Битва за скорость. Великая война авиамоторов
Шрифт:
Так решается противоречие, или коллизия, между оптимальными значениями термического и полетного кпд. Очевидно, что чем выше температура газа перед турбиной, тем выше степень двухконтурности двигателя. Интересно, что первый в мире двухконтурный двигатель в «железе» сделали немцы (доктор Лейст), когда никакой технической необходимости в этом не было. Уровень температуры газа перед турбиной тогда был низкий.
За пятьдесят лет развития авиационных двигателей температура газа перед турбиной увеличилась от Т=900К до 1800К, т. е. почти на 200 градусов каждые десять лет. А степень двухконтурности двигателей дозвуковых самолетов увеличилась от 0 до более 10. Ниже в таблице представлены некоторые замечательные образцы двухконтурных двигателей, иллюстрирующие тенденцию увеличения степени двухконтурности для двигателей дозвуковых самолетов, А именно: первый двухконтурный двигатель в мире (DB. 109–007, Германия), первый серийный двухконтурный двигатель
| Год | 1943 | 1958 | 1964 | 1971 | 1972 | 1993 | 2000 |
| мотор | DB.109–007 (ZTL) | Конуэй RCo.12 RCo.42 | JT8D Pratt&Whitney | ДЗОКУ | RB.211 Rolls Royce | GE90 | НК-93 |
| Страна | Германия | Англия | США | СССР | Англия | США | СССР |
| Степень двухконтурности | 2,4 | 0,3–0,6 | 1,0 | 2,3 | 4,5 | 8,5 | 16,6 |
Вообще схема двухконтурного двигателя с точки зрения термодинамики является парадоксальной, или инновационной: ведь по всем правилам преобразования тепла в работу необходимо осуществить последовательно процессы сжатия рабочего тела (повышения давления), затем подвод тепла (горением или теплообменом) и, наконец, расширение (превращение в скорость, или кинетическую энергию). Только в этом случае за счет разницы температур в начале сжатия и расширения рабочего тела мы получаем прирост скорости, а следовательно, и механической работы. И первые проекты, и даже двигатели (НК-6, Д-20) выполнялись именно по этой схеме. Но на практике оказалось, что устойчивое горение организовать в «холодном» наружном контуре сложно, и от этого отказались в пользу общей (на оба контура) форсажной камеры для двигателей сверхзвуковых самолетов.
В нашем же случае двухконтурных двигателей для дозвуковых самолетов в наружном контуре происходит только сжатие (за счет подвода работы из внутреннего контура) и расширение. То есть с точки зрения термодинамики двигателя (преобразование тепла в работу) это — чистые потери. Выигрыш, точнее, зона оптимальности применения этой схемы, появляется только тогда, когда мы рассматриваем систему в целом вместе с движителем, т. е. преобразователем кинетической энергии двигателя в тяговую мощность с учетом внешнего сопротивления и массы силовой установки.
В двигателях для сверхзвуковых самолетов степень двухконтурности тоже увеличилась, хотя и не так сильно: от 0 до 0,5. И это понятно: высокая скорость полета требует высокой скорости истечения, которая может быть обеспечена сочетанием высокой температуры (постановка форкамеры) и максимально возможной степенью расширения. А для обеспечения последней (скорости истечения) передавать энергию во второй контур нецелесообразно.
Уровень максимальной температуры ограничивается в первую очередь прочностными свойствами конструкционных материалов и эффективностью охлаждения горячих деталей (в первую очередь лопаток турбины), а также теплотворной способностью топлива. Так, для жаропрочных никелевых сплавов монокристаллической структуры, широко применяемых в газовых турбинах, допустимый максимальный
В тени фигуры А. Микулина, умело «пиарившего» (как сейчас бы сказали) самого себя в глазах «хозяина», т. е. Сталина, остались выдающиеся конструкторы авиационных двигателей В.А. Добрынин, С.К. Туманский и П.Ф. Зубец. Добрынин, вовремя уйдя из-под опеки Микулина, сумел оставить след в истории моторостроения, дав свои инициалы как поршневым, так и турбореактивным моторам. А вот Туманскому и Зубцу в этом смысле не повезло. Туманский, являясь, по сути, главным конструктором послевоенных турбореактивных двигателей ОКБ- 300, не вошел в историю в той степени, в какой заслужил. Да и о Добрынине тоже мало пишут — талантливый конструктор был скромным и интеллигентным человеком.
Как мы видим, после войны произошло изменение в расположении моторных ОКБ. Если до войны ОКБ строго располагались на площадках серийных заводов, то после войны такая привязка перестала быть правилом. Ведущие ОКБ Климова, Микулина, Кузнецова, Люльки вместе с опытным производством географически отделились от серийных заводов. Этот процесс начался еще в войну. Первым осознал представившуюся возможность выбора удобной производственной площадки для будущего КБ и не где-нибудь в Рыбинске, а в самой Москве, Александр Микулин. Еще в 1942 г. он сумел убедить Сталина при личной с ним встрече в необходимости отделения ОКБ от серийных заводов и создания при КБ мощного опытного производства. Это был правильный шаг: современному моторному ОКБ, занимающемуся созданием сложных двигателей, собственное мощное производство необходимо. Приходится изготавливать и испытывать множество вариантов конструкций. В эвакуированной Москве осталось много практически опустевших производственных площадок, числящихся за НКАП. Так, на базе одного из небольших заводов в Лужниках в 1943 г. возникло ОКБ-300, ставшее в 1950-е гг. самым именитым в Советском Союзе.
В начале 1950-х двигатели разработки ОКБ-300 делались на серийных заводах в Тушино, Казани, Уфе и Перми. Микулину удалось сделать самое главное — собрать команду профессионалов и оснастить материальную базу новорожденного ОКБ. Здесь работали такие известные люди, как Б.С.Стечкин, С.К. Туманский, П.Ф. Зубец («Прокоп», как его звали коллеги). Борис Сергеевич Стечкин, выпускник МВТУ 1918 г., является главным отечественным теоретиком воздушно-реактивных двигателей. По его учебникам (два тома выпущены в 1956 г. и 1958 г.) училось не одно поколение авиационных инженеров. По влиянию на формирование отечественной школы проектирования авиационных турбореактивных двигателей он стоит в одном ряду с Н.Р. Брилингом, основателем школы проектирования поршневых двигателей. Судьба сводила их вместе. Как вспоминает ученик Б.С. Стечкина-А.Н. Огуречников, впоследствии руководитель отдела прочности завода № 300, один из выдающихся ученых-прочнистов:
«Я впервые увидел Бориса Сергеевича в 1930 г. В комнату со стеклянными перегородками, в которой я работал конструктором бюро главного металлурга Рыбинского авиационного завода, вошел главный металлург Ефрем Ильич Липский, который, обратившись ко мне, сказал: «Алексей, видишь вот тех троих, стоящих в лаборатории механических испытаний у пресса, так двое из них, а может, и все трое — гениальные люди. На мой вопрос: «Кто же они, осчастливившие нас своим присутствием?» — Е.И.Липский ответил: «Вот этот — Борис Сергеевич Стечкин, рядом с ним Александр Александрович Микулин, а следующий — Николай Романович Брилинг» (Берне, с. 117).
Б.С. Стечкин, в частности, предложил успешно осуществленную в двигателе Р11-300 схему двухвального компрессора. Не нужно забывать, что то время требовало существенно больших интеллектуальных усилий для понимания процессов, происходящих в турбореактивных двигателях. Математических моделей двигателей в современном смысле тогда не было, не было и того, сегодня огромного, накопленного опыта заблуждений, ошибок и… успехов.
Чуть позже, в 1959 г., фундаментальное исследование термодинамики новых тогда двухконтурных турбореактивных двигателей провел и опубликовал А.Л. Клячкин, признанный специалист в этой области, профессор РКВВИУ (Рижское Краснознаменное военно-воздушное инженерное училище), позже преобразованного в РИИГА (Рижский институт инженеров гражданской авиации). И Рижский, и Киевский институты инженеров гражданской авиации были сильными учебными заведениями, кадры для Аэрофлота готовились там хорошо. Автор этих строк как раз в это время учился в вузе и уже изучал только что опубликованную теорию двухконтурных двигателей. Когда же он пришел на работу в ОКБ Соловьева в начале 1964 г., то удивился, что при проектировании, по сути, нового двигателя Д-30 выбрана «неоптимальная» степень двухконтурности (1). Уже тогда казалось, что надо бы ее повысить до 1,5. Позже и англичане, и американцы переделали свои первые двухконтурные двигатели именно в этом направлении.