книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы

вместе с полезным грузом транспортируется нера­ ботающий двигатель.

Отмеченных недостатков в известной степени лишены комбинированные двигатели, представ­ ляющие собой органичное сочетание различных типов реактивных двигателей (воздушно-реак­ тивных или ракетных) в общей двигательной ус­ тановке.

Кнастоящему времени предложено большое количество схем комбинированных двигателей. Некоторые из них прошли экспериментальное исследование.

Ккомбинированным двигателям, являю­ щимся комбинацией различных типов ВРД (ПВРД и ТРДФ), относится турбопрямоточный двигатель (ТПД). Схема ТПД представлена на рис. 1.14. В этом двигателе ФК ТРДФ является одновременно и камерой сгорания ПВРД. ПВРД образуется отключением турбокомпрессорного контура специальным механизмом перекры­ тия, соединением канала прямоточного контура

свходным воздухозаборником и подачей топли­ ва непосредственно в камеру сгорания ПВРД.

Возможна также схема ТПД с использованием ТРДЦ вместо ТРД. Такой ТПД может иметь мень­ шую длину и более высокую эффективность как на малых, так и на больших скоростях полета. Как отмечалось выше, свойствами комбинированных двигателей обладают и обычные ТРДЦФ - при от­ ключении внутреннего контура на больших ско­ ростях (Мп>3), переводе вентилятора на режим авторотации и подаче топлива только в ФК.

Примером комбинированных двигателей, со­ четающих свойства ВРД и РД, может служить ракетно-турбинный двигатель (РТД). В таком двигателе энергия продуктов сгорания топлива РД передается атмосферному воздуху, который сжимается в компрессоре и подается затем в смеси

спродуктами сгорания РД в общую камеру сго­ рания (РТД со смешением потоков) или в само­ стоятельную камеру сгорания (РТД без смеше­ ния потоков). Схема РТД со смешением потоков показана на рис. 1.15.

Примером двигателя, способного работать в атмосфере и в безвоздушном пространстве, мо­ жет быть РТД комбинированного типа. Он пред­ ставляет собой комбинацию РТД и ЖРД, которые смонтированы в едином двигателе и образуют блочную конструкцию (рис. 1.16). Такая интег­ рация двух двигателей в единый блок позволя­ ет, минимизируя массу и объем СУ, обеспечить широкий диапазон режимов работы СУ. Это до­ стигается путем включения РТД или ЖРД и варь­ ирования их параметрами при различных усло­ виях полета. РТД комбинированного типа может рассматриваться как вероятный тип СУ воздуш­

но-космического самолета (ВКС) - при работе РТД в атмосфере и ЖРД - в космосе.

Более подробно с конструктивными схемами и теорией работы различных типов комбиниро­ ванных двигателей и двигателей для ВКС мож­ но ознакомиться в специальной литературе, на­ пример [1.4].

Рис. 1.14. Схема ТПД на базе одноконтурного ТРДФ:

1 - канал прямоточного контура; 2 - компрессор;

3 - камера сгорания ТРДФ; 4 - турбина;

5 - механизм перекрытия прямоточного контура;

6 - стабилизаторы; 7 - форсажная камера сгорания ТРДФ (ПВРД); 8 - регулируемое реактивное сопло

го

Рис. 1.16. РТД комбинированного типа:

1 - компрессор РТД; 2 - газогенератор РТД;

3 - турбина РТД; 4 - ЖРД

СУ может располагаться в специальных отсе­ ках фюзеляжа или крыла или в отдельной мото­ гондоле. Мотогондола предназначена для уста­ новки и интеграции двигателя и других пере­ численных выше элементов СУ и представляет собой аэродинамически обтекаемую конструк­ цию (обечайку). На рис. 1.18 показаны примеры СУ с ТРДД, установленных в мотогондолы.

Конфигурация мотогондолы должна обеспе­ чить минимальные аэродинамические сопро­ тивления СУ и в целом самолета, а также мини­ мальные потери тяги двигателя для получения максимальной эффективной тяги СУ. Для удобс­ тва обслуживания двигателя и агрегатов мото­ гондола оборудуется открывающимися капотами и лючками.

СУ с ТРДД современных региональных, ма­ гистральных пассажирских и транспортных са­ молетов устанавливаются, как правило, на пило­ нах под крылом самолета или по бокам хвостовой части фюзеляжа. Пилонами называются специ­ альные силовые балки крепления. В самолетах разработки 1960-1980-х гг. СУ размещались внут­ ри хвостовой части фюзеляжа (Ту-154, Як-42, Boeing 727, L-1011) или в мотогондоле, интег­ рированной с вертикальным оперением (ДС-10, МД-11). Примеры размещения СУ пассажирских самолетов показаны на рис. 1.19.

СУ современных и вновь проектируемых бое­ вых самолетов размещаются, как правило, внутри фюзеляжа. Такая компоновка позволяет снизить радиолокационную и инфракрасную заметность самолета и повышает живучесть СУ.

1.2.3. История развития авиационных ГТД

ГТД во второй половине XX века стали доми­ нирующими в военной и гражданской авиации. Они обеспечили значительно большие отноше­ ния тяги к массе двигателя, лобовые мощности и лобовые тяги по сравнению с предшествовав­ шими поршневыми двигателями.

Применение ГТД позволило совершить ка­ чественный скачок в грузоподъемности авиации, высоте и скорости полета, освоить сверхзвуко­ вые полеты с числом Маха до 3,0...3,3.

Хотя принципиальные схемы ТВД и ТРД и были предложены в ряде стран еще в первой четверти XX века, реализация их как эффектив­ ных и надежных двигателей стала возможной лишь в результате синтеза аэродинамического совершенства лопаточных машин и достижений в металлургии.

Речь идет о достаточных КПД компрессоров и турбин и длительной термопрочности конст­ рукционных материалов, которая допускает до­

вольно высокий уровень температуры газа перед турбиной. Условие существования ТРД [1.5]

показывает, что при к к= 5 и Лсж = Лрасш ^ 0,7, на­ пример, температура газа перед турбиной долж­ на быть более ТГ=930 К.

Наиболее серьезными новыми проблемами, ко­ торые пришлось преодолевать всем конструкторампервопроходцам при создании ТРД, были также:

-организация горения;

-вибропрочность лопаток компрессоров

итурбин;

-помпаж компрессора;

-высокий удельный расход топлива;

-психологический фактор недоверия. Создание ТРД различных схем нельзя при­

писать одному изобретателю или одной стране. Их создание является результатом исследований

иэкспериментов, начатых почти одновременно

вряде развитых государств.

1.2.З.1. Россия

Не умаляя роли передовых промышленных стран, таких как Германия и Англия, следует отме­ тить достойный вклад русских ученых и инжене­ ров в создание и развитие авиационной газотур­ бинной техники.

Основополагающими теоретическими разра­ ботками в области реактивного движения и лопа­ точных машин были еще дореволюционные тру­ ды ученых И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского, К.Э. Циолковского. К началу XX века относят­ ся первые проекты ГТД русских инженеров: П. Кузьминского (1900 г.), В. Караводина (1908 г.), Н. Герасимова (1909 г.), А. Горохова (1911 г.), М. Никольского (1914 г.). Изготовление опытно­ го турбовинтового (турборакетного) двигателя мощностью 160 л.с. по проекту М. Никольского (рис. 1.20, а) было начато в 1914 г. на РусскоБалтийском заводе для замены немецкого порш­ невого двигателя «Аргус» мощностью 140 л.с. на самолете «Илья Муромец». Однако в доре­ волюционной России не появились какие-либо серийные авиационные двигатели собственной разработки (даже поршневые).

После 1917 г. развитию авиации со стороны государства уделялось повышенное внимание. После организации ЦАГИ (1 декабря 1918 г.) НТО ВСНХ 4 декабря 1918 г. выделил Аэродина­ мическому институту 212 650 рублей на оконча­ ние работ 1918 г.

В 1918 г. ВСНХ РСФСР была организована научная автомобильная лаборатория (позднее

изводство на Кировский завод в Ленинграде в 1940 г. Двигатель имел шестиступенчатый ком­ прессор с п к= 3,2 и относительно невысокую температуру газа перед турбиной Т*Г=923 К.

В 1941 г. началась сборка двигателя РД-1, при­ остановленная с началом Великой Отечествен­ ной войны. В 1942 г. узлы РД-1 и документация были вывезены в ЦИАМ. Работы в ЦИАМ по ТРД под руководством А.М. Люльки возобновились только в 1943 году (А.М. Люлька некоторое время работал на танковом заводе в Челябинске

ив КБ Болховитинова). Двигатель был модер­ низирован - его тяга увеличилась до 1200 кгс -

иполучил обозначение С-18 (стендовый). В марте 1944 г. было получено задание от Наркомата на изготовление пяти экземпляров С-18, а кол­ лектив А.М. Люльки был переведен в НИИ-1, где сосредотачивались все работы по реактивной технике. В сентябре 1944 г. двигатель С-18 был собран и испытан. В процессе первых испытаний выявилось большое количество дефектов, наибо­ лее разрушительным из которых был помпаж ком­ прессора. К концу войны в НИИ-1 появились тро­ фейные немецкие двигатели Jumo-004 и BMW-003

стягой 900 и 800 кгс, однако доводка и развитие ТРД С-18 были продолжены, и на его базе был спро­ ектирован ТРД ТР-1 с тягой 1350 кгс. Копирование ТРД Jumo и BMW было поручено другим ОКБ.

После успешного испытания двигателя С-18

вконце 1945 г. работы по ТР-1 форсировались. К их изготовлению малой серией был подклю­ чен завод № 45 (ММПП «Салют») и было орга­ низовано новое конструкторское бюро ОКБ-165, которое возглавил А.М. Люлька. В августе 1946 г. ТР-1 поставлен на испытания. В феврале 1947 г. проведены государственные испытания - полу­ чена тяга 1290 кгс и ресурс 20 часов. В тече­ ние 1948-1950-х гг. создается ряд модификаций

споследовательно увеличивающейся тягой, вплоть до тяги 5000 кгс на двигателе TP-ЗА, на­

званном АЛ-5. Двигатели изготовлялись малой серией и устанавливались на опытных самоле­ тах Ильюшина, Сухого, Лавочкина.

В1950-е гг. под руководством А.М. Люльки был создан ряд ТРД типа АЛ-7Ф ск*к1= 9... 10

иТса = 1200... 1250 К в классе тяг 6500... 10000 кгс.

В1966 г. появились высокопараметрические одновальные ТРД типа АЛ-21Ф с п к1= 12,5... 15

иТ*са= 1380 К в классе тяг 8900... 11400 кгс, ус­ тановленные на самолетах Су-17М, МиГ-23Б, Су-24М.

В1985 г. создан один из лучших военных дви­ гателей АЛ-31Ф с тягой 12500 кгс. Он имел очень

высокие параметры цикла: 71^=23, Т'СА = 1670 К, а главное - был двухконтурным при наличии ФК (степень двухконтурности m = 0,6).

Так, через 44 года было реализовано собствен­ ное изобретение А.М. Люльки - ТРДД. На это изобретение Люлька получил авторское свиде­ тельство № 312328/25 от 22 апреля 1941 г.

Следует отметить, что первые отечественные двухконтурные двигатели начали создаваться в 1950-х гг. в других ОКБ. Это двигатели Д-20 конструкции П.А. Соловьева и НК-6 конструк­ ции Н.Д. Кузнецова, представлявшие собой двухвальные ТРДД со степенью двухконтурнос­ ти 1,5 и 2,0 и с форсажом в наружном контуре. Двигатели Д-20 и НК-6 не производились се­ рийно, но они послужили базой для создания многих широко известных ТРДД и ТРДДФ раз­ личного назначения, выпускавшихся большими сериями: Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30Ф6, НК-8, НК-86, НК-144-22, НК-32.

Первым отечественным серийным ТРДД был двухвальный Д-20П конструкции П.А. Соловь­ ева, прошедший 100-часовые испытания в дека­ бре 1959 г. и оснащавший самолет Ту-124.

Выдвинутая еще в предвоенные годы техничес­ кая идея А.М. Люльки во второй половине XX века была широко реализована во всем мировом авиа­

Глава 1. Общие сведения о газотурбинных двигателях

двигателестроении - ТРДЦ стали доминирующи­ ми как в гражданской, так и в военной авиации.

Бесспорно, что российские ученые и конс­ трукторы, и прежде всего - Б.С. Стечкин, В.В. Уваров, А.М. Люлька, В.Я. Климов, С.К. Туманский, В.А. Добрынин, Н.Д. Кузнецов, П.А. Со­ ловьев, С.П. Изотов, О.Н. Фаворский, внесли вы­ дающийся вклад в развитие современного миро­ вого газотурбинного авиадвигателестроения.

Впослевоенные годы развитие отечественной газотурбинной авиационной техники, опираясь на собственные предшествующие исследования

иразработки, а также на изучение трофейных не­ мецких и закупленных английских ТРД, шло ши­ роким фронтом и высокими темпами во многих двигателестроительных КБ.

Наряду с развитием ТРД отечественных конс­ трукций в конце 1940-х гг. стали серийно выпус­ каться ТРД с осевыми и центробежными комп­ рессорами:

-РД-10 (Jumo-004) с тягой 920 к г с - выпус­ кался в Уфе в 1946-1949-х гг. для истребителей Як-15, -17, -19; Ла-150, -152, -156; Су-9;

-РД-20 (BMW-003) с тягой 800 кгс - выпус­ кался в Казани в 1945-1954-х гг. для истребите­ лей МиГ-9, И-300, И-301Т;

-РД-500 (Дервент V) с тягой 1590 к гс - выпускался в Москве на заводе № 500 (ММП им. Чернышева) в 1947-1950-х гг. и в Запорожье в 1956 г. для самолетов Да-15, Як-23, Су-13, Ла-180, Ту-14;

-РД-45 и РД-45Ф (Нин-1 и Нин-2) с тягами 2040 и 2270 кгс - выпускались в Уфе в 1947- 1955-х гг. и в Запорожье в 1953-1958-х гг. для самолетов МиГ-15, Су-15, Ла-168, -176, И-20 (КБ Микояна).

Водин и тот же день, 27 апреля 1946 г., совер­ шили первые полеты реактивные истребители Як-15 и МиГ-9. В конце 1947 г. первый полет со­ вершил знаменитый истребитель МиГ-15 с дви­ гателем РД-45Ф.

В1949 г. под руководством В.Я. Климова на базе двигателей Нин-1 и Нин-2 создан ТРД

ВК-1 с тягой 2700 кгс, а в 1951 г. -ТРД Ф ВК -1Ф с тягой 3380 кгс. Суммарный выпуск этих дви­ гателей в период с 1949 по 1958 гг. составил 20 000 штук.

В период 1945-1946 гг. на территории Вос­ точной Германии под руководством советского представителя Н.М. Олехновича дорабатывались

иразвивались модификации двигателей BMW-003

иJumo-004. Это был ТВД BMW-109-028 (начало проектирования - 1940 г.) с двенадцатиступенча­ тым осевым компрессором, четырехступенча­ той турбиной, с редуктором и двухрядным вин­ том противоположного вращения мощностью

7940 л.с., а также ТРД BMW-109-018 с трехсту­ пенчатой турбиной и тягой 3400 кгс.

С конца 1946 г. на заводе № 2 в Куйбыше­ ве (Самара) с участием переведенных в ноябре 1946 г. немецких специалистов испытывались

идорабатывались два основных двигателя: ТРД BMW-018 с тягой 3400 кгс и ТРД Jumo-012 с тя­ гой 3000 кгс (рис. 1.27). Первоначально эти дви­ гатели разрабатывались и испытывались в 1946 г.

вГермании в г. Штасфурте (главный конструктор К. Престель) и в г. Дессау (главный конструктор А. Шайбе).

Если BMW-018 использовался как экспери­ ментальный и учебный, то Jumo-012 развивался

истал базой для создания ТВД ТВ-022 мощнос­ тью 5100 л.с. На двигателе ТВ-022 были сконцен­ трированы все силы завода № 2, после того как прибывший в мае 1949 г. из Уфы новый главный конструктор Н.Д. Кузнецов сменил на этом посту Н.М. Олехновича.

В1950 г. прошел 200-часовые испытания ТВД ТВ-022, получивший позднее обозначение ТВ-2. В 1951 г. он был форсирован до 6250 л.с. и назван ТВ-2Ф. С двумя спаренными ТВ-2Ф опытный дальний тяжелый бомбардировщик Ту-95-1 вы­ полнил шестнадцать полетов до катастрофичес­ кой поломки редуктора 11 мая 1953 г.

Вноябре 1953 г. немецкие специалисты вер­ нулись в ГДР в г. Пирна, где до 1960 г. под руко­ водством д-ра Р. Шейноста создали ряд модифи­ каций: ТРД Пирна-014, -020 и ТВД Пирна-018 (с тягами 3160.. .3730 кгс и мощностью 3680 л.с.).

Всвязи с катастрофой ТВД ТВ-2Ф было ус­ корено создание нового, самого мощного в мире ТВД НК-12. Он имел мощность 12500 л.с., че­ тырнадцатиступенчатый компрессор на пк= 9,5

ипятиступенчатую турбину с Тса = 1150 К. НК-12 прошел 100-часовые государственные испыта­ ния 25 декабря 1954 г. А 19 июня 1956 г. прошла госиспытания модификация ТВД НК-12М мощ­ ностью 15000 л.с. Двигатели Н К -12 и НК-12М устанавливались на самолеты Ту-95, Ту-126, Ту-142, Ту-114, Ан-22 («Антей») и экраноплан.

Такова история создания первых опытных

исерийных отечественных авиационных ТРД

иТВД.

Всередине 1950-х гг. создаются двигатели второго поколения. Из них наиболее выдаю­

щиеся ТРД и ТРДФ - РД-9Б, АЛ-7Ф, Р11-300, РД-ЗМ, ВД-7, ТВД - НК-12, АИ-20.

В 1960-е и вначале 1970-х годов в эксплу­ атации появляются ТРДД - это Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, НК-8-4, НК-8-2У, НК-144 и высоко­ параметрические ТРДФ АЛ-21Ф и Р27, -29-300. Все эти двигатели относятся к двигателям тре­ тьего поколения с относительно высокими пара-