Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Значит, скоростной напор и есть то средство, которое позволяет предельно упростить турбореактивный двигатель, освободив его от самых сложных агрегатов — компрессора и турбины?
Да, это так. Но тут нужно иметь в виду следующее. Пока скорость полета меньше скорости звука, давление воздуха, создаваемое скоростным напором, не превышает практически нескольких десятых атмосферы, т е. нескольких десятых килограмма на квадратный сантиметр. Этого достаточно для того, чтобы двигатель работал, но совершенно недостаточно для того, чтобы его работа была выгодной, чтобы он развивал большую тягу и расходовал мало топлива. Поэтому при дозвуковой скорости полета прямоточный двигатель несравненно хуже турбореактивного.
При сверхзвуковых же скоростях полета один только скоростной напор может создать внутри двигателя давление в несколько атмосфер, как в современных турбореактивных двигателях, и даже в несколько десятков атмосфер. Так, например, при полете со скоростью, в 2 раза превышающей скорость звука, т. е. примерно со скоростью, равной 2400 км/час, скоростной напор теоретически увеличивает давление в 7 с лишним раз, при полете со скоростью, превышающей скорость звука втрое, т. е. около 3600 км/час, — в 36 раз, а при полете со скоростью, превышающей скорость звука вчетверо, т. е. более 4800 км/час,— в 150 раз!
Конечно, при этих условиях никакой нужды в компрессоре для сжатия воздуха нет. Но что же останется от турбореактивного двигателя, если выбросить компрессор и приводящую его газовую турбину? Одна только камера сгорания в средней части длинной трубы. И вот эта примитивная топка превращается в замечательный двигатель, если она движется с огромной, сверхзвуковой скоростью. Такая «летающая топка» способна развивать колоссальную тягу, необходимую для осуществления скоростного полета, и расходовать при этом меньше топлива на 1 кг тяги, чем любой другой известный реактивный двигатель. Да и по весу вряд ли найдется другой двигатель, способный конкурировать с прямоточным — что может быть легче простой тонкостенной трубы!
Однако в действительности прямоточный двигатель не так прост, как это может показаться из рассмотрения его принципиальной схемы, хотя все же его конструктивная простота поразительна.
Вот как, например, выглядит прямоточный двигатель, предназначенный для полета со скоростью, меньшей скорости звука. Конечно, интересней было бы познакомиться с двигателем, рассчитанным на сверхзвуковой полет, но двигатель для дозвуковых скоростей полета проще и поэтому знакомство лучше начать с него.
Рис. 43. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предназначенный для полета со скоростью, меньшей скорости звука: а — двигатель, установленный на самолете (в полете); б — общий вид двигателя (схема); в — кольцо топливных форсунок
Внешне прямоточный воздушно-реактивный двигатель очень похож на турбореактивный — такая же удлиненная сигара. Иногда, правда, он имеет более простую форму длинной цилиндрической трубы, к которой спереди и сзади присоединены усеченные конусы (рис. 46). Но стоит заглянуть внутрь двигателя через одно из его торцовых отверстии чтобы стало очевидно принципиальное различие обоих двигателей.
Рис. 47. Так выглядит турбореактивный двигатель, если смотреть на него спереди и сзади:
а — вид спереди на двигатель с осевым компрессором; б — сзади на двигатель с центробежным компрессором
Если мы посмотрим на турбореактивный двигатель спереди, предположим, на двигатель с осевым компрессором (рис. 47), то увидим, что его входное отверстие настолько загромождено, что даже трудно понять сначала, куда входит воздух, поступающий в двигатель. В центре входного отверстия мы увидим большого размера колпак, который иногда довольно далеко выступает вперед, — это закрытый обтекателем вал компрессора. Часто под этим обтекателем скрыт и стартер, служащий для запуска двигателя, и другие агрегаты. По радиусам от вала направлены многочисленные лопатки компрессора. За лопатками первой ступени компрессора видны неподвижные лопатки, затем лопатки следующей ступени, за ними опять лопатки и т. д.
Рис. 48. Вид спереди на прямоточный двигатель круглого сечения (в отличие от турбореактивного прямоточный двигатель может иметь и не круглое, а эллипсовидное или прямоугольное сечение)
Почти такая же картина откроется перед нами и при взгляде на двигатель сзади через реактивное сопло, Мы опять увидим колесо, на этот раз турбинное, с радиальными лопатками. Создается впечатление, что весь двигатель изнутри имеет одни лопатки. Действительно, в современном турбореактивном двигателе с осевым компрессором иной раз насчитывается более 2000 лопаток. Неудивительно, что на изготовление лопаток компрессора и турбины приходится большая часть труда, затрачиваемого на изготовление всего турбореактивного двигателя.
Следует учесть, что каждая лопатка имеет сложный криволинейный контур и требует точной и тщательной обработки. Вместе с тем часто лопатки, в особенности лопатки турбины, изготовляются из твердого, трудно обрабатываемого сплава.
Совсем иная картина предстанет перед нами, если мы заглянем внутрь прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Заглянув в него спереди, мы увидим только где-то внутри ажурные горелки камеры сгорания (рис. 48). Те же горелки мы увидим, когда заглянем в выходное отверстие двигателя. Весь двигатель внутри «пуст», и ничто не мешает воздуху течь через него, что и иллюстрируется шуточным рисунком (рис. 49). Поэтому через прямоточный воздушно-реактивный двигатель может протекать большее количество воздуха, чем через двигатель турбореактивный, что очень важно, так как тяга двигателя при прочих равных условиях прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.
Рис. 49. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель внутри «пуст». На этом шуточном рисунке изображено, как механик «чистит» двигатель артиллерийским банником
Понятно, что «пустой» прямоточный воздушно-реактивный двигатель несравненно легче, чем турбореактивный двигатель того же диаметра. Это имеет огромное значение, ибо если в авиации вес всегда был злом, то вдесятеро большим злом он становится при сверхзвуковых скоростях полета, когда каждый лишний грамм веса приводит к ощутительному увеличению мощности, потребной для осуществления полета.
Чтобы познакомиться с тем, как работает прямоточный двигатель, воспользуемся знакомым нам приемом — поместим двигатель, имеющий прозрачные стенки, в искусственные цветные воздушные океаны — зеленый и синий. Напомним еще раз, что воздух этих океанов имеет свойство менять свою окраску при изменении скорости движения и давления: с их увеличением цвет воздуха темнеет. При этом снова сделаем двигатель неподвижным, а воздух движущимся относительно него со скоростью, равной скорости полета. Так как мы знакомимся с дозвуковым двигателем, то предполагается, что скорость полета не превосходит скорости звука.
Мы, конечно, будем отмечать только основные явления в работающем двигателе, Конструктивно прямоточный двигатель относительно прост, но совсем не так просты протекающие в нем рабочие процессы. При их изучении ученым приходится преодолевать немало трудностей.
Представим себе прямоточный воздушно-реактивный двигатель в зеленом океане. Сначала проследим за изменением скорости воздуха, протекающего через двигатель. Пока скорость полета невелика, воздушный океан, набегающий на двигатель, имеет светлозеленый цвет. Воздух входит внутрь двигателя через передний конус и выходит из нею через задний конус. Какова роль этих конусов? Что изменится в работе двигателя, если мы станем менять их форму, делая их то более длинными, то короткими, т. е. изменяя площадь сечения для прохода воздуха? А нельзя ли вовсе обойтись без конусов?
Чтобы дать ответ на эти вопросы, очень важные для понимания самой сути работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, займемся исследовательской работой. Будем проводить эксперименты в наших цветных океанах, благо эти «эксперименты» не связаны с такими трудностями, какие встречаются в действительных условиях исследования двигателей.
Для успешного проведения испытаний соорудим специальную установку, показанную на рис. 50. Из трубы большого диаметра вытекает воздух, который затем поступает в наш испытуемый двигатель. Скорость движения воздуха, подаваемого мощным вентилятором, можно менять путем изменения числа оборотов вентилятора; этим мы можем имитировать изменение скорости полета. Чтобы можно было измерить тягу, развиваемую двигателем, укрепим его на испытательном станке, устройство которого легко понять из рисунка.
