Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
Как же ученые, конструкторы и инженеры пытаются повысить температуру газов в турбореактивном двигателе?
Следует отметить, что эта проблема важна не только для турбореактивного двигателя — еще более важна она для так называемого турбовинтового двигателя, в котором турбина вращает воздушный винт. Оказывается, при повышении температуры газов не только увеличивается мощность турбовинтового двигателя, но и улучшается его. экономичность, то есть уменьшается расход топлива на одну лошадиную силу. А ведь турбовинтовые двигатели привлекают к себе все большее внимание как превосходные двигатели для скоростных пассажирских самолетов, — кто не знает ниши замечательные самолеты «ТУ-114», «ИЛ-18» или «АН-10»? Понятно поэтому то внимание, которое уделяется проблеме создания высокотемпературной авиационной газовой турбины.
Эта проблема решается двумя различными путями. Металлурги, химики, физики, материаловеды стараются создать новые, более жароупорные конструкционные материалы. Вероятнее всего, это будут уже не металлические сплавы — они одни не в состоянии решить задачу. Только различные комбинации прочных металлов со сверхжароупорной керамикой могут помочь конструктору, создающему высокотемпературную турбину»
Другой путь — охлаждаемая турбина. Если сделать лопатки полыми можно предусмотреть в них каналы для охладителя (воздуха или жидкости), то температуру газов можно значительно повысить, не повышая температуры лопатки. Понятно, что циркулирующий в каналах лопаток охладитель будет уносить с собой часть полезного тепла.
Турбовинтовые двигатели «ТУ-114».
Другая потеря будет связана с затратой работы на проталкивание охладителя через каналы. Однако возможность значительного повышения рабочей температуры газов более чем компенсирует эти потери.
Этим объясняется то, что в самое последнее время в эксплуатации появляются турбореактивные и другие авиационные газотурбинные двигатели с турбинами, имеющими лопатки с воздушным охлаждением. В частности, например, в новом английском турбореактивном двигателе «Спей» 5* (точнее — этот двигатель является не простым турбореактивным, а так называемым двухконтурным; о подобных двигателях речь будет идти ниже, в главе V) температуру газов перед турбиной удалось повысить таким образом до 1040°. В других зарубежных двигателях этого типа 6* температура газов достигает даже 1130°. Большой прогресс!
Одним из весьма перспективных методов охлаждения турбинных лопаток считают, в частности, так называемое проникающее охлаждение. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, то есть спеканием мельчайших зерен металла. В стенке лопатки, которая делается полой, образуется множество микроскопических каналов. Через эти каналы изнутри подается под давлением какая-нибудь охлаждающая жидкость. Она выступает на поверхности лопатки, омываемой раскаленными газами, создавая защитный холодный слой. Лопатка в этом случае как бы «потеет», отчего эту систему охлаждения называют иногда «охлаждение выпотеванием». Температура лопатки при таком охлаждении оказывается меньшей, чем при других известных системах охлаждения.
Конечно, проблема создания высокотемпературной турбины будет со временем решена. Но ведь штурмовать «звуковой барьер» надо сейчас. Уже теперь для этого необходимо повышать тягу турбореактивных двигателей. Как же это сделать, если на пути увеличения температуры газов стоят турбинные лопатки?
Сама собой напрашивается мысль: если нельзя повысить температуру газов перед турбиной, то нельзя ли это сделать за ней? Ведь для увеличения скорости истечения газов и, следовательно, тяги нужно увеличить температуру газов, вытекающих из двигателя. А такого повышения температуры достигнуть просто — достаточно сжечь добавочное топливо уже за турбиной, в выхлопной трубе. Эта идея нашла широкое применение в реактивной авиации и помогла одержать победу в штурме «звукового барьера». Конструктивное воплощение она получила в виде так называемой форсажной камеры. В настоящее время форсажная камера является обязательным добавлением почти ко всякому мощному турбореактивному двигателю, установленному на скоростных военных самолетах.
Устройство камеры принципиально очень просто. Газы, выходящие из турбины, попадают в переднюю часть форсажной камеры, которая крепится к задней части двигателя. Эта часть камеры представляет собой расходящуюся коническую трубу. Скорость газов, движущихся в ней, уменьшается, а давление соответственно возрастает. Такое устройство называется диффузором.
Затем газы поступают в следующую часть форсажной камеры, которая носит название камеры сгорания. Здесь установлены топливные форсунки. Через них впрыскивается горючая жидкость — керосин или бензин. Жидкость сразу же воспламеняется и сгорает — ведь газы, вытекающие из двигателя, нагреты до 700–750°. Необходимый же для сгорания кислород всегда в избытке имеется в выхлопных газах (вспомните, сколько воздуха приходится добавлять к продуктам сгорания топлива в основной камере сгорания двигателя, чтобы снизить их температуру).
В результате сгорания добавочного топлива температура газов сильно повышается, и они устремляются в последнюю часть форсажной камеры — реактивное сопло. Здесь газы расширяются, скорость их увеличивается, и они покидают форсажную камеру, создавая реактивную тягу.
Форсажная камера имеет относительно небольшой вес, если учесть увеличение тяги, которое она дает. Это увеличение даже при работе двигателя на стоянке составляет примерно одну треть от тяги двигателя без форсажной камеры, а в полете с высокой скоростью оно еще более возрастает, так что исходная тяга двигателя почти удваивается.
Значит ли это, что применение форсажной камеры снимает задачу создания высокотемпературной турбины?
Конечно, нет. Увеличение тяги с помощью форсажной камеры очень невыгодно, так как приводит к большому перерасходу топлива. Ведь даже повышение температуры газов перед турбиной, как об этом уже говорилось, при современных скоростях связано с увеличением удельного расхода топлива, а следовательно, и уменьшением дальности полета. Что же говорить об увеличении температуры газов за турбиной, когда топливо сгорает при значительно меньшем давлении, чем в камере сгорания двигателя! 7*.
Естественно, что перерасход топлива при работе форсажной камеры получается гораздо большим, и сколько-нибудь продолжительная работа ее поэтому недопустима. Форсажная камера служит лишь для кратковременного значительного увеличения тяги двигателя, или его так называемого форсажа. Конечно, и для форсажа сжигание добавочного топлива в камере сгорания двигателя, то есть перед турбиной, было бы гораздо выгоднее, чем за ней, в форсажной камере. Однако при условии очень кратковременной работы перерасход топлива не столь значителен. Поэтому форсажная камера и получила применение на военных самолетах, как истребителях, так и бомбардировщиках. Она используется в случаях, когда требуется кратковременное значительное увеличение скорости полета: в воздушном бою, на подходе к цели бомбометания и т. д. Форсажная камера и позволила реактивным самолетам перешагнуть через «звуковой барьер». Не будь ее, эта победа была бы отодвинута на значительное время.
Вот летит бомбардировщик с двумя турбореактивными двигателями необычной длины — это двигатели с форсажной камерой. Камеры поневоле должны быть длинными, иначе не удастся сжигать в них топливо, впрыскиваемое в газовый поток.
Бомбардировщик летит очень быстро, как бы вонзаясь своим стреловидным крылом в небо. Но вдруг из обоих двигателей блеснули длинные языки пламени, и самолет резко увеличил скорость, будто брошенный чьей-то могучей рукой. Это летчик включил форсажные камеры. С оглушительным грохотом, значительно более сильным, чем обычный гул работающего турбореактивного двигателя, самолет исчез за горизонтом. Легко понять, сколь спасительной может оказаться такая скорость, если самолет попадет под ураганный зенитный огонь…
5* По журналу «Эркрафт инжиниринг», № 395, 1962 г.
6* По журналу «Флайт», 1 августа 1963 г.
7* Чем меньше давление, при котором происходит подвод тепла к газу (в данном случае — сгорание), тем менее выгоден этот подвод, так как тем меньшая доля тепла переходит в работу при последующем расширении газа.
Работает турбореактивный двигатель с форсажной камерой.
Форсажная камера получила широкое распространение уже сейчас, а в ближайшее время она станет обязательной частью любого скоростного реактивного самолета. Это объясняется не только тем, что с помощью форсажной камеры проще достигнуть сверхзвуковых скоростей полета, но и тем, что при увеличении скорости полета форсажная камера становится, как об этом уже говорилось, все более выгодной (точнее говоря — все менее невыгодной). С большой степенью вероятности можно считать, что в области скоростей полета от звуковой до вдвое и даже, может быть, втрое (а по некоторым высказываниям — даже вчетверо) превосходящей звуковую, основным двигателем военной авиации будет турбореактивный с форсажной камерой. А при еще больших скоростях?
