Грозовые предвоенные. Инструкция для попаданца. Авиационные ГТД.

ГТД-3

Момент входа попаданца для изменения РИ точно известен — это прошедшая в феврале 1939 г. встреча авиаконструкторов с членами Политбюро ЦК ВКП(б), организованная Сталиным И.В. Ее задачей было определить основополагающие задачи в области создания новой боевой авиатехники и мобилизовать на их решение творческие усилия конструкторов. В его работе приняли участие партийно-государственное руководство страны, главные авиаконструкторы самолетов, ученые, летчики, ответственные работники НКАП и ВВС.

Об этом указывают воспоминания Яковлева А.С. Его выступление тогда прозвучало резким диссонансом остальным выступлениям, и, так как Сталин искал реальную картину происходящего, это стало событием, изменившим его судьбу и определившем далее его работу заместителем наркома авиационной промышленности по новой технике в 1940-46 гг.

Для развития истребительной и бомбардировочной авиации особенно критической является прогресс в области развития авиационных моторов. С ростом скоростей не только воздушный винт начинает двигаться с околозвуковыми скоростями, но и сам самолет. Изменяются свойства воздуха при обтекании плоскостей. Экспоненциально растет мощность, требуемая для движения. На 1939 г. мощность авиационных двигателей вышла на рубеж 1000 — 1200 л.с. на рубежах скоростей около 600 км/час. Ориентировочно для того, чтобы двигаться со звуковыми скоростями, мощность с установившихся скоростей должна увеличиться в пять раз. Прогресс поршневых двигателей позволяет видеть горизонты только около двух-трекратного увеличения. Затем растет также вес двигателя, сложность и надежность его конструкции. Потолки скоростей для поршневых двигателей около 700 км/ час. Технологический тупик.

Наряду с поршневыми и реактивными двигателями, известна еще турбина. Хотя и газовая турбина относится к классу реактивных двигателей. Первое такое устройство, приводимое в движение паром, было описано еще Героном Александрийским. В России П.Д. Кузьминский в начале 1890-х гг. построил и опробовал судовую паровую турбину собственной конструкции. Паровая турбина получила практическое применение лишь в конце 19 в., когда такие отрасли, как термодинамика, машиностроение и металлургия, достигли необходимого уровня развития. К.Г. П.де Лаваль (1878) и Ч.А.Парсонс (1884) создали первые промышленно пригодные паровые турбины. В Европе паровые турбины получили всеобщее признание в качестве привода электрогенераторов с 1899, когда на электростанции г. Эльберфельд (Германия) впервые были применены две паровые турбины Парсонса мощностью по 1000 кВт каждая.

В дореволюционной России строились как стационарные, так и судовые паровые турбины. Особенно большие успехи были достигнуты российскими конструкторами и технологами в 1910–14 гг. в проектировании и изготовлении паровых турбин для крупных военных кораблей. Впервые отечественная стационарные паровая турбина была построена на металлическом заводе в С.-Петербурге (Ленингр. металлич. завод, ЛМЗ) в 1907 г. для привода электрогенератора мощностью 200 кВт. В 1937 г на ЛМЗ выпущена первая конденсационная двухступенчатая одновальная турбина мощностью 100 МВт;

Широкое применение в энергетике, промышленности и транспорте турбин стало возможным благодаря более высокой энергоотдаче, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок. Высокие удельные параметры ГТД обеспечиваются особенностями конструкции и термодинамического цикла. Цикл ГТД, хотя и состоит из тех же основных процессов, что и цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеет существенное отличие. В поршневых двигателях процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — цилиндре. В ГТД эти процессы происходят одновременно и непрерывно в различных элементах двигателя. Благодаря этому в ГТД нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом, а средняя скорость и массовый расход рабочего тела в 50…100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Это позволяет сосредоточить в ГТД большие мощности.

СССР

Не умаляя роли передовых промышленных стран, таких как Германия и Англия, следует отметить достойный вклад русских учёных и инженеров в создание и развитие газотурбинной техники. Основополагающими теоретическими разработками в области реактивного движения и лопаточных машин были ещё дореволюционные труды учёных И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского, К.Э. Циолковского. К началу ХХ века относятся первые проекты ГТД русских инженеров: П. Кузьминского (1900 г.), В. Караводина (1908 г.), Н. Герасимова (1909 г.), А. Горохова (1911 г.), М. Никольского (1914 г.). Изготовление опытного турбовинтового (турборакетного) двигателя мощностью 160 л. с. по проекту М. Никольского (рис. 2 а) было начато в 1914 г. на Русско-Балтийском заводе для замены немецкого поршневого двигателя «Аргус» мощностью 140 л. с. на самолёте «Илья Муромец». Однако в дореволюционной России не появились какие-либо серийные авиационные двигатели собственной разработки (даже поршневые).

Рис. 2. Конструктивная схема ТРД : а — М.Н. Никольского, б — В.И. Базарова

22 мая 1919 г. в ЦАГИ создано винтомоторное отделение во главе с инженером-механиком Б.С. Стечкиным. Уже в 1929 г. Б.С. Стечкин разработал и опубликовал теорию ВРД, получившую всеобщее признание в нашей стране и за рубежом.

В 1923 г. инженер-конструктор В.И. Базаров подал заявку на вполне современную схему одновального ТРД с центробежным компрессором (см. рис. 2, б).

Турбовинтовой двигатель

Исследованием и созданием ГТД занимались и в Москве по инициативе и под научным руководством профессора МВТУ Николая Романовича Брилинга с 1925 г

В 1925 г. преподаватели МВТУ Н.Р. Бриллинг и В.В. Уваров обосновали возможность создания мощного авиационного турбовинтового двигателя (ТВД).

В 1926 г. в НАМИ организована группа, занимавшаяся изучением циклов и схем ГТД, а также процессами горения. Руководство группой осуществляет Н.Р. Бриллинг. В 1929 г. работу этой группы при ВТИ возглавил В.В. Уваров, сосредоточившийся на создании высокопараметрических ТВД и газотурбинных установок (ГТУ).

Расчётно-теоретические исследования термодинамического цикла ГТД изобарического цикла (p = const) и экспериментальные исследования процесса истечения высокотемпературного газа через охлаждаемый сопловой аппарат турбины, выполненные в 1925–1930 гг., привели к важнейшим для отечественного авиадвигателестроения выводам:

Во-первых, несмотря на достаточно успешный опыт использования немногочисленных газотурбинных установок Г. Хольцварта , работающих по изохорическому циклу, будущее принадлежит более лёгкому и более простому газотурбинному двигателю (ГТД), работающему по циклу с постоянным давлением сгорания.

Во-вторых, для реализации приемлемых значений КПД такого двигателя (с учётом низких значений КПД лопаточных машин того времени, особенно компрессора) температура газа перед турбиной должна быть не ниже 1400–1500 К. А в связи с отсутствием конструкционных материалов, способных нести нагрузку при столь высокой температуре, лопатки турбины должны быть охлаждаемыми.

И, наконец, главный вывод: сфера применения газотурбинного двигателя изобарического цикла может быть достаточно широкой, но прежде всего – это авиация. Благодаря малой удельной массе и возможности реализовать большую мощность в одном агрегате такой двигатель позволит значительно улучшить лётные качества самолёта (скорость и высоту полёта), чего не способен обеспечить поршневой двигатель.

Для реализации таких выводов предстояло найти заинтересованного “потребителя”. В 1930 г. В.В. Уваров устанавливает контакт и находит поддержку у начальника ГУАП (Главное управление авиационной промышленности) С.О. Макаровского, сумевшего оценить значение ГТД для авиации и оказавшего в работе поддержку. Расширение фронта работ требовало соответствующей материальной базы. По предложению Н.Р. Брилига, поддержанного директором Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ) профессором МВТУ Л.К. Рамзиным, работы переносятся в ВТИ, где сначала в составе Машинной лаборатории создаётся “Газовая группа”, а позднее уже самостоятельная Газотурбинная лаборатория. В силу обстоятельств, от участия в дальнейших работах отходит Н.Р. Брилинг. Последующие многолетние работы по ГТД выполняются под руководством В.В. Уварова, назначенного руководителем лаборатории и он становится и главным конструктором, и главным теоретиком, и главным идеологом-пропагандистом газотурбинного двигателя.

Одновременно В.В. Уваров продолжает педагогическую работу в МВТУ, где по его инициативе с 1931 г. сначала в качестве факультативного, а затем обязательного вводится курс “Газовые турбины”, который он сам преподаёт. Одновременно его приглашают преподавать такой же курс в Военно-воздушной академии РККА (впоследствии Военно-воздушная академия имени Н.Е. Жуковского), где также начинается подготовка военных инженеров по газотурбинной специальности.

В январе 1934 г. В.В. Уварова приглашают на НТС ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения) с докладом об авиационном турбовинтовом газотурбинном двигателе, результатах экспериментального исследования основных агрегатов и полнокомплектной малоразмерной модели ГТУ‐1, а также о разработке проекта полномасштабного турбовинтового двигателя ГТУ‐3. Работа получает высокую оценку специалистов ЦИАМ, а в положительном Заключении научно-технического совета работы по созданию ГТУ‐3 рекомендуется интенсифицировать. Газотурбинный двигатель В.В. Уварова заинтересовал также маршала М.Н. Тухачевского, увидевшего в ГТД большое будущее для военной авиации. По его приглашению В.В. Уваров с аналогичным докладом выступил на заседании Совета труда и обороны. Турбовинтовой двигатель вызвал большой интерес у военных. Но ведущие конструкторы авиационных поршневых двигателей, приглашённые на заседание, к газотурбинному двигателю интереса не проявили. Известный конструктор авиационных дизелей А.Д. Чаромский назвал В.В. Уварова фантастом, а газотурбинный двигатель малопригодным для авиации.

В 1933 г. ГТУ-1 была спроектирована, а в 1935 г. — собрана и испытана на Коломенском машиностроительном заводе. Общее время испытаний ГТУ-1 при температуре 1120…1370 К составило 21 час.

В 1935 г. разработан первый проект высокопараметрического авиационного ТВД ГТУ-3 (рис. 3) с расчетной мощностью 1500 л.с., испытания которого проходили в 1937—1939-х гг.

В 1938 г. начались первые его испытания. Машина пускалась легко, быстро набирала обороты, но на расчётный режим не выходила. И начался сложный процесс доводки — поиск причин отклонения от расчётных параметров, их объяснения и устранения, а также многое другое. Оказалось, что недостаточная эффективность турбины, выявленная при испытаниях ГТУ‐3, привела к пересмотру традиционного на тот период времени метода профилирования лопаток турбины. Также были решены проблемы и высотного двигателя, в частности проблема рационального распределения тяги между воздушным винтом и реактивным соплом, результаты которых обобщены в работе В.В. Уварова “Характеристика газовой турбины с винтом” .

ГТУ-3 имел три центробежные ступени компрессора с и двухступенчатую осевую турбину. Турбина охлаждалась дистиллированной водой, так как расчетная температура газа перед ней была 1470 К. Применение пароводяного охлаждения позволяло выдерживать забросы фактической температуры на испытаниях до 1870 К и длительно работать до 1620 К, используя самый жаропрочный материал того времени ЭИ-69 (с рабочей температурой не выше 920…970 К). Суммарная наработка ГТУ-3 составила 57 часов, однако заданная мощность не была достигнута, и горячие испытания ГТУ-3 в 1941 году были прекращены.

Рис. 3. Схема ТВД ГТУ-3 конструкции В.В. Уварова

Турбореактивный двигатель.

Турбореактивный авиационный двигатель ТР-1.

Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР‐1 был создан Архипом Михайловичем Люлькой. В своих расчётах он опирался на работы по воздушно-реактивному двигателю (ВРД) профессора Б.С. Стечкина, опубликованные в 1929 г.

Начало работ над этой авиационной турбиной положено Постановлением СНК СССР № 1455/308сс от 17 сентября 1932 г. о постройке паротурбинного авиационного двигателя. Такая турбина предназначалась для самолетов-гигантов Туполева и Калинина, создаваемых в то время.

Работы над проектированием и созданием ТРД, не имевших винта и способных обеспечить в несколько раз большие, чем ТВД, скорости полета, начал А.М. Люлька — сотрудник Харьковского авиационного института, специалист по паротурбинной технике.

В 1930-х гг., будучи преподавателем в Харьковском авиационном институте (ХАИ), с группой энтузиастов А.М. Люлька начал работать над проектом ТРД, так как в ходе исследовательских работ над паровой турбиной для авиации, пришли к целесообразности использования в качестве рабочего тела газов, образующихся при сгорании топлива. Учёный совет ХАИ, заслушав доклад А.М. Люльки, рекомендовал ему обратиться с полученными материалами в Москву, в Комитет по изобретениям, который через ГУАП направил его материалы в МВТУ на заключение Уварову В.В.. Он был уже известный и авторитетный газотурбинист и умел видеть перспективные решения и правильно их оценивать и отстаивать свое мнение на любых властных уровнях. И вот в 1938 г. ему как уже авторитетному газотурбинисту и “жёсткому” оппоненту после ряда отрицательных заключений учёных-теоретиков, главных конструкторов и других специалистов на дополнительную экспертизу направляют блуждавший более полутора лет по бюрократическим коридорам проект необычного (в то время ещё мало известного) турбореактивного двигателя (по существу конкурирующий с ним, турбовинтовым двигателем, проект). Уваров бегло просмотрел толстенный трактат Люльки, потом вызвал своего заместителя Михаила Ивановича Вострикова.

– Разберись, пожалуйста, тут какая-то ерунда написана. Каково же было удивление Уварова, когда через две недели М.И. Востриков в большом смущении доложил, что “ерунды” в проекте не обнаружил! После тщательного анализа термодинамики, газодинамики, конструкции, режимных параметров двигателя В.В. Уваровым был подписан развёрнутый положительный отзыв, открывший “зелёный свет” первому отечественному турбореактивному двигателю ТР‐1.

Вот как сам Владимир Васильевич Уваров вспоминал об этом времени:

«Конечно, моё самолюбие было уязвлено, и я предложил Михаилу Ивановичу проработать проект вместе. Целых полторы недели мы сидели вдвоём над “трактатом” Люльки,

и я сумел перешагнуть через сложившееся “своё” мнение и по достоинству оценить присланный на отзыв проект. Тогда мною был написан, пожалуй, самый положительный

отзыв за всю мою жизнь. Самой интересной особенностью проекта являлось теоретически обоснованное применение относительно низких температур (700 °C) на рабочих лопатках турбины. Это было в авиационном турбостроении того времени весьма смелым подходом к проблеме применения газовой турбины в авиации».

Работа над созданием пpоводилась в КБ пpи кафедpе авиадвигателей Хаpьковского авиационного института. КБ А.М. Люльки в 1937 году разработал проект первого в стране авиационного реактивного двигателя РТД-1 с тягой 400 кг..

Рис. 5. Схемы ТРД РТД-1 и РД-1 конструкции А.М. Люльки

В инициативном порядке были разработаны проекты ТРД как с центробежным одно- и двухступенчатым компрессором (РТД-1, 1937 г.), так и с осевым компрессором (РД-1,1938 г.) (рис. 5). Рабочие чертежи выбранного ТРД РД-1 с осевым компрессором и с тягой 500 кгс были сданы в производство на Кировский завод в Ленинграде в 1940 г. Двигатель имел шестиступенчатый компрессор с = 3,2 и относительно невысокую температуру газа перед турбиной = 923 К. К 1941 г. он на 70% был изготовлен на Кировском заводе.

(В РИ из-за войны работы приостанавливаются и возобновляются лишь в 1943 г., после формирования в ЦИАМ группы главного конструктора А.М. Люльки по разработке ТРД. Это начинание привело к созданию одного из самого успешных двигательных ОКБ СССР и первого отечественного турбореактивного двигателя ТР-1.)

С середины 30-х годов и в Англии, Германии, Италии ведется напряженная научно-исследовательская и конструкторская работа по созданию турбореактивных двигателей. В Германии это турбореактивные двигатели фирм БМВ, «Юнкерс», в Англии — двигатель Ф. Уиттла (начало испытаний — 1937 год), в Италии — «Кампини — Капрони».

Пионерами развития турбореактивного авиадвигателестроения в Западной Европе были Фрэнк Уиттл (1907-1996) в Англии и Ганс фон Охайн (1911-1998) в Германии. Ф. Уиттл приблизительно на пять лет раньше Г. фон Охайна начал оформление концептуальной идеи ТРД и ее патентование. Однако испытания первых двигателей-демонстраторов HeS 1 и W.U.-1 начались приблизительно в одно и то же время — в марте и апреле 1937 г.

Общим для обоих энтузиастов, создававших первые в мире работающие ТРД, было то, что первые расчеты и проекты они сделали еще в студенческие годы Ф. Уиттл в возрасте 22 лет на четвертом курсе колледжа Королевских ВВС в Корнуэлле, а затем на курсах инструкторов летной школы в Уиттеринге (1928 — 1929), а Г. фон Охайн также в возрасте 22 лет, при окончании Геттингенского университета (1933—1934).

Германия

Г. фон Охайна с 3 апреля 1936 г. работал по контракту с Э. Хейнкелем. И первый полет только на реактивной тяге был совершен на самолете Не-178 с двигателем его конструкции 27 августа 1939 г. — двигатель HeS3B с тягой 450 кгс . Несмотря на это Г. фон Охайну так и не удалось создать массовый серийный ТРД.

Наибольших успехов при создании первого массового серийного реактивного двигателя Юмо-004 добился другой немецкий конструктор австрийского происхождения Анслем Франц (1900 — 1994). Он получил образование в Техническом университете г. Граца, а затем в докторантуре Берлинского университета. В 1936 г. А. Франц поступил в фирму «Юнкере» (г. Дессау). Он возглавлял отдел нагнетателей, когда в 1939 г. его назначили руководителем проекта ТРД Юмо-004.

В отличие от проектов Ф. Уиттла и Г. фон Охайна, основанных на применении центробежных компрессоров, для двигателя Юмо-004 была выбрана осевая схема компрессора, имеющая выигрыш по лобовому сопротивлению, производительности и КПД.

Аэродинамика восьмиступенчатого компрессора на расход воздуха 21,2 кг/с и = 3,14 была основана на работах Института Аэродинамики в г. Геттингене. Компрессор проектировал доктор Энке. Наивысший КПД компрессора составлял 82 %, а в рабочих точках 75…78 %. Турбина с КПД 79…80 % создавалась на основе опыта разработки паровых турбин в AEG (г. Берлин). Признавая превосходство кольцевой камеры сгорания, А. Франц выбрал камеру с жаровыми трубами для ускорения доводки.

Первый запуск Юмо-004А состоялся весной 1940 г., а в январе 1941 г. двигатель был выведен на полные обороты n = 9000 об/мин с тягой 430 кгс.

Одновременно в Германии на фирмах BMW и Bramo (г. Шпандау) создавался другой ТРД — BMW-003. Он был близок по конструкции Юмо-004, но имел кольцевую камеру сгорания и несколько меньшую тягу — 800 кгс. Руководил разработкой Герман Ойстрих. BMW-003 был выпущен значительно меньшей серией, чем Юмо-004 и устанавливался на самолётах Не-162 и Arado-234. Г

В октябре 1938 года в Германии, по заданию Рейхсминистерства авиации, на фирме Мессершмитта было начато проектирование экспериментального самолёта для лётных испытаний турбореактивных двигателей P3302 фирмы BMW с тягой 600 кг. Эти двигатели компания BMW обязалась поставить до конца 1939 года.

В 1939 г. первый двигатель BMW был запущен, но он выдал тягу всего 260 кгс. Тягу 460 кгс BMW-003 показал на испытаниях на самолете Ме-262 только в ноябре 1941 г. Ме-262 имел, кроме этого, носовой поршневой двигатель. Испытания были неудачными. Уже при взлете были поломаны лопатки компрессора. Это привело к тому, что в дальнейшем предпочтение было отдано двигателю Юмо-004.

Англия

Начатую Ф. Уиттлом в инициативном порядке программу создания и развития английских ТРД можно считать весьма успешной. Уиттл принял удачную концептуальную идею разработки ТРД — центробежный компрессор с = 4 и двухсторонним входом. Это позволило значительно повысить лобовую тягу двигателя.

От первого запуска экспериментального ТРД Ф. Уиттла W.U. (Whittle Unit), состоявшегося 12 апреля 1937 г., до первого полета однодвигательного реактивного самолета «Глостер» Е28/39 с ТРД W.1 15 мая 1941 г. прошло четыре года. За это время решалось много проблем. Но главной была проблема создания надежной камеры сгорания, которая претерпела ряд изменений — от кольцевой до трубчатой противоточной, а затем и до трубчатой прямоточной. После разрушения турбины на W.U.-3 в феврале 1941 г. был внедрен новый никелевый сплав фирмы «Монд Никель», названный Нимоник 80.

Заключение

Для создания авиационных ГТД в СССР перед ВОВ существовали все предпосылки и работы проводились примерно в одно и то же время с зарубежными аналогами. Нельзя не обратить внимание, что ГТД работали на более дешевом и доступном сырье — керосине, что так важно для экономики воюющей страны.

В 1939 г. в результате совместных усилий руководства страной и работников авиапромышленности, были предприняты решительные меры для корректировки реформы в авиации. Пришли новые люди, были сделаны акценты на новые направления работ.

22 июня 1941 г. в ответ на бомбардировки советских городов, дальняя бомбардировочная авиация РККА нанесла ответные удары по Берлину и стратегическим целям в Германии. Модификации наших бомбардировщиков Пе-8, Ил-4 шли на недосягаемой высоте для зенитной артиллерии ПВО и истребительной авиации Люфтваффе и безнаказанно бомбили ключевые узлы инфраструктуры для ведения войны в СССР…