Чтение онлайн

Исключением является французский двухконтурный одновальный двигатель военного назначения М-53. Здесь пошли на снижение эффективности компрессора высокого давления ради уменьшения количества трудноохлаждаемых «горячих» опор-подшипников — двигатель применяется на сверхзвуковом самолете, да и степень двухконтурности у него невысокая, соответственно невелика и разница диаметров вентилятора и компрессора.

Кроме того, со сжатием воздуха в каждой последующей ступени повышается его температура, а следовательно, увеличивается скорость звука. Поэтому мы можем допустить увеличение окружной скорости в каждой последующей ступени ротора компрессора без боязни увеличения волновых потерь. То есть теоретически каждую следующую ступень компрессора желательно вращать с большей окружной скоростью — уровень волновых потерь это допускает. Иначе, сколько ступеней компрессора — столько должно быть роторов с точки зрения минимизации числа ступеней. Но… при этом кратно увеличивается количество подшипниковых опор, нормальную работу которых при больших окружных скоростях и высоких температурах обеспечивать трудно. Таким образом, один-два ротора для одноконтурного и два-три ротора двухконтурного двигателя — это устоявшаяся практика. При этом в случае длинных валов их часто делают разрезными, каждый на двух опорах. Поэтому даже при двух роторах количество опор может быть не четыре, а больше — например, семь (по две на каждый компрессор, три — на две турбины, где одна из опор — общая, межвальная).

Так вот, при проектировании JT9D отказались от разрезных валов, приняв решение: два ротора — четыре подшипниковых узла. Все бы хорошо, но вскоре оказалось, что «паразитные», «лишние» опоры в разрезных валах через свои силовые связи подобно обручам увеличивали жесткость корпусов двигателя. Как только их убрали, корпус компрессора стало «корежить», превращая его из круглого в овальный. А из-за этого пришлось увеличивать радиальные зазоры между лопатками компрессора и корпусом и катастрофически терять кпд. Корпус компрессора на двигателе JT9D пришлось усиливать с помощью продольной балки-«ухвата», ставшей с тех пор атрибутом двигателей с большой степенью двухконтурности. В общем, классическая ошибка конструктора, обусловленная, как уже отмечалось, всегдашней нехваткой времени. Все просчитать невозможно, и многие решения принимаются интуитивно.

Ниже в таблице без комментариев представлены три наилучших компрессора конца 1950-х гг., воплощающих в себе разные приоритеты (школы) проектирования: минимальное количество ступеней (а следовательно, и массы, и стоимости), максимальную степень сжатия, оптимальное сочетание того и другого. Чем выше степень сжатия в двигателе, тем он экономичнее. Выбирайте, что вам нравится. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Для сравнения в последней строке таблицы представлен достигнутый на сегодня (XXI век) уровень проектирования компрессоров. ЕЗЕ — это европейский газогенератор, «сердце» перспективных двигателей следующего поколения, проектируемых на выполнение «трех Е»: эффективность, экология и энергосбережение. В этом проекте реализованы все последние достижения науки и техники в области авиационного двигателестроения. Следует отметить, что немецкие аэродинамики и конструкторы сохранили свои ведущие позиции в проектировании компрессоров и сегодня.

Двигатели Р11 -300 и J-79-GE были самыми массовыми в истории реактивной авиации и не в последнюю очередь благодаря конструкции своих компрессоров. Р11- 300 было произведено в разных странах около 20 тыс. штук, a J-79-GE, тоже включая лицензионное производство (вплоть до 1993 г. в Израиле), — около 17 тыс. штук.

Таким образом, в мире сложилось две школы проектирования компрессоров турбореактивных двигателей: двухвальные малоступенчатые и одновальные многоступенчатые. К первой школе принадлежали «Пратт-Уитни» в США и ОКБ-300 в СССР. Ко второй школе — соответственно, «Дженерап Электрик» в США, ОКБ-36 (Добрынин), ОКБ-165 (Люлька), ОКБ-19 (Соловьев) в СССР. Далее оказалось, что при повышении температуры газа перед турбиной и связанным с этим переходом к двухконтурной схеме двигателя в выигрыше оказалась последняя школа. Ее разработки компрессоров, по сути, не претерпели изменений при постановке на своем валу впереди компрессора низкого давления (вентилятора и «бустера» — подпорных ступеней). А вот сторонникам первой школы пришлось заново разрабатывать многоступенчатый компрессор… или переходить на трехвальную схему. Но и в последнем случае компрессор нужно было разрабатывать заново: трансмиссия (вал вентилятора) не проходил через втулочное сечение малого диаметра компрессора. Так вторая школа получила конкурентное преимущество во времени.

Поучительна история «взлета и падения» советского ОКБ-300. «Отец-основатель» ОКБ-300 А.А. Микулин был личностью незаурядной. Не имея высшего инженерного образования, он сумел, используя природный талант и практические знания, полученные в конструкторской школе Н.Р. Брилинга (КБ в НАМИ), вырваться вперед в первой фазе инновационной волны поршневого авиационного моторостроения, организовав разработку (из того, что было) модификации лицензионного БМВ-VI. Как мы помним, эта разработка получила индекс АМ-34. Следующим рискованным, но удачным ходом оказался рекордный беспосадочный перелет В.П. Чкалова через Северный полюс в Америку на одномоторном (АМ-34) туполевском самолете АНТ-25. Так А.А. Микулин завоевал авторитету Сталина, который он использовал «на всю катушку», правда, для дела. Репрессии 1930-х его миновали. Как он сам объяснял причину этого своему сыну: «меня охраняло то, что я никогда не рассказывал, что я видел, у кого бывал, что слышал» (Берне, с. 270). В войну модификация микулинского мотора АМ-38 стояла на знаменитом штурмовике Ил-2. В совокупности это стало «охранной грамотой» для Микулина. Имея прямую телефонную связь со Сталиным, установленную по его указанию, и личные неформальные контакты с высшим руководством (с тем же всесильным Л.П. Берией) на отдыхе, Микулин мог себе позволить и позволял многое. В первую очередь это касалось влияния на выделяемые ресурсы для своего ОКБ. Очевидно, что неизбежный при этом «обход» бюрократической иерархии в лице министра авиапрома не добавлял ему доброжелателей в этом слое управленцев. Как только Сталин ушел из жизни, в 1955 г. Микулина сняли с работы. Но в этом отстранении его от руководства ОКБ были и объективные причины. Микулин по своему складу личности был изобретатель, он и прославился именно как изобретатель, попав в резонанс первой фазы инновационной волны, когда бал правят «изобретатели». Но к 1955 г. начинается доминирование «инженеров», когда требуется и системное мышление, и планирование результата, и долгая «нудная» работа по доводке. Время Микулина ушло.

Если посмотреть на ряд микулинских, вернее, ОКБ-300 разработок турбореактивных двигателей, то мы увидим восемь моделей, начиная от первенца АМТКРД-01, в серию не пошедшего, и далее серийные АМ-3 (РД-ЗМ), АМ- 5 и его модификации (АМ-7, РД-9Б (АМ-9), удачный и передовой для своего времени массовый Р11 -300 (АМ-11) и его модификации (Р13-300 (AM-13), Р29-300 (АМ-29), P95LLI), специфические почти гиперзвуковой Р15-300 (AM-15) и вертикального взлета Р79-300. Урожай солидный! Автор намеренно оставил в скобках индексацию AM даже в тех моделях, которые не сохранили ее после увольнения Микулина, чтобы подчеркнуть преемственность разработок. Микулин, являясь психологическим типом «изобретателя», конечно, органически не мог заимствовать уже готовое и известное. Задачу конкретной реализации идеи турбореактивного двигателя он попытался решить самостоятельно, сознательно не вступая в контакте немецкими инженерами, очутившимися после войны в СССР. Для психологического типа «инженера» это поведение — иррационально. «Инженер», как пчела, собирает информацию, где только можно. А для «изобретателя» — естественно.

Компрессор авиационного ГТД (13 ступеней, степень сжатия 16).

Так появился первый оригинальный микулинский турбореактивный двигатель АМТКРД-01, особенностью которого была «слоеная» компоновка компрессора и камеры сгорания — камера сгорания располагалась над компрессором, а поток воздуха имел два поворота на 180°: за компрессором он разворачивался в обратную сторону по внешней стороне корпуса, проходил до начала компрессора, затем вновь разворачивался и заходил в камеру сгорания на большем радиусе. В осевом направлении такая компоновка была очень компактной, но в радиальном имела большой «лоб» и, с учетом внешнего сопротивления, не давала никаких преимуществ. Такая конструктивная схема двигателя хороша для… танка, но не для самолета. Кстати, в 1944 г., когда немцы занялись проектированием газотурбинного танкового двигателя, такая схема рассматривалась ими. На этом примере изобретатель Микулин виден как на ладони. Оригинальное решение частной задачи, отсутствие системного подхода, когда решения надо «взвешивать», находить компромисс. То же можно было наблюдать и при создании еще поршневого АМ-34: двигатель получился мощный как и задумывался, но и тяжелый одновременно — перехода на новый технический уровень не произошло.

Безусловно, крупным успехом ОКБ-300 было создание АМ-3 для «европейского» по радиусу действия (т. е. бомбежки Европы) бомбардировщика Ту-16. Но, как свидетельствуют очевидцы, основную работу по его конструированию и доводке осуществили заместители главного конструктора С.К. Туманский и П.Ф. Зубец. Любимым же детищем Микулина была сильно уменьшенная модель АМ-3, а именно АМ-5.

К 1955 г., когда вовсю шли работы по созданию оригинального AM-11, получившего окончательное обозначение Р11-300, спорадическая деятельность «изобретателя» Микулина вошла в противоречие с тяжелой и «нудной», но системной работой по доводке двигателя. Нужно было кадровое решение — это было понятно всем. Была назначена комиссия под председательством В.Я. Климова, по результатам которой Микулин и был отстранен от работы. Его попытки пройти «по верхам», заручившись поддержкой Г.М. Маленкова, некогда курировавшего авиапром и хорошо знавшего Александра Александровича, окончились неудачей. Буквально накануне Пленум ЦК снял Маленкова с работы по предложению набиравшего силу Н.С. Хрущева. Вместо Микулина главным конструктором был назначен его первый заместитель С.К. Туманский. Этому, конечно, помогло и то, что Туманский тоже имел влиятельных друзей-однокашников по учебе в Академии им. Жуковского: замминистра авиапрома П.В. Дементьева и зам. главкома ВВС по вооружению А.Н. Пономарева, брата всесильного секретаря ЦК Б.Н. Пономарева.

Туманский сосредоточил усилия ОКБ-300 на двигателе Р11 -300, разбросав остальную тематику по филиалам, вскоре ставших полноценными ОКБ. Тематику АМ-3 и его модификации передали в ОКБ-16 в Казани, куда переехал и П.Ф. Зубец. Он-то и довел этот двигатель по ресурсу, тяге и снизив его массу до известного нам успешного РД-3М, а позже разработал на его базе двигатель «16–17» для мясищевского «бомбера» М-50.

Двигатель РД-9Б (для МиГ-19) передали в Уфу, где вскоре (в 1956 г.) выехавший туда из ОКБ-300 В.Н. Сорокин, бывший ведущим конструктором по первому микулинскому АМТКРД-01, восстановит ОКБ. Впоследствии это ОКБ разработает модификацию Р11-300, получившую индекс Р13-300, затем Р95Ш («Ш» — штурмовик, т. е. Су-25) и, наконец, двигатели для крылатых ракет.

На Тушинском заводе, где серийно производился микулинский АМ-5 (для перехватчика Як-25), тоже будет создано СЖБ-500, главным конструктором которого вначале будет Н.Г. Мецхваришвили, а затем (с 1967 г.) более известный К.Р. Хачатуров. Последний продолжит линию Р11-300, разработав на его основе двигатель Р29-300 (для МиГ-23).

А на московской площадке после Р11 -300 в 1960-е гг. будет создан совершенно другой, новый двигатель Р15БФ2-300 для нового перехватчика МиГ-25.

Таким образом, в середине 1950-х десятилетнее доминирование ОКБ В.Я. Климова в нише двигателей для реактивных истребителей сменится следующим десятилетним лидерством ОКБ-300 под руководством С.К. Туманского. ОКБ-165 А.М. Люльки в это время переживает трудное время — ниша двигателей для боевых самолетов воздушного боя занимается ОКБ-300. Поговаривают (1954 г.) о возможном закрытии ОКБ-165. А климовское ОКБ-117 в 1960-е гг. уходит в нишу разработок вертолетных и танковых двигателей (ГТД-1000 для Т-80), где добивается крупного успеха. Этот успех неразрывно связан с именем преемника В.Я. Климова — главным конструктором С.П. Изотовым. В сравнении с мощными двигателями для истребителей, а тем более для бомбардировщиков вертолетные двигатели имеют маленькую размерность, т. е. малые геометрические размеры лопаток компрессора и турбины. Это создает трудности как для производства, так и для эксплуатации таких двигателей. Тонкие, миниатюрные лопатки компрессора очень чувствительны к эрозионному износу, чего в полной мере «нахлебались» американцы во вьетнамской войне, когда поднимаемая винтом вертолета кремнистая пыль засасывается компрессором двигателя. Лопатки быстро истончаются до толщины листа бумаги — ресурс оказался совсем не такой, как было заявлено, и расходовался он по-другому. Пришлось срочно разрабатывать циклонную очистку воздуха с потерей мощности на прокачку. В производстве — тоже проблемы: при сборке требуется обеспечивать очень маленькие уровни дисбалансов ротора. Динамическая балансировка ротора вертолетного двигателя-это настоящий «хай-тек». Маленькие размеры лопаток турбины накладывают серьезные ограничения на литье охлаждаемы хлопаток и тем самым на достижимый уровень температуры газа перед турбиной, а вместе с ней и на экономичность двигателя. В общем, желающим освоить эту нишу есть над чем поработать.