Воздушно-реактивные двигатели - Карл Гильзин

В настоящее время очень многие турбореактивные двигатели военных самолетов снабжаются специальными приспособлениями для такого кратковременного увеличения тяги. Эти приспособления называются форсажными камерами. В форсажной камере (рис. 37), устанавливаемой в задней части двигателя за турбиной, имеются топливные форсунки. Когда нужды в увеличении тяги нет, газы проходят через форсажную камеру как через выхлопную трубу. Если же нужно форсировать двигатель, т. е. увеличить его тягу, то через форсунки форсажной камеры в поток газов, вытекающих из двигателя, впрыскивается топливо. Так как в газах всегда имеется некоторое количество свободного кислорода, то топливо сгорает; при этом температура газов в камере увеличивается и скорость их истечения из двигателя, а значит, и тяга двигателя растет.

Рис. 37. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой:

а — общий вид; б — устройство форсажной камеры

Такой способ форсирования двигателя, как было указано выше, невыгоден, в особенности при сравнительно небольшой скорости полета, так как при этом значительно увеличивается расход топлива. Увеличение расхода топлива могло бы быть гораздо меньшим, если бы дополнительное топливо впрыскивалось не за турбиной, где давление газов понижено в результате расширения их в турбине, а перед нею, т. е. в камере сгорания. Ведь чем сильнее расширяется нагретый газ, тем больше получается добавочная работа, связанная с повышением температуры. Это только один пример того, что повышение температуры газов перед турбиной может оказаться выгодным.

Другой пример связан с турбовинтовым двигателем. Оказывается, повышение температуры газов перед турбиной этого двигателя особенно выгодно. Когда турбина приводит во вращение воздушный винт, то повышение температуры газов перед турбиной не только увеличивает мощность двигателя, но даже, в противоположность турбореактивному двигателю, улучшает его экономичность, т. е. уменьшает расход топлива на 1 л. с. мощности. Можно было бы привести и другие примеры, когда увеличение температуры газов перед турбиной оказывается целесообразным.

Но особенно большое значение проблема повышения температуры газов перед турбиной приобретает в связи с непрерывным и быстрым ростом скорости полета. Оказывается, что по мере роста скорости полета увеличение тяги путем повышения температуры газов перед турбиной становится все более выгодным: удельный расход топлива увеличивается при этом все меньше и меньше. При очень же больших скоростях полета, превышающих скорость звука, удельный расход топлива при таком методе увеличения тяги не только не растет, но даже уменьшается.

Совершенно очевидно, что повышение температуры газов перед турбиной имеет смысл уже на современном этапе развития реактивной авиации, и еще более важное значение это повышение температуры приобретет в самом недалеком будущем.

Для решения этой проблемы ученым, конструкторам и инженерам-производственникам предстоит преодолеть очень серьезные трудности.

Мы уже знаем, что температура продуктов сгорания в двигателе достигает почти 2000 °С. Следовательно, трудности, связанные с повышением температуры газов перед турбиной, не зависят от топлива: топливо позволяет по крайней мере удвоить эту температуру. Однако для того чтобы снизить температуру, получающуюся при сгорании топлива в камерах сгорания существующих турбореактивных двигателей до 850—900° С, раскаленные газы — продукты сгорания приходится искусственно охлаждать. Для этого к продуктам сгорания добавляется холодный воздух из компрессора, как это показано на рис. 38, причем вес добавляемого воздуха в 3—4 раза превышает вес горячих газов.

Это вынужденное понижение температуры газов вызывается необходимостью облегчить условия работы лопаток турбины. Так лопатки турбины становятся барьером на пути развития реактивной авиации. Даже в современных турбореактивных двигателях, при температуре газов в 850—900° С, лопатки иной раз не выдерживают действующих на них нагрузок и являются причиной аварий двигателя. Лопатки обычно ограничивают и ресурс двигателя.

Как же преодолевают ученые, конструкторы и производственники эту трудность на пути развития турбореактивного двигателя, как борются за совершенствование лопаток турбины с целью возможного повышения температуры газов?

Эта борьба идет двумя путями. Так, металлурги идут по пути создания более жаропрочных сплавов для изготовления лопаток. На этом пути успеха можно ждать, вероятно, от совместного использования достижений металлургии и керамики, так как вряд ли это под силу одной только металлургии. Только лопатки, изготовленные в виде различных конструктивных комбинаций сверх-жаропрочной керамики с прочными металлическими сплавами, смогут безотказно работать при температуре газов 1000—1500° С. Такой, например, может быть лопатка, изготовленная из прочного сплава и имеющая снаружи тонкий слой керамической облицовки.

Другой путь — создание охлаждаемых турбин. Если лопатки турбины сделать полыми, чтобы внутри них протекал охлаждающий воздух или жидкость, то можно значительно повысить температуру газов, омывающих лопатки, без повышения температуры самих лопаток. Одной из перспективных конструкций охлаждаемых лопаток являются, например, лопатки с так называемым проникающим охлаждением. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, т. е. путем спекания мельчайших зерен металла. Через бесчисленное множество микропор в стенках такой лопатки изнутри ее наружу продавливается какая-нибудь охлаждающая жидкость. Покрывая тончайшим холодным слоем поверхность лопатки, омываемую раскаленными газами, эта жидкость создает защитную завесу, изолирующую лопатку от непосредственного воздействия газов. Температура лопатки при таком способе охлаждения может быть значительно ниже температуры газов.

Рис. 38. Схема течения воздуха и газов через турбореактивный двигатель РД-500

Итак, два пути ведут к желанной цели — созданию высокотемпературной газовой турбины, по двум направлениям ведутся настойчивые исследования и конструктивные изыскания. Много лет трудятся ученые и инженеры над созданием опытных турбин с лопатками, способными работать при высоких температурах, но пока эти работы еще не вышли из стадии эксперимента.

На практике температура газов, поступающих на лопатки турбин турбореактивных двигателей, остается почти неизменной. Нелегко разрешить те большие трудности, которые стоят на пути создания высокотемпературной газовой турбины. Нет сомнения, что настойчивый труд ученых и инженеров в этой области приведет к желаемым результатам и высокотемпературные газовые турбины в недалеком будущем найдут широкое применение не только в авиации, но и в самых различных отраслях техники.

Но пока газовая турбина все еще является одним из «узких мест» в развитии реактивной авиации, в борьбе за увеличение скорости полета.

Оказывается, однако, что именно в этом непрерывающемся увеличении скорости полета заключены замечательные возможности еще более стремительного ее увеличения. Это связано с тем, что дальнейшее увеличение скорости полета, ради которого необходимо совершенствование газовой турбины, сделает ненужной газовую турбину.

В чем же секрет этой несколько неожиданной возможности, связанной с перспективами дальнейшего развития реактивной авиации?

Глава пятая

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

На первый взгляд возможность значительного упрощения двигателя при переходе к большим скоростям полета кажется странной, пожалуй, даже невероятной. Вся история авиации до сих пор говорит о противоположном: борьба за увеличение скорости полета приводила к усложнению двигателя. Так было с поршневыми двигателями: мощные двигатели скоростных самолетов периода второй мировой войны значительно сложнее тех двигателей, которые устанавливались на самолетах в первый период развития авиации. То же происходит сейчас с турбореактивными двигателями: достаточно вспомнить о сложной проблеме увеличения температуры газов перед турбиной.

И вдруг такое принципиальное упрощение двигателя, как полное устранение газовой турбины. Возможно ли это? Как же будет приводиться во вращение компрессор двигателя, необходимый для сжатия воздуха, — ведь без такого сжатия не может работать турбореактивный двигатель?

Но так ли необходим компрессор? Нельзя ли обойтись без компрессора и как-нибудь иначе обеспечить необходимое сжатие воздуха?

Оказывается, такая возможность существует. Мало того: этого можно достичь даже не одним способом. Воздушно-реактивные двигатели, в которых применен один такой метод бескомпрессорного. сжатия воздуха, нашли даже практическое применение в авиации. Это было еще в период второй мировой войны.