В статье рассматриваются характеристики и конструктивные особенности микро-ТРД, выпускаемых для модельной авиации. Анализ характеристик показывает серьезные перспективы таких двигателей в беспилотной авиации специального (военного, гражданского и экспериментального) назначения. Силовая установка является важнейшей составной частью БЛА, поскольку уровень ее технического совершенства позволяет обеспечить необходимые тактико-технические характеристики ЛА. Развитие технологии изготовления воздушно-реактивных двигателей в сочетании с использованием методов математического моделирования газодинамических процессов и прочностных расчетов термонагруженных деталей позволили целому ряду предприятий подойти к полномасштабному производству малоразмерных воздушно-реактивных двигателей (микро-ТРД, микро-ТВД и микро- ПуВРД). Основным потребителем этого продукта до недавнего времени были авиамоделисты, создающие летающие копии пилотируемой техники. Однако в последнее время стали появляться образцы БЛА, использующие в силовой установке малоразмерные ТРД (например, макет БЛА ВВП "Штиль-3", Рис.1). Примечательно, что первый публично представленный такой образец имеет составную силовую установку из трех малоразмерных ТРД, которая, по данным разработчика, обеспечивает БЛА как вертикальный взлет, так и взлет по-самолетному. Так как летающие модели-копии пилотируемых самолетов предназначены, главным образом для имитации полета настоящего реактивного самолета в пределах визуальной близости к оператору, то и характеристики ТРД являются соответствующими. Однако, сам по себе, факт создания микро ВРД является примечательным и следует ожидать в самое ближайшее время появление целого семейства БЛА с силовыми установками на основе ВРД. Поэтому вопрос анализа конструкции и оценки располагаемых характеристик микро -ТРД является достаточно важным. Тем более что малые размеры конструктивных элементов, из которых состоит такой двигатель, создают определенные проблемы при попытке получения высоких удельных показателей, а предприятия-изготовители, как правило, не предоставляют полной информации о своих изделиях.
Определение эксплуатационных характеристик микро - ТРД
Как известно в состав силовой установки (СУ) ЛА, в данном случае БЛА, входят входное устройство, ВРД с выходным устройством, система управления тягой ТРД (правильнее вектором тяги) и система топливоподачи от топливных баков к двигателю. Основной величиной, характеризующей ВРД как элемент силовой установки ЛА, является создаваемая им сила тяги, которая является равнодействующей всех сил, действующих на внутренние и внешние поверхности ВРД. Обычно такое определение относится к понятию внутренняя тяга ВРД. При анализе эксплуатационных характеристик ВРД в составе ЛА используют понятие эффективной тяги ВРД, которая учитывает еще и потери во входном и выходном устройствах. В общем случае внутренняя тяга ТРД (далее для простоты просто тяга) определяется по известному выражению :
Для анализа характеристик ВРД требуется понимание его устройства и знание значений основных величин, которые производители, как правило, не указывают в документации на подобные двигатели. Конструктивно все выпускаемые микро-ТРД представляют собой ТРД с центробежным одноступенчатым компрессором с односторонним входом и одноступенчатой осевой газовой турбиной (рис. 2). Применяется испарительная камера сгорания. Как правило, все микро-ТРД оснащаются входным устройством, имеющим конфигурацию близкую к лемнискате (рис.3).
Наружный корпус микро-ТРД представляет собой тонкостенную обечайку из жаростойкой стали, которая обеспечивает проход воздуха из спрямляющего аппарата компрессора через отверстия в кожухе внутрь камеры сгорания к испарительным трубкам. (рис.4)
Малая размерность двигателя по расходу воздуха не позволяет использовать отработанные конструктивные решения в практике авиационного двигателестроения.
Выходным устройством у такого двигателя является дозвуковое сужающееся сопло, образуемое наружной обечайкой и центральным телом в виде тонкостенной оболочки, закрывающим втулочное сечение рабочего колеса газовой турбины (рис.5).
Компоновка микро-ТРД со снятой наружной обечайкой показана на рис.6. Ротор двигателя образуется валом 1, на который спереди насажено и зафиксировано винтом 6 рабочее колесо центробежного компрессора 7, а сзади рабочее колесо газовой турбины 12, фиксирующееся на валу винтом 5. Вал 1 устанавливается во внутреннем корпусе статора 3 на двух подшипниках 2 и 4. За рабочим колесом компрессора 7 установлен статор компрессора со спрямляющим аппаратом 8. Кожух камеры сгорания 9 крепится к сопловому аппарату газовой турбины 11, а топливный коллектор 10 располагается в кольцевой нише между кожухом камеры сгорания и фланцем корпуса соплового аппарата. Наружная обечайка выходного устройства 13 имеет свой фланец, с помощью которого она болтами крепится к фланцу соплового аппарата. Центральное тело устанавливается и центруется с помощью радиальных пластинчатых кронштейнов (хорошо видны на рис.5) наружной обечайкой выходного устройства.
Эксплуатационные характеристики (высотно-скоростные и дроссельные) с учетом вышеизложенных зависимостей могут быть определены для всего семейства микро-ТРД, выпускаемого предприятиями за рубежом (В России пока подобные двигатели не нашли широкого применения). Рассмотрим высотно - скоростные характеристики (ВСХ) микро-ТРД по внутренним параметрам с расчетной степенью сжатия в компрессоре 3,0. Расчетные ВСХ получены с учетом установки дозвукового воздухозаборника перед входом в центробежный компрессор. Расчетные параметры рабочего процесса микро-ТРД приведены в табл.1.
Рис. 11. Зависимости и двигателя по высоте и скорости полета
На рис. 9-11 приведены ВСХ микро-ТРД и зависимости характерных параметров от высоты и скорости полета. Как видно из схемы микро-ТРД в них реализуются закон регулирования:
В этом случае уравнение линии совместных режимов компрессора и турбины, как известно , имеет вид:
Установка нерегулируемого выходного устройства в виде сужающегося сопла с центральным телом привела к тому, что при скоростях полета более М~0,45 выходное устройство реализует предельное значение =1,85 и появляется добавок тяги от давления недорасширенного газа по жидкому контуру (рис.10). Следует отметить характерное увеличение запаса устойчивости компрессора при уменьшении приведенной частоты вращения ротора с увеличением скорости полета (рис. 11). Анализ ВСХ и особенностей изменения параметров рабочего процесса ТРД показывает, что при соответствующем подборе ТРД под характеристики планера можно создать БЛА, обладающий достаточно высокими летно-техническими характеристиками. Тем не менее, уровень экономичности таких двигателей не позволит иметь относительно большие продолжительности полета БЛА. Также следует иметь ввиду, что целевое назначение и малые размеры подобных двигателей не позволяют иметь высокоэффективную систему автоматического управления, что неизбежно скажется, прежде всего, на приемистости двигателя и точности выдерживания заданного дроссельного режима. Необходимость расчета дроссельных характеристик микро-ТРД обусловлена тем, что постоянно на предельных режимах ЛА, как правило, не летают. Основные рабочие режимы двигателей силовых установок лежат в диапазонах от 75 до 95% от максимального режима. Следовательно, оценка характеристик микро-ТРД на дроссельных режимах имеет смысл.
Как видно из графиков (рис.12 и 13) дроссельные характеристики рассматриваемых двигателей не имеют каких-либо ярко выраженных особенностей, требующих особых исследований. Следует учитывать и то, что заявляемые производителем показатели экономичности (минутный расход топлива) отличаются от расчетных примерно на 30% в большую сторону. Это объясняется относительно низкими уровнями к.п.д. элементов газотурбинного тракта, о которых, как правило, в открытых источниках производители не сообщают. 
Конструктивное исполнение этих двигателей свидетельствует, что приемистость таких двигателей весьма неудовлетворительна:
Анализ возможных динамических характеристик микро-ТРД позволяет сделать вывод, что динамика таких двигателей по тяге низкая: переход от режима МГ (малый газ) до режима МАКСИМАЛ занимает время не менее 30 с. Также весьма сложным и проблематичным является процесс запуска таких двигателей: отсутствие простейшего топливного автомата запуска (ТАЗ) требует дополнительной емкости с горючим газом для запуска камеры сгорания с последующим переходом на топливо. Система смазки опор ротора двигателя представляет собой одну или систему струйных форсунок, подающих топливо (авиационный керосин) на подшипники. Иногда для улучшения смазочных свойств в керосин добавляют парафин, иногда 4...5% моторного масла . На рис.15 показан вариант смазки опор микро-ТРД. Смазочная смесь через трубопровод подводится к подшипнику передней опоры.
Наддув передней опоры осуществляется воздухом, отбираемым от рабочего колеса компрессора через зазор между стенкой рабочего колеса и стойкой статора компрессора. Через подшипник передней опоры, зазор между валом ротора и внутренним корпусом статора двигателя смазочно-воздушная смесь подается к подшипнику задней опоры. Пройдя подшипник задней опоры, смесь выбрасывается в проточную часть газовой турбины. Ресурсные показатели выпускаемых микро-ТРД находятся на уровне 100...120 часов наработки при условии регулярного выполнения регламентных работ через каждые 25...30 часов. Предприятия-изготовители рекомендуют через каждые 50 часов наработки отправлять двигатели на завод для оценки их технического состояния. На практике такие двигатели эксплуатируются по техническому состоянию с заменой выходящих из строя деталей при каждом осмотре. Основным требованием при эксплуатации микро-ТРД является обеспечение соответствия типа и чистоты топлива, рекомендуемым предприятиями-изготовителями.
Структура, выпускаемого предприятиями, типоряда микро-ТРД
Структура типоряда, выпускаемых предприятиями микро-ТРД в виде гистограммы по внутренней тяге и степени повышения давления в компрессоре для условий стенда при САУ представлена на рис.16-17.
Так как, основное назначение выпускаемых микро-ТРД - установка на летающие модели пилотируемых ЛА, то анализ структуры выпускаемых двигателей показывает четкую ориентацию на потребителя относительно недорогих изделий.
Рис. 17. Структура типоряда по степени повышения давления в компрессоре
В среднем отпускная с завода цена таких двигателей лежит в пределах 17...25 $/Н тяги (рис.18) или, если ориентироваться на массу микро-ТРД, 1600...2000 $/кг массы конструкции.
В некоторых случаях есть смысл в экспресс оценке массо - габаритных и стоимостных показателях. Для этого на графиках (рис.18-20) приведены соответствующие степенные полиномы, описывающие зависимости стоимости, массы, длины и диаметра микро-ТРД от его тяги в условиях стенда.
Приведенные полиномы можно использовать при оценке возможности использования микро-ТРД в разрабатываемых конструкциях. Однако они дают достаточно грубую оценку и при более глубоких исследованиях или проведения эскизного проектирования необходимо переходить к данным, которые предоставляет изготовитель микро-ТРД.
Рис.20. Взаимосвязь длины микро-ТРД (без стартера во втулке компрессора) и его тяги
Представленные результаты исследования показывают, что микро-ТРД могут играть существенную роль в становлении беспилотной техники не только в модельном классе, но и специального назначения. Опыт создания и эксплуатации подобных двигателей является бесценным и должен быть использован всеми разработчиками и производителями беспилотной техники.
Литература
| Создан 06 авг 2011 | |||||||||
статью о том, как сделать реактивный двигатель своими руками .
Внимание ! Строительство собственного реактивного двигателя может быть опасным. Настоятельно рекомендуем принять все необходимые меры предосторожности при работе с поделкой , а также проявлять крайнюю осторожность при работе с инструментами. В самоделке заложены экстремальные суммы потенциальной и кинетической энергии (взрывоопасное топливо и движущие части), которые могут нанести серьёзные травмы во время работы газотурбинного двигателя. Всегда проявляйте осторожность и благоразумие при работе с двигателем и механизмами и носите соответствующую защиту глаз и слуха. Автор не несёт ответственности за использование или неправильную трактовку информации, содержащейся в настоящей статье.
Начнём процесс сборки двигателя с 3Д моделирования. Изготовление деталей с помощью ЧПУ станка значительно облегчает процесс сборки и уменьшает количество часов, которые будут потрачены на подгонку деталей. Главное преимущество при использовании 3D процессов – это способность видеть, как детали будут взаимодействовать вместе до того момента, как они будут изготовлены.
Если вы хотите изготовить действующий двигатель, обязательно зарегистрируйтесь на форумах соответствующей тематики. Ведь компания единомышленников значительно ускорить процесс изготовления самоделки и значительно повысит шансы на удачный результат.
Будьте внимательны при выборе турбокомпрессора! Вам нужен большой «турбо» с одной (не разделенной) турбиной. Чем больше турбокомпрессор, тем больше будет тяга готового двигателя. Мне нравятся турбины с крупных дизельных двигателей.
Как правило, важен не столько размер всей турбины, как размер индуктора. Индуктор – видимая область лопаток компрессора.
Турбокомпрессор на картинке – Cummins ST-50 с большого 18 колесного грузовика.
В шаге приведено краткое описания принципов работы двигателя и показан принцип по которому рассчитываются размеры камеры сгорания (КС), которую необходимо изготовить для реактивного двигателя.
В камеру сгорания (КС) поступает сжатый воздух (от компрессора), который смешивается с топливом и воспламеняется. «Горячие газы» выходят через заднюю часть КС перемещаясь по лопастям турбины, где она извлекает энергию из газов и преобразует её в энергию вращения вала. Этот вал крутит компрессор, что прикреплён к другому колесу, что выводит большую часть отработанных газов. Любая дополнительная энергия, которая остаётся от процесса прохождения газов, создаёт тягу турбины. Достаточно просто, но на самом деле немного сложно всё это построить и удачно запустить.
Камера сгорания изготовлена из большого куска стальной трубы с крышками на обеих концах. Внутри КС установлен рассеиватель. Рассеиватель – эта трубка, что сделана из трубы меньшего диаметра, которая проходит через всю КС и имеет множество просверленных отверстий. Отверстия позволяют сжатому воздуху заходить в рабочий объём и смешиваться с топливом. После того, как произошло возгорание, рассеиватель снижает температуру воздушного потока, который входит в контакт с лопастями турбины.
Для расчета размеров рассеивателя просто удвойте диаметр индуктора турбокомпрессора. Умножьте диаметр индуктора на 6, и это даст вам длину рассеивателя. В то время как колесо компрессора может быть 12 или 15 см в диаметре, индуктор будет значительно меньше. Индуктор из турбин (ST-50 и ВТ-50 моделей) составляет 7,6 см в диаметре, так что размеры рассеивателя будут: 15 см в диаметре и 45 см в длину. Мне хотелось изготовить КС немного меньшего размера, поэтому решил использовать рассеиватель диаметром 12 см с длиной 25 см. Я выбрал такой диаметр, прежде всего потому, что размеры трубки повторяют размеры выхлопной трубы дизельного грузовика.
Поскольку рассеиватель будет располагаться внутри КС, рекомендую за отправную точку взять минимальное свободное пространство в 2,5 см вокруг рассеивателя. В моём случае я выбрал 20 см диаметр КС, потому что она вписывается в заранее заложенные параметры. Внутренний зазор будет составлять 3,8 см.
Теперь у вас есть примерные размеры, которые уже можно использовать при изготовлении реактивного двигателя. Вместе с крышками на концах и топливными форсунками – эти части в совокупности будут образовывать камеру сгорания.
Закрепим торцевые кольца с помощью болтов. С помощью данного кольца рассеиватель будет удерживаться в центра камеры.
Наружный диаметр колец 20 см, а внутренние диаметры 12 см и 0,08 см соответственно. Дополнительное пространство (0,08 см) облегчит установку рассеивателя, а также будет служить в качестве буфера для ограничения расширений рассеивателя (во время его нагрева).
Кольца изготавливаются из 6 мм листовой стали. Толщина 6 мм позволит надежно приварить кольца и обеспечить стабильную основу для крепления торцевых крышек.
12 отверстий для болтов, которые расположены по окружности колец, обеспечат надежное крепление при монтаже торцевых крышек. Следует приварить гайки на заднюю часть отверстий, чтобы болты могли просто ввинчиваться прямо в них. Всё это придумано только из-за того, что задняя часть будет недоступна для гаечного ключа. Другой способ– это нарезать резьбу в отверстиях на кольцах.
Для начала нужно укоротить корпус до нужной длины и выровнять всё должным образом.
Начнём с того, что обмотаем большой лист ватмана вокруг стальной трубы так, чтобы концы сошлись друг с другом и бумага была сильно натянута. Из него сформируем цилиндр. Наденьте ватман на один конец трубы так, чтобы края трубы и цилиндра из ватмана заходили заподлицо. Убедитесь, что там будет достаточно места (чтобы сделать отметку вокруг трубы), так чтобы вы могли сточить металл заподлицо с отметкой. Это поможет выровнять один конец трубы.
Далее следует измерить точные размеры камеры сгорания и рассеивателя. С колец, которые будут приварены, обязательно вычтите 12 мм. Так как КС будет в длину 25 см, учитывать стоит 24,13 см. Поставьте отметку на трубе, и воспользуйтесь ватманом, чтобы изготовить хороший шаблон вокруг трубы, как делали раньше.
Отрежем лишнее с помощью болгарки. Не волнуйтесь о точности разреза. На самом деле, вы должны оставить немного материала и очистить его позже.
Сделаем скос с обеих концов трубы(чтобы получить хорошее качество сварного шва). Воспользуемся магнитными сварочными зажимами, чтобы отцентровать кольца на концах трубы и убедиться, что они находятся на одном уровне с трубой. Прихватите кольца с 4-х сторон, и дайте им остыть. Сделайте сварной шов, затем повторите операции с другой стороны. Не перегревайте металл, так вы сможете избежать деформации кольца.
Когда оба кольца приварены, обработайте швы. Это необязательно, но это сделает КС более эстетичной.
Для завершения работ по КС нам понадобится 2 торцевые крышки. Одна крышка будет располагаться на стороне топливного инжектора, а другая будет направлять горячие газы в турбину.
Изготовим 2 пластины того же диаметра что и КС (в моём случае 20,32 см). Просверлите 12 отверстий по периметру для болтов и выровняйте их с отверстиями на конечных кольцах.
На крышке инжектора нужно сделать только 2 отверстия. Одно будет для топливного инжектора, а другое для свечи зажигания. В проекте используется 5 форсунок (одна в центре и 4 вокруг неё). Единственное требование – инжекторы должны располагаться таким образом, чтобы после окончательной сборки они оказались внутри рассеивателя. Для нашей конструкции – это означает, что они должны помещаться в центре 12 см круга в середине торцевой крышки. Просверлим 12 мм отверстия для монтажа форсунок. Сместимся чуть-чуть от центра, чтобы добавить отверстие для свечи зажигания. Отверстие должно быть просверлено для 14 мм х 1,25 мм нити, которая будет соответствовать свече зажигания. Конструкция на картинке будет иметь 2 свечи (одна про запас, если первая выйдет из строя).
Из крышки инжектора торчат трубы. Они изготовлены из труб диаметром 12 мм (внешний) и 9,5 мм (внутренний диаметр). Их обрезают до длины 31 мм, после чего на краях делают скосы. На обеих концах будет 3 мм резьба. Позже они будут свариваться вместе с 12 мм трубками, выступающими с каждой стороны пластины. Подача топлива будет осуществляться с одной стороны а инжекторы будут вкручены с другой.
Для того, чтобы сделать вытяжной колпак, нужно будет вырезать отверстие для «горячих газов». В моем случае, размеры повторяют размеры входного отверстия турбины. Небольшой фланец должен иметь те же размеры, что и открытая турбина, а также, плюс четыре отверстия для болтов, чтобы закрепить его на ней. Торцовый фланец турбины может быть сварен вместе из простого прямоугольного короба, который будет идти между ними.
Переходный изгиб следует сделать из листовой стали. Свариваем детали вместе. Необходимо, чтобы сварные швы шли по наружной поверхности. Это нужно для того, чтобы воздушный поток не имел никаких препятствий и не создавалась турбулентность внутри сварных швов.
Начните с закрепления фланца и заглушек (выпускного коллектора) на турбине. Тогда закрепите корпус камеры сгорания и, наконец, крышку инжектора основного корпуса. Если вы всё сделали правильно, то ваша поделка должна быть похожа на вторую картинку ниже.
Важно отметить, что турбинные и компрессорные секции можно вращать относительно друг друга, ослабив зажимы в середине.
Исходя из ориентации частей, нужно будет изготовить трубу, которая соединит выпускное отверстие компрессора с корпусом камеры сгорания. Эта труба должна быть такого же диаметра, как выход компрессора, и в конечном счёте крепиться к нему шлангом соединителем. Другой конец нужно будет соединить заподлицо с камерой сгорания и приварить его на место, как только отверстие было обрезано. Для своей камеры, я использовать кусок согнутой 9 см выхлопной трубы. На рисунке ниже показан способ изготовления трубы, которая предназначена для замедления скорости воздушного потока перед входом в камеру сгорания.
Для нормальной работы нужна значительная степень герметичности, проверьте сварные швы.
Рассеиватель позволяет воздуху входить в центр камеры сгорания, при этом сохранять и удерживать пламя на месте таким образом, чтобы оно выходило в сторону турбины, а не в сторону компрессора.
Отверстия имеют специальные названия и функции (слева направо). Небольшие отверстия в левой части являются основными, средние отверстия являются вторичными, и самые большие на правой стороне являются третичными.
Чтобы сделать процесс расчета отверстия легким, ниже представлена , что будет делать работу за вас.
Поскольку наша камера сгорания 25 см в длину, необходимо будет сократить рассеиватель до этой длины. Я хотел бы предложить сделать её почти на 5 мм короче, чтобы учесть расширение металла, во время нагрева. Рассеиватель по-прежнему будет иметь возможность зажиматься внутри конечных колец и «плавать» внутри них.
Теперь у вас есть готовый рассеиватель, откройте корпус КС и вставьте его между кольцами, пока он плотно не войдет. Установите крышку инжектора и затяните болты.
Для топливной системы необходимо использовать насос, способный выдавать поток высокого давления (по меньшей мере 75 л/час). Для подачи масла нужно использовать насос способный обеспечить давление в 300 тис. Па с потоком 10 л/час. К счастью, один и тот же тип насоса можно использовать для обеих целей. Мое предложение Shurflo № 8000-643-236.
Представляю схему для топливной системы и системы подачи масла для турбины.
Для надежной работы системы рекомендую использовать систему регулируемого давления с установкой обходного клапана. Благодаря ему поток, который прокачивают насосы всегда будет полным, а любая неиспользованная жидкость будет возвращена в бак. Эта система поможет избежать обратного давления на насос (увеличит срок службы узлов и агрегатов). Система будет работать одинаково хорошо для топливных систем и системы подачи масла. Для масляной системы вам нужно будет установить фильтр и масляный радиатор (оба из них будут установлены в линию после насоса, но перед перепускным клапаном).
Убедитесь, что все трубы, идущие к турбине выполнены из «жесткого материала». Использование гибких резиновых шлангов может закончиться катастрофой.
Ёмкость для топлива может быть любого размера, а масленый бак должен удерживать по меньшей мере 4 л.
В своей масляной системе использовал полностью синтетическое масло Castrol. Оно имеет гораздо более высокую температуру воспламенения, а низкая вязкость поможет турбине в начале вращения. Для снижения температуры масла, необходимо использовать охладители.
Что касается системы зажигания, то подобной информации достаточно в интернете. Как говорится на вкус и цвет товарища нет.
Для начала поднимите давление масла до минимума 30 МПа. Наденьте наушники и продуйте воздух через двигатель воздуходувкой. Включите цепи зажигания и медленно подавайте топливо, закрывая игольчатый клапан на топливной системе до тех пор, пока не услышите «поп», когда камера сгорания заработает. Продолжайте увеличивать подачу топлива, и вы начнете слышать рёв своего нового реактивного двигателя.
Спасибо за внимание
Холодний Максим Віталійович
Національний аерокосмічний університет імені М. Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут"
Микро-ГТД
7.1. Авиация та космонавтика
Рисунки зменшені адміністрацією конкурсу, можуть бути надані в оригінальному розмірі на вимогу експерта.
Введение
Актуальность темы исследований. Миниатюризация бортовой аппаратуры, создание систем управления и целевой нагрузки с массой в сотни граммов, позволяет создавать беспилотные летательные аппараты (БЛА) со взлетным весом в единицы килограммов, оснащенного системами спутниковой навигации и радиосвязи, с возможностью действовать практически в любом районе земного шара в составе комплекса дистанционно-управляемой авиационной системы (ДУАС).
Одной из важнейших проблем при создании всепогодных БЛА является создание двигательной установки (ДУ), обеспечивающей, с одной стороны, высокую крейсерскую скорость полета БЛА, а с другой – достаточную продолжительность полета. Требования преодоления ветрового сноса, полета в условиях приземной турбулентности, оперативности получения информации выдвигают необходимость обеспечения крейсерской скорости полета на уровне М=0,5 и продолжительности полета не менее 30 мин.
Учитывая падение чисел Рейнольдса, а также рост площади, омываемой потоком, по отношению к объему и массе по мере уменьшения физических размеров ЛА, задача достижения высоких скоростей полета осложняется непропорциональным ростом потребной тяги при уменьшении размерности БЛА. Применение в качестве двигательной установки воздушно-реактивного двигателя (ВРД) открывает возможность обеспечения высоких скоростных характеристик, однако создание микро-ВРД традиционных схем с тягой до 50-200 H, пригодного для установки на сверхлегкий БЛА, наталкивается на значительные трудности, связанные прежде всего с масштабным вырождением рабочего процесса.
Таким образом, задача создания ВРД малых тяг (ВРД МТ) представляется актуальной.
Проблематикой создания воздушно-реактивных двигателей малых тяг на основе ТРД занимаются частные фирмы: Франции - Vibraye (JPX-t240…), Японии - Sophia-Precision (J-450…), Германии - JetCat (P-80…),Австрии - Schneidtr-Sanchez (FD-3). Перечисленные выше двигатели фирм предназначены для авиамоделей, но, по-видимому, за неимением лучшего, они применяются в гражданской и военной беспилотной авиации.
Несмотря на кажущуюся простоту конструкций микро-ГТД по сравнению с полноразмерными, их изготовление так же сопряжено с производсьвенными трудностями в связи с тем, что они содержат те же основные конструктивные элементы, что и полномасштабные аналоги: компрессор, сопловой аппарат, турбину (работающую при температуре свыше 700 градусов по шкале Цельсия и периферийных окружных скоростях 500 м/с).
При таких высоких значениях температур и окружных скоростей, в корневой части лопатки напряжения разрыва могут достигать 700 МПа и выше. Из чего можно сделать простой вывод: для изготовления турбин этих образцов ВРД использовались жаропрочные стали или сплавы - аналоги отечественных сталей: ХН62БМКТЮ с временным сопротивлением 520-550 МПа при рабочей температуре 700 градусов по Цельсию, ХН50ВМКТСР -540 МПа при 900 градусах, что и определяет высокую конечную стоимость ДУ.
В нашей стране ГТД малых тяг, пригодные для установки на БЛА с взлётной массой до 100кг, не производят.
Задачей исследования явилась разработка ДУ для БЛА на основе микро-ТРД.
При разработке в качестве аналога был выбран серийный двигатель фирмы АМТ-Olimpus с тягой 230Н и диаметром 130мм.
Таблица. Характеристики двигателя авторской разработки и серийного аналога
Характеристики | AMT Olympus | ТРД с ЦБК |
||||||||||||||||||||||||
|
По причине дороговизны и дефицитности выше перечисленных сталей было принято решение использовать доступные материалы и снизить максимальные окружные скорости с 475м/с (аналога) до 300м/с, что неминуемо при том же миделевом сечении ДУ, влекло за собой снижение расхода воздуха и, как следствие, при той же скорости истечения из сопла - снижение лобовой тяги.
В стремлении разработать двигатель с той же лобовой тягой, но с меньшими окружными скоростями на периферии лопаток турбины и на основании опыта создания полномасштабных ГТД с центробежным компрессором выбор был остановлен на двухстороннем центробежном компрессоре (ЦБК), что является новшеством в классе микро-ГТД. Это конструктивное решение позволяет удвоить расход воздуха без увеличения диаметра диффузора.
Новизна - состоит в новом конструктивно-технологическом решении, позволяющем максимально отехнологичить самый сложный узел ТРД с ЦБК - диффузор, и полностью отказаться от болтовых и сварных соединений (рис.3, 6).
Методами исследования являлись численное моделирование рабочих процессов в авиационных воздушно-реактивных двигателях на основе комплексных моделей рабочего процесса и проведение натурных испытаний работоспособного образца ГТД.
Сборка ротора: кок, двухсторонний центробежный турбо-компрессор, вал, турбина.
Турбина –активно-реактивная осевая одноступенчатая со степенью реактивности 0,5.
Представлен один из вариантов диска, расчёт на прочность выполнялся с помощью пакета CosmosWorks – рис. 9.
3D модель турбины в сборе представлена на рис 10. Видны отдельные сегменты лопаточного венца. Один из трёх сегментов выделен тёмным тоном. Данная конструкция лопаточного венца позволяет, в отличие от цельнолитого, применить в различных зонах нагружения необходимые стали, что позволяет экономить материал. В зонах стыка сегментированного венца имеются деформационные швы, снижающие предварительные напряжения в диске. При отливке сегмента наблюдается практически полное отсутствие усадочных раковин, по сравнению с цельнолитым диском, в связи с меньшими относительными толщинами. Подобная конструкция турбины в микро-ГТД малых тяг разработана впервые.
Технологическая оснастка, использовавшаяся при изготовлении двигателя представлена на рис. 10-11. Отдельные стадии технологических процессов приведены на рис. 13.
Компрессор – одноступенчатый центробежный двухсторонний с колесом полуоткрытого типа.
Некоторые элементы технологического процесса изготовления турбокомпрессора рис. 15-18.
Камера сгорания – кольцевого типа, прямоточная. На рис.19,20.
Шестерённый насос с плавающими втулками сам по себе стоит отдельного описания, не уступает промышленным образцам, используемым в автомобильной промышленности, обеспечивает перепад давлений до 1 МПа при расходе всего 20 мл/с, частота вращения 12000 об/мин.
Огневые испытания.
Реализация проектных решений. Общий вид спроектированного микро-ГТД и отдельных его узлов представленных на рисунках. Все элементы конструкции выполнены лично автором статьи.
Выводы. На сегодняшний день применение микро-ГТД на аппаратах с взлетным весом порядка 100 кг и выше представляется наиболее разумной перспективой. С уровнем тяг 200-300 Н микро-ГТД могут обеспечить высокие дозвуковые скорости полета БЛА легкого класса. С точки зрения массового совершенства двигательная установка с малоразмерным ГТД привлекательна. Низкий удельный вес микро-ГТД особенно ярко проявляется при небольшой продолжительности полета (до 30 мин.). При ограничении продолжительности полета до 15-20 мин. на основе микро-ГТД может быть создан высокоманевренный БЛА с тяговооруженностью более 0.5.
Список использованных источников
1. . Теория авиационных двигателей. – Оборонгиз. –1958г.
2. . Численное моделирование теплофизических процессов в двигателестроению. –Харьков, ХАИ. –2005г.
3. , . Радиально-осевые турбины малой мощности. –Москва, Машгиз. –1963г.
4. . Воздушные микротурбины. – Москва, Машиностроение. –1970г.
5. , Боровский и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1986г.
6. , . Испытания авиационных воздушно – реактивных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1967г.
7. Артёменко Н. П., и др. Гидростатические опоры роторов быстроходных машин. –Харьков, Основа. –1992г.
8. . Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. –Москва, Машиностроение. –2003г.
9. , . Расчёт турбин авиационных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1974г.
10. Силовые установки вертолётов// под ред. . –Оборонгиз, Москва. –1959г.
11. Заготовительно – обрабатывающие технологии в производстве аэрокосмических летательных аппаратов// Учебное пособие, и др. –Харьков, ХАИ. –1999г.
12. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей// под ред. . –Москва, Воениздат. –1961г.
Из полученного е-mail (копия оригинала):
«Уважаемый Виталий!Ни магли бы Вы нимного больше рассказать
о модельных ТРД, что это ваабще такое и с чем их едят?»
Начнём с гастрономии, турбины ни с чем не едят, ими восхищаются! Или, перефразируя Гоголя на современный лад: «Ну какой же авиамоделист не мечтает построить реактивный истребитель?!».
Мечтают многие, но не решаются. Много нового, еще больше непонятного, много вопросов. Часто читаешь в различных форумах, как представители солидных ЛИИ и НИИ с умным видом нагоняют страха и пытаются доказать, как это всё сложно! Сложно? Да, может быть, но не невозможно! И доказательство тому - сотни самодельных и тысячи промышленных образцов микротурбин для моделизма! Надо только подойти к этому вопросу философски: всё гениальное - просто. Поэтому и написана эта статья, в надежде поубавить страхов, приподнять вуаль неизвестности и придать вам больше оптимизма!
Турбореактивный двигатель (ТРД) или газотурбинный привод основан на работе расширения газа. В середине тридцатых годов одному умному английскому инженеру пришла в голову идея создания авиационного двигателя без пропеллера. По тем временам - просто признак сумасшествия, но по этому принципу работают все современные ТРД до сих пор.
На одном конце вращающегося вала расположен компрессор, который нагнетает и сжимает воздух. Высвобождаясь из статора компрессора, воздух расширяется, а затем, попадая в камеру сгорания, разогревается там сгорающим топливом и расширяется ещё сильней. Так как деваться этому воздуху больше некуда, он с огромной скоростью стремится покинуть замкнутое пространство, протискиваясь при этом сквозь крыльчатку турбины, находящейся на другом конце вала и приводя её во вращение. Так как энергии этой разогретой воздушной струи намного больше, чем требуется компрессору для его работы, то ее остаток высвобождается в сопле двигателя в виде мощного импульса, направленного назад. И чем больше воздуха разогревается в камере сгорания, тем он быстрее стремится её покинуть, ещё сильнее разгоняя турбину, а значит и находящийся на другом конце вала компрессор.
На этом же принципе основаны все турбонагнетатели воздуха для бензиновых и дизельных моторов, как двух, так и четырёхтактных. Выхлопными газами разгоняется крыльчатка турбины, вращая вал, на другом конце которого расположена крыльчатка компрессора, снабжающего двигатель свежим воздухом.
Принцип работы - проще не придумаешь. Но если бы всё было так просто!
|
|
ТРД можно четко разделить на три части.
Мощность турбины во многом зависит от надёжности и работоспособности её компрессора. В принципе бывают три вида компрессоров:
А. Многоступенчатые линейные компрессоры получили большое распространение только в современных авиационных и промышленных турбинах. Дело в том, что достичь приемлемых результатов линейным компрессором можно, только если поставить последовательно несколько ступеней сжатия одну за другой, а это сильно усложняет конструкцию. К тому же, должен быть выполнен ряд требований по устройству диффузора и стенок воздушного канала, чтобы избежать срыва потока и помпажа. Были попытки создания модельных турбин на этом принципе, но из-за сложности изготовления, всё так и осталось на стадии опытов и проб.
Б. Радиальные, или центробежные компрессоры . В них воздух разгоняется крыльчаткой и под действием центробежных сил компримируется - сжимается в спрямительной системе-статоре. Именно с них начиналось развитие первых действующих ТРД.
Простота конструкции, меньшая подверженность к срывам воздушного потока и сравнительно большая отдача всего одной ступени были преимуществами, которые раньше толкали инженеров начинать свои разработки именно с этим типом компрессоров. В настоящее время это основной тип компрессора в микротурбинах, но об этом позже.
В. Диагональный , или смешанный тип компрессора, обычно одноступенчатый, по принципу работы похож на радиальный, но встречается довольно редко, обычно в устройствах турбонаддувов поршневых ДВС.
Среди авиамоделистов идёт много споров, какая же турбина в авиамоделизме была первой. Для меня первая авиамодельная турбина, это американская TJD-76. В первый раз я увидел этот аппарат в 1973 году, когда два полупьяных мичмана пытались подключить газовый баллон к круглой штуковине, примерно 150 мм в диаметре и 400 мм длинной, привязанной обыкновенной вязальной проволокой к радиоуправляемому катеру, постановщику целей для морской пехоты. На вопрос: «Что это такое?» они ответили: «Это мини мама! Американская… мать её так, не запускается…».
Намного позже я узнал, что это Мини Мамба, весом 6,5 кг и с тягой примерно 240 N при 96000 об/мин. Разработана она была ещё в 50-х годах как вспомогательный двигатель для лёгких планеров и военных дронов. Особенность этой турбины в том, что в ней использовался диагональный компрессор. Но в авиамоделизме она широкого применения так и не нашла.
Первый «народный» летающий двигатель разработал праотец всех микротурбин Курт Шреклинг в Германии. Начав больше двадцати лет назад работать над созданием простого, технологичного и дешевого в производстве ТРД, он создал несколько образцов, которые постоянно совершенствовались. Повторяя, дополняя и улучшая его наработки, мелкосерийные производители сформировали современный вид и конструкцию модельного ТРД.
Но вернёмся к турбине Курта Шреклинга. Выдающаяся конструкция с деревянной крыльчаткой компрессора, усиленной углеволокном. Кольцевая камера сгорания с испарительной системой впрыска, где по змеевику длинной примерно в 1 м подавалось топливо. Самодельное колесо турбины из 2,5 миллиметровой жести! При длине всего в 260 мм и диаметре 110 мм, двигатель весил 700 грамм и выдавал тягу в 30 Ньютон! Это до сих пор самый тихий ТРД в мире. Потому как скорость покидания газа в сопле двигателя составляла всего 200 м/с.
На основе этого двигателя было создано несколько вариантов наборов для самостоятельной сборки. Самым известным стал FD-3 австрийской фирмы Шнайдер-Санчес.
|
|
|
Ещё 10 лет назад авиамоделист стоял перед серьёзным выбором - импеллер или турбина?
Тяговые и разгонные характеристики первых авиамодельных турбин оставляли желать лучшего, но имели несравненное превосходство перед импеллером - они не теряли тягу с нарастанием скорости модели. Да и звук такого привода был уже настоящим «турбинным», что сразу очень оценили копиисты, а больше всего публика, непременно присутствующая на всех полётах. Первые Шреклингские турбины спокойно поднимали в воздух 5-6 кг веса модели. Старт был самым критическим моментом, но в воздухе все остальные модели отходили на второй план!
Авиамодель с микротурбиной тогда можно было сравнить с автомобилем, постоянно двигающимся на четвёртой передаче: ее было тяжело разогнать, но зато потом такой модели не было уже равных ни среди импеллеров, ни среди пропеллеров.
Надо сказать, что теория и разработки Курта Шреклинга способствовали к тому, что развитие промышленных образцов, после издания его книг, пошло по пути упрощения конструкции и технологии двигателей. Что, в общем то, и привело к тому, что этот тип двигателя стал доступным для большого круга авиамоделистов со средним размером кошелька и семейного бюджета!
Первые образцы серийных авиамодельных турбин были JPX-Т240 французской фирмы Vibraye и японская J-450 Sophia Precision. Они были очень похожи как по конструкции, так и по внешнему виду, имели центробежную ступень компрессора, кольцевую камеру сгорания и радиальную ступень турбины. Французская JPX-Т240 работала на газе и имела встроенный регулятор подачи газа. Она развивала тягу до 50 N, при 120.000 оборотах в минуту, а вес аппарата составлял 1700 гр. Последующие образцы, Т250 и Т260 имели тягу до 60 N. Японская София работала в отличие от француженки на жидком топливе. В торце ее камеры сгорания стояло кольцо с распылительными форсунками, это была первая промышленная турбина, которая нашла место в моих моделях.
Турбины эти были очень надёжными и несложными в эксплуатации. Единственным недостатком были их разгонные характеристики. Дело в том, что радиальный компрессор и радиальная турбина относительно тяжелы, то есть имеют в сравнении с аксиальными крыльчатками большую массу и, следовательно, больший момент инерции. Поэтому разгонялись они с малого газа на полный медленно, примерно 3-4 секунды. Модель реагировала на газ соответственно ещё дольше, и это надо было учитывать при полётах.
Удовольствие было не дешевым, одна София стоила в 1995 году 6.600 немецких марок или 5.800 «вечно зелёных президентов». И надо было обладать очень хорошими аргументами, что бы доказать супруге, что турбина для модели намного важнее, чем новая кухня, и что старое семейное авто может протянуть ещё пару лет, а вот с турбиной ждать ну никак нельзя.
Дальнейшим развитием этих турбин является турбина Р-15, продаваемая фирмой Thunder Tiger.
Отличие её в том, что крыльчатка турбины у неё теперь вместо радиальной - аксиальная. Но тяга так и осталась в пределах 60 N, так как вся конструкция, ступень компрессора и камера сгорания, остались на уровне позавчерашнего дня. Хотя по своей цене она является настоящей альтернативой многим другим образцам.
В 1991 году два голландца, Бенни ван де Гур и Хан Еннискенс, основали фирму AMT и в 1994 г выпустили первую турбину 70N класса - Pegasus. Турбина имела радиальную ступень компрессора с крыльчаткой от турбонагнетателя фирмы Garret, 76 мм в диаметре, а также очень хорошо продуманную кольцевую камеру сгорания и аксиальную ступень турбины.
После двух лет тщательного изучения работ Курта Шреклинга и многочисленных экспериментов они добились оптимальной работы двигателя, установили пробным путём размеры и форму камеры сгорания, и оптимальную конструкцию колеса турбины. В конце 1994 года на одной из дружеских встреч, после полётов, вечером в палатке за бокалом пива, Бенни в разговоре хитро подмигнул и доверительно сообщил, что следующий серийный образец Pegasus Mk-3 «дует» уже 10 кг, имеет максимальные обороты 105.000 и степень сжатия 3,5 при расходе воздуха 0,28 кг/с и скорости выхода газа в 360 м/с. Масса двигателя со всеми агрегатами составляла 2300 г, турбина была 120 мм в диаметре и 270 мм длиной. Тогда эти показатели казались фантастическими.
По существу, все сегодняшние образцы копируют и повторяют в той или иной степени, заложенные в этой турбине агрегаты.
В 1995 году, вышла в свет книга Томаса Кампса «Modellstrahltriebwerk» (Модельный реактивный двигатель), с расчётами (больше заимствованными в сокращённой форме из книг К. Шреклинга) и подробными чертежами турбины для самостоятельного изготовления. С этого момента монополия фирм-производителей на технологию изготовления модельных ТРД закончилась окончательно. Хотя многие мелкие производители просто бездумно копируют агрегаты турбины Кампса.
Томас Кампс путём экспериментов и проб, начав с турбины Шреклинга, создал микротурбину, в которой объединил все достижения в этой области на тот период времени и вольно или невольно ввёл для этих двигателей стандарт. Его турбина, больше известная как KJ-66 (KampsJetеngine-66mm). 66 мм – диаметр крыльчатки компрессора. Сегодня можно увидеть различные названия турбин, в которых почти всегда указан либо размер крыльчатки компрессора 66, 76, 88, 90 и т.д., либо тяга - 70, 80, 90, 100, 120, 160 N.
Где-то я прочитал очень хорошее толкование величины одного Ньютона: 1 Ньютон – это плитка шоколада 100 грамм плюс упаковка к ней. На практике часто показатель в Ньютонах округляют до 100 грамм и условно определяют тягу двигателя в килограммах.
|
|
|
Естественно у моделиста сразу возникают вопросы: С чего начать? Где взять? Сколько стоит?
Я начинал с самостоятельной постройки, но в начале 90-х просто не было такого выбора турбин и наборов для их постройки как сегодня, да и понять работу и тонкости такого агрегата удобней при его самостоятельном изготовлении.
Вот фотографии самостоятельно изготовленных частей для авиамодельной турбины:
|
|
|
|
|
|
Кто желает поближе ознакомится с устройством и теорией Микро-ТРД, тому я могу только посоветовать следующие книги, с чертежами и расчётами:
|
|
|
|
|
|
|
На сегодняшний день мне известны следующие фирмы, выпускающие авиамодельные турбины, но их становится всё больше и больше: AMT, Artes Jet, Behotec, Digitech Turbines, Funsonic, FrankTurbinen, Jakadofsky, JetCat, Jet-Central, A.Kittelberger, K.Koch, PST- Jets, RAM, Raketeturbine, Trefz , SimJet, Simon Packham, F.Walluschnig, Wren-Turbines. Все их адреса можно найти в Интернете.
Начнём с того, что турбина у вас уже есть, самая простая, как ей теперь управлять?
Есть несколько способов заставить работать ваш газотурбинный двигатель в модели, но лучше всего сначала построить небольшой испытательный стенд наподобие этого:
Ручной старт (Manual start ) - cамый простой способ управления турбиной.
Смазка подшипников ведётся обычно с помощью топлива, в которое добавлено турбинное масло, примерно 5%. Если смазочная система подшипников раздельная (с масляным насосом), то питание насоса лучше включать перед подачей газа. Отключать его лучше в последнюю очередь, но НЕ ЗАБЫВАТЬ выключить! Если вы считаете, что женщины это слабый пол, то посмотрите, во что они превращаются при виде струи масла, вытекающей на обивку заднего сиденья семейного автомобиля из сопла модели.
Недостаток этого самого простого способа управления - практически полное отсутствие информации о работе двигателя. Для измерения температуры и оборотов нужны отдельные приборы, как минимум электронный термометр и тахометр. Чисто визуально можно только приблизительно определить температуру, по цвету каления крыльчатки турбины. Центровку, как у всех крутящихся механизмов, проверяют по поверхности кожуха монетой или ногтем. Прикладывая ноготь к поверхности турбины, можно почувствовать даже мельчайшие вибрации.
В паспортных данных двигателей всегда даются их предельные обороты, например 120.000 об/мин. Это предельно допустимая величина при эксплуатации, пренебрегать которой не следует! После того как в 1996 году у меня разлетелся самодельный агрегат прямо на стенде и колесо турбины, разорвав обшивку двигателя, пробило насквозь 15-ти миллиметровую фанерную стенку контейнера, стоящего в трёх метрах от стенда, я сделал для себя вывод, что без приборов контроля разгонять самопальные турбины опасно для жизни! Расчёты по прочности показали потом, что частота вращения вала должна была лежать в пределах 150.000. Так что лучше было ограничить рабочие обороты на полном газу до 110.000 – 115.000 об/мин.
Ещё один важный момент. В схему управления топливом ОБЯЗАТЕЛЬНО должен быть включен аварийный закрывающий вентиль, управляемый через отдельный канал! Делается это для того, что бы в случае вынужденной посадки, морковно-внепланового приземления и прочих неприятностей прекратить подачу топлива в двигатель во избежание пожара.
Start c ontrol (Полуавтоматический старт).
Что бы неприятностей, описанных выше, не произошло на поле, где (ни дай бог!) ещё и зрители вокруг, применяют довольно хорошо зарекомендовавший себя Start control . Здесь управление стартом - открытие газа и подачу керосина, слежение за температурой двигателя и оборотами ведёт электронный блок ECU (E lectronic- U nit- C ontrol) . Ёмкость для газа, для удобства, уже можно расположить внутри модели.
К ECU для этого подключены температурный датчик и датчик оборотов, обычно оптический или магнитный. Кроме этого ECU может давать показания о расходе топлива, сохранять параметры последнего старта, показания напряжения питания топливного насоса, напряжение аккумуляторов и т.д. Всё это можно потом просмотреть на компьютере. Для программирования ECU и снятия накопленных данных служит Manual Тerminal (терминал управления).
На сегодняшний день самое большое распространение получили два конкурирующих продукта в этой области Jet-tronics и ProJet. Какому из них отдать предпочтение - решает каждый сам, так как тяжело спорить на тему что лучше: Мерседес или БМВ?
Работает все это следующим образом:
Автоматический старт (Automatic start)
Для особо ленивых процедура запуска упрощена до предела. Запуск турбины происходит с пульта управления тоже через ECU одним переключателем. Здесь уже не нужен ни сжатый воздух, ни стартер, ни фен!
Самым последним достижением в области автоматического запуска стал Керостарт. Старт на керосине, без предварительного прогрева на газе. Поставив свечу накаливания другого типа (более крупную и мощную) и минимально изменив подачу топлива в системе, удалось полностью отказаться от газа! Работает такая система по принципу автомобильного обогревателя, как на «Запорожцах». В Европе пока только одна фирма переделывает турбины с газового на керосиновый старт, не зависимо от фирмы производителя.
Как вы уже заметили, на моих рисунках в схему включены ещё два агрегата, это клапан управления тормозами и клапан управления уборкой шасси. Это не обязательные опции, но очень полезные. Дело в том, что у «обычных» моделей при посадке, пропеллер на маленьких оборотах является своего рода тормозом, а у реактивных моделей такого тормоза нет. К тому же, у турбины всегда есть остаточная тяга даже на «холостых» оборотах и скорость посадки у реактивных моделей может быть намного выше, чем у «пропеллерных». Поэтому сократить пробежку модели, особенно на коротких площадках, очень помогают тормоза основных колёс.
Второй странный атрибут на рисунках, это топливный бак. Напоминает бутылку кока-колы, не правда ли? Так оно и есть!
Это самый дешевый и надёжный бак, при условии, что используются многоразовые, толстые бутылки, а не мнущиеся одноразовые. Второй важный пункт, это фильтр на конце всасывающего патрубка. Обязательный элемент! Фильтр служит не для того, чтобы фильтровать топливо, а для того, чтобы избежать попадания воздуха в топливную систему! Не одна модель была уже потеряна из-за самопроизвольного выключения турбины в воздухе! Лучше всего зарекомендовали себя здесь фильтры от мотопил марки Stihl или им подобные из пористой бронзы. Но подойдут и обычные войлочные.
|
|
|
Раз уж заговорили о топливе, можно сразу добавить, что жажда у турбин большая, и потребление топлива находится в среднем на уровне 150-250 грамм в минуту. Самый большой расход конечно же приходится на старт, зато потом рычаг газа редко уходит за 1/3 своего положения вперёд. Из опыта можно сказать, что при умеренном стиле полёта трёх литров топлива вполне хватает на 15 мин. полётного времени, при этом в баках остаётся ещё запас для пары заходов на посадку.
Само топливо - обычно авиационный керосин, на западе известный под названием Jet A-1.
Можно, конечно, использовать дизельное топливо или ламповое масло, но некоторые турбины, такие как из семейства JetCat, переносят его плохо. Также ТРД не любят плохо очищенное топливо. Недостатком заменителей керосина является большое образование копоти. Двигатели приходится чаще разбирать для чистки и контроля. Есть случаи эксплуатации турбин на метаноле, но таких энтузиастов я знаю только двоих, они выпускают метанол сами, поэтому могут позволить себе такую роскошь. От применения бензина, в любой форме, следует категорически отказаться, какими бы привлекательными ни казались цена и доступность этого топлива! Это в прямом смысле игра с огнём!
Вот и следующий вопрос назрел сам собой - обслуживание и ресурс.
Обслуживание в большей степени заключается в содержании двигателя в чистоте, визуальном контроле и проверке на вибрацию при старте. Большинство авиамоделистов оснащают турбины своего рода воздушным фильтром. Обыкновенное металическое сито перед всасывающим диффузором. На мой взгляд - неотъемлемая часть турбины.
Двигатели, содержащиеся в чистоте, с исправной системой смазки подшипников служат безотказно по 100 и более рабочих часов. Хотя многие производители советуют после 50 рабочих часов присылать турбины на контрольное техническое обслуживание, но это больше для очистки совести.
Ещё коротко о первой модели. Лучше всего, чтобы это был «тренер»! Сегодня на рынке множество турбинных тренеров, большинство из них это модели с дельтовидным крылом.
Почему именно дельта? Потому, что это очень устойчивые модели сами по себе, а если в крыле использован так называемый S-образный профиль, то и посадочная скорость и скорость сваливания минимальные. Тренер должен, так сказать, летать сам. А вы должны концентрировать внимание на новом для вас типе двигателя и особенностях управления.
Тренер должен иметь приличные габариты. Так как скорости на реактивных моделях в 180-200 км/ч - само собой разумеющиеся, то ваша модель будет очень быстро удаляться на приличные расстояния. Поэтому за моделью должен быть обеспечен хороший визуальный контроль. Лучше, если турбина на тренере крепится открыто и сидит не очень высоко по отношению к крылу.
Хорошим примером, какой тренер НЕ ДОЛЖЕН быть, является самый распространённый тренер – «Kangaroo». Когда Фирма FiberClassics (сегодня Composite-ARF) заказывала эту модель, то в основе концепта была заложена в первую очередь продажа турбин "София", и как важный аргумент для моделистов, что сняв крылья с модели, её можно использовать в качестве испытательного стенда. Так, в общем, оно и есть, но производителю хотелось показать турбину, как на витрине, поэтому и крепится турбина на своеобразном «подиуме». Но так как вектор тяги оказался приложен намного выше ЦТ модели, то и сопло турбины пришлось задирать кверху. Несущие качества фюзеляжа были этим почти полностью съедены, плюс малый размах крыльев, что дало большую нагрузку на крыло. От других предложенных тогда решений компоновки заказчик отказался. Только использование Профиля ЦАГИ-8, ужатого до 5% дало более-менее приемлемые результаты. Кто уже летал на Кенгуру, тот знает, что эта модель для очень опытных пилотов.
Учитывая недостатки Кенгуру, был создан спортивный тренер для более динамичных полётов «HotSpot». Эту модель отличает более продуманная аэродинамика, и летает «Огонёк» намного лучше.
Дальнейшим развитием этих моделей стал «BlackShark». Он рассчитывался на спокойные полёты, с большим радиусом разворотов. С возможностью широкого спектра пилотажа, и в то же время, с хорошими парительными качествами. При выходе из строя турбины, эту модель можно посадить как планер, без нервов.
|
|
|
Как видите, развитие тренеров пошло по пути увеличения размеров (в разумных пределах) и уменьшении нагрузки на крыло!
Так же отличным тренером может служить австрийский набор из бальзы и пенопласта, Super Reaper. Стоит он 398 Евро. В воздухе модель выглядит очень хорошо. Вот мой самый любимый видеоролик из серии Супер Рипер: http://www.paf-flugmodelle.de/spunki.wmv
Но чемпионом по низкой цене на сегодняшний день является «Spunkaroo». 249 Евро! Очень простая конструкция из бальзы, покрытой стеклотканью. Для управления моделью в воздухе достаточно всего двух сервомашинок!
|
|
|
Раз уж зашла речь о сервомашинках, надо сразу сказать, что стандартным трехкилограммовым сервам в таких моделях делать нечего! Нагрузки на рули у них огромные, поэтому ставить надо машинки с усилием не меньше 8 кг!
Естественно у каждого свои приоритеты, для кого-то это цена, для кого-то готовый продукт и экономия времени.
Самым быстрым способом завладеть турбиной, это просто её купить! Цены на сегодняшний день для готовых турбин класса 8 кг тяги с электроникой начинаются от 1525 Евро. Если учесть, что такой двигатель можно сразу без проблем брать в эксплуатацию, то это совсем не плохой результат.
Наборы, Kit-ы. В зависимости от комплектации, обычно набор из спрямляющей системы компрессора, крыльчатки компрессора, не просверленного колеса турбины и спрямляющей ступени турбины, в среднем стоит 400-450 Евро. К этому надо добавить, что всё остальное надо либо покупать, либо изготовить самому. Плюс электроника. Конечная цена может быть даже выше, чем готовая турбина!
На что надо обратить внимание при покупке турбины или kit-ов – лучше, если это будет разновидность KJ-66. Такие турбины зарекомендовали себя как очень надёжные, да и возможности поднятия мощности у них ещё не исчерпаны. Так, часто заменив камеру сгорания на более современную, или поменяв подшипники и установив спрямляющие системы другого типа, можно добиться прироста мощности от нескольких сот грамм до 2 кг, да и разгонные характеристики часто намного улучшаются. К тому же, этот тип турбин очень прост в эксплуатации и ремонте.
Подведём итог, какого размера нужен карман для постройки современной реактивной модели по самым низким европейским ценам:
Итого, Ваша мечта : около 1900 Евро или примерно 2500 зелёных президентов!
Двигатель этого типа в нынешнем классификационном списке авиационных силовых установок не значится и в реальной эксплуатации не используется. Многие люди о нем даже никогда и не слышали. Однако, он, фактически ровесник первых аэропланов, имеет любопытную историю практического применения и может быть интересен для любителей авиации.
Мотокомпрессорная силовая установка самолета И-250.
В транспортном машиностроении уже достаточно давно существует такое понятие, как комбинированная силовая установка . Обычно этот термин означает совмещение в одной конструктивной составляющей двигателей (или принципов их действия) различных типов, чаще всего двух или более.
Для наземной техники хорошим примером могут служить относительно активно использующиеся сейчас автомобили, автобусы и троллейбусы, способные работать с применением поршневых двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в одном, так сказать, комплекте. Для них чаще всего применяется термин «гибридные двигатели».
Авиация тоже не избежала этой участи. Комбинированные силовые установки различных конструкций и принципов работы проектировались и применялись на летательных аппаратах достаточно интенсивно практически с первых шагов самолетостроения.
Делалось все это не от хорошей жизни, а от несовпадения желаемого с имеющимися возможностями. Ведь даже сейчас, существующие и разрабатываемые высокосовершенные авиационные двигатели не могут сделать летательный аппарат абсолютно универсальным, как в плане высоких тяговых характеристик, массового и аэродинамического совершенства, так и в плане высокой топливной экономичности. Каждая из существующих двигательных схем, например винтовая и схемы на реактивной тяге (ВРД), имеет свою наиболее выгодную для нее область применения.
А на первых этапах развития авиации еще не было особого выбора силовых установок, но зато было широкое поле для новаторской деятельности. Принцип реактивного движения, известный, кстати, задолго до возникновения первых аэропланов, казался одной из самых соблазнительных возможностей решения проблем.
И в дальнейшем, с ростом скорости самолетов (особенно в 40-х годах), и соответствующим падением тяговых возможностей воздушного винта, а также мощностных возможностей поршневого двигателя (без роста массы), он становился попросту единственно возможным.
Реактивные ракетные двигатели , как жидкостные, так и твердотопливные, не могли стать основными двигателями самолета из-за кратковременности их работы, некоторых особенностей, усложняющих эксплуатацию (касается ЖРД) и сложности управления (РДТТ). Поэтому применялись они, в основном, на опытных самолетах и в качестве ускорителей. В особенности это касается двигателей на твердом топливе. Об этом написано ().
Довольно быстро стало понятно, что воздушно-реактивный двигатель наиболее приемлем для маршевой силовой установки самолета, а точнее говоря этот двигатель должен быть именно турбореактивным для возможности старта с нулевой скорости, то есть со стоянки.
Вот только приемлемое воплощение этого факта в конкретное техническое устройство, которое могло бы быть плодотворно использовано в качестве силовой установки для атмосферного летательного аппарата запаздывало по известным причинам как научного, так и технического характера. То есть не хватало знаний, не было конкретных теоретических разработок и практического опыта, отсутствовали специальные производства и материалы.
Что есть и чего хочется…
Но однажды запущенный процесс развития уже было не остановить. Первый, чисто реактивный самолет с турбореактивным двигателем совершил свой исторический полет 27 августа 1939 года. Это был немецкий самолет Heinkel He 178 , оборудованный двигателем Heinkel HeS 3 , обладавшим максимальной тягой 498 кгс.
Турбореактивный двигатель НеS-3В
Самолет Не 178.
Самолет Не 178.
Этот двигатель был построен к началу 1939 года и в июле опробован в полете на поршневом пикирующем бомбардировщике Heinkel He 118 , использованным в качестве летающей лаборатории. HeS 3 подвесили под его фюзеляж и включали в полете (за исключением взлета и посадки).
Впервые практически использованный для полноценного реактивного полета ТРД был, понятное дело, относительно примитивен, однако, имел все характерные для своего типа узлы, в т.ч. компрессор (центробежный с подпорной осевой ступенью), турбину (радиальную), выходное устройство. И работал он уже как полноценный воздушно-реактивный двигатель. Однако, эксплуатационные характеристики его оставляли желать лучшего.
Таковыми, впрочем, были все ранние ТРД, как проекты, так и построенные в металле. Малая тяга, низкий кпд, мизерный ресурс, невысокая надежность… Понятно, ведь это были только первые шаги, и все достижения на этом пути оставались еще впереди. Однако, так можно говорить сейчас, а тогда совершенно четких перспективы еще не были ясны.
Пожалуй, именно существование на начальном этапе некой неопределенности в дальнейшем развитии турбореактивных двигателей и желание поскорей найти более простую, но при этом полноценную, а главное столь необходимую альтернативу, позволившую бы улучшить характеристики летательных аппаратов, заставляло инженеров рассматривать другие варианты реактивных двигателей.
В одном из таких вариантов и был использован принцип комбинированности (или гибридности). Речь идет о мотокомпрессорном воздушно-реактивном двигателе (МКВРД) . В СССР такой тип двигателя в первой половине 40-х годов получил еще одно наименование — ВРДК (воздушно-реактивный двигатель с компрессором).
За рубежом он имеет несколько названий. Наиболее употребимое — motorjet (для сравнения ТРД – turbojet), менее употребимое (а также применяемое в немецком языке) – termojet. Есть еще несколько малоупотребимых названий — hybrid jets, piston-jets, compound engines, reaction motor, а также аfterburning ducted fan (канальный вентилятор с дожиганием), bypass ducted fan.
В турбореактивном двигателе наиболее нагруженным и сложным узлом является турбина . Она по большей части определяет предельную для конструкции температуру газа в камере сгорания, поскольку сама находится не только под ее воздействием, но еще и под нагрузкой от огромных по величине центробежных сил (рабочие колеса). Температура газа, в свою очередь, напрямую влияет на тягу.
Но при этом турбина в некотором роде второстепенна и саму тягу, так сказать, «не делает». Ее главное предназначение – создать мощность для вращения компрессора. То есть, мало того, что она сложна и в ТРД без нее не обойтись, но, если она сама по себе еще и невысокие характеристики имеет, то и двигатель высокими параметрами обладать не будет. Сплошные проблемы…
Чтобы от них избавиться, «проще всего» избавиться от самой турбины. А это как раз и есть случай мотокомпрессорного двигателя. Очень удобный в том плане, что в 30-х и начале 40-х годов еще не был накоплен опыт создания качественных авиационных турбин с относительно высокими параметрами.
Традиционно классическая мотокомпрессорная силовая установка состоит из трех главных частей : поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПД), компрессора и, если так можно сказать, упрощенного воздушно-реактивного двигателя. При этом компрессор приводится от поршневого двигателя (обычно через специальную трансмиссию или вал) и может быть различной типовой конструкции (чаще всего центробежный или осевой).
Компрессор обычно низко-напорный (по конструктивным возможностям). Вместо него также может быть использован высоконапорный вентилятор или, по сути дела, воздушный винт (или несколько) в кольцевой оболочке.
ВРД в этом комплекте действительно очень упрощен по сравнению с ТРД. Он не имеет ни собственного компрессора, ни, соответственно, турбины, и обладает только топливными форсунками (или их коллектором), через которые подводится топливо для нагрева поступающего воздуха, импровизированной камерой сгорания и выходным устройством для выхода газа (соплом). Причем с использованием и наличием камеры сгорания тоже возможны варианты (об этом ниже).
Таким образом, наружный воздух по специальному каналу поступает к внешнему компрессору, который вращается поршневым двигателем. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания где подогревается сжиганием топлива, и потом энерговооруженная газовая смесь проходит в для разгона и создания реактивной тяги.
В классическом варианте мотокомпрессорного двигателя упрощенный ВРД своим устройством и принципом действия напоминает прямоточный воздушно-реактивный двигатель или даже в большей степени форсажную камеру сгорания для ТРД и ТРДД. Именно при создании мотокомпрессорных двигателей был получен первый опыт, пригодившийся в дальнейшем при разработке ФКС.
По различным источникам вклад камеры сгорания МКВРД в создание тяги (помимо сжатия воздуха компрессором) оценивается от одной трети до половины от общей величины в зависимости от совершенства конструкции. Свой некоторый вклад в зависимости от варианта конструкции могут также вносить выхлопные газы ПД и тепло его корпуса.
Общесамолетная тяга от такой комбинированной силовой установки может быть получена не только за счет реактивной струи газов из ВРД, но и с помощью воздушного винта, приводимого поршневым двигателем (тем же, который вращает компрессор). Существуют различные примеры проектирования и постройки самолетов с МКВРД как с воздушным винтом, так и без него.
При использовании на самолете обоих типов движителей, и воздушного винта и реактивной тяги, прослеживается определенная универсальность. На малых скоростях (высотах) более выгодна работа с использованием воздушного винта, а на больших скоростях (высотах) — с использованием реактивной тяги. Высотно-скоростные возможности летательного аппарата возрастают.
Стоит сказать, что были и другие, уже значительно более совершенные компоновочные варианты мотокомпрессорных двигателей, например, в конце 30-х, в 40-х годах (в основном в Германии), когда они создавались параллельно с турбореактивными и полным ходом шла оценочная деятельность, чтобы понять, какой из двух принципов более приемлем. В такой версии все, традиционно отдельные, элементы классического моторджета объединялись в единый агрегат, внешне очень напоминавший ТРД (о примерах ниже). Однако, несмотря на похожесть, принцип работы оставался неизменен.
В качестве интересного дополнения …
Говоря об общем принципе устройства МКВРД, нельзя не упомянуть один любопытный факт. Вне зависимости от того знают ли люди, что такое мотокомпрессорный двигатель , или нет, практически каждый из них у себя дома имеет, можно сказать, его миниатюрную модель. Маломощную и для движения не предназначенную, но все же…
Это обычный бытовой фен . В нем, хоть и в примитивном виде, есть все необходимые элементы: вентилятор (мини-компрессор), нагреватель (камера сгорания) и даже сужающееся сопло, которое дует иной достаточно интенсивно и горячо:-)…
Направления…
Попытки внедрения «гибридности», приведшие в конечном итоге к постройке реально работающих образцов двигателей мотокомпрессорного типа имели место практически с первых шагов развития авиации, когда «летающие этажерки» более-менее прочно утвердились в воздухе.
При этом можно сказать, что в рамках самого типа существовало несколько направлений и вариантов конструкторских разработок, менявших конструкцию (а иногда и параметры работы), но не менявших основополагающего принципа работы двигателя.
Примером может служить несколько необычный проект двигателя французского инженера Рене Лорина (René Lorin), выполненный им в 1908 году. От упрощенного ВРД, который вроде как должен присутствовать в motorjet-е, в двигателе Лорина осталось только выходное устройство, то есть сопло.
Двигатель Рене Лорина.
Собственная камера сгорания, как, впрочем и отдельный компрессор, у двигателя, как таковые, отсутствовали. В сопло направлялись продукты сгорания после воспламенения топливо-воздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя.
То есть это был, по сути дела, каждый цилиндр которого имел собственное сопло для выхода выхлопных газов и, соответственно, генерации реактивной тяги. Понятно, что тяга формировалась импульсами, хотя, конечно, к ПуВРД этот факт отношения не имеет. Подразумевалось, что такие двигатели должны были устанавливаться прямо на крыло самолета.
Следующим по хронологии пожалуй стоит упомянуть известный экспериментальный самолет Coandă 1910 , сконструированный румынским инженером-аэродинамиком и изобретателем Анри Коандэ (румын. Henri Coandă), известным первооткрывателем эффекта Коанда .
Самолет Coanda 1910 на Парижской авиационной выставке в 1910 году.
Схема двигателя Коандэ. Система подачи и зажигания топлива, как и дополнительные КС не показаны. Показан предполагаемый подвод выхлопных газов ПД в поток.
Силовая установка располагалась в носовой части фюзеляжа. Она имела вид кольцевого канала-капота, передняя часть которого была оборудована , сжимающим поступающий воздух, расход которого через фронтальный воздухозаборник регулировался с помощью лепесткового устройства (Коанда назвал его обтюратором).
Компрессор имел скорость вращения около 4000 об/мин и приводился от рядного поршневого мотора Clerget (мощностью 50 л.с.), установленного в верхней части фюзеляжа сразу за воздушным каналом, через специальную трансмиссию.
Сам изобретатель вначале называл такую силовую установку «turbo-propulseur» (слово «turbo» здесь относится именно к компрессору), а впоследствии, когда воздушно-реактивные двигатели уже уверенно заняли ведущее место в авиационном двигателестроении, объявил его воздушно-реактивным мотокомпрессорным двигателем .
Примерно тогда же прозвучало высказывание о том, что Coandă 1910 был первым полетевшим самолетом на реактивной тяге, максимальная величина которой (около 220 кгс) составляла примерно половину от тяги вышеупомянутого Heinkel He 178.
Подразумевалось, что сжатый после компрессора воздух смешивался с топливом, которое сгорало, сообщая самолету увеличенную реактивную тягу. Топливо впрыскивалось в задних боковых частях воздушного канала и там же сгорало. В дальнейшем в некоторых источниках упоминались также некие дополнительные камеры сгорания по бокам фюзеляжа.
Элементы компрессора двигателя Коандэ.
Реплика самолета Coanda 1910. Установленный ПД не соответствует оригиналу.
Еще одна возможная схема двигательной установки самолета Coanda 1910.
Кроме того в патентных заявках оговаривался подвод выхлопных газов от поршневого двигателя на вход в воздушный канал, что могло повысить расход воздуха через двигатель и температуру потока.
Однако, заявления о камерах сгорания фактически появились уже в послевоенный период. Конструкция самолета, в этом плане крайне неудачная, вряд ли позволила бы использовать такую схему без риска пожара, который бы повредил деревянную конструкцию и совершенно незащищенного пилота.
Самолет был представлен на 2-ой Парижской авиационной выставке (октябрь 1910 года) без дополнительных камер сгорания и заявленной системы отвода выхлопных газов поршневого двигателя. Многие исследователи и авиационные специалисты, как в то время, так и в последние годы подвергали большому сомнению сам факт существования системы сжигания топлива в потоке на Coandă 1910.
Ставился под сомнение даже факт единственного полета этого самолета. Он состоялся 16 декабря 1910 года и закончился неудачно из-за повреждения системы управления (или невнимательности пилота).
По некоторым румынским источникам (и якобы со слов самого Коандэ) полет состоялся случайно. Инженер не собирался взлетать и просто проводил опробование двигателя. Неосторожно сдвинутые рычаги увеличили обороты компрессора и открыли обтюратор. Самолет начал разбег и взлетел.
Неожиданность, большое пламя выхлопа из-под капота и отсутствие опыта в пилотировании привело к потере контроля за скоростью и высотой. Самолет оказался на земле и загорелся. Сам инженер получил некоторые травмы. В дальнейшем из-за отсутствия средств самолет не восстанавливался.
Возможное распространение горячих газов от двигателя на самолете Coanda 1910.
Любопытно, что это происшествие иногда связывают с открытием впоследствии Анри Коандэ явления, названного его именем – эффект Коанда . Струя воздуха, выходящая из кольцевого сопла двигательной установки его самолета вместе с раскаленными газами после сгорания топлива как бы «прилипла» к фюзеляжу и повредила хвостовое оперение. Это якобы натолкнуло инженера на определенные мысли. Однако, так ли все это было на самом деле, мы, похоже, уже никогда не узнаем….
В этом деле есть еще один интересный момент. В то же время, к началу декабря 1910 года в Париже по заказу Великого князя Кирилла Владимировича (двоюродный брат императора Николая II) были построены аэросани , оснащенные двигателем Коандэ (он принимал в этом непосредственное участие), аналогичным по конструкции самолетному. Так вот, на этом устройстве не было дополнительного сжигания топлива, кроме как в самом поршневом двигателе.
Аэросани Великого Князя Кирилла (проект Коандэ).
И тем не менее… Сейчас, видимо, не так уже и важно присутствовала ли система сжигания топлива в воздушном потоке на двигателе Coandă 1910. Если была, то это был хоть и достаточно примитивный, но все же типичный моторджет с полным набором характерных конструктивных узлов. Если же не было, то все равно этот проект был достаточно близок к такому типу двигателей, а точнее к их определенному варианту, создающему так называемую «холодную тягу» .
Мотокомпрессорный двигатель с камерой сгорания, подогревая воздух, создает «гор ячую тягу» . Но если дополнительной камеры сгорания нет, то тяга как раз холодная. В этом случае некоторый подогрев может осуществляться только за счет сжатия воздуха в компрессоре (немного, но все же…), отвода в поток горячих выхлопных газов поршневого двигателя, а также за счет охлаждения корпуса ПД (если оба последних способа предусмотрены конструкцией).
Двигатель самолета Coandă 1910 мог быть достаточно близок к этому «холодному» варианту (если считать, что у него все-таки не было системы сжигания топлива в потоке, или же она не использовалась). Сам принцип расположения агрегатов, когда компрессор расположен впереди поршневого двигателя и обдувает его воздухом, иногда его еще называют «схемой Коанда».
Интересно, что у же в следующем, 1911 году был заявлен исследовательский проект русского инженера А. Горохова. Он представлял из себя классический вариант мотокомпрессорного двигателя с 2-мя камерами сгорания и компрессором приводимым в движение поршневым мотором. То есть двигатель генерировал как раз горячую тягу . При этом сам компрессор также представлял из себя поршневой агрегат, сжимавший воздух в цилиндрах и направлявший его в камеры сгорания.
Проект А.Горохова. 1 - воздухозабоник; 2 - компрессор; 3 - камеры сгорания; 4 - сопла; 5 - поршневой двигатель.
Варианты…
Однако позже, в 30-х и самом начале 40-х годов, существовали достаточно совершенные проекты моторджетов, работавших именно на холодной тяге.
Примером может служить немецкий двигатель HeS 60 , спроектированный объединенной компанией Heinkel-Hirth в 1941 году, как завершающая модель в целой линейке подобных двигателей. Этот агрегат не имел камеры сгорания.
Воздух сжимался (с некоторым повышением температуры) в собственном трехступенчатом осевом компрессоре. Также был организован выход в поток выхлопных газов 32-цилиндрового дизельного двигателя (мощность 2000 л.с.), который вращал компрессор и теплосъем с этого ПД. Далее сжатый воздух направлялся в управляемое створчатое сопло. Расчетная тяга достигала 1250 кгс.
Схема двигателя НеS-60.
На этой модели был предусмотрен отбор, при необходимости, части энергии потока на внутридвигательные нужды через специальную радиальную турбину.
Сам поршневой двигатель «встраивался» внутрь HeS 60. Такая схема была характерна для немецких проектов и в дальнейшем применялась также для проектов МКВРД , использующих горячую тягу (упомянуто ниже).
Принцип создания холодной тяги пробовали использовать, как один из режимов работы мотокомпрессорного двигателя, на различных экспериментальных самолетах, таких, например, как Focke-Wulf Fw 44 .
Схема двигателя BMW Flugmotorenbau для самолета Focke-Wulf Fw 44.
Схема самолета Focke-Wulf Fw 44 с установленным двигателем типа motorjet на холодной тяге.
Самолет Focke-Wulf Fw 44.
На нем специалисты компании BMW Flugmotorenbau в 1938 году вместо штатного двигателя и двухлопастного воздушного винта установили другой двигатель (Bramo 325 , позже 329), четырехлопастной вентилятор и направляющий аппарат с кольцевой оболочкой (по принципу импеллера). Воздух покидал двигатель через сужающиеся каналы кольцевого сопла.
Motorjet инженера Харриса. 1917 год.
В дальнейшем «холодная тяга» нашла свое применение в различных конструкциях реактивных двигателей, главным образом в турбореактивных , в особенности это касается двигателей.
А само понятие «motorjet» впервые было упомянуто еще в 1917 году в запатентованном проекте британского инженера Харриса (H.S. Harris of Esher). Этот проект представлял из себя классический мотокомпрессорный двигатель . В нем центробежный компрессор (А) приводился в движение двухцилиндровым поршневым двигателем (С).
Сжатый воздух направлялся в две боковые камеры сгорания (D), где впрыскивалось и сжигалось топливо (B), после чего газовый поток направлялся в сопла для создания тяги. Здесь Е — дополнительный эжектируемый воздух.
Разнообразие конструкторских разработок моторджетов иллюстрирует интересный проект известного британского конструктора Фрэнка Уиттла (Frank Whittle), созданный им в 1936 году. Свою схему он назвал «dual thermal cycle » (рисунок). В ней были предусмотрены два компрессора. Один, осевой, основной (B) в начале воздушного тракта, а второй, центробежный (F), в его конце. Осевой приводился в движение турбиной (С), которая в свою очередь вращалась от потока воздуха (Н), создаваемого задним центробежным компрессором.
А этот ЦБ компрессор, в свою очередь, приводился от поршневого двигателя (Е), который получал воздух (J) для своей работы от этого же ЦБ компрессора, а выхлопные газы (K) направлял в турбину для ее дополнительной раскрутки. Отработанный воздух из турбины (L) направлялся в канал сопла для получения дополнительной тяги.
Схема мотокомпрессорного двигателя Уиттла «dual thermal cycle».
Немецкие инженеры довольно много экспериментировали до начала 40-х годов на тему мотокомпрессорного двигателя. Существовала даже концепция возможного использования таких двигателей на дальних бомбардировщиках, способных достичь берегов Америки.
Проект двигателя фирмы Junkers «jet reaction plant».
Фирма Junkers разработала свой проект большого двигателя, получивший название «jet reaction plant ». В нем 4-х-ступенчатый осевой компрессор приводился от дизельного двигателя с блоком из 16-ти цилиндров. При этом воздух охлаждал корпус поршневого двигателя (тем самым нагреваясь), а в задней камере сгорания с ним смешивалось и поджигалось топливо, увеличивая конечную тягу.
Первый, реально летающий…
Разработкой мотокомпрессорных двигателей в тот период времени занимались инженеры различных стран. Через год после полета Heinkel He 178, в августе 1940 года в воздух поднялся еще один из числа первых реактивных самолетов. Это был итальянский Caproni Campini N.1/CC2 .
Но несмотря на «реактивность» на нем был установлен не турбореактивный двигатель, а именно классический motorjet . Движителем был сам ВРД, то есть самолет приводился в движение только за счет реактивной тяги, без использования воздушного винта.
Самолет Caproni Campini №1/СС2.
В составе motorjet-а был рядный поршневой двигатель Isotta Fraschini L.121/RC (версия, предусматривающая воздушное охлаждение, мощность 900 л.с.), который приводил трехступенчатый осевой компрессор, располагавшийся в носовой части фюзеляжа. Рабочие лопатки компрессора могли изменять угол установки с помощью гидравлики 1 .
————————
1 Примечание . К сожалению мне не удалось найти однозначную информацию о принципиальной конструкции компрессора. По одним источникам (итальянским) кроме трех ступеней ротора были и три ступени статора. То есть практически полноценный осевой компрессор. По другим статора не было, а были три ступени высоконапорного воздушного винта (вентилятора) изменяемого шага в кольцевой оболочке.
При этом первые две ступени (этого винта) повышали динамическое давление, а третья служила по большей части для «исправления» потока, то есть придания ему осевого направления для возможного уменьшения потерь при турбулизации. Ведь потоку предстояло еще добраться к выходному устройству через весь фюзеляж.
Но для нашей темы в целом суть этой конструкции в общем-то большой роли не играет. Принцип работы в любом случае остается тем же. Меняются только выходные параметры.
———————
Атмосферный воздух поступал в воздухозаборник (диффузорного типа), где тормозился с повышением статического давления. Затем давление (полное либо динамическое) повышалось в компрессоре (вентиляторе), после чего воздух обтекал корпус поршневого двигателя, нагреваясь сам и охлаждая ПД одновременно. При этом поток вбирал в себя его выхлопные газы, тоже с повышенной температурой, и поступал через фюзеляж в его хвостовую часть.
Конструктивная схема самолета Caproni Campini №1/СС2. Рекомендкется смотреть в увеличенном виде (кликабельна дважды).
Стабилизаторы пламени и топливные коллекторы в форсажной камере мотокомпрессорной силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2.
Здесь он, уже нагретый и сжатый, попадал в камеру сгорания, где его температура еще более повышалась и далее выходил в атмосферу через сопло, создавая реактивную тягу. Сопло управлялось посредством перемещения центрального тела с помощью гидравлики.
Сопло мотокомпрессорной силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2. Виден управляемый конус (центральное тело).
Первый (внутренний) контур направлял воздух для нагрева путем охлаждения ПД. Далее воздух смешивался с горячими выхлопными газами и потом с испаряющимся (благодаря температуре этих газов) топливом (бензин), после чего смесь воспламенялась от свечей. Это была так называемая первичная камера сгорания .
Нагретый первичный газ, продвигаясь по оси двигателя, испарял и поджигал подаваемую далее вторичную (или основную) порцию топлива (вторичная или основная КС), смешиваясь при этом с воздухом, подаваемым по второму (внешнему) контуру. Далее общий поток направлялся в реактивное сопло для создания тяги.
Проект самолета Nasa Jake"s Jeep (Кликабельно).
Предусматривалось одновременное использование обеих камер сгорания, использование только первичной, либо работа вообще без КС, на упомянутой уже холодной тяге. Это позволяло увеличивать время нахождения самолета в воздухе, а горячую тягу использовать только для форсированного набора скорости.
Этот проект постигла та же судьба, что и основную массу других из области motorjet-ов. Еще на этапе начальной отработки камер сгорания у него были проблемы. Но их решение не повлияло на конечные итоги проводимых работ. Да, видимо, и не могло повлиять, потому что уже существовали работающие и перспективные ТРД. В марте 1943 года программа именно по этой причине была закрыта.
«Летающие» ВРДК…
К середине 40-х реальную практическую конкуренцию (хоть и формально) многим существовавшим на Западе проектам летательных аппаратов с МКВРД составили советские самолеты с комбинированной силовой установкой такого же принципа. В СССР разрабатываемый тип получил еще одно название — ВРДК .
К тому времени все уверенней заявлял о себе турбореактивный двигатель. Создавались все более совершенные и выгодные в эксплуатации образцы. Если в 30-х годах мотокомпрессорными двигателями в различных их вариантах параллельно с другими ВРД достаточно массово занимались немецкие авиационные фирмы, то к 1941 году эта работа была прекращена практически полностью и конструкторы переключились на работу с ТРД, окончательно определив для себя цели в реактивном двигателестроении. Достаточно интенсивно подобного рода работы проводились также в Америке и Англии.
В СССР же работы по мотокомпрессорным двигателям (ВРДК) проводились еще с 1941 года. Примерно в это время в ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения) было организовано конструкторское бюро для отработки наивыгоднейшей схемы ВРДК . Бюро руководил известный инженер-конструктор Холщевников К.В .
Однако конструкторская деятельность без определения приоритетов велась достаточно неспешно (как впрочем и в отношении других типов реактивных двигателей). И только в 1944 году, когда в реальных боевых действиях «вдруг» стали появляться немецкие реактивные самолеты, все работы в этой сфере были активизированы. Тогда в системе наркомата авиационной промышленности даже был сформирован научно-исследовательский институт для работы над проблемами реактивного двигателестроения – НИИ-1 .
Истребитель И-250 с ВРДК.
Конструктивная схема самолета И-250. Показано расположение ВРДК.
В конце мая 1944 года КБ П.О.Сухого, а также А.И.Микояна и М.И.Гуревича было выдано задание на проектирование экспериментальных самолетов «с поршневым двигателем и дополнительным воздушно-реактивным двигателем с компрессором». Эти дополнительные «ВРД с компрессором» как раз и получили название ВРДК . Разрабатывались они в ЦИАМ группой Холщевникова.
В результате получились два летающих самолета: И-250 (по некоторым источникам МиГ-13 ) и Су-5 . Они имели принципиально аналогичную конструкцию силовых установок. Главным двигателем был поршневой ВК-107А (для Су-5 первоначально планировался двигатель М-107), от которого через специальный вал приводился осевой компрессор. Воздух в него поступал по каналу из носовой части фюзеляжа.
Камера сгорания являла собой по сути дела , и для постоянной работы не предназначалась. Тепло поршневого двигателя и его выхлопные газы в формировании реактивной тяги не использовались.
Таким образом ВРДК включался только временно, в случае необходимости резкого увеличения тяги, то есть выполнял функции ускорителя (или вспомогательного двигателя). Например для И-250 время его непрерывной работы составляло не более 10 минут. Используемое топливо – авиационный бензин.
Первоначальный проект Су-5ВРДК.
Поздний проект Су-5ВРДК.
При этом планировалась максимальная скорость на высоте около 7500 м для И-250 – 825 км/ч, для Су-5 – 795 км/ч.
Программа Су-5 была закрыта в 1946 году в числе других, признанных неперспективными. Работы по И-250 продолжались, так сказать, не смотря ни на что. И летом 1945 года даже было принято решение о постройке опытной серии из 10 самолетов. Однако, «смотреть-то» как раз было на что…
Камера сгорания (форсажная) ВРДК самолета Су-5.
Реактивное сопло мотокомпрессорного двигателя самолета Су-5.
И-250 по различным причинам крайне тяжело внедрялся в производство и оказался очень неудобен в эксплуатации из-за большого количества недоработок и поломок, касающихся именно ВРДК . К тому времени уже поступали в эксплуатацию реактивные МиГ-9 и Як-15 с ТРД. К концу госиспытаний И-250 полным ходом испытывался ставший впоследствии знаменитым МиГ-15 .
Таким образом судьба И-250 была предрешена. Даже опытная серийная десятка, выпущенная, кстати, с трудом и приключениями, так и не вошла (по некоторым источникам) в боевой состав авиации ВМФ, для которого была предназначена. В 1950 году самолет был официально выведен из эксплуатации.
Проекты ЦАГИ…
В инициативном порядке в ЦАГИ в начале 40-х (до момента образования НИИ-1) также разрабатывались несколько проектов самолетов с ВРДК (не воплощенных в жизнь, к сожалению). Цель этих проектов была задача отработки путей радикального увеличения скорости самолетов. Ее значение особенно возросло с началом Великой отечественной войны.
Некоторые из них…
Проект самолета С-1ВРДК-1 . Оборудован поршневым двигателем М-82 с ВРДК: компрессор осевой, камера сгорания (или форсажная камера), регулируемое сопло с центральным телом. Тяга создавалась только за счет реактивной струи. Воздушный винт не был предусмотрен. В качестве топлива использовался бензин.
Проект С-1ВРДК-1. 3 - компрессор; 5 - ПД; 7 - подача топлива в камеру сгорания; 11 - центральное тело регулируемого сопла.
По расчетам на высоте 4500 м скорость должна была достигать 800 км/ч, на 7500 м – 820 км/ч. По сравнению с винтовыми истребителями самолет обладал повышенной скороподъемностью, лучшими разгонными характеристиками и мог поддерживать стабильную максимальную скорость во всем диапазоне высот.
Для увеличения продолжительности полета использовался вариант холодной тяги . В этом случае топливо в камеру сгорания не подавалось. Воздух подогревался за счет теплосъема с поршневого двигателя и направления его выхлопных газов в общий поток по каналам фюзеляжа и далее в сопло.
В результате, при использовании камеры сгорания не более 15-20 мин за полет (и экономии тем самым горючего) время нахождения в воздухе могло быть увеличено до 3,5 часов, то есть такой самолет мог быть использован в качестве высотного барражирующего истребителя-перехватчика. Рассматривался также вариант двухдвигательного самолета с ВРДК .
Другой проект…. На базе истребителя Як-9 (мотор М-105ф) был разработан проект истребителя с ускорителем типа ВДРК. В хвостовой части установили камеру сгорания и трехступенчатый осевой компрессор, который через приводные валы и промежуточные редукторы приводился от ранее разработанного поршневого двигателя М-105РЕН (с системой дополнительных редукторов).
Проект Як-9ВРДК.
Однако, самолет оказался перетяжеленным из-за установки дополнительного оборудования. Мощность нового двигателя М-105РЕН оказалась ниже исходного М-105ф. Расчетная скорость по сравнению с Як-9 возросла всего на 80 км/ч, при этом боевые возможности уменьшились из-за требуемого демонтажа части вооружения. Проект был признан неудачным, хотя интересен сам факт его существования в плане приобретения практического опыта.
Несколько позже (к концу 1943 года) появился другой, более совершенный проект с ВРДК на базе Як-9. Он должен был оборудоваться высотным поршневым двигателем АМ-39ф , приводившим двухступенчатый компрессор ВРДК, направлявший сжатый воздух в камеру сгорания. По расчетам самолет мог достичь скорости 830 км/ч на высоте около 8100. Время полета при комбинированном использовании холодного и горячего режимов составляло около 2,5 часов, то есть самолет мог быть использован в качестве барражирующего истребителя- перехватчика.
Самолет (от Як-9) с ВРДК. Поршневой двигатель АМ-39Ф
Имел место также проект, предусматривающий установку ВРДК на самолет Ла-5. Здесь в качестве компрессора был использован одноступенчатый вентилятор, установленный перед двигателем (как на немецком поршневом двигателе BMW-801) с добавленным к нему направляющим аппаратом, что позволило сформировать практически полноценную ступень осевого компрессора. Схема проекта представлена на рисунке.
Схема самолета Ла-5ВРДК.
Существовали и другие интересные проекты в различных специализированных советских КБ…
Проводились, например, разработки двигателей, конструктивно несколько отличавшихся от традиционных ВРДК . Это были двигатели, в которых поршневой мотор интегрировался внутрь ВРД, оборудованного своим компрессором, и длинный приводной вал отсутствовал. Такой конструкции агрегаты проектировались в первой половине 40-х немецкими конструкторами (вышеупомянутый двигатель на холодной тяге HeS 60, а также jet reaction plant фирмы Junkers). После окончания войны их опыт и наработки были использованы в СССР.
В 1947 году разрабатывался уже достаточно совершенный двигатель «032» под руководством инженера-конструктора А. Шайбе на так называемом опытном заводе №2 в ОКБ-1 (Куйбышевская область). Это был один из «немецких» заводов, сформированный в 1946 году и занимавшийся газотурбинными двигателями (в частности ТВД), используя оборудование и специалистов, вывезенных из Германии.
Схема двигателя "032".
Двигатель был оборудован 10-ти цилиндровым звездообразным двухрядным встроенным ПД и регулируемым соплом. Расчетная максимальная тяга – 2000 кгс, номинальная — 1800 кгс. Габаритные размеры: длина 4,0 м, диаметр — 1,0 м. Топливо – керосин или газойль. Работы по двигателю были прекращены в том же 1947 году из-за бесперспективности в связи с явным преимуществом ТРД.
Японский вклад в «общее дело»…
Однако была еще одна страна, авиационные инженеры которой уделили определенное внимание внедрению мотокомпрессорных двигателей в эксплуатацию. Это Япония. Здесь все делалось из соображений крайней необходимости и, в общем-то, при существенном дефиците времени. Моторджет был выбран благодаря его простоте и достаточной для существовавших условий тяговой эффективности.
В конечный период 2-ой Мировой войны Япония для борьбы с военными кораблями ВМС союзников СССР (главным образом США) создали и начали использовать самолет-снаряд, управляемый летчиком-камикадзе. Это была модель Yokosuka MXY7 Ohka («Ока» – цветок сакуры).
Самолет-снаряд Ohka 22 c двигателем Tsu 11 (Аэрокосмический музей в Вашингтоне).
Однако этот летательный аппарат (точнее говоря его первоначально существовавший вариант Ohka 11 ) был оборудован ракетными двигателями, обладавшими большим начальным импульсом, но малым временем работы. Поэтому дальность самолета была невысока – около 36 км.
Столь малая дальность была большим недостатком, потому что носители самолетов-снарядов, бомбардировщики-торпедоносцы Mitsubishi G4M2 вынуждены были для запуска Ohka 11 приближаться к корабельным авианосным группам на малые расстояния, тем самым подвергая себя и свой груз риску быть сбитыми истребителями противника.
Такое часто и происходило, при этом погибал не только самолет-снаряд, но и бомбардировщик со всем экипажем. Из-за этих случаев, неоднократно происходивших, Ohka 11 даже получил от американских моряков прозвище Вака , что в японском означает «дурак», «идиот».
Для исправления этого недостатка и увеличения дальности требовался другой двигатель. Так как ни времени, ни особых ресурсов для его разработки уже явно не хватало, то японские инженеры обратили внимание на принцип мотокомпрессорного двигателя.
Камера сгорания двигателя Tsu-11 самолета Ohka-22.
Вид со стороны сопла. Самолет Ohka 22 (музей).
Поршневой двигатель из состава Tsu-11 и воздухозаборники компрессора.
Поршневой двигатель motorjet-а Tsu-11. Воздухозаборник компрессора.
В итоге получился МКВРД Ishikawajima Tsu-11 . Его воздушно-реактивная часть состояла из одноступенчатого осевого компрессора и камеры сгорания с выходным нерегулируемым соплом. Привод компрессора осуществлялся от 4-хцилиндрового перевернутого рядного поршневого двигателя Hitachi Hatsukaze НА-11 (НА-47, лицензия немецкого Hirth HM 504). Вход воздуха осуществлялся через два боковых воздухозаборника в хвостовой части фюзеляжа.
ВРД был очень прост, можно сказать примитивен. Его тяга составляла около 180 кгс, при этом по мнению американских инженеров, изчавших образец этого двигателя, вклад камеры сгорания в общую тягу был невелик. Большая часть тяги формировалась компрессором. Тем не менее дальность полета по сравнению с 11-ой моделью, увеличилась более, чем в три раза. Самолет получил наименование Ohka 22 .
Было произведено достаточно малое количество двигателей Tsu-11. Он так же планировался к установке на самолет Yokosuka MXY9 Shuka , который собирались использовать в качестве тренировочного для летчиков самолета-перехватчика с ракетным двигателем Mitsubishi J8M (морской вариант, Ki-200 – армейский вариант).
Однако, ни один из этих самолетов так и не полетел – война закончилась. Ohka 22 успели построить около 50 штук (11-я модель -755 штук). Один из двигателей Tsu-11 находится в Вашингтоне в Национальном Аэрокосмическом музее (NASM). Он смонтирован на восстановленный Ohka 22.
К концу сороковых интерес к мотокомпрессорным двигателям практически сошел на нет, и они исчезли из практического поля зрения авиационных инженеров. В дальнейшем были отдельные случаи использования его или его принципа работы, чаще всего малоизвестные, единичные и с большой авиацией уже никак не связанные.
Экспериментальная модель самолета (В-208Т) с мотокомпрессорным двигателем (кликабельно).
Двигатель такого типа в порядке эксперимента применялись (применяются и сейчас) в авиамоделировании (имитация ТРД) или разработке небольших беспилотных летательных аппаратов. Примером может служить так называемая программа «Рубикон» (1968-1978 г.г.) в СССР, посвященная разработке микро-двигателей на реактивной тяге и созданная тогда модель самолета В-208Т.
Эта модель была оборудована вентилятором (1) с направляющим аппаратом (2), приводимым во вращение обычным модельным компрессионным поршневым двигателем (3), и камерой сгорания (4).
Или совсем неавиационные разработки. Например, применение выходной газовой струи мотокомпрессорного двигателя для скоростной очистки поверхностей, а конкретней железнодорожных путей ото льда и снега. Это так называемый «Hornet Project» небольшой канадской фирмы Nye Thermodynamics Corporation (1998 год).
В этом устройстве применена жаровая труба от КС серийного и сторонний дизельный компрессор.
Двигательные установки на принципе моторджета иногда применяют сейчас для экзотических транспортных средств в различных автошоу и для рекордных заездов. В качестве компрессора применяют обычно автомобильные турбокомпрессоры или агрегаты им подобные.
Практически уже в наше время имели место идеи использования мотокомпрессорных двигателей на холодной тяге с интегрированными дизельными моторами на для малоразмерных аэротакси. Главным в этих идеях было использование последних достижений в авиационном двигателестроении, которые позволили бы сделать эксплуатацию выгодной и дешевой для рядовых пассажиров.
И все-таки…
И все-таки по факту для авиации эпоха моторджетов к 50-му году завершилась окончательно… Мотокомпрессорный двигатель изначально оказался как бы на рубеже двух эпох в развитии авиационного двигателестроения, на рубеже, где новые технологии приходят на смену старым. В этом состояла и его сила, и его слабость одновременно, и все, казалось бы только что созданные, проекты очень быстро устаревали.
В этот же период времени (30-е годы) на подъеме были и работы по созданию турбокомпрессоров (тurbojet), но все же имевшийся уровень научных знаний, технологий и развития металлургии не давал возможности создать одновременно совершенную, долговечную, мощную и надежную газовую турбину (как в современных ТРД).
При этом идея motorjet-а, как двигателя формирующего воздушно-реактивную тягу оказалась достаточно революционна и имела очевидные преимущества. При хорошем выборе мощности поршневого двигателя, достаточной производительности компрессора (по расходу воздуха и по степени сжатия), правильном подборе и слаженой совместной работе камеры сгорания и сопла тяга мотокомпрессорнного двигателя вполне могла быть больше тяги винта одного поршневого двигателя.
Плюс к этому надо не забывать о факте падения тяги воздушного винта со скоростью, что не свойственно ВРД (а значит и МКВРД).
К тому же, в соответствии со всем этим, первые ТРД имели очень малый эксплуатационный ресурс. Motorjet мог в этом плане также иметь преимущество. Ведь его надежность и долговечность (в сравнении с ТРД) по большей части зависела от хорошо отработанного ПД и достаточно простой камеры сгорания. Поэтому интерес к такому двигателю был вполне закономерен.
Однако, вышеупомянутая переходность двигателя определила и его существенные недостатки, делавшие в конечном итоге (и в особенности после быстрого внедрения ТРД) его дальнейшее использование попросту нецелесообразным.
Рабочие процессы в комбинированной силовой установке, работающей по принципу мотокомпрессорного двигателя , описываются сразу двумя термодинамическими циклами. Поршневой двигатель – это цикл Отто , а для ВРДК – цикл Брайтона .
Как известно, чем выше давление в цикле, тем выше его работа, а значит и получаемая мощность. При высоком давлении более качественно протекают тепловые процессы в камере сгорания, повышается полнота сгорания, а значит снижается потребность в топливе и растет экономичность.
Полноту полезного использования тепла, полученного при сжигании топлива, характеризует термический кпд цикла
. Он напрямую зависит от степени сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания. Чем выше степень сжатия, тем выше кпд.
Для поршневого двигателя степень сжатия характеризует такая величина, как «компрессия», а для воздушно-реактивного двигателя с компрессором – это π к , то есть степень повышения давления в компрессоре.
И вот как раз получение высокого π к при помощи компрессора ВРДК оказалось делом затруднительным. Одна из причин тому – несовершенство применяемых компрессоров. Сложность технологий, недостаточный уровень (по сравнению с настоящим временем) инженерных и конструкторских знаний в области создания осевых компрессоров заставлял применять в основном центробежные компрессоры, в некоторых случаях даже вентиляторы (воздушные винты) в кольцевых оболочках.
Осевые компрессоры стали чаще появляться только в немецких проектах конца 30-х, первой половины 40-х. Но и таким агрегатам, чтобы создать большее сжатие надо иметь большее количество ступеней, а значит большие размеры и массу, что не всегда позволительно (еще одна причина низкого π к ).
Одна ступень хорошего ЦБ компрессора в принципе может обеспечить относительно высокую степень повышения давления, однако при этом пропускная способность ее в 2,5- 3 раза меньше, чем у осевого компрессора (при прочих равных условиях). А пропускная способность – это расход воздуха, один из главных параметров любого ВРД. Он прямо пропорционален тяге.
Более того, сжатие – тяжелая работа. Чем большую степень сжатия мы хотим получить и обеспечить больший расход воздуха, тем большую работу должен совершать агрегат, приводящий компрессор.
Для случая ВРДК – это поршневой двигатель, и для него большая мощность напрямую означает большую массу. Масса – один из главных недостатков мотокомпрессорной силовой установки, в которой для привода в общем-то маломощного компрессора применяется совершенно отдельный массивный агрегат (ПД). Вдвойне хуже, если привод компрессора – его единственная функция, то есть воздушный винт не используется.
В этом плане газовая турбина турбореактивных двигателей (особенно современных) находится в значительно более лучшем положении. При относительно малой массе и габаритах (компактна), находясь в составе единого агрегата, она совершает очень большую работу по приводу компрессора (а также часто массивного вентилятора в ), сжимающего и пропускающего через двигатель большие массы воздуха.
В итоге при всех возможных плюсах имеем: невысокая степень сжатия, низкий кпд, низкая экономичность (как впрочем у любой форсажной камеры), достаточно малый расход воздуха и большая масса. Вполне понятно, что конкуренция с турбореактивным двигателем мотокомпрессорному была бы не по плечу. Впрочем ее практически и не было.
Ни один из самолетов, оборудованных motorjet-ом, по сути дела не был в «серьезной» эксплуатации. Все они, даже дошедший до мелкой серии И-250, так, в общем-то, и остались опытными, своего рода демонстраторами иных, к сожалению, не совсем удачных технологий.
Историю, как известно, пишут победители…
В данном случае своего рода победителем стал ТРД, вполне, впрочем, заслуженно. При этом мотокомпрессорный двигатель оказался в некоторой тени, так что, как уже говорилось, даже не все (особенно люди в авиационном смысле неискушенные) о нем знают.
Однако, на самом деле он стал важным звеном в истории развития авиации. Это факт, значение которого нельзя преуменьшать. Практика использования для современных ТРД (ТРДД) берет свое начало, по сути дела, с первых motorjet-ов. Достаточно вспомнить камеру сгорания двигателя самолета Caproni Campini N.1.
Второй контур современных турбовентиляторных двигателей, благодаря которому они высокоэкономичны и малошумны – своего рода воплощение мотокомпрессорных двигателей с так называемой холодной тягой.
Таким образом, вопреки мнению некоторых историков авиации, касающегося примитивности и неактуальности motorjet-ов, представляющих из себя тупиковую ветвь развития ВРД, они все-таки заслуживают уважительного к себе отношения и занимают заметное место в ряду мировых авиационных достижений.
—————-
В заключение еще один ролик от «Hornet Project» и иллюстрации по теме, которые не вошли в основное повествование.
До новых встреч…
Схема расположения силовой установки самолета Caproni Campini №1/СС2.
Проверка работы форсажной камеры двигателя самолета Caproni Campini № 1/CC2. Фюзеляж расстыкован.
Демонстрация включения форсажа на самолете Caproni Campini №1/CC2 при расстыкованном фюзеляже.
Самолет Caproni Campini №1/СС2 в музейной экспозиции.
Турбореактивный двигатель HeS-3.
Схема мотокомпрессорной силовой установки самолета И-250.
Самолет И-250 (МиГ-13).
Самолет-снаряд Ohka 22 в Аэрокосмическом музее.
Процесс монтажа двигателя Tsu-11 на самолет Ohka-22 (аэрокосмический музей).
Воздухозаборник двигателя Tsu-11.Виден компрессор.
Самолет Су-5 с ВРДК.
Еще один проект самолета с мотокомпрессорным двигателем КБ Сухого.
Аэросани с двигателем Коандэ.
Внутреннее устройство аэросаней с двигателем Коандэ.
Камера сгорания, работающая как составляющая мотокомпрессорного двигателя (проект Hornet).
Схема двигателя "032", вид на поршневой двигатель.
