Страница 18 из 34
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.
В настоящее время очень многие турбореактивные двигатели военных самолетов снабжаются специальными приспособлениями для такого кратковременного увеличения тяги. Эти приспособления называются форсажными камерами. В форсажной камере (рис. 37), устанавливаемой в задней части двигателя за турбиной, имеются топливные форсунки. Когда нужды в увеличении тяги нет, газы проходят через форсажную камеру как через выхлопную трубу. Если же нужно форсировать двигатель, т. е. увеличить его тягу, то через форсунки форсажной камеры в поток газов, вытекающих из двигателя, впрыскивается топливо. Так как в газах всегда имеется некоторое количество свободного кислорода, то топливо сгорает; при этом температура газов в камере увеличивается и скорость их истечения из двигателя, а значит, и тяга двигателя растет.
Рис. 37. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой:
а — общий вид; б — устройство форсажной камеры
Такой способ форсирования двигателя, как было указано выше, невыгоден, в особенности при сравнительно небольшой скорости полета, так как при этом значительно увеличивается расход топлива. Увеличение расхода топлива могло бы быть гораздо меньшим, если бы дополнительное топливо впрыскивалось не за турбиной, где давление газов понижено в результате расширения их в турбине, а перед нею, т. е. в камере сгорания. Ведь чем сильнее расширяется нагретый газ, тем больше получается добавочная работа, связанная с повышением температуры. Это только один пример того, что повышение температуры газов перед турбиной может оказаться выгодным.
Другой пример связан с турбовинтовым двигателем. Оказывается, повышение температуры газов перед турбиной этого двигателя особенно выгодно. Когда турбина приводит во вращение воздушный винт, то повышение температуры газов перед турбиной не только увеличивает мощность двигателя, но даже, в противоположность турбореактивному двигателю, улучшает его экономичность, т. е. уменьшает расход топлива на 1 л. с. мощности. Можно было бы привести и другие примеры, когда увеличение температуры газов перед турбиной оказывается целесообразным.
Но особенно большое значение проблема повышения температуры газов перед турбиной приобретает в связи с непрерывным и быстрым ростом скорости полета. Оказывается, что по мере роста скорости полета увеличение тяги путем повышения температуры газов перед турбиной становится все более выгодным: удельный расход топлива увеличивается при этом все меньше и меньше. При очень же больших скоростях полета, превышающих скорость звука, удельный расход топлива при таком методе увеличения тяги не только не растет, но даже уменьшается.
Совершенно очевидно, что повышение температуры газов перед турбиной имеет смысл уже на современном этапе развития реактивной авиации, и еще более важное значение это повышение температуры приобретет в самом недалеком будущем.
Для решения этой проблемы ученым, конструкторам и инженерам-производственникам предстоит преодолеть очень серьезные трудности.
Мы уже знаем, что температура продуктов сгорания в двигателе достигает почти 2000 °С. Следовательно, трудности, связанные с повышением температуры газов перед турбиной, не зависят от топлива: топливо позволяет по крайней мере удвоить эту температуру. Однако для того чтобы снизить температуру, получающуюся при сгорании топлива в камерах сгорания существующих турбореактивных двигателей до 850—900° С, раскаленные газы — продукты сгорания приходится искусственно охлаждать. Для этого к продуктам сгорания добавляется холодный воздух из компрессора, как это показано на рис. 38, причем вес добавляемого воздуха в 3—4 раза превышает вес горячих газов.
Это вынужденное понижение температуры газов вызывается необходимостью облегчить условия работы лопаток турбины. Так лопатки турбины становятся барьером на пути развития реактивной авиации. Даже в современных турбореактивных двигателях, при температуре газов в 850—900° С, лопатки иной раз не выдерживают действующих на них нагрузок и являются причиной аварий двигателя. Лопатки обычно ограничивают и ресурс двигателя.
Как же преодолевают ученые, конструкторы и производственники эту трудность на пути развития турбореактивного двигателя, как борются за совершенствование лопаток турбины с целью возможного повышения температуры газов?
Эта борьба идет двумя путями. Так, металлурги идут по пути создания более жаропрочных сплавов для изготовления лопаток. На этом пути успеха можно ждать, вероятно, от совместного использования достижений металлургии и керамики, так как вряд ли это под силу одной только металлургии. Только лопатки, изготовленные в виде различных конструктивных комбинаций сверх-жаропрочной керамики с прочными металлическими сплавами, смогут безотказно работать при температуре газов 1000—1500° С. Такой, например, может быть лопатка, изготовленная из прочного сплава и имеющая снаружи тонкий слой керамической облицовки.
Другой путь — создание охлаждаемых турбин. Если лопатки турбины сделать полыми, чтобы внутри них протекал охлаждающий воздух или жидкость, то можно значительно повысить температуру газов, омывающих лопатки, без повышения температуры самих лопаток. Одной из перспективных конструкций охлаждаемых лопаток являются, например, лопатки с так называемым проникающим охлаждением. В этом случае лопатки изготовляются методом порошковой металлургии, т. е. путем спекания мельчайших зерен металла. Через бесчисленное множество микропор в стенках такой лопатки изнутри ее наружу продавливается какая-нибудь охлаждающая жидкость. Покрывая тончайшим холодным слоем поверхность лопатки, омываемую раскаленными газами, эта жидкость создает защитную завесу, изолирующую лопатку от непосредственного воздействия газов. Температура лопатки при таком способе охлаждения может быть значительно ниже температуры газов.
Рис. 38. Схема течения воздуха и газов через турбореактивный двигатель РД-500
Итак, два пути ведут к желанной цели — созданию высокотемпературной газовой турбины, по двум направлениям ведутся настойчивые исследования и конструктивные изыскания. Много лет трудятся ученые и инженеры над созданием опытных турбин с лопатками, способными работать при высоких температурах, но пока эти работы еще не вышли из стадии эксперимента.