Турбореактивные - для самолетов, турбовальные - для вертолетов

Рассмотрим в общих чертах принцип работы, устройство и основные части турбореактивного авиационного двигателя, или ТРД, устанавливаемого на самолеты. ТРД включает в себя следующие основные элементы. Первое - это входное устройство, или воздухозаборник. Он служит для подвода воздуха к компрессору двигателя, за счет него происходит повышение давления воздуха перед компрессором. Второе - компрессор. В ТРД применяется центробежный, или осевой, компрессор, который сжимает воздух. Третье - камера сгорания. Она располагается за компрессором. Четвертое - газовая турбина. Служит для привода компрессора ТРД. Турбина состоит из нескольких рабочих колес с рабочими лопатками, а также основным узлом турбины является сопловой (направляющий) аппарат. Пятое - выпускное устройство. Состоит из выпускной трубы, внутреннего конуса, стойки и реактивного сопла.

Сам же принцип работы ТРД вкратце следующий: воздух засасывается через воздухозаборник, далее многоступенчатый компрессор сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, которое воспламеняется. Горячие газы, образовавшиеся в результате горения, расширяются, заставляя вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла создается реактивная тяга, и самолет совершает поступательное движение.

На вертолетах применяются турбовальные двигатели, или ТВаД. Они также имеют своими основными элементами входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину компрессора. А вот далее начинаются отличия. Одним из основных элементов ТВаД является свободная турбина. То есть вся турбина как бы поделена на две части, между собой механически не связанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора, а далее он вращает вторую свободную турбину и тем самым через вал именно этой турбины приводит в действие полезные агрегаты. Большого выпускного сопла, как на самолетных ТРД, на ТВаД нет, а есть выходное устройство, которое соплом не является и реактивной тяги не создает.

Выходной вал свободной турбины связан с редуктором. Редуктор, в свою очередь, является неотъемлемым и важнейшим элементом любого ТВаД. Скорость вращения вала свободной турбины велика настолько, что такое вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они не смогут выполнять свои функции и могут разрушиться от перегрузок. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.

Полезный агрегат в случае вертолетного ТВаД - это как раз и есть несущий винт. Через сложную трансмиссию и систему приводных валов часть крутящего момента от ТВаД передается на рулевой винт, в случае вертолета классической схемы. Если машина спроектирована по соосной схеме, то это, с одной стороны, позволяет отказаться от рулевого винта со всей его трансмиссией. Габариты соосного вертолета значительно меньше - хвостовая балка с рулевым винтом, вынесенная за плоскость вращения несущего винта, становится не нужной. Но, с другой стороны, соосная схема предполагает второй, аналогичный несущий винт противоположного вращения, установленный над первым. Что само по себе уже делает эту схему достаточно сложной.

Немаловажным обстоятельством, отличающим вертолетные ТВаД от большинства самолетных ТРД, является то, что вертолетные двигатели должны быть более компактными. А самолетные ТРД, устанавливаемые на авиалайнерах и боевых самолетах, как правило, имеют весьма значительные габариты. В то же время есть класс небольших, так называемых мини-ТРД, предназначенных для легких реактивных самолетов, например учебно-пилотажных машин или бизнес-джетов. Но это не массовые, а больше штучные образцы, выпускаемые в ограниченных количествах. Следовательно, некоторая унификация самолетных и вертолетных двигателей возможна, но только на базе малогабаритных турбореактивных двигателей.

В наше время, пожалуй, никого не надо убеждать в том, что установка на самолетах реактивных двигателей резко и существенно повысила их летные и эксплуатационные характеристики. Этот факт неоспорим. А что же вертолеты? Что дала им установка турбовальных двигателей?

На первый, обывательский взгляд, вроде бы ничего не произошло. Вертолет так и остался вертолетом. Да, в отличие от самолетов, лишившихся своих винтов в одночасье, вертолет при переходе на турбовальную силовую установку смог сохранить свои несущие и рулевые винты. Но это только на первый взгляд. В действительности, установка на вертолетах ТВаД произвела настоящую революцию в вертолетостроении.

Возможности винтокрылых машин ощутимо возросли, и, чтобы не быть голословными, приведем фактический пример. Вертолет с поршневым двигателем Ми-4 обладал следующими основными характеристиками: мощность двигателя - 1250 кВт, 1700 л.с., грузоподъемность - 1200 кг, в перегруз 1600 кг, крейсерская скорость 140-150 км/ч, номинальная дальность полета 410 км. Вертолет Ми-8, оснащенный ТВаД, уже развивал мощность в 4400 л.с. (2×2200), имел грузоподъемность 4000 кг, крейсерскую скорость - 230 км/ч и дальность полета - 500-600 км. Рост летно-технических характеристик, как можно видеть, налицо.

Только с ТВаД стало возможным создание гигантского вертолета В-12, являющегося до сих пор рекордсменом-тяжеловозом, и самого грузоподъемного в мире серийного вертолета Ми-26. С поршневыми двигателями это было бы абсолютно невозможно.

Еще один факт. Большая мощность и тяговооруженность вертолета с турбовальным двигателем сделала возможным появление скоростных и высокоманевренных ударных военных вертолетов, что было также неосуществимо с двигателями поршневыми. Поэтому с установкой ТВаД вертолет получил новые, гораздо большие возможности и значительно улучшил свои летно-тактические и эксплуатационные характеристики.

От турбовального к турбовинтовому. Итоги и перспективы

Резюмируя все вышеизложенное, можем сделать некоторые выводы. Если самолетный поршневой двигатель воздушного охлаждения можно приспособить к установке на вертолет, то в случае с самолетным ТРД подобная метаморфоза практически исключается.

Для вертолетов нужны свои, турбовальные двигатели. Некоторая унификация возможна лишь в том случае, если турбовальный вертолетный двигатель проектируется на базе небольшого турбореактивного самолетного двигателя. Но это является скорее исключением, поскольку слишком разные требования предъявляются к тем и другим, и предназначаются они для разных режимов и условий работы.

Современные ТВаД для вертолетов и самолетные ТРД создаются каждый по отдельности, над ними работают разные КБ, разные конструкторские и инженерные школы. На начальном этапе вертолетостроения существовала возможность установки на вертолет некоторых видов поршневых двигателей. Хотя уже тогда разрабатывались специализированные поршневые вертолетные моторы. Но век поршневого двигателя на вертолете оказался чрезвычайно коротким. Появившись на винтокрылых машинах в 1940-е годы, он уже в конце 1950-х уступил свое место турбовальному двигателю.

В настоящее время поршневые вертолетные двигатели устанавливаются лишь на вертолеты малого класса. С появлением реактивного, турбинного двигателя ситуация в корне изменилась. Вертолетные ТВаД, хотя и имеют некоторые общие элементы с самолетными ТРД, являются уже совсем другим классом турбинных двигателей.

Но, как и у всех правил, здесь имеются исключения. И связаны они с турбовинтовыми двигателями - ТВД. И вот как раз разработка турбовинтовых самолетных двигателей на основе турбовальных вертолетных возможна. Этот факт доказан советскими и российскими двигателестроителями.

Поясним, что из себя представляют турбовинтовые двигатели. В турбореактивном двигателе компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания, где тот смешивается с топливом, которое воспламеняется, горячие газы расширяются, заставляя вращаться турбину, и истекают через выходное сопло, создавая реактивную тягу. В турбовинтовом двигателе газ, покидающий камеру сгорания, вращает в большей степени турбину, которая через приводный вал, в свою очередь, вращает винт перед двигателем. Именно винт создает в таком двигателе основное тяговое усилие.

В нашей стране специалистами петербургского предприятия "ОДК-Климов" Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК) Ростеха разработаны и выпускаются газотурбинные двигатели семейства ТВ7-117, которые являются универсальными. В семействе представлены двигатели самолетного турбовинтового исполнения и турбовального вертолетного.

Первый ТВ7-117С создавался в КБ им. Владимира Климова с середины 1980-х годов, серийно производится и эксплуатируется с 1990 года. К сожалению, поначалу этот двигатель не был оценен по достоинству. В то время зарубежные производители всячески старались не дать хода отечественному двигателестроению. Пользуясь сложнейшей экономической ситуацией в стране после распада СССР, они буквально наводнили рынок авиадвигателями западного производства, в то время как российские двигателестроители оказались практически не у дел. Но это не могло продолжаться долго, и ситуация стала исправляться.

В настоящее время двигатели типа ТВ7-117СТ применяются на самолетах Ил-114 и его новейшей модификации - Ил-114-300, а двигатель ТВ7-117В успешно поднимает в небо отечественный вертолет тяжелого класса Ми-38. Эти уникальные двигатели имеют высокие технические характеристики, большой потенциал и хорошие перспективы.

В заключение хотелось бы отметить еще одно знаковое событие для всего российского авиационного моторостроения - получение сертификата типа на вертолетный двигатель ВК-650В разработки конструкторов "ОДК-Климов". Этот двигатель предназначается для установки на легкие вертолеты "Ансат", Ка-226, Ми-34 и должен заменить на них иностранные силовые установки. Также этот двигатель сможет устанавливаться на отечественных БПЛА вертолетного типа.

ВК-650В отличается хорошими рабочими эксплуатационными качествами. На взлетном режиме он будет развивать мощность 650 л.с., на короткое время допускается использовать чрезвычайный режим с мощностью на валу двигателя 750 л.с. Расчетный удельный расход топлива на взлетном режиме не будет превышать 245 грамм на лошадиную силу в час и 280 грамм в крейсерском режиме полета. Первоначальный ресурс ВК-650В - 600 часов, а в дальнейшем планируется перейти на эксплуатацию по состоянию с ресурсом основных деталей горячей части в 4500 часов или 3000 циклов, а по деталям холодной части - до 9000 часов или 6000 циклов.

Разработка и сертификация ВК-650В осуществлены в рекордные сроки - всего за пять лет. На этот двигатель возлагаются очень большие надежды. Достаточно сказать, что комплексной программой развития авиатранспортной отрасли России предусмотрен выпуск до 2030 года более 800 экземпляров ВК-650В. Пожелаем новому отечественному вертолетному двигателю долгих лет работы без поломок, огромного моторесурса и стать таким же успешным в своем классе, как и его предшественники.