Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Реактивные самолеты летают сейчас по крайней мере в полтора раза быстрее и на несколько километров выше, чем самолеты с поршневыми двигателями. Об успехах, достигнутых реактивной авиацией в борьбе за увеличение скорости и высоты полета, свидетельствуют официальные мировые рекорды, поставленные в 1955 г.: скорость полета — 1323 км/час, высота — 20079 м. Имеются все основания полагать, что эти рекордные показатели в настоящее время превзойдены.
В чем же секрет успехов, достигнутых в развитии турбореактивного двигателя? Почему его применение на самолетах означает качественно новую ступень развития авиации?
Этот «секрет» состоит в том, что турбореактивный двигатель при большой скорости полета может развить мощность, в несколько раз превосходящую мощность самых совершенных поршневых двигателей, при значительно меньшем весе, приходящемся на одну лошадиную силу. А ведь именно это, как указывалось выше, и необходимо для двигателя скоростного самолета.
Какую же мощность развивают современные турбореактивные двигатели? Эту мощность можно определить, если известна тяга двигателя и скорость полета.
Современные турбореактивные двигатели при испытании на стенде или при стоянке самолета развивают тягу до 5000—6000 кг и более. Но чтобы определить мощность двигателя, нужно знать его тягу не на стоянке, а в полете с большой скоростью. Чему же равна эта тяга? Выше было указано, что тяга поршневого двигателя с винтом с ростом скорости полета уменьшается обратно пропорционально скорости. Иначе ведут себя в этом отношении турбореактивные двигатели — с ростом скорости полета их тяга сначала несколько уменьшается, а потом снова возрастает и при полете со скоростью, близкой к скорости звука, турбореактивный двигатель развивает такую же (или даже большую) тягу, как и при стоянке. В этом и заключается огромное преимущество турбореактивного двигателя перед поршневым авиационным двигателем с винтом.
Такое различие объясняется тем, что в работе поршневого двигателя при увеличении скорости полета не происходит существенных изменений и его мощность остается почти неизменной. В работе турбореактивного двигателя при увеличении скорости полета происходят существенные изменения. Расход воздуха через двигатель при этом увеличивается, увеличивается также давление воздуха за турбиной, а значит, и скорость истечения газов из двигателя.
Какую же мощность будет иметь турбореактивный двигатель, развивающий тягу Р = 6000 кг при полете со скоростью V, равной, допустим, 1260 км/час или 350 м/сек? Эта мощность, очевидно, будет равна
Огромная мощность! А ведь тяга, равная 6000 кг, не является пределом для турбореактивного двигателя, так же как и скорость 350 м/сек не является предельной скоростью полета реактивного самолета.
Вместе с тем турбореактивный двигатель, развивающий такую огромную мощность, весит меньше, чем поршневой авиационный двигатель мощностью примерно 4000 л. с. В этом нет ничего удивительного, если учесть, что в поршневом авиационном двигателе действуют большие силы, резко меняющиеся по величине и направлению. Достаточно указать на то, что при вспышке в цилиндрах поршневого двигателя давление мгновенно возрастает почти до 100 кг/см2. Для того чтобы выдержать возникающие при этом нагрузки, основные силовые детали поршневого двигателя должны быть очень прочными, а следовательно, массивными, тяжелыми. В турбореактивном же двигателе давления не превышают 10, самое большое— 15 кг/см2, причем эти давления постоянные, не меняющиеся по времени. Поэтому большинство частей турбореактивного двигателя — либо легкие тонкостенные отливки, обычно из легких сплавов, либо детали, изготовленные из тонкого стального листа. Это делает турбореактивный двигатель более легким, чем поршневой, хотя через поршневой двигатель протекает в десятки раз меньше воздуха, чем через турбореактивный.
При большой скорости полета турбореактивный авиационный двигатель превосходит поршневой авиационный двигатель и по экономичности. Уже при скорости полета, равной 1000—1100 км/час, турбореактивный двигатель расходует на одну лошадиную силу развиваемой им мощности [2] не больше топлива, чем поршневой двигатель при максимальной скорости полета, которую он в состоянии обеспечить. С дальнейшим ростом скорости полета удельный расход топлива турбореактивного авиационного двигателя становится даже меньшим, чем удельный расход топлива поршневого авиационного двигателя. Но при уменьшении скорости полета экономичность турбореактивного двигателя резко ухудшается. Например, при скорости полета, равной 300 км/час, удельный расход топлива турбореактивного двигателя втрое больше удельного расхода топлива поршневого двигателя. Значит ли это, что турбореактивный двигатель на самолете выгоден только при очень больших, околозвуковых скоростях полета, а область меньших скоростей полета является выгодной только для самолетов с поршневыми двигателями? Нет, не значит. Но, вместе с тем простой турбореактивный двигатель не может заменить поршневой авиационный двигатель в зоне промежуточных скоростей полета, равных 500—800 км/час, так как при этих скоростях он менее экономичен, чем поршневой. Это под силу лишь газотурбинным двигателям другого типа.
Одним из таких двигателей является так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Чтобы понять идею этого двигателя, вспомним, чем отличается турбореактивный двигатель от воздушного винта в отношении (метода создания тяги. Мы знаем, что и турбореактивный двигатель, и винт создают тягу, отбрасывая воздух. Разница состоит в том, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а турбореактивный двигатель — мало воздуха с большой скоростью. Но метод создания тяги, используемый турбореактивным двигателем, выгоден лишь при большой скорости полета. Если скорость полета мала, то кинетическая энергия, приобретенная газами в двигателе, полностью не используется. Лишь незначительная часть этой энергии затрачивается на совершение полезной работы продвижения самолета в воздухе, большая же часть ее теряется, бесполезно рассеиваясь в окружающей атмосфере. Потери же кинетической энергии при работе винта сравнительно малы, так как мала сама кинетическая энергия отбрасываемого воздуха. Чем больше скорость полета, тем выгоднее становится турбореактивный двигатель, так как уменьшаются потери кинетической энергии с отходящими газами, и, наоборот, тем менее выгодным становится воздушный винт из-за увеличения потерь при его вращении. Следовательно, для того чтобы сохранить преимущества турбореактивного двигателя перед двигателем поршневым во всем диапазоне скоростей полета самолета, нужно при уменьшении скорости полета уменьшать скорость отбрасываемых газов и увеличивать их массу, т. е. как бы постепенно переходить от метода создания тяги, характерного для турбореактивного двигателя, к методу создания тяги, характерному для воздушного винта.
Конечно, трудно разработать такую конструкцию двигателя, в которой по мере уменьшения скорости полета автоматически происходило бы увеличение расхода воздуха и уменьшение скорости истечения газов. Но можно создать такой газотурбинный двигатель, который в этом отношении был бы более близким к воздушному винту, чем турбореактивный двигатель. Таким двигателем является двухконтурный турбореактивный двигатель.
Как же в этом двигателе осуществляется увеличение количества и соответственное уменьшение скорости вытекающих газов по сравнению с обычным турбореактивным двигателем? Для этой цели в двухконтурном турбореактивном двигателе в камеру сгорания направляется лишь часть воздуха, поступающего в двигатель. Эта часть воздуха в результате сжигания топлива превращается в раскаленные газы, вытекающие затем наружу так же, как в обычном турбореактивном двигателе. Другая часть воздуха направляется в обход камеры сгорания по другому каналу, или, как говорят, контуру, отчего и сам двигатель получил название двухконтурного (рис. 24). Этот воздух сначала сжимается, а затем расширяется в сопле и вытекает из двигателя с большой скоростью, хотя скорость его истечения меньше, чем скорость истечения газов, так как газы имеют гораздо большую температуру.
Конструктивно двухконтурный турбореактивный двигатель устраивается так, что либо лопатки первых ступеней компрессора делаются более длинными, вследствие чего воздух, проходящий через удлиненные части лопаток, поступает не в следующие ступени компрессора, а во второй контур (см. рис. 24, сверху), либо во втором контуре устанавливается специальный высоконапорный вентилятор, приводимый во вращение турбиной двигателя (см. рис. 24, снизу). Так или иначе, но из сопла двухконтурною турбореактивною двигателя вытекают два газовых потока: в центре — раскаленные газы, снаружи — кольцевая струя холодного воздуха; при этом расход воздуха через двигатель увеличивается, а скорость отбрасывания газовоздушной струи уменьшается. Понятно, что двухконтурный двигатель более выгоден по сравнению с обычным турбореактивным двигателем при меньших скоростях полета и менее выгоден при больших скоростях: выигрыш в одном получается за счет проигрыша в другом. В настоящее время двухконтурные турбореактивные двигатели еще не получили широкого применения, но они могут найти применение в будущем на самолетах, предназначенных для скоростных дальних перелетов, например для трансконтинентальных или трансокеанских авиалиний. Следует отметить, что первые проекты двухконтурных двигателей были разработаны К. Э. Циолковским и конструктором А. М. Люлька.
