Авиационный двигатель, далеко опередивший своё время
Небольшая, но интересная статья с канала «Энерговектор» яндекс-дзена, которая, думаю, заинтересует коллег.
СОДЕРЖАНИЕ:
С начала XXI века сообщество инженеров-моторостроителей обсуждает концепцию сжигания топлива с повышением давления.
«Если бы мы могли превратить пятипроцентное снижение давления в газовой турбине в его пятипроцентное повышение, это было бы эквивалентно удвоению степени сжатия в компрессоре»,
– отмечает инженер по стратегическим исследованиям компании Rolls-Royce Сэм Мейсон. Этой цели можно достигать разными способами, в том числе сжиганием топлива в камере с постоянным объёмом и пульсирующей детонацией горючего, которая сулит увеличение КПД турбины сразу на 30%.
Среди других способов – комбинация поршневых и газотурбинных двигателей, по своей сути напоминающая объединение паровой и газовой турбин в ПГУ. Подобный подход был опробован в Британии в конце 1940-х – начале 1950-х.
NAPIER NOMAD
По заказу британского Министерства авиации компания Napier & Son разработала и изготовила две модификации авиационного дизельного двигателя Nomad («кочевник»), объединённого с турбиной для утилизации тепла уходящих газов и организации турбонаддува. Подобная схема обеспечивала феноменальную энергетическую эффективность. Достаточно сказать, что удельный расход условного топлива в пересчёте на киловатт-час вырабатываемой механической энергии при полёте на высоте 3300 метров со скоростью порядка 550 км/ч был равен всего 210 граммам. Для сравнения: в Единой энергетической системе России на отпуск киловатт-часа потребителям сегодня расходуется около 300 граммов условного топлива.
СДЕЛАЙ ТО, НЕ ЗНАЮ ЧТО…
Заказ Министерства авиации был нацелен на экономичные авиадвигатели мощностью порядка 6000 л.с. для пассажирских лайнеров. В компании Napier & Son понимали, что будущее – за реактивной тягой, но в те времена она ещё не могла обеспечить высокую топливную эффективность.
Турбореактивные двигатели (ТРД) в 1940-е только появлялись. Поскольку тогда ещё не умели производить жаропрочные лопатки, температура пламени в камере сгорания была ограничена величиной в 750°C, так что высокий КПД был недостижим. Главным преимуществом реактивных двигателей на тот момент были их отличные массогабаритные характеристики.
Разработчики мотора Nomad решились заменить низкотемпературные камеры сгорания турбины на цилиндры ДВС, где температура вспышки топливной смеси доходит до 4500°C. Идею объединить газовую турбину с высокоэффективным двухтактным дизельным двигателем подсказал компании Napier выдающийся британский инженер сэр Гарри Рикардо.
«При правильном совмещении разнотипные двигатели своими достоинствами скомпенсируют недостатки друг друга»,
— объяснил он.
НИ В ЧЁМ НЕ ОТКАЗЫВАЯ
Невероятно сложный первый вариант мотора, Nomad I, имел два воздушных винта, приводимых во вращение независимыми передаточными механизмами (см. рис. 1).
Для нормального запуска двигателя на земле, когда нет набегающего воздушного потока, и повышения мощности дизеля потребовались два компрессора. Во время взлёта с целью усиления тяги была задействована дополнительная камера сгорания, которая выключалась после набора высоты.
Министерский заказ по большому счёту выполнен не был. На практике двигатель Nomad I выдавал предельную мощность 4000 л. с. и при этом был намного тяжелее, чем эквивалентный ТРД.
Испытания прототипа Nomad I начались осенью 1949 года. Мотор был смонтирован на носу тяжёлого бомбардировщика Avro Lincoln, который даже демонстрировался на авиашоу в Фарнборо 10 сентября 1951 года. В ходе стендовых и лётных испытаний агрегат наработал порядка тысячи часов, вёл себя довольно капризно и устойчиво обеспечивал мощность лишь около 3000 л.с..
К началу 1950-х годов в развитых странах уже завершалась разработка первых пассажирских турбореактивных самолётов (таких, как Boeing 707 и Ту-104), и ни один авиапроизводитель не воспринимал творение Napier всерьёз. Сегодня прототип мотора Nomad I находится в Шотландии в Национальном музее авиации при аэропорте Ист-Форчун.
ОТ СЛОЖНОГО К ПРОСТОМУ
Разработка кардинально упрощённой версии, Nomad II (см. рис. 2), стартовала ещё до начала натурных испытаний Nomad I. В осевом компрессоре появилась дополнительная ступень, что позволило избавиться от интеркулера и центробежного компрессора. Турбина, которая также была оснащена дополнительной ступенью, теперь передавала избыточный вращающий момент коленчатому валу дизеля через редуктор с переменным передаточным числом и гидравлическое сцепление. Второй пропеллер и дополнительная камера сгорания с её клапанами были удалены.
Конструкция Nomad II получилась гораздо более компактной и лёгкой: масса двигателя уменьшилась сразу на 450 кг. Упростилась и система охлаждения: мокрые гильзы цилиндров были заменены сухими.
Для тестирования второй версии двигателя компания получила прототип четырёхмоторного патрульного самолёта Avro Shackleton. Двигатель Nomad II для него оказался довольно громоздким, поэтому дело шло медленно.
Тем временем британская авиастроительная компания Avro Aircraft вынашивала планы с помощью сверхэкономичного мотора Nomad побить мировой рекорд дальности полётов. В июне 1950 года она издала брошюру, где описывала перспективную конфигурацию Avro 717, представлявшую собой бомбардировщик Avro Lincoln, освобождённый от лишнего оборудования, с двумя двигателями Nomad II в ближних к фюзеляжу гондолах. Из дальних гондол двигатели Merlin предполагалось удалить, установив там топливные баки. Эта конфигурация должна была послужить для тестирования Nomad II и, в перспективе, установления рекорда дальности полётов. Расчёты показывали, что самолёт сможет на высоте более 9000 метров преодолеть расстояние 24800 километров. Впрочем, для экипажа в негерметичной кабине это было нереально, поэтому рассматривали и вариант полёта на вдвое меньшей высоте на дальность 23500 километров.
Доработанная модификация Nomad II в 1953 году устойчиво обеспечивала мощность 3500 л.с., однако уже к 1954-му интерес к проекту у чиновников из Министерства авиации угас. Работы по созданию чрезвычайно экономичного авиадвигателя, на которые в сумме ушло 5,1 миллиона фунтов стерлингов, были окончательно свёрнуты в апреле 1955 года.
Двигатель Nomad II можно увидеть в авиамузее при Вашингтонском международном аэропорте имени Даллеса (шт. Вирджиния).
* * *
За прошедшие с тех пор семьдесят лет газовые турбины ушли далеко вперёд в технологическом плане, но идея совмещения дизельного и простого турбинного двигателей заслуживает внимания и теперь – на этот раз в целях эффективной распределённой электрогенерации.
Napier Nomad II
