматься самолетами, оставив двигатели двигателестроителям.
После того как турбореактивными двигателями всерьез заинтересовалось правительство Великобритании и запахло большими деньгами, дни компании Уиттла Power Jets были сочтены. По распоряжению кабинета министров документация на все разработки Уиттла была передана компаниям Rover, Rolls-Royсe и de Havilland, а его фирма личным указом Черчилля была национализирована и преобразована в Национальный газотурбинный исследовательский центр.
Интересно, что два легендарных изобретателя конец своей жизни провели в США, так и не погасив в себе чувства обиды, и даже стали там большими друзьями. В Америке их ждало всемирное признание и огромное количество разнообразных премий и наград, в том числе премия за технологию имени Чарльза Старка Дрейпера – американского специалиста в области аэронавтики и навигационного приборостроения, – которую они совместно получили в 1992 году.
Первый серийный

Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: помимо уже упоминавшегося Heinkel, BMW, Daimler-Benz, Focke-Wulf, Walter и даже Porsche. Тем не менее основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004 (такое вот незамысловатое название), устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.
Основанная в 1913 году легендарным авиаконструктором и двигателистом Гуго Юнкерсом компания Junkers к началу 1940-х была единственной германской фирмой с одинаково сильными как самолетостроительными, так и двигателестроительными традициями и промышленными мощностями. Свои первые газотурбинные двигатели инженеры Юнкерса начали разрабатывать еще в 1935 году, однако по экзотической схеме со свободнопоршневым турбокомпрессором, которая оказалась тупиковой. К 1938 году над проектами турбореактивных двигателей в Junkers трудилось более 30 инженеров под руководством доктора Ансельма Франца. К 1939 году Франц отказался от всех разрабатывавшихся ранее схем двигателей и принялся с нуля конструировать двигатель, впоследствии получивший обозначение Jumo 109-004. Ансельм Франц остановился на осевом компрессоре, который по сравнению с более распространенными в то время центробежными компрессорами обеспечивал более прямое прохождение нагнетаемого воздуха сквозь двигатель и позволял создать двигатель с меньшей лобовой площадью. Было решено использовать шесть отдельных трубчатых камер сгорания вместо единой кольцевой, так как трубчатые камеры было проще разрабатывать и испытывать. Генеральным направлением Ансельма Франца был курс на максимальное упрощение конструкции даже в ущерб характеристикам, чтобы не возникли трудности с освоением и серийным производством двигателя.
И этот подход себя полностью оправдал. Дело в том, что первоначально планировалось устанавливать на Me 262 более совершенный двигатель BMW 109-003. Однако баварские инженеры не смогли довести двигатель к нужному сроку – вместо 1940 года он был готов к летным испытаниям только в октябре 1943-го. К этому времени опытные Me 262 (с 18 июля 1942 года) вовсю летали на двигателях Jumo 109-004A, которые изначально рассматривались как резервные. Мало того, в июне 1943 года с заводов Юнкерса стали выходить пусть еще и «сырые», но уже серийные двигатели Jumo 109-004 B-1. Впервые в мире.
Трофейные технологии

В качестве трофеев союзникам досталось огромное количество двигателей Jumo 109-004 – как установленных на Me 262, так и найденных на захваченных заводах. Мало того, рядом с немецкими предприятиями солдат союзных войск зачастую встречали целые свалки двигателей и их запчастей – компании Junkers так и не удалось до конца войны полностью довести двигатель, и значительная часть продукции уходила в брак.
К полученным трофеям у союзников было неоднозначное отношение. Заключение экспертов из фирмы British Power Jets было категоричным: «На этом двигателе едва ли можно научиться чему-либо полезному с точки зрения разработки газотурбинных двигателей в будущем». Такого же мнения придерживались и американцы. СССР и Франция, не имевшие на конец войны сколько-нибудь значительных собственных разработок в этой сфере, основной упор сделали на копирование германских силовых установок, пусть и в качестве временной, вынужденной меры. Первый французский реактивный самолет Sud-Ouest Triton, поднявшийся в небо 11 ноября 1946 года, был оборудован как раз трофейными Jumo 109-004.
СССР подошел к германскому наследию масштабнее: в 1946 году на Волгу в городок ГАЗ-19 вблизи Куйбышева были почти полностью вывезены заводы Юнкерса из Дессау и Бернберга вместе с немецкими и австрийскими инженерами, не успевшими удрать из советской зоны оккупации. Под руководством советского конструктора Н.Д. Кузнецова они организовали зимой 1946–1947 годов выпуск двигателя РД-10 – советского клона Jumo 109-004, которым и оснащались первые советские истребители Як-15, а впоследствии и Як-17, Як-19, Су-9 и т.д. В итоге получилось, что на двигателях Ансельма Франца взлетел не только первый немецкий, но и первый французский и первый советский самолеты.
Конец немецкой эпохи

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе. В конце Второй мировой войны советскому правительству чудом удалось купить у Великобритании новейшие совершенно секретные турбореактивные двигатели Rolls-Royce моделей Derwent и Nene, которые были испытаны и уже через год подготовлены к производству. Двигатель Derwent копировал Завод №500, а Nene – Завод №45. Соответственно, и двигатели получили незамысловатые названия РД-500 и РД-45. Усовершенствованная копия Nene носила и второе название – ВК-1, по имени советского конструктора, курировавшего проект, – Владимира Климова. В ВК-1 увеличили камеры сгорания, размеры лопаток турбины и установили выходные устройства трубного вида, что способствовало большему забору воздуха.
Судьба РД-500 сложилась не слишком удачно, а вот ВК-1, серийно выпускавшийся до 1958 года, стал бестселлером с тиражом около 20 тысяч экземпляров. Он устанавливался, например, на легендарных МиГ-15 и МиГ-17, ставших одними из самых лучших турбореактивных истребителей второго поколения в мире, что и показали бои в Юго-Восточной Азии. Больше в мире никто ничьих двигателей не копировал. Все мировые гиганты пошли собственным путем.

Разнообразие видов



Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором


Классический турбореактивный двигатель с осевым компрессором. Использование: МиГ-19


Двухконтурный турбореактивный двигатель. Использование: Ту-154М


Турбовентиляторный двигатель. Использование: Ил-76


Турбовинтовой двигатель. Использование: Ту-95

Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором

Один из самых первых типов турбореактивных двигателей. Например, по такой схеме был выполнен двигатель Фрэнка Уиттла Power Jets W.1, установленный на первом английском истребителе Gloster E.28/39. Двигатель Ханса Пабста фон Охайна HeS 3, установленный на первом в мире турбореактивном самолете He 178, тоже был выполнен по аналогичной схеме, только в нем помимо центробежного компрессора стояла и центростремительная турбина.
Точно такую же схему имели и двигатели Rolls-Royce Nene, прототипы первых советских серийных двигателей РД-45 (ВК-1), которые устанавливались, например, на легендарные МиГ-15. Основное преимущество центробежных компрессоров – меньшее количество деталей. Главный недостаток – большое поперечное сечение, которое ведет к повышенному лобовому сопротивлению воздуха. В авиации эта схема применялась только на самых ранних этапах реактивного самолетостроения. Традиционно двигатели этой схемы относят к двигателям первого поколения.
Классический турбореактивный двигатель с осевым компрессором

Именно по такой схеме был построен первый в мире серийный турбореактивный двигатель Junkers 109-004, разработанный австрийским инженером Ансельмом Францем, который в массовом порядке ставился на турбореактивные самолеты Третьего рейха, включая истребитель Me 262. Одним из недостатков осевого компрессора по сравнению с центробежным было то, что оптимальная скорость вращения осевого компрессора близка к скорости, на которой возникает помпаж (это вредное явление, ха-рактеризующееся возникновением пульсации давления, часто приводит к остановке двигателя), причем на определенной высоте эти скорости могут совпадать.
По такой схеме был построен и советский двигатель АМ-9Б конструкции ОКБ А.А. Микулина, который устанавливался на МиГ-19. Дальнейшее развитие этой схемы, применяемое на боевых самолетах, – появление двигателя с форсажной камерой, которая расположена между турбиной и соплом. Сжигание в форсажной камере дополнительного горючего приводит к увеличению до 50% тяги двигателя, но и к сильному перерасходу топлива. Типичный пример такого двигателя – Р-11Ф, устанавливаемый на МиГ-21.
Двухконтурный турбореактивный двигатель

Идея сделать турбореактивный двигатель более экономичным привела инженеров-конструкторов к двухконтурной схеме, впервые появившейся на экспериментальных двигателях Эрнста Хейнкеля еще в годы Второй мировой. У таких двигателей компрессор начинает делиться на две части: компрессоры низкого и высокого давления. После прохождения через компрессор низкого давления воздушный поток разделяется на два: первый движется по обычной схеме через компрессор высокого давления в камеру сгорания, второй (холодный) – проходит сквозь внешний контур и на выходе, в смесительной камере, смешивается с горячим, выходящим из турбины. В результате снижается температура газов на выходе, уменьшается шум двигателя и, главное, снижается расход топлива. Типичный пример советских двухконтурных двигателей – семейство Д-30, разработанное в пермском КБ П.А. Соловьева. Эти двигатели в разных модификациях устанавливались на такие самолеты, как Ту-134, Ту-154 и Ил-76.
В двухконтурных двигателях для боевых самолетов во внешнем контуре или в смесительной камере размещается форсажная камера. Самый известный советский двигатель этого типа, АЛ-31Ф, созданный в ОКБ имени А.М. Люльки, устанавливается на истребитель-перехватчик Су-27. Важным показателем таких двигателей является степень двухконтурности (m): отношение расхода воздуха, проходящего через внешний контур, к расходу воздуха, прокачиваемого через внутренний контур. В одноконтурном турбореактивном двигателе эта степень, соответственно, равна нулю. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолетов, двигатели с m>2 – для дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов.
Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторные двигатели представляют собой разновидность двухконтурных турбореактивных двигателей со степенью двухконтурности от 2 до 10. В такой схеме компрессор низкого давления напоминает более вентилятор, чем турбину, и холодный воздух практически не смешивается с горячим. Первым российским турбовентиляторным двигателем считается ПС-90А, устанавливаемый на Ил-96 и Ту-204. Турбовентиляторы обеспечивают низкий расход топлива, но имеют ограничения по скорости, поэтому применяются в дозвуковой авиации. Существуют еще более экономичные схемы при степени двухконтурности m от 20 до 90, так называемые турбовинтовентиляторные двигатели. Лопасти компрессора низкого давления в таком двигателе имеют саблевидную форму и более напоминают винты, чем лопатки компрессора. Двигатели этого типа пока в основном представлены экспериментальными экземплярами. На Самарском государственном научно-производственном предприятии (СГНПП) «Труд» над турбовентиляторным двигателем НК-93 трудятся уже более десяти лет. Единственный турбовинтовентиляторный двигатель, дошедший до предсерийной стадии - это Д-27 разработки Запорожского КБ "Прогресс", изготовленный объединением "Мотор-Сич" для нового транспортного самолета Ан-70.
Турбовинтовой двигатель

Основное тяговое усилие в турбовинтовом двигателе создает воздушный винт, соединенный через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбинах происходит почти полностью и только 10-15% тяги обеспечивается за счет газовой струи. Никакой другой турбореактивный двигатель не может поспорить по экономичности с турбовинтовыми двигателями. Однако возможности воздушных винтов ограничивают скорости самолетов с такими двигателями 600-800 км/ч. Самый знаменитый в мире турбовинтовой двигатель, советский НК-12 с чудовищной тягой в 12 000 кгс, устанавливается на стратегические бомбардировщики Ту-95, до сих пор стоящие на вооружении.
Поколения турбореактивных двигателей

В печати часто оперируют понятием «поколения двигателей». Однако точной классификации, по каким критериям относить двигатель к какому-либо поколению, нигде нет. В этих определениях путаются даже специалисты. Посоветовавшись с двигателистами, мы попробовали навести ясность.
К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также их клоны. Например, это немецкий Jumo 109-004, английские Rolls-Royce Derwent и Nene, советский ВК-1. Отличительной особенностью двигателей второго поколения стал осевой компрессор, форсажная камера и регулируемый воздухозаборник. Типичные примеры: американский Pratt&Whitney J48-P-6 (F-86 Sabre), французский SNECMA Atar 9C-3 (Mirage III), советский Р-11Ф2С-300 (МиГ-21). Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели. Появление новых материалов, позволивших радикально поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Это отечественный АЛ-31 (Су-27), американский Pratt&Whitney F100 (F-15 и F-16). Качественный скачок аэродинамики турбин и активное управление газодинамическим циклом позволят создать двигатели пятого поколения. Более развитая аэродинамика делает возможным достичь более высоких давлений при меньшем количестве ступеней в компрессоре и более компактных размерах. Предположительно Pratt&Whitney F119 (F-22 и F-35).

Советский путь

ТР-1 Архипа Люльки

В СССР разработкой оригинальных турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался Архип Люлька, еще в апреле 1940 года запатентовавший собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Однако поддержки у руководства страны Люлька не нашел, а с началом Великой Отечественной войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились реальные летающие самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в авральном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1. Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая Герой Советского Союза летчик-испытатель Георгий Шиянов поднял в воздух реактивный самолет конструкции Павла Сухого Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1 конструкции Архипа Люльки. Причем двигатели Люльки победили в тендере против РД-10, клона Jumo 109-004. Поэтому историю оригинальных отечественных двигателей принято отсчитывать как раз с ТР-1.



Источник в интернете:
http://www.popmech.ru/part/?articleid=2550&rubricid=4


Читайте также:



©  Фонд "Русская Цивилизация", 2004