Silnik turbośmigłowy NK-93: bezużyteczny unikalny
NK-93
Pragnienie nafty
Na początek Historie o unikalnym turbośmigłowym silniku lotniczym NK-93, należy dowiedzieć się, czym ten projekt różni się od innych produktów. Ponadto pełna nazwa silnika zawiera również zwrot „propfan birotacyjny”. Bez wstępnego przygotowania nie można zrozumieć, dlaczego w ogóle zbudowano taką maszynę jak NK-93.
W konstrukcji silników lotniczych wszystkie myśli projektowe krążą wokół dwóch kategorii – ekonomii i prędkości przelotowej. Oczywiście ważne są również bezpieczeństwo, niezawodność, efekt hałasu oraz parametry wagowe i gabarytowe produktów. Ale nauczyliśmy się już sobie z tym radzić mniej lub bardziej dobrze i nie możemy już oczekiwać poważnych postępów.
Ale przy zużyciu paliwa wciąż możesz coś wymyślić. Najbardziej ekonomiczne są silniki turbośmigłowe, które wytwarzają lwią część ciągu dzięki śrubie napędowej. Królem wszystkich silników tego typu jest oczywiście krajowy NK-12, który jest instalowany głównie na strategicznym nośniku rakiet Tu-95. Jest to najpotężniejszy i najbardziej ekonomiczny samolot turbośmigłowy na świecie. lotnictwo silnik. Można go również znaleźć pod skrzydłem wojskowego transportu An-22 Antey.
Parametry dwóch podobnych w zadaniach Tu-95 i Tu-160 mówią o tym, jak ekonomicznie bardziej opłacalny jest silnik turbośmigłowy (jeśli w ogóle można mówić o sprzęcie wojskowym) niż silnik turboodrzutowy. Pierwszy, o praktycznym zasięgu 13,5 tysiąca kilometrów, zabiera na pokład około 80 ton paliwa, a Tu-160 jest zmuszony wystartować ze 148 tonami nafty i jednocześnie przelecieć 12,3 tysiąca kilometrów. Ale główną wadą NK-12 jest jego stosunkowo niska prędkość - nawet najszybszy na świecie seryjny turbośmigłowy Tu-95 nie przyspiesza więcej niż 900 km / h.
Chodzi o gwałtowny spadek ciągu śmigła przy osiąganiu prędkości naddźwiękowych. Ten sam efekt, zwany „locking effect”, położył kres dalszemu zwiększaniu prędkości lotu śmigłowców – dalszy postęp jest możliwy tylko przy użyciu śmigieł pchających. Problem można częściowo rozwiązać zwiększając średnicę śrub, ale wszystko jest możliwe w rozsądnych granicach. Tu-95 ma śmigło AB-60 o średnicy 5,6 metra, a śmigło AV-90 wojskowego transportu Antey ma już 6,2 metra. I każdy wie, jaki hałas wytwarzają te maszyny podczas startu - nawet w przypadku sprzętu wojskowego taki efekt jest na granicy tego, co jest dozwolone.
Ale nie zakładaj, że temat silników turbośmigłowych dla lotnictwa jest bliski zamknięcia - nowoczesny transport wojskowy A400M jest wyposażony w cztery Europrop International TP400-D6, które producenci nazywają drugim najpotężniejszym na świecie po rosyjskim NK-12 . Dlatego jeszcze długo pod skrzydłami wszystkich typów samolotów będziemy widzieć otwarte śmigła.
Schemat ideowy silnika samolotu turbośmigłowego (powyżej) i turbowentylatorowego.
W sytuacji, gdy prędkość ma krytyczne znaczenie, konieczne jest zainstalowanie turboodrzutowych silników lotniczych. Zasada działania jest prosta - w komorze spalania paliwo zmieszane z powietrzem wykonuje użyteczną pracę i przekazuje obrót do sprężarki poprzez łopatki turbiny. Ten ostatni pompuje więcej powietrza do komory spalania. Takie silniki są w stanie rozpędzić nośniki do kilku prędkości dźwięku, ale zużycie paliwa przez produkty po prostu nie wchodzi w rachubę. To jest w porównaniu z kolegami z klasy turbośmigłowymi.
Aby zmniejszyć zużycie paliwa, wynaleziono turbowentylatorowe silniki lotnicze. Z dużym rozciągnięciem projekt można nazwać hybrydą silnika turboodrzutowego i turbośmigłowego. Turbowentylator wytwarza ciąg nie tylko w wyniku wypływu strumienia gorącego gazu z dyszy, ale także w wyniku obracania się wentylatora w głowicy silnika. Cechą charakterystyczną silników tego schematu są ich duże rozmiary - najmocniejszy turbowentylator General Electric GE9X na świecie ma średnicę wlotu powietrza 4,5 metra.
Aby całkowicie to uprościć, śmigło takich silników jest zamieniane w wentylator i osłonięte w opływowy korpus, aby uniknąć komplikacji podczas naddźwiękowego obrotu łopatek. Okazało się też, że jest ciszej, co jest ważne w lotnictwie cywilnym.
Większość opracowanych w Rosji silników lotniczych to silniki turbowentylatorowe - PD-8, PD-18 i PD-35. Ważne jest, aby zrozumieć tutaj, że wydajność każdego turbowentylatora zależy bezpośrednio od współczynnika obejścia. Czyli ze stosunku masy powietrza, które wentylator przedmuchuje przez obieg zewnętrzny (tu powietrze się nie pali) do masy powietrza, które spala się w wewnętrznym obiegu gorącym.
Na przykład naddźwiękowy AL-31F dla Su-27 ma żałosny współczynnik obejścia wynoszący 0,59, podczas gdy czysto cywilny Pratt & Whitney PW1000G ma rekordowe 12. Pierwszy z nich ma 0,59 kg powietrza na każdy kilogram powietrza przechodzącego przez gorąca strefa, przechodząca wzdłuż zewnętrznego konturu. W PW1000G jest odwrotnie – na każdy kilogram powietrza przechodzącego przez komorę spalania 12 kilogramów jest natychmiast wdmuchiwanych przez wentylator wzdłuż zewnętrznego konturu.
Teraz, w światowej konstrukcji silników lotniczych, granica między silnikiem turboodrzutowym a produktem turbowentylatorowym została faktycznie zatarta - projekty można odróżnić jedynie po stopniu obejścia. Powiedzmy warunkowo, że wszystkie silniki o współczynniku obejścia większym niż dwie jednostki można bezpiecznie nazwać turbowentylatorami. Im bardziej turbowentylator wygląda jak turbośmigłowy, tym większa jest jego wydajność. Ale opór czołowy nieuchronnie wzrasta, a wraz z nim prędkość również maleje.
Właściwie projektanci na całym świecie walczą teraz o równowagę tych parametrów. Jest to rodzaj głównego nurtu budowy silników lotniczych.
Propfan
Mimo ugruntowanej struktury rynku inżynierowie nie przestają eksperymentować. Co się stanie, jeśli równowaga silnika turbowentylatorowego zostanie przesunięta bliżej turbośmigłowego? Okaże się projekt propfanu, z którym wszystko jest bardzo trudne. Nawet na zewnątrz nie jest łatwo odróżnić konwencjonalny samolot turbośmigłowy od samolotu turbośmigłowego. Tutaj, na przykład, D-27 z Zaporizhzhya Design Bureau „Progress”. A obok wspomniany europejski Europrop International TP400-D6 z ciężarówki A-400M.
Silniki lotnicze odpowiednio TP400-D6 (powyżej) i D-27 samolotów A-400M i An-70.
Wydawać by się mogło, że różnice, jeśli występują, są minimalne. Ale nie mylcie, ukraiński (a dokładniej, wciąż radziecki) odnosi się do silników turbośmigłowych, a wielonarodowy TP-400-D6 odnosi się do silników turbośmigłowych. Różnica polega na kształcie łopat śmigła.
Teoria mówi: śmigło można uznać za propfan tylko wtedy, gdy ma od 8 do 20 łopatek, a same są bardzo podobne do szabli, to znaczy „ze zmiennym odchyleniem krawędzi natarcia i spływu wzdłuż rozpiętości łopat”. Duża ilość łopatek oraz kształt pozwala na osiąganie prędkości lotu rzędu 800-900 km/h bez notorycznego „efektu blokowania”, o którym była mowa powyżej.
Po pierwsze, więcej ostrzy pozwala zmniejszyć prędkość obwodową przy tym samym ciągu, a po drugie, śmigła w kształcie szabli poprawiają opływowość przy dużych prędkościach lotu. Mówiąc bardzo sucho, DT-27 ma jak dotąd najwyższą możliwą sprawność silnika pneumatycznego - ponad 0,9.
1993 D-27 pod skrzydłem Ił-76LL.
D-236 zainstalowany na latającym laboratorium Jak-42LL
Ilość i charakterystyczny kształt wentylatorów powietrznych D-27 pozwala urządzeniu osiągnąć nowy poziom wydajności
Jednocześnie zużycie paliwa jest porównywalne z silnikiem turbośmigłowym, czyli znacznie niższe niż w przypadku silnika turbowentylatorowego. W przypadku DT-27 jednostkowe zużycie paliwa w trybie przelotowym wynosiło nie więcej niż 0,13 kg / KM / h, a dla najbardziej ekonomicznych na świecie samolotów turbośmigłowych Europrop International TP400-D6 i NK-12 - około 0,16.
Nawiasem mówiąc, gdyby nie Majdan 2014 r., samolot transportowy An-70 wyposażony w cztery propfanowe DT-27 latałby po rosyjskim niebie od dawna. Wiosną 2013 roku ogłosili udane testy laboratoryjne propfanu SV-27, a ambasador na Ukrainie Zurabow obiecał zakup do 60 samolotów dla rosyjskiego resortu wojskowego.
Na ten fakt warto zwrócić uwagę osobno – dziesięć lat temu rosyjskie urzędy certyfikacji faktycznie zatwierdziły dopuszczenie do lotów innowacyjnego silnika samolotu. Wrócimy do tego faktu.
Eksperymentalny propfan General Electric GE36 (powyżej) i PW-Allison 578-DX.
W sumie znane są trzy schematy silników propfanowych - z ciągnącym i pchającym zespołem napędowym, a także z kapturem. DT-27 i jego eksperymentalny poprzednik D-236. W połowie lat 80. Amerykanie z powodzeniem eksperymentowali z obwodem pchającym w demonstratorach technologii PW-Allison 578-DX i General Electric GE36. Zarówno radzieckie, jak i amerykańskie silniki były wyposażone w dwa propfany umieszczone jeden za drugim i obracające się w różnych kierunkach. To jest układ „birotacyjny propfan”.
Produkty PW i GE wypadły nieźle - jednostkowe zużycie spadło o 20 proc. w porównaniu z rówieśnikami. Ale pod koniec lat 80. rozwinęły się warunki, które nie były korzystne dla silników tego typu - zaostrzenie wymagań dotyczących hałasu i niskie ceny ropy. A eksperymentalne silniki PW-Allison 578-DX i General Electric GE36 robiły dużo hałasu. Co więcej, decybele w kabinie przekroczyły skalę, mimo że projektanci przenieśli silnik do tyłu, a nawet umieścili go pod śrubą dociskową.
W rezultacie Amerykanie odrzucili projekty. Od czasu do czasu zainteresowanie propfanami budzi wzrost cen nafty, ale nie należy się tego spodziewać w najbliższej przyszłości. Safran poważnie pracuje teraz nad silnikiem turbowentylatorowym z otwartym wirnikiem – w 2017 roku zakończono wstępne testy koncepcji. CFM International walczyło również ze swoim 12-łopatowym prototypowym, „przyjaznym dla środowiska” silnikiem lotniczym.
Nowoczesne silniki lotnicze propfan z otwartym pędnikiem typu pchającego. Na górze Safran, poniżej CFM International
Teraz czas przejść do głównego bohatera naszej opowieści - birotacyjnego turbośmigłowego silnika samolotu NK-93.
Główną różnicą w stosunku do wszystkich powyższych schematów jest propfan z kapturem. Przednie śmigło ma osiem łopatek, drugie dziesięć, a napędza je osobny wał z przekładni planetarnej z siedmioma satelitami. Prace nad NK-93 rozpoczęto w Samara NTK im. Kuzniecowa pod koniec lat 80. i był przeznaczony do ciężkiego transportu wojskowego Ił-106.
Samolot miał jeszcze na ten czas zastąpić przestarzały An-22 Antey. Siła ciągu silnika wynosi 18 ton - mniej więcej tyle samo jest obecnie opracowywane na stoisku przy jeszcze przedprodukcyjnym turbowentylatorze PD-18. Tylko jednostkowe zużycie paliwa silnika permskiego wynosi około 0,55 kg/ehp/h, podczas gdy NK-93 wynosi 0,22.
Konstruktorom udało się znacznie obniżyć poziom hałasu charakterystyczny dla wszystkich propfanów, przede wszystkim dzięki osłonie. W każdym razie jest niższa niż ukraińskiego odpowiednika D-27, który został dopuszczony do lotów w Rosji w 2013 roku.
NK-93 pod skrzydłem Ił-76LL na pokazie lotniczym MAKS-2007. Źródło: sell-off.livejournal.com
NK-93 ma kilka solidnych plusów - współczynnik obejścia wynosi 16,6, dlatego turbina odpowiada tylko za 17 procent ciągu, reszta dla propfanów. Pomimo nienarodzonego IL-106 prace nad silnikiem kontynuowano w Samarze z własnej inicjatywy.
W latach 2006-2008 laboratorium testowe Ił-76LL wystartowało pięć razy z eksperymentalnym silnikiem pod skrzydłem. Zakładano, że para silników znajdzie się pod skrzydłem Tu-204 i transportowym Tu-303. Zaplanowano cztery NK-93 dla samolotu pasażerskiego Ił-96, a nawet dla superciężkiego An-124. Dla tego ostatniego planowano opracować wersję o ciągu 22–24 ton. Ale żaden klient nie okazał zainteresowania w dużej mierze rewolucyjnym projektem.
Oczywiście były też wady. Na przykład wlot powietrza o średnicy prawie trzech metrów. To oczywiście stworzy projektantom trudności w układzie, ale nie są one krytyczne - samoloty z jeszcze większymi silnikami latają po świecie. Zostało to wspomniane powyżej.
Cywilni twórcy MS-21 i CR929 byli po prostu przerażeni innowacyjnym NK-93. Można je zrozumieć – samochody kierują się rynkiem światowym, który jest bardzo konserwatywny.
W rezultacie od podstaw opracowywane są serie PD-8, PD-10, PD-14 i PD-35, dla których ten sam rynek również zostanie w najbliższym czasie zamknięty.
Czy NK-93 mógł zostać dostosowany i powiększony w straconym czasie i wydanych miliardach? Dlaczego ukraiński D-27 faktycznie mógł kiedyś działać w Rosji, ale podobny, choć mocniejszy krajowy NK-93, nie? Kolejne pytania retoryczne, na które odpowiedzi, jeśli się dowiemy, już nieprędko.
informacja