Уменьшить шрифт Увеличить шрифт           Выберите шрифт:     Выберите цвет фона:

Краткая история создания газотурбинных двигателей

Прообраз теплового двигателя создал Герон Александрийский в 120-ом году до н.э. Его эолипил представлял собой небольшую паровую машинку. Огонь кипятил воду в котле. Пар по трубке проходил в шарообразный сосуд, который мог вращаться на концах стоек. Из сосуда пар вырывался через коленчатые трубки и силою реакции вращал сосуд. Это - первая паровая реактивная турбина. Построенный современными учеными по чертежам Герона эолипил развивал до 3500 оборотов в минуту. В настоящее время этот принцип используется в устройствах для полива газонов.

эолипил

Первый патент на газотурбинный двигатель был выдан в 1791 году англичанину Джону Барберу, который стал первым человеком, в деталях описавшим принцип функционирования газовой турбины. Работы над созданием первых ТРД осуществлялись с конца 1920-х годов. К практическим разработкам идеи реактивного двигателя на самолетах авиаконструкторы ведущих авиационных держав приступили во второй половине 1930-х годов.

В Англии газовыми турбинами занимались группы, которые работали независимо друг от друга. Первой группой руководил офицер британских ВВС Фрэнк Уиттл. 16 января 1930 года Ф. Уиттл зарегистрировал первый в мире патент Великобритании №347206 на газотурбинный (турбореактивный) двигатель. В 1936 году Ф. Уиттл с компаньонами создал фирму “Пауэр Джет”, в которой и были разработаны первые английские турбореактивные двигатели.

Первый в мире ТРД W.U. был испытан в 1937 году. В середине 1939 года Ф. Уиттл уже имел работающий на стенде двигатель тягой 270 кгс. Первый английский реактивный самолет “Глостер E.28/39” с двигателем Whittle W.1, имевшим тягу 460 кгс, поднялся в небо 15 мая 1941 года, почти на два года позже первого немецкого реактивного самолета с двигателем Пабста фон Охайна.

Вторая британская группа, руководимая доктором А.А. Гриффитсом, была организована в моторном отделе Королевского авиационного института (Royal Aircraft Establishment - RAE).

В июле 1926 года доктор А.А. Гриффитс в RAE представил доклад, который назывался “Аэродинамическая теория конструирования турбин”. В этом докладе впервые в Великобритании было предложено практическое применение газовой турбины в качестве силовой установки для самолета. А.А. Гриффитс рассматривал турбину, приводящую осевой компрессор и вращающую винт.

Значительное количество опытов было проделано в RAE по авиационным турбокомпрессорам. Однако, несмотря на успех экспериментов, в то время не было получено разрешения для разработки конструкции турбины и дальнейшей работы не велось в течение нескольких лет - до 1936 года, предположительно потому, что тогдашнее правительство занималось неотложными социальными и финансовыми проблемами, не интересуясь нуждами будущего. В течение этих лет в Великобритании не было прогресса в области газовых турбин.

На фирме “Роллс-Ройс” узнали, что научный потенциал Гриффитса не был использован в достаточной степени и в 1939 году убедили его перейти к ним, давая ему полную свободу беспрепятственно развивать свои идеи. Доводку двигателя типа Whittle осуществляла компания “Ровер” на заводе в Барнольдсвике. В 1943 году эту работу стала проводить фирма “Роллс-Ройс”.

В Германии в 1934 году Ганс Йоахим Пабст фон Охаин с механиком Максом Ханом начинают строить опытный образец газотурбинного двигателя. 10 ноября 1935 года доктор наук Геттингенского университета фон Охаин получил секретный патент за номером 317/38 на турбореактивный двигатель, который он разработал ещё в период своего обучения.

В апреле 1936 года авиапромышленник Эрнст Хейнкель приглашает фон Охаина к себе в компанию Ernst Heinkel Aircraft и обеспечивает его всем необходимым для успешной работы.

В середине марта 1937 года фон Охаин и его сотрудники испытывают модель двигателя на водородном топливе - HeS 1(S от Strahl - реактивный), который показал тягу в 250 кгс. Испытания проходили в течение пяти месяцев, слишком долго, чтобы стать первыми в мире, поскольку Франк Уиттл первые испытания своего двигателя начал в апреле 1937 года. Кроме того, двигатель Охаина был “сырым” и плохо регулируемым в отличие от уиттловского, но в то же время работа в Англии продолжалась медленно, а в Германии она развивалась с нарастающими темпами. 27 августа 1939 года летчик-испытатель Эрих Верзитц поднял в небо первый в мире турбореактивный самолет He-178 с двигателем Охаина HeS 3, имевшим тягу 450 кгс.

He-178

В 1947 году Охаин был вывезен в США в ходе операции “Скрепка”, где получил признание своих заслуг перед мировой авиацией. В 1970-е годы он являлся главным специалистом лаборатории ВВС США Air Force Research Laboratory Propulsion Directorate.

В Мюнхене в 1939 году под руководством доктора К. Лехнера и доктора В. Мюллера-Бернера был разработан проект F9225 - ТРД с осевым семиступенчатым компрессором, кольцевой камерой сгорания и двухступенчатой турбиной. Несколько позднее в Берлине-Шпандау под руководством доктора Г. Вейнриха был разработан проект Р3304 (БМВ 109-002) с биротативной турбиной - вращающиеся сопловые аппараты приводили во вращение направляющие аппараты компрессора.

В 1942 году разработка БМВ-002 ввиду его сложности была прекращена. В сентябре 1939 года также были прекращены работы над двигателем с центробежным компрессором и все усилия сосредоточены на проекте двигателя с осевым компрессором, разработанным на заводе в Шпандау и получившим обозначение  Р 3302. Он стал основой для создания ТРД БМВ 109-003. Как видно, при разработке первых проектов ГТД использовался опыт создания турбокомпрессоров, применявшихся для наддува поршневых моторов с целью повышения высотности.

ТРД БМВ-003 с тягой 800 кгс, первое испытание которого было осуществлено в 1940 году, производился серийно с 1942 года. Руководил разработкой двигателя БМВ-003 Г. Ойстрих. Всего было изготовлено более 700 штук ТРД БМВ-003 разных модификаций. Он применялся на самолетах He-162, Ar 234 V8 и др.

Несмотря на то, что конструктивно двигатели Охайна превосходили ТРД подключившихся к турбореактивному моторостроению фирм “Юнкерс” (JUMO) и БМВ, финансирование их разработок из-за личных трений Хейнкеля с авиационным руководством Третьего рейха производилось в недостаточной мере. В результате первым в мире серийным двигателем стал не двигатель Охайна (фирмы Хейнкель), а двигатель JUMO 109-004 Ансельма Франца, изготавливавшийся с 1942 года (всего было изготовлено более 6000 двигателей).

Моторостроительная фирма Junkers Motorenwerke AG начала предварительные работы по реактивному двигателю в 1937 году. Заказ от германского министерства авиации на разработку ТРД JUMO-109-004 фирма получила летом 1939 года. Этот двигатель, разработанный под руководством доктора А. Франца, был рассчитан на то, чтобы его можно было максимально быстро запустить в серийное производство, даже ценой некоторого ухудшения характеристик. К конструированию приступили в начале 1940 года, и в ноябре 1940 на стенде был испытан первый Jumo-109-004A. Его тяга составляла 900 кгс.

Jumo-109-004

Двигатели JUMO-109-004 применялись на самолетах Me-262, Ar-234B, Ju-287, Ho-229, Me-1101, He-162.

В 1944 году фирма Junkers начала разработку нового турбореактивного двигателя JUMO-109-012. Создание двигателя было продолжено в 1946 году на опытном заводе №2 в СССР.

В 1933 году шведский инженер А. Лисхольм запатентовал газотурбинный двигатель. По его проекту в 1934 году фирма “Бофорс” изготовила для проведения стендовых испытаний турбореактивный двигатель. В годы войны компания Svenska Flygmotor AB (SFA), сейчас Volvo Aero, под руководством Лисхольма спроектировала ТРД P/15-54 с двухступенчатым центробежным компрессором и четырехступенчатой турбиной, кольцевой камерой сгорания. Тяга двигателя была порядка 1800 кгс. В 1944-1945 годы фирма SAAB проектировала под этот двигатель истребители RX-1? RX-2 и R-101.

В 1944 году документацию по двигателю БМВ-003А на двух подводных лодках направили из Германии в Японию. Одна из лодок была потоплена американцами, другая благополучно добралась до Японии. Здесь под руководством Eichi Iwaya был спроектирован двигатель Ne-20, размеры которого по сравнению с прототипом БМВ-003 были уменьшены и его статическая тяга составляла 475 кгс. Двигатель был установлен на самолете J9Y Kikka фирмы Nakajima Hikoki K K. Самолет совершил первый полет 7 августа 1945 года.

В 1946 году Г. Ойстрих и около 120 специалистов по двигателям БМВ стали работать на французской фирме SNECMA. Первый ГТД этой фирмы - ATAR-101 - был создан под руководством технического директора Г. Ойстриха и являлся модификацией БМВ-003.

БМВ-003

В США первые авиационные ГТД создавались самолетными фирмами. На фирме Lockheed Aircraft Corporation под руководством Натана Прайса в 1937-1943 годах разработали авиационный ГТД L-1000. Его тяга составляла 2450 кгс. Этот двигатель предназначался для самолета “Локхид L-133”. 

На фирме Westinghouse Corporation под руководством Ole Rogers в 1942-1943 годах разрабатывали небольшой ТРД 19А ("Yankee"). Он прошел 100-часовые испытания и был установлен в качестве вспомогательного на самолет FG-1 Corsair в январе 1944 года. Версия, получившая название J30, развивала 726 кгс тяги. Была установлена на двухдвигательный самолет McDonald FD-1 Phantom в январе 1945 года.

Основное развитие газотурбинное двигателестроение в США получило после приобретения у фирмы “Роллс-Ройс” документации и технологии двигателей Ф. Уиттла компанией “Дженерал Электрик”, производившей на их основе ТРД J31, а затем J33, и “Прайт-Уитни”, изготавливавшей лицензионный J42. Кроме этого фирма “Райт” получила от британской компании “Армстронг-Сиддли” технологии на двигатель Saphhire, который стал обозначаться J65.

В СССР в 1924 году конструктор Владимир Иванович Базаров (впоследствии начальник отдела перспективных разработок ОКБ А.А. Микулина) предложил схему авиационного двигателя, в которой воздух, выходящий из компрессора, разделялся на два потока: первый (около 25%) направлялся непосредственно к горелке, а второй (остальные 75%) - подмешивался к образующимся продуктам сгорания.

В 1925 году Владимир Васильевич Уваров начал производить исследования по газовым турбинам под руководством профессора Н.Р. Бриллинга, а в 1930 году возглавил лабораторию №1 Всесоюзного теплотехнического института им. Ф.Э. Дзержинского (ВТИ). Эта лаборатория занималась разработкой и исследованием экспериментальных авиационных газовых турбин. Спустя четыре года в ВТИ была создана и прошла длительные испытания первая отечественная высокотемпературная газотурбинная установка ГТУ-1, ставшая прообразом будущих турбовинтовых двигателей.

Опубликовано: 30.11.2023

предыдущая запись                    следующая запись