Юный техник, 2003 № 02

Журнал «Юный техник»

СДЕЛАНО В РОССИИ

А вместо сердца — пламенный мотор

СЕГОДНЯ БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ САМОЛЕТОВ, КАК ГРАЖДАНСКИХ, ТАК И ВОЕННЫХ, ОСНАЩЕНА РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ. КАК ЖЕ УСТРОЕН ТАКОЙ ДВИГАТЕЛЬ?

Еще в конце XIX века русский инженер С.С.Неждановский предложил реактивный двигатель, создающий реактивную тягу за счет вспышек смеси глицерина с воздухом в сосуде с отверстием. Построен он не был. В 1913 году французский изобретатель Рене Лорен предложил иной способ работы реактивного двигателя. Воздух следует предварительно сжимать, затем сжигать в нем топливо, а продукты сгорания выпускать через специальное сопло. При таких условиях от двигателя можно получить максимально возможную тягу.

На первых порах Рене Лорен

решил добавить сопло и клапан к обычному поршневому двигателю, превратить его в реактивный (рис. 1).

Но поршневой двигатель того времени был слишком тяжел. Идею развил в 1926 году английский профессор Гриффит. За основу он взял газовую турбину, двигатель тогда еще совсем новый, но обещавший быть очень легким. Турбина в нем вращает компрессор, который сжимает воздух. Сжатый воздух попадает в камеры, в которых сгорает топливо. (Таких камер может быть от одной до нескольких десятков.)

Под действием тепла воздух значительно увеличивает свой объем. Поэтому на лопатках турбины он может совершать работу, значительно превышающую ту, что затрачена на его сжатие.

Гриффит полагал, что часть мощности турбины следует направить на привод воздушного винта, а отработавшие газы, пройдя сопло, должны создавать реактивную тягу. Такие двигатели называются турбовинтовыми и выгодны на дозвуковых скоростях (рис. 2).

Однако можно подобрать такой компрессор, что вся мощность турбины будет расходоваться только на сжатие воздуха. Это приведет к значительно более высокой скорости истечения продуктов сгорания из сопла. Так получается турбореактивный двигатель, пригодный для полетов на скоростях, в 3–6 раз превышающих скорость звука (рис. 3).

Разработкой таких двигателей начал заниматься в 1928 году английский инженер Литтл.

Отметим, что в 30-е годы газотурбинными воздушно-реактивными двигателями (ВРД) начали заниматься в Германии. В этом деле немцы обогнали весь мир. В нашей стране такие работы велись в Ленинграде и Харькове, но с началом Великой Отечественной войны их перенесли за Урал. Первый советский ВРД конструкции С.М.Люльки был готов к испытаниям весной 1945 года.

В первые послевоенные годы наши инженеры творчески освоили немецкий и английский опыт. Вскоре наши реактивные двигатели стали восхищать мир. Реальный ВРД, конечно, гораздо сложнее, чем его схема (рис. 4).

Основные трудности создает газовая турбина. Она представляет собою диск с лопатками, некое подобие ветряка. Только обдувает его «ветер» с температурой 1100–1300 °C. Она необходима для получения высокого КПД.

Материалов, способных работать при такой температуре, в природе нет. И лопатки охлаждают, прокачивая через них по извилистым ходам холодный воздух. Но и после этого они раскаляются добела.

Один диск всю энергию газового потока перехватить не может. Поэтому на одном валу ставят 5–7 дисков (ступеней), вращающихся как одно целое. Между ними ставят диски с неподвижными лопатками, которые нужны для того, чтобы поток каждый раз обдувал лопатки под самым выгодным углом. Скорость вращения турбины порою достигает 40 000 оборотов в минуту. Из-за этого на лопатку действуют огромные

центробежные силы, стремящиеся ее разорвать, вырвать из диска. Если это случается, то она летит со скоростью пули, но корпус двигателя делается достаточно прочным, чтоб выдержать ее удар.

Несмотря на столь высокие скорости и массу в сотни килограммов, вал турбины и сидящий на нем компрессор вращаются бесшумно и точно, как тонвал магнитофона. Компрессор по конструкции очень напоминает турбину, но действует как бы наоборот. Его лопатки улавливают и сжимают набегающий в двигатель воздух. Он также состоит из множества ступеней с подвижными и неподвижными лопатками. После прохождения всех ступеней давление воздуха возрастает в 30–40 раз.

А теперь разберем несколько конкретных конструкций наиболее современных двигателей. Перед вами турбовентиляторный реактивный двигатель ПС-90, предназначенный для тяжелых дозвуковых самолетов (рис. 5).

Рис. 5. 1 — вентилятор; 2 — компрессор газогенератора; 3 — турбина газогенератора; 4 — турбина вентилятора; 5 — сопло.

Он имеет два компрессора и две турбины. Первый компрессор имеет большой диаметр и столь незначительное сжатие, что его иногда называют вентилятором. Он играет роль пропеллера, создающего поток воздуха, скорость которого лишь незначительно превышает скорость самолета. Во время полета воздух, покидающий вентилятор, почти неподвижен относительно земли. Это значит, практически вся его энергия расходуется на движение самолета. На другом конце вала вентилятора находится вращающая его турбина. Ее приводит в действие поток газов, создаваемый агрегатом, состоящим из компрессора и турбины. Его называют газогенератором. (Вал газогенератора представляет собой трубу, сквозь которую проходит вал вентилятора.) Применение двух турбин позволяет более точно настраивать двигатель на получение минимального расхода топлива.

Реактивный двигатель ПС-90 один из самых экономичных в мире. На создание каждого кг тяги он расходует в течение часа 0,583 кг топлива.

ПС-90 очень надежен в полете и долговечен в работе. За счет малых расходов на топливо и ремонт за весь его жизненный цикл на каждом самолете экономится 177 миллионов долларов.

Оснащенный ПС-90 аэробус «Ил-76ФМ», который был показан на Международном авиасалоне в г. Жуковском, произвел странное впечатление. Обычно самолеты гудят, а этот мягко «шуршал», словно настольный вентилятор. Между тем международные нормы на уровень шума будут ужесточаться. Для ПС-90, самого бесшумного двигателя в мире, этот процесс пройдет безболезненно.

У ПС-90 на мировом рынке есть достойный соперник — американские турбовентиляторные двигатели фирмы РАТТ&WHITNEY, имеющие расход топлива на 5–8 % меньше.

Но, если уж говорить об экономичности, то обратим внимание на два наших двигателя, сделанных в Самаре. Двигатель НК-93 (рис. 6) имеет расход топлива 0,49 кг на кг тяги в час.

Рис. 6

Это достигнуто применением турбины, работающей при температуре 1247 °C, и необычного, очень эффективного вентилятора. Он состоит из двух соосных роторов, которые вращаются в противоположных направлениях. Кроме того, скорость их вращения понижена за счет применения редуктора. Он имеет размеры коробки передач большого автомобиля, но передает мощность более 20 000 л.с. Эти меры позволили повысить КПД вентилятора до 88 % и снизить уровень его шума до международных норм.