ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ВЕРТОЛЕТА

В распоряжении конструктора вертолета имеются два основных типа двигателей – газотурбинные (ГТД) и поршневые (ПД). Технический облик двигателей определяется довольно широким спектром характеристик. Одни лучше у ГТД, другие – у ПД.

Если оставить в стороне проблему безопасности полета, то первое, что нужно создателю летательного аппарата от двигателя – больше мощности при возможно меньшем весе. Если в этом отношении не будут выполнены некоторые минимальные условия, станет невозможным само существование ЛА, он просто не поднимется в воздух. Соотношение между мощностью двигателя и его массой, критерий q (равный N/M, где N – мощность двигателя, M – его масса), называется «удельной мощностью». У парового двигателя, который был установлен на экспериментальную модель геликоптера Д'Амекура (модель при испытаниях облегчалась на четверть веса), значение q не превышало 0,05 л.с./кг. Энергетический барьер удалось преодолеть французскому изобретателю и промышленнику Клементу Адеру, установившему на свой летательный аппарат «Эол» паровую машину мощностью 20 л.с (q = 0,34 л.с./кг). Самолет «Флайер-1» братьев Райт был оснащен двигателем внутреннего сгоранием мощностью 12,2 л.с. (q = 0,16 л.с./кг). Геликоптер, который, как известно, еще тяжелее воздуха, чем самолет, смог оторваться от грешной земли с 24-сильным мотором «Анзани», удельная мощность которого составляла 0,41 л.с./кг (интересно, что этот мотор, массой 65 кг, имел 26-и килограммовый маховик; в 1909 году он стоил 3000 франков – тогдашняя полуторогодовая зарплата квалифицированного рабочего).
Поршневые моторы интенсивно совершенствовались, становились все мощнее. В начале 50-х на самолетах Lockheed Super Constellation были установлены четыре 18-цилиндровые мотора Wright Cyclone Turbo Compound R-3350 с взлетной мощностью каждого до 3750 л.с.
В начальной стадии эксплуатации моторы не могли похвастаться удобством технического обслуживания и надежностью. Из-за многочислен-ных случаев остановок двигателя в полете Super Constellation получил сомнительное прозвище «самого надежного четырехмоторного трехмоторника».
Со временем детские болезни многосильного гиганта удалось излечить. Упростили техобслуживание, повысили долговечность узлов, среднее время между ремонтами довели до 3500 часов. Удалось достигнуть рекордной удельной мощности двигателя – до значения 2,7 л.с./кг. Поршневые моторы окучили практически весь диапазон потребных для воздушных судов мощностей.
Однако, применительно к использованию на самолете у поршневого двигателя остается не самое выгодное свойство – мотор непосредственно не создает нужной самолету тяги, только мощность, которая должна быть пере-дана воздушному винту. Тормозящий эффект этого свойства тем сильнее, чем выше скоростные аппетиты. В сороковых годах ХХ века самолеты уперлись в скоростной потолок, определяемый возможностями воздушного вин-та. Авиационный мир забеременел реактивной тягой.
27 августа 1939 года в свой первый полет ушел самолет немецкого ве-терана авиастроения Эрнста Хейнкеля (24.01.1888 – 30.01. 1958) Heinkel Не 178, на котором был установлен турбореактивный двигатель, разработанный немецким инженером Пабстом фон Охайном. Спустя несколько дней началась вторая мировая война. Реактивную идею применил и развил авиаконструктор Эмиль Мессершмитт. Разработанный им самолет Me.262 с ТРД BMW-003 совершил первый полет 25 марта 1942 года. Истребитель развивал скорость полета свыше 800 км/ч, на 200-300 км/ч больше находившихся тогда в эксплуатации боевых самолетов с поршневыми моторами. В 1944 году началось серийная постройка машин, которым по требованию Гитлера присвоили статус истребителей-бомбардировщиков. На строительство заводов для массового производства Me.262 нацисты согнали сотни тысяч чело-век. «Чудо» оружие не успело сыграть существенную роль в боевых действиях – война, к счастью, вскоре закончилась.
Реактивная турбина вместо конгломерата сложных механических узлов групп – это круто. Из поршневого двигателя, с его несколькими цилиндрами, поршнями, коленчатым валом, маховиком для смягчения неравномерности хода и уменьшения вибраций, взят один цилиндр – в нем взрывается топливная смесь и образуется тяга. Циклическое возвратно поступательное движение, преобразование его во вращательное для привода пропеллера – теперь все это лишнее, создается пропульсивная тяга, тяга, тяга, ничего кроме тяги. Правда, оказалось все не так уж слишком просто. Появились агрегаты, которым нужна мощность, для лучшего КПД пришлось устанавливать турбокомпрессоры, блок турбин с охлаждаемыми лопатками, оснащать камеру сгорания многочисленными форсунками и т.д. и т.п.
Для летательных аппаратов в зависимости от их назначения разработаны различные типы реактивных двигателей – воздушно-реактивные (ВРД), в которых источником пропульсивной тяги служит выхлоп газов; турбовинтовые (ТВД), в которых выхлоп газа играет малую роль, а 85-90% пропульсивной силы дает винт, приводимый во вращение валом турбокомпрессора; турбовальные (ТВаД) со свободной турбиной, передающей всю полезную мощность потребителю.
ТВаД появились в конце 50-х годов ХХ века и сразу привлекли внимание вертолетчиков. В двигателе два модуля – на вале одного установлен турбокомпрессор с турбиной (или с блоком турбин), на вале другого установлена свободная турбина (или блок турбин). Между модулем турбокомпрессора и модулем свободной турбины нет жесткой механической связи – есть толь-ко газодинамическая, и оба модуля, таким образом, могут функционировать в оптимальных для себя условиях. Этим, в частности, решается проблема за-пуска двигателя в случае, когда свободная турбина приводит в действие не-сущий винт вертолета. Раскрутка турбокомпрессора происходит довольно быстро; такая динамика на вертолете с одновальным ГТД приводила бы к недопустимым перегрузкам несущего винта и трансмиссии.

Развитие ГТД, в том числе ТВаД, сопровождалось и сопровождается повышением значений удельной мощности: от 1-2 до 8-11 л.с./кг. Но, как известно, бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Всем хорош ГТД, только он на порядок дороже ПД. Поэтому, несмотря на впечатляющие технические преимущества ГТД, вертолеты с ПД, такие, как Робинсон R 22, R 44, продолжают выпускаться, демонстрируя при этом хороший коммерческий результат. Экономический фактор становится одним из важнейших при выборе типа и марки двигателя для летательного аппарата. Вновь образуется святая троица, три составные части мотороздания, три кита, на которых держится авиационный двигатель: удельная мощность, экономичность, надежность.
Надежность двигателя – предмет особый, связанный с безопасностью полета летательного аппарата. В начале ХХ века, как выразился один историк авиации, самолеты летали постольку, поскольку им это позволяли моторы. Поломкой мотора заканчивался едва ли не каждый второй-третий полет. Сейчас отказы, приводящие к выключению двигателя в полете – события крайне редкие, случаются, обычно, не чаще, чем один раз за 100000 часов полета. В рамках настоящего анализа будем полагать, что все сертифицированные двигатели удовлетворяют минимальным требованиям Норм летной годности и, в части отказобезопасности, одинаково пригодны для использования на ЛА. Из-за отсутствия достоверных данных не будем учитывать влияние на экономику двигателя не плановых расходов (расходов на досрочные съемы и ремонты.
Двигатель дает возможность вертолету выполнять полезную, оплачи-ваемую согласно тарифу работу, но не за бесплатно. Для начала, мотор нужно купить – одна из основных статей затрат. Мотор требует содержания и ухода: как и лошадь, его нужно кормить, хотя бы не сеном, но хорошим авиационным бензином или керосином; лошадь требует периодической чистки, лечения, смены подков. То же и двигатель – периодические регламентные работы, ремонты. Обычно такие затраты оцениваются ценой летного часа. На коммерческую полезность двигателя влияет также величина его массы, поскольку на соответствующую величину уменьшается полезная, оплачиваемая при перевозке масса вертолета.
 В качестве коммерческого критерия  предлагается использовать показатель в виде условной цены использования 1 кг двигателя (Ц и.д.):
Ц и.д. = Ц л.ч. + Ц у.в., где
Ц л.ч –цена летного часа эксплуатации двигателя — $/час полета,
Ц у.в. – цена упущенной выгоды за час полета, определяемая произве-дением массы двигателя на значение тарифа (цены перевозки вертолетом 1кг коммерческого груза за час полета) — $/час полета.
Экономическая эффективность двигателя тем выше, чем ниже показатель Ц и.д.

Добавить комментарий

WordPress SEO