Воздушно-реактивные двигатели - Карл Гильзин

Следует заметить, что автоматическая уборка в полете защитных сеток не является одновременно и решением проблемы борьбы с обледенением двигателя в полете. Если полет происходит во влажном воздухе при низкой температуре, в облаках и т. д., то образование льда может происходить не только на входных сетках, но также и на внутренних стенках входного канала, в топливных фильтрах и т. п. Это обычно приводит к перебоям в подаче топлива, уменьшению тяги двигателя из-за уменьшения количества протекающего через него воздуха и другим ненормальностям в работе двигателя. Наибольшую опасность при этом представляет попадание скалывающихся кусков льда в компрессор, в результате чего двигатель может выйти из строя. Неудивительно, что для борьбы с обледенением двигателя в полете приходится прибегать к специальным антиобледенительным устройствам, усложняющим двигатель. Иногда, например, для этой цели стенки входного канала двигателя и находящиеся в нем стойки, входные направляющие лопатки и другие детали делаются полыми. Внутри них в этом случае циркулирует горячий воздух, отводимый из компрессора.

Но особенно много хлопот доставило конструкторам явление, наблюдаемое при работе турбореактивного двигателя и получившее название «помпаж». Об этом явлении упоминалось выше в связи с проблемой увеличения степени повышения давления компрессора. Внешне оно проявляется тем, что иногда на некоторых режимах работы, именно на режимах пониженной тяги и при запуске, двигатель начинает трясти. С каждой секундой эта тряска усиливается, а тяга двигателя становится неустойчивой, она резко и сильно колеблется. Если не вмешаться и не изменить режима работы двигателя, то помпаж может привести к его разрушению. Выяснилось также, что помпажный режим работы (или помпаж) особенно опасен для двигателя с многоступенчатым компрессором, имеющим высокую степень повышения давления, а такие компрессоры характерны для новейших мощных турбореактивных двигателей. Природа помпажа в настоящее время в основном установлена: его возникновение обычно связано с нарушением нормального обтекания воздухом лопаток компрессора в тех случаях, когда объемный расход воздуха через двигатель резко уменьшается. Поэтому помпаж возникает при запуске и на режимах уменьшенной тяги. Для борьбы с ним применяются различные противопомпажные устройства. Так, например, на опасных с точки зрения возникновения помпажа режимах часто осуществляется перепуск воздуха из первых ступеней компрессора через специальные окна в корпусе прямо в атмосферу. Это позволяет увеличить объемный расход воздуха через первые ступени компрессора по сравнению с общим расходом воздуха через двигатель. При этом опасность возникновения помпажа уменьшается, так как его появление обычно связано с нарушением обтекания лопаток именно первых ступеней компрессора. Однако до сих пор проблему помпажа нельзя считать решенной полностью. Конструктор, забывший о помпаже и не предусмотревший при конструировании двигателя специальных противопомпажных устройств, рискует столкнуться с этим неприятным явлением при испытаниях готового двигателя, когда внесение всяких конструктивных изменений затруднено.

Турбореактивный двигатель уступает поршневому авиационному двигателю в приемистости; над устранением этого недостатка немало пришлось потрудиться конструкторам. Под термином «приемистость» понимается очень важное эксплуатационное качество авиационного двигателя — способность быстро переходить с режима малого газа, или холостого хода, на режим максимальной мощности.

При эксплуатации самолета часто возникает необходимость в резком увеличении мощности двигателя. Для иллюстрации можно привести пример, когда летчик при посадке самолета в самый последний момент перед приземлением выясняет, что садиться почему-либо нельзя. При этом требуется сразу перевести самолет на набор высоты, для чего необходимо резко увеличить скорость полета, так как посадка производится на наименьшей возможной скорости, при работе двигателя на режиме малого газа. Поршневой двигатель вполне обеспечивает выполнение этого требования, так как обладает хорошей приемистостью. Перевод поршневого двигателя с режима малого газа на взлетный режим может быть осуществлен не более чем за 1 —1,5 секунды, при этом двигатель работает без перебоев, надежно.

Иначе реагирует на резкие действия рычагом управления газом турбореактивный двигатель.

В первый период развития реактивной авиации было немало случаев, когда из-за резкого действия рычагом газа двигатели «глохли», самовыключались и, что еще хуже, из-за этого на самолете часто возникал пожар. Объяснялось это тем, что при быстром передвижении рычага управления газом вперед в сторону увеличения тяги подача топлива резко увеличивалась, а увеличение расхода воздуха через двигатель происходило медленнее. В результате топливовоздушная смесь переобогащалась топливом, температура газов, выходящих из камеры сгорания на лопатки турбины, возрастала, лопатки сгорали и турбина выходила из строя. Поэтому инструкции по эксплуатации турбореактивных двигателей категорически требовали от летчика медленного, плавного передвижения вперед рычага управления газом.

На первых порах, пока решалась проблема улучшения приемистости турбореактивного двигателя, иногда принималось компромиссное решение. Оно заключалось в том, что в систему управления газом вводились специальные «автоматы приемистости», и как бы стремительно летчик не передвигал рычаг управления, перевод двигателя с одного режима на другой осуществлялся с помощью этих автоматов плавно, постепенно.

В настоящее время нет нужды в таких автоматах. Проблема приемистости в основном решена: современный турбореактивный двигатель мало уступает в этом отношении поршневому.

За годы, прошедшие со времени появления первого турбореактивного двигателя, он стал высокосовершенной машиной. Улучшились основные технические показатели двигателя, его технические данные. Ныне турбореактивный двигатель уверенно занял ведущее положение среди всех авиационных двигателей.

И только температура газов, поступающих из камеры сгорания на лопатки турбины, осталась практически такой же, как и в первых двигателях, или выросла крайне незначительно: она до сих пор не превышает 850—900° С.

Но, может быть, в увеличении этой температуры и нет нужды? Может быть, именно поэтому и не ведется борьба за повышение температуры газов?

Нет, дело обстоит не так. Повышение температуры газов имело бы большое значение для дальнейшего совершенствования турбореактивного двигателя. Ведь чем горячее газы, поступающие на лопатки турбины, тем больше и тяга двигателя. Это связано с отмечавшимся выше свойством газов: чем выше их температура, тем большую работу они совершают при одном и том же расширении. Поэтому, когда температура газов, поступающих в турбину, растет, турбина оказывается в состоянии развивать прежнюю мощность при меньшем расширении газов. Это значит, что из турбины газы выходят, имея более высокое давление и температуру. Естественно, что вследствие этого растет скорость истечения газов из двигателя, а вместе с ней и тяга.

Тяга, развиваемая двигателем, является важнейшей его характеристикой, ибо чем больше тяга, тем больше скорость полета. Поэтому совершенствование турбореактивного двигателя было неразрывно связано с увеличением его тяги: если первые двигатели развивали тягу 700—800 кг, то тяга, развиваемая современными двигателями, в 5—10 раз больше. Однако увеличение тяги турбореактивного двигателя путем увеличения температуры газов достигается за счет значительного ухудшения экономичности двигателя, т. е. увеличения удельного расхода топлива на килограмм тяги. Для повышения температуры газов приходится сжигать больше топлива, а тяга хоть и увеличивается, но медленнее, чем необходимый расход топлива.

Значит ли это, что не имеет смысла увеличивать тягу двигателя путем повышения температуры газов?

Конечно, такой способ увеличения тяги нерационален, если рассчитывать на работу двигателя при повышенной температуре газов длительное время, так как это приведет к большому перерасходу, топлива. Но в полете нередко возникает необходимость кратковременного увеличения тяги, или, как говорят, форсирования двигателя. Так, например, летчик самолета-истребителя пользуется этим для того, чтобы быстрее набрать большую высоту и перехватить врага, или же для того, чтобы увеличить скорость полета — с целью догнать его. Летчик самолета-бомбардировщика использует «форсаж» для того, чтобы увеличить скорость полета, ибо большая скорость и большая высота полета являются лучшими защитниками от огня зенитной артиллерии. В этих случаях даже значительное увеличение тяги двигателя не вызовет большого перерасхода топлива, так как двигатель работает с увеличенной тягой лишь кратковременно.