Глава четвертая Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя

Глава четвертая

Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя

Турбореактивный двигатель уже давно вышел из «младенческого возраста» и стал совершенной и надежной машиной. Послевоенные годы были годами невиданного по размаху и быстроте технического перевооружения авиации — перехода на самолеты с реактивными двигателями.

Первой начала перевооружаться военная истребительная авиация, так как в воздушном бою при прочих равных условиях шансов на победу всегда больше у того самолета, который обладает большей скоростью полета.

Вслед за истребителями турбореактивные двигатели стали устанавливаться и на другие самолеты военной авиации. Появились реактивные самолеты-бомбардировщики сравнительно небольшого радиуса действия (так называемые фронтовые), разведчики, штурмовики и, наконец, тяжелые дальние бомбардировщики.

Появились реактивные двигатели и в гражданской авиации. Пассажирские и транспортные реактивные самолеты совершают регулярные рейсы на авиалиниях гражданской авиации. Не далеко то время, когда можно будет попасть из Москвы в Ленинград за полчаса, затратив больше времени на то, чтобы добраться из города до аэродрома. Перелет же из Москвы до Владивостока возможно будет совершать всего за один день.

Реактивные самолеты летают сейчас по крайней мере в полтора раза быстрее и на несколько километров выше, чем самолеты с поршневыми двигателями. Об успехах, достигнутых реактивной авиацией в борьбе за увеличение скорости и высоты полета, свидетельствуют официальные мировые рекорды, поставленные в 1955 г.: скорость полета — 1323 км/час, высота — 20079 м. Имеются все основания полагать, что эти рекордные показатели в настоящее время превзойдены.

В чем же секрет успехов, достигнутых в развитии турбореактивного двигателя? Почему его применение на самолетах означает качественно новую ступень развития авиации?

Этот «секрет» состоит в том, что турбореактивный двигатель при большой скорости полета может развить мощность, в несколько раз превосходящую мощность самых совершенных поршневых двигателей, при значительно меньшем весе, приходящемся на одну лошадиную силу. А ведь именно это, как указывалось выше, и необходимо для двигателя скоростного самолета.

Какую же мощность развивают современные турбореактивные двигатели? Эту мощность можно определить, если известна тяга двигателя и скорость полета.

Современные турбореактивные двигатели при испытании на стенде или при стоянке самолета развивают тягу до 5000—6000 кг и более. Но чтобы определить мощность двигателя, нужно знать его тягу не на стоянке, а в полете с большой скоростью. Чему же равна эта тяга? Выше было указано, что тяга поршневого двигателя с винтом с ростом скорости полета уменьшается обратно пропорционально скорости. Иначе ведут себя в этом отношении турбореактивные двигатели — с ростом скорости полета их тяга сначала несколько уменьшается, а потом снова возрастает и при полете со скоростью, близкой к скорости звука, турбореактивный двигатель развивает такую же (или даже большую) тягу, как и при стоянке. В этом и заключается огромное преимущество турбореактивного двигателя перед поршневым авиационным двигателем с винтом.

Такое различие объясняется тем, что в работе поршневого двигателя при увеличении скорости полета не происходит существенных изменений и его мощность остается почти неизменной. В работе турбореактивного двигателя при увеличении скорости полета происходят существенные изменения. Расход воздуха через двигатель при этом увеличивается, увеличивается также давление воздуха за турбиной, а значит, и скорость истечения газов из двигателя.

Какую же мощность будет иметь турбореактивный двигатель, развивающий тягу Р = 6000 кг при полете со скоростью V, равной, допустим, 1260 км/час или 350 м/сек? Эта мощность, очевидно, будет равна

Огромная мощность! А ведь тяга, равная 6000 кг, не является пределом для турбореактивного двигателя, так же как и скорость 350 м/сек не является предельной скоростью полета реактивного самолета.

Вместе с тем турбореактивный двигатель, развивающий такую огромную мощность, весит меньше, чем поршневой авиационный двигатель мощностью примерно 4000 л. с. В этом нет ничего удивительного, если учесть, что в поршневом авиационном двигателе действуют большие силы, резко меняющиеся по величине и направлению. Достаточно указать на то, что при вспышке в цилиндрах поршневого двигателя давление мгновенно возрастает почти до 100 кг/см². Для того чтобы выдержать возникающие при этом нагрузки, основные силовые детали поршневого двигателя должны быть очень прочными, а следовательно, массивными, тяжелыми. В турбореактивном же двигателе давления не превышают 10, самое большое— 15 кг/см², причем эти давления постоянные, не меняющиеся по времени. Поэтому большинство частей турбореактивного двигателя — либо легкие тонкостенные отливки, обычно из легких сплавов, либо детали, изготовленные из тонкого стального листа. Это делает турбореактивный двигатель более легким, чем поршневой, хотя через поршневой двигатель протекает в десятки раз меньше воздуха, чем через турбореактивный.

При большой скорости полета турбореактивный авиационный двигатель превосходит поршневой авиационный двигатель и по экономичности. Уже при скорости полета, равной 1000—1100 км/час, турбореактивный двигатель расходует на одну лошадиную силу развиваемой им мощности [2] не больше топлива, чем поршневой двигатель при максимальной скорости полета, которую он в состоянии обеспечить. С дальнейшим ростом скорости полета удельный расход топлива турбореактивного авиационного двигателя становится даже меньшим, чем удельный расход топлива поршневого авиационного двигателя. Но при уменьшении скорости полета экономичность турбореактивного двигателя резко ухудшается. Например, при скорости полета, равной 300 км/час, удельный расход топлива турбореактивного двигателя втрое больше удельного расхода топлива поршневого двигателя. Значит ли это, что турбореактивный двигатель на самолете выгоден только при очень больших, околозвуковых скоростях полета, а область меньших скоростей полета является выгодной только для самолетов с поршневыми двигателями? Нет, не значит. Но, вместе с тем простой турбореактивный двигатель не может заменить поршневой авиационный двигатель в зоне промежуточных скоростей полета, равных 500—800 км/час, так как при этих скоростях он менее экономичен, чем поршневой. Это под силу лишь газотурбинным двигателям другого типа.

Одним из таких двигателей является так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Чтобы понять идею этого двигателя, вспомним, чем отличается турбореактивный двигатель от воздушного винта в отношении (метода создания тяги. Мы знаем, что и турбореактивный двигатель, и винт создают тягу, отбрасывая воздух. Разница состоит в том, что винт отбрасывает много воздуха с малой скоростью, а турбореактивный двигатель — мало воздуха с большой скоростью. Но метод создания тяги, используемый турбореактивным двигателем, выгоден лишь при большой скорости полета. Если скорость полета мала, то кинетическая энергия, приобретенная газами в двигателе, полностью не используется. Лишь незначительная часть этой энергии затрачивается на совершение полезной работы продвижения самолета в воздухе, большая же часть ее теряется, бесполезно рассеиваясь в окружающей атмосфере. Потери же кинетической энергии при работе винта сравнительно малы, так как мала сама кинетическая энергия отбрасываемого воздуха. Чем больше скорость полета, тем выгоднее становится турбореактивный двигатель, так как уменьшаются потери кинетической энергии с отходящими газами, и, наоборот, тем менее выгодным становится воздушный винт из-за увеличения потерь при его вращении. Следовательно, для того чтобы сохранить преимущества турбореактивного двигателя перед двигателем поршневым во всем диапазоне скоростей полета самолета, нужно при уменьшении скорости полета уменьшать скорость отбрасываемых газов и увеличивать их массу, т. е. как бы постепенно переходить от метода создания тяги, характерного для турбореактивного двигателя, к методу создания тяги, характерному для воздушного винта.

Конечно, трудно разработать такую конструкцию двигателя, в которой по мере уменьшения скорости полета автоматически происходило бы увеличение расхода воздуха и уменьшение скорости истечения газов. Но можно создать такой газотурбинный двигатель, который в этом отношении был бы более близким к воздушному винту, чем турбореактивный двигатель. Таким двигателем является двухконтурный турбореактивный двигатель.

Как же в этом двигателе осуществляется увеличение количества и соответственное уменьшение скорости вытекающих газов по сравнению с обычным турбореактивным двигателем? Для этой цели в двухконтурном турбореактивном двигателе в камеру сгорания направляется лишь часть воздуха, поступающего в двигатель. Эта часть воздуха в результате сжигания топлива превращается в раскаленные газы, вытекающие затем наружу так же, как в обычном турбореактивном двигателе. Другая часть воздуха направляется в обход камеры сгорания по другому каналу, или, как говорят, контуру, отчего и сам двигатель получил название двухконтурного (рис. 24). Этот воздух сначала сжимается, а затем расширяется в сопле и вытекает из двигателя с большой скоростью, хотя скорость его истечения меньше, чем скорость истечения газов, так как газы имеют гораздо большую температуру.

Конструктивно двухконтурный турбореактивный двигатель устраивается так, что либо лопатки первых ступеней компрессора делаются более длинными, вследствие чего воздух, проходящий через удлиненные части лопаток, поступает не в следующие ступени компрессора, а во второй контур (см. рис. 24, сверху), либо во втором контуре устанавливается специальный высоконапорный вентилятор, приводимый во вращение турбиной двигателя (см. рис. 24, снизу). Так или иначе, но из сопла двухконтурною турбореактивною двигателя вытекают два газовых потока: в центре — раскаленные газы, снаружи — кольцевая струя холодного воздуха; при этом расход воздуха через двигатель увеличивается, а скорость отбрасывания газовоздушной струи уменьшается. Понятно, что двухконтурный двигатель более выгоден по сравнению с обычным турбореактивным двигателем при меньших скоростях полета и менее выгоден при больших скоростях: выигрыш в одном получается за счет проигрыша в другом. В настоящее время двухконтурные турбореактивные двигатели еще не получили широкого применения, но они могут найти применение в будущем на самолетах, предназначенных для скоростных дальних перелетов, например для трансконтинентальных или трансокеанских авиалиний. Следует отметить, что первые проекты двухконтурных двигателей были разработаны К. Э. Циолковским и конструктором А. М. Люлька.

Рис. 24. Принципиальные схемы двухконтурных турбореактивных двигателей

В двухконтурном турбореактивном двигателе сделан только первый шаг на пути уменьшения расхода топлива при малых скоростях полета. В турбовинтовом двигателе сделан второй такой шаг. В турбовинтовом двигателе, как и в турбореактивном, весь воздух направляется в камеру сгорания, но газы, вытекающие из камеры сгорания, расширяются в газовой турбине полностью, а не частично, как в турбореактивном двигателе. Вследствие этого давление газов за турбиной турбовинтового двигателя равно атмосферному, поэтому газы вытекают из двигателя наружу с небольшой скоростью, создавая таким образом лишь небольшую реактивную тягу. Но зато мощность газовой турбины, которой газы передают весь свой запас полезной энергии, значительно увеличивается и становится большей, чем мощность, необходимая для привода компрессора. Таким образом получается избыточная мощность, которая используется для вращения воздушного винта. Для передачи мощности с вала двигателя на воздушный винт применяется шестеренчатый редуктор (рис. 25), без которого в турбовинтовом двигателе обойтись нельзя, так как нельзя вращать винт с таким большим числом оборотов, которое развивает газовая турбина. Для более эффективной работы газовая турбина должна вращаться гораздо быстрее, чем это допустимо с точки зрения эффективной работы воздушного винта, так как воздушный винт имеет гораздо больший диаметр. Редуктор уменьшает число оборотов воздушного винта по сравнению с числом оборотов турбины раз в 10—15, а то и более. Следует заметить, что редуктор вызвал немало трудностей при доводке турбовинтового двигателя, что было одной из причин, задержавших широкое внедрение этих двигателей в авиации. Но еще большие трудности, однако, были связаны с доводкой систем регулирования турбовинтовых двигателей.

В настоящее время можно считать, что основные трудности, задерживавшие серийное производство турбовинтовых двигателей, преодолены. Турбовинтовые двигатели, сочетающие достоинства воздушного винта как движителя для умеренных скоростей полета с конструктивными преимуществами газотурбинного двигателя, в частности гораздо меньшим «лбом» (диаметром) (рис. 26), имеют несомненные перспективы широкого применения в авиации.

Рис. 25 Турбовинтовой двигатель: а — принципиальная схема; б — двигатель на испытательном стенде

В особенности они выгодны для самолетов гражданской авиации. В будущем основным типом самолетов, летающих на местных и на магистральных авиалиниях, будут, вероятно, самолеты с турбовинтовыми, а не с поршневыми двигателями. На экспрессных же линиях будут эксплуатироваться реактивные самолеты с турбореактивными двигателями, выгодные в тех случаях, когда на первый план выступает скорость полета, а его экономичность является второстепенным фактором.

Рис. 26. Относительные размеры поршневого (сверху) и турбовинтового (снизу) двигателей при одинаковой их мощности

Рассказ о двухконтурном и турбовинтовом двигателях может вызвать у читателя неверное представление о том, что обычный турбореактивный двигатель усложняется только тогда, когда его приспосабливают к меньшим скоростям полета. Это, конечно, не так. Турбореактивный двигатель прост лишь по принципиальной схеме; в действительности он представляет собой весьма сложную машину. Дальнейшее совершенствование двигателя приводит к его постепенному усложнению, которое оказывается необходимым в связи с ростом требований, предъявляемых к двигателям современных самолетов. В подтверждение этого достаточно привести следующие два примера.

Первый пример связан с одной из тенденций развития современных турбореактивных двигателей — увеличением степени повышения давления в компрессоре двигателя. В первых турбореактивных двигателях давление воздуха в компрессоре повышалось в 3—4 раза, а теперь повышение давления воздуха в компрессоре в 6—7 раз не всегда удовлетворяет конструкторов. Но как можно достичь дальнейшего увеличения степени повышения давления? Оказывается, простое увеличение числа ступеней осевого компрессора двигателя не всегда приводит к желательному результату — двигатель с таким компрессором начинает плохо работать, в особенности при запуске и на режимах неполной мощности, т. е. на режимах пониженной тяги. Это связано с явлением так называемого помпажа, о котором будет сказано ниже. Одним из способов преодоления этой трудности является устройство турбореактивного двигателя по так называемой двухвальной схеме (рис. 27). В этом случае ротор двигателя имеет два самостоятельных вала, с двумя самостоятельными осевыми компрессорами и двумя самостоятельными турбинами, причем валы вращаются с разным числом оборотов. Оба компрессора устанавливаются один за другим, так что сначала воздух, поступивший в двигатель, сжимается в переднем компрессоре (низкого давления), а затем он поступает в следующий, задний компрессор (высокого давления). Каждый из этих компрессоров приводится во вращение своей турбиной, так что обе турбины двигателя тоже оказываются установленными одна за другой. Передняя турбина, в которую газы поступают непосредственно из камеры сгорания, имея еще большое давление, приводит во вращение задний компрессор; таким образом турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. Задняя турбина, в которую газы поступают после расширения в передней турбине и которая поэтому является турбиной низкого давления, приводит во вращение компрессор низкого давления — передний. Вал, связывающий турбину и компрессор низкого давления, проходит внутри полого вала, связывающего турбину и компрессор высокого давления. Понятно, что такой турбореактивный двигатель оказывается сложнее обычного, но зато он обладает и лучшими характеристиками.

Рис. 27. Принципиальная схема двухвального турбореактивного двигателя

Второй пример, свидетельствующий о конструктивной сложности современного турбореактивного двигателя, относится к его регулированию. Турбореактивный двигатель имеет вспомогательные устройства и механизмы различного назначения, к которым относится, в частности, система регулирования, выполняющая ряд важных функций.

Одной из таких функций является автоматическое поддержание заданного режима работы двигателя при изменении условий полета. Можно, конечно, возложить эту задачу на летчика, но летчик и без того занят в полете.

Другой, еще более важной функцией системы регулирования является непрерывное «наблюдение» за работой двигателя для того, чтобы полностью исключить возможность возникновения опасных режимов во время его работы. Для поршневых авиационных двигателей такими опасными режимами являются, например, режимы, при которых двигатель детонирует. Если не принять срочных мер, то детонация может привести к очень неприятным последствиям, вплоть до аварии двигателя. У турбореактивных двигателей есть свои опасные режимы работы, например, режимы, при которых происходит перегрев лопаток турбины или возникает так называемый помпаж компрессора, о котором будет идти речь ниже. Можно задачу борьбы с опасными режимами возложить и на летчика, но автоматические устройства системы регулирования сделают это не хуже, а главное своевременно. В данном случае это является решающим фактором.

Часто на систему регулирования возлагается и задача «выбора» оптимальных, наивыгоднейших режимов работы двигателя, соответствующих данным условиям полета. Такие режимы обеспечивают наименьший расход топлива, а следовательно, наибольшую возможную дальность или продолжительность полета. И эту задачу, конечно, автоматы могут выполнить лучше летчика.

Следует заметить, что на работе турбореактивного двигателя изменение внешних условий — давления и температуры атмосферного воздуха, высоты и скорости полета — сказывается в гораздо большей мере, чем на работе поршневого двигателя; он очень чувствителен к этим изменениям. Даже сравнительно небольшие изменения условий полета могут привести к существенному нарушению режима работы турбореактивного двигателя — уменьшению или увеличению развиваемой им реактивной тяги, уменьшению или увеличению расхода топлива, недопустимому увеличению температуры газов перед турбиной или же чрезмерному увеличению оборотов («разносу») двигателя.

Поэтому система регулирования турбореактивного двигателя неизбежно получается сложной. Это настоящая «нервная система» двигателя, которая имеет свои «органы чувств», реагирующие на изменение внешних условий, аналогично тому, как наша кожа реагирует на изменение температуры воздуха или глаза реагируют на свет. Она имеет и свои «тормозящие» и «регулирующие» центры, аналогично тому, как наша нервная система дает «команду» прикрыть веки, когда освещение становится слишком сильным, или заставляет отдернуть руку, коснувшуюся горячего предмета.

Как же работает «нервная система» турбореактивного двигателя? В большинстве современных турбореактивных двигателей режим работы полностью определяется числом оборотов ротора двигателя, т. е. числом оборотов компрессора и турбины. Чем больше число оборотов, тем больше и тяга двигателя. Остальные показатели, характеризующие работу двигателя, в частности расход топлива и температура газов, имеют при этом вполне определенные значения. Но имеются двигатели, у которых режим работы определяется не только числом оборотов ротора. В этих двигателях истечение газов через выхлопное реактивное сопло в атмосферу регулируется, для чего на выходе из сопла устанавливаются поворотные заслонки или же внутри сопла вдоль его оси перемещается специальная регулирующая (профилированная) игла (см. рис. 10). При этом каждому значению площади выходного сечения сопла соответствуют, даже при неизменном числе оборотов, свои, отличные от других величины тяги, расхода топлива и температуры газов. В данном случае на режим работы двигателя можно воздействовать двумя путями: изменением числа оборотов ротора и изменением площади выходного сечения сопла. Естественно, такая система регулирования режимов работы двигателя сложней, чем регулирование путем изменения только числа оборотов ротора. Тем не менее она находит широкое применение, так как обеспечивает лучшие характеристики двигателя.

Но даже в тех случаях, когда реактивное сопло имеет неизменное выходное сечение, т. е., когда режим работы двигателя полностью определяется числом оборотов ротора, регулирование двигателя оказывается весьма сложным. И это несмотря на то, что по идее регулирование в данном случае очень простое: для изменения числа оборотов остается только одно средство — изменение подачи топлива в камеру сгорания двигателя. Изменяя подачу топлива, мы изменяем режим работы двигателя по нашему желанию или восстанавливаем режим, нарушенный вследствие изменения внешних условий. Таким образом, подача топлива является одновременно и средством управления, и средством регулирования двигателя. Для первого служит так называемый «рычаг управления газом», установленный в кабине летчика, для второго — специальные автоматические устройства системы регулирования, потому что осуществить это вручную практически невозможно.

Как же работает система регулирования турбореактивного двигателя?

Познакомимся с этим на примере двигателя РД-500 (рис. 28).

Пусть самолет стоит на старте. Летчик только что запустил двигатель. Рычаг управления газом передвинут немного вперед. Это значит, что дроссельный кран, с помощью которого изменяется количество топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, чуть приоткрыт. Игла крана приподнята и открывает доступ топливу к топливным форсункам, установленным в камерах сгорания. Так как топлива в камеру сгорания двигателя впрыскивается мало, то в ней выделяется мало тепла, и мощность, развиваемая турбиной, достаточна лишь для вращения компрессора с относительно малым числом оборотов. Двигатель работает на режиме холостого хода, или малого газа.

Рис. 28. Принципиальная схема системы управления подачей топлива турбореактивного двигателя РД-500

Но вот летчик передвигает рычаг управления газом вперед. Игла дроссельного крана приподнимается больше, проходное сечение крана увеличивается, а следовательно, увеличивается подача топлива в камеру сгорания. Вследствие этого увеличивается число оборотов двигателя и развиваемая им тяга. Чем больше топлива поступает в камеру сгорания, тем выше температура газов, выходящих из камеры на лопатки турбины, тем больше число оборотов и тяга двигателя. Наконец, достигнут взлетный режим: летчик освобождает тормоза, самолет начинает разбег по взлетной дорожке и затем, оторвавшись от земли, уходит в небо.

В течение всего полета летчик непрерывно пользуется рычагом управления газом. Когда нужно увеличить скорость полета, он передвигает рычаг от себя, увеличивая тем самым подачу топлива, а следовательно, и тягу двигателя, когда нужно уменьшить скорость, — передвигает рычаг назад. Но вот летчик избрал определенный режим горизонтального полета. Теперь ему уже не нужно воздействовать на рычаг управления. Заданный режим работы двигателя поддерживается автоматами системы регулирования, реагирующими на все изменения условий полета.

Рис. 29. Анероидный сильфон — чувствительный элемент регулятора

В качестве чувствительного элемента системы регулирования часто применяется так называемый анероидный сильфон (рис. 29). Он представляет собой герметичную металлическую «гармошку» — эластичную коробку, внутри которой находится воздух. Когда давление воздуха в камере, в которой помещается сильфон, увеличивается, гармошка сжимается. При уменьшении давления она расширяется. Иногда к этой гармошке добавляется другая, реагирующая на изменение температуры воздуха. Эти гармошки являются как бы своеобразными «органами чувств» двигателя.

Очевидно, что регулятор с таким анероидом будет реагировать на изменение высоты полета, так как с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Ясно, конечно, что он будет реагировать и на изменение барометрического давления. Можно заставить его «почувствовать» и изменение скорости полета. В самом деле, давление встречного потока воздуха, набегающего в полете на самолет, всегда больше атмосферного. Это избыточное давление, которое носит название скоростного напора, зависит от скорости полета: оно тем больше, чем больше скорость полета. Значит, достаточно ввести внутрь камеры регулятора, в которой находится анероид, воздух, имеющий повышенное в результате скоростного напора давление, чтобы регулятор стал реагировать и на скорость полета. Для такого регулятора увеличение скорости полета равносильно, следовательно, уменьшению высоты, т. е. снижению самолета.

Итак, мы познакомились с чувствительным элементом (датчиком) регулятора (обычно такой регулятор называется барометрическим).

Но как с помощью этого датчика барометрический регулятор поддерживает постоянство режима работы двигателя при изменении условий полета?

Пусть, например, скорость полета немного увеличилась или высота полета уменьшилась. В обоих этих случаях плотность воздуха, поступающего в двигатель, возрастает и, следовательно, увеличивается вес воздуха, протекающего через двигатель. Если количество топлива, сгорающего в камерах сгорания двигателя, остается при этом постоянным, то соотношение между воздухом и топливом изменится — топливо воздушная смесь будет беднее топливом. Вследствие этого число оборотов двигателя уже не останется прежним, оно уменьшится. Чтобы восстановить заданное число оборотов, нужно «обогатить» смесь, т. е. увеличить подачу топлива. Вот эту функцию изменения количества топлива, подаваемого насосом в камеры сгорания, и осуществляет регулятор.

Иногда это делается путем перепуска топлива. В этом случае обыкновенный шестеренчатый топливный насос, подающий топливо к форсункам камер сгорания, подает его больше, чем нужно. Избыток топлива перепускается либо обратно в топливный бак, либо во всасывающую магистраль насоса. Барометрический регулятор управляет количеством этого перепускаемого топлива, так что к форсункам поступает только строго необходимое количество топлива в зависимости от условий полета.

Но иногда для этой цели применяется специальный плунжерный топливный насос переменной производительности. Барометрический регулятор изменяет подачу этого насоса так, что к форсункам поступает только необходимое количество топлива. Такая система регулирования нашла применение и на некоторых отечественных турбореактивных двигателях, в частности на двигателе РД-500.

Внутри плунжерного топливного насоса вращается на подшипниках ротор, в котором имеется несколько цилиндрических отверстий, просверленных под углом к его оси (рис. 30). В этих отверстиях перемещаются плунжеры — стальные цилиндрические поршеньки. Плунжеры прижимаются пружинами, заложенными в каждое отверстие ротора, к неподвижной, так называемой «косой шайбе». Это название шайба получила потому, что ее ось наклонена под некоторым углом к оси ротора. Ротор насоса получает вращение от двигателя при помощи шестеренчатой передачи. При этом плунжеры совершают поступательно-возвратное движение в своих гнездах — отверстиях ротора, засасывая и нагнетая топливо. Для изменения величины подачи топлива достаточно лишь изменить угол наклона «косой шайбы», что и осуществляется при помощи барометрического регулятора. При увеличении угла наклона «косой шайбы» подача топлива увеличивается, при уменьшении — уменьшается.

Барометрический регулятор имеет две камеры (рис. 31). Одна из этих камер анероидная, в ней заключен упоминавшийся выше анероид, являющийся «чувствительным» элементом регулятора. Другая камера регулятора, называющаяся клапанной, герметически изолирована от анероидной камеры упругой мембраной из фосфористой бронзы и заполнена топливом, на котором работает двигатель. В дне этой камеры имеются два отверстия — по одному из них (отверстие 3) топливо подводится в камеру, по другому (отверстие 1) —отводится из камеры во всасывающую магистраль топливного насоса. Отверстие 1 всегда открыто полностью, тогда как отверстие 3 частично перекрыто клапаном, связанным с рычагом, укрепленным на мембране, которая разделяет обе камеры регулятора. Один конец рычага опирается на анероид, другой может перемещаться в клапанной камере. Когда один конец рычага поднимается, то другой, естественно, опускается, так как рычаг поворачивается вокруг точки опоры на мембране. Значит, когда анероид по какой-либо причине сжимается, например, при уменьшении высоты или увеличении скорости полета, то опирающийся на него конец рычага поднимается. Противоположный конец рычага, расположенный в клапанной камере регулятора, опускается, уменьшая отверстие для входа топлива в эту камеру, что и используется для изменения производительности насоса.

Рис. 30. Схематический разрез и конструкция топливного насоса переменной производительности для подачи топлива в камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500

Рис. 31. Барометрический регулятор турбореактивного двигателя РД-500:

а —разрез; б — схема гидравлических связей с топливным насосом; в — конструкция

В корпусе насоса имеется цилиндрическая полость, в которой находится поршень с пружиной. Это — сервомеханизм, служащий для поворота «косой шайбы». Дело в том, что усилие, необходимое для поворота «косой шайбы», так велико, что создать его сразу в регуляторе оказывается невозможным. Для этой цели служит особый исполнительный элемент — сервомеханизм, поршень которого связан тягой с «косой шайбой». Когда поршень под действием пружины выдвигается из полости, в которой он находится, то угол наклона «косой шайбы» увеличивается, в результате чего производительность насоса растет.

Топливо, заполняющее полость сервомеханизма, вытекает из нее по трубке 3 (см. рис. 31,б) в клапанную камеру регулятора. Обе полости сервонасоса соединены между собой обводным каналом с находящимся в нем калиброванным отверстием — жиклером. Если давление топлива, протекающего через этот жиклер, уменьшится по какой-либо причине, то силы, действующие на поршень слева и справа, окажутся неодинаковыми. Избыточное давление на поршень при этом уравновесится пружиной, создающей необходимую добавочную силу.

Стоит анероиду регулятора слегка сжаться, что происходит при незначительном увеличении скорости или уменьшении высоты полета, как тотчас же клапан прикроет отверстие 3 и выход топлива из полости сервомеханизма уменьшится. Давление топлива в полости, в которой находится пружина, при этом немедленно возрастет и суммарное давление топлива и пружины превысит давление топлива на противоположную сторону поршня. Поршень выдвинется из полости, наклон «косой шайбы» увеличится, а следовательно, увеличится и производительность насоса: в камеры сгорания будет подаваться больше топлива.

Так регулятор поддерживает нужный состав топливовоздушной смеси, сгорающей в двигателе, чтобы сохранить постоянным его число оборотов (рис. 32).

Но барометрический регулятор выполняет не только эту одну функцию. Он обеспечивает более надежную работу двигателя, являясь в то же время предохранительным устройством, ограничивающим давление топлива в нагнетающей магистрали насоса. Необходимость в таком устройстве очевидна. Нормальное давление топлива, подводимого от насоса к топливным форсункам, обычно составляет несколько десятков атмосфер. На это давление и рассчитываются топливные трубопроводы. Но представьте себе, что по какой-либо причине, например из-за загрязнения, произойдет местное сужение проходного сечения трубопровода. Плунжерный насос будет проталкивать через суженное отверстие прежнее количество топлива, что приведет к резкому увеличению давления топлива в трубопроводе перед сужением. В результате этого трубопровод может лопнуть, что может повлечь за собой пожар на самолете. Чтобы давление топлива в трубопроводе не превосходило некоторой максимально допустимой величины, нужно уменьшить производительность насоса, как только давление достигнет этого предела. Эту функцию и выполняет барометрический регулятор. Если давление топлива, подаваемого насосом, превысит допустимый предел, немедленно прогнется мембрана 4 (рис. 33), изготовленная из упругой резины и помещенная в дне клапанной камеры регулятора. К этой мембране топливо подводится по особой трубке (трубка 2 на рис. 31,б). Прогнувшись, мембрана надавит на поршенек и поднимет иглу, упирающуюся в рычаг, расположенный в клапанной камере. Приподнявшись, рычаг увеличит выход топлива в клапанную камеру регулятора из полости сервомеханизма топливного насоса, как это происходит, например, при увеличении высоты полета.

Рис. 32. Так система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 сохраняет постоянство числа оборотов при изменении высоты полета

Пусть высота полета увеличится. Тогда: анероид 1 — расширится; рычаг 2 — приподнимется, в клапанную коробку регулятора через отверстие 3 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса, давление в полости 4 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 5 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 6 уменьшится. В результате этого подача топлива в камеры сгорания уменьшится, вследствие чего число оборотов двигателя, которое с увеличением высоты полета растет из-за увеличения температуры газов, упадет до первоначального значения

В результате этого поршень сервомеханизма переместится в сторону пружины (на рис. 33 — вправо) и угол наклона «косой шайбы» уменьшится. Следовательно, уменьшится и производительность насоса, и давление топлива в трубопроводе упадет до установленного предела.

Рис. 33. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет топливные трубопроводы от разрыва

Пусть в топливоподающем трубопроводе образовалось местное сужение 1, например, из-за отложений грязи; тогда повысится давление перед сужением в трубопроводе 2, повысится давление и в трубопроводе 3; повышенное давление передастся на мембрану 4; рычаг 5 приподнимется; в клапанную камеру регулятора через отверстие 6 станет поступать больше топлива из полости сервомеханизма насоса; давление в полости 7 сервомеханизма насоса уменьшится; поршень 8 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 9 уменьшится, в результате чего подача топлива насосом уменьшится и давление в трубопроводах понизится до нормальной величины

Другое важное предохранительное устройство системы регулирования расположено в самом насосе. Оно исключает возможность «разноса» двигателя, т. е. превышения максимально допустимого числа оборотов его ротора. В некоторых типах турбореактивных двигателей основным элементом системы регулирования является центробежный регулятор, подобный применяющимся в паровых турбинах и других стационарных двигателях. Этот регулятор поддерживает постоянство числа оборотов двигателя, которое установлено летчиком. Как только число оборотов, например, возрастет, регулятор уменьшит подачу топлива до такой величины, пока число оборотов не снизится до заданного. В этом случае ограничение максимального числа оборотов не представляет трудности.

Иначе обстоит дело в описанной выше системе регулирования, которая реагирует лишь на внешние условия и не имеет центробежного регулятора. Если не предусмотреть в этой системе специального ограничителя максимальных оборотов двигателя, то не исключена возможность его «разноса».

Такой ограничитель оборотов и установлен в плунжерном насосе. Он представляет собой тоже центробежный регулятор, но только упрощенный, рассчитанный на одно определенное число оборотов — максимально допустимое. Этот регулятор не механический (он не имеет центробежных грузиков), а гидравлический. Как же он работает? Для того чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к схеме плунжерного насоса, показанной на рис. 34.

В роторе насоса высверлены радиальные отверстия, соединенные со всасывающей магистралью насоса. При работе насоса через эти отверстия вытесняется топливо под давлением, которое создается центробежной силой, возникающей в результате вращения ротора. Чем больше число оборотов насоса, тем больше центробежная сила и, значит, больше давление топлива, заполняющего полость насоса, в которой вращается ротор. Это давление является, таким образом, мерилом числа оборотов двигателя и используется для его ограничения. Для этой цели в верхней части насоса, в его крышке, установлена упругая перегородка — мембрана 3. С обеих сторон, сверху и снизу, на эту мембрану давит топливо. Но снизу давление топлива равно давлению на всасывании у насоса, а сверху оно больше, так как равно давлению в полости ротора, и создается, как указывалось выше, центробежной силой, возникающей при вращении ротора.

Чем больше число оборотов двигателя, тем больше разность давлений, пока, наконец, она не становится столь большой, что мембрана прогибается, нажимая на установленный под ней рычаг.

Рис. 34. Схема, иллюстрирующая, как система регулирования турбореактивного двигателя РД-500 предохраняет двигатель от «разноса», т. е. от превышения максимально допустимого числа оборотов

Пусть число оборотов двигателя увеличится; увеличение числа оборотов двигателя через хвостовик 1 передается ротору топливного насоса; центробежная сила топлива, вытекающего из отверстий в роторе насоса, увеличится, вследствие чего давление внутри насоса (позиция 2) возрастет; под действием повышенного давления внутри насоса прогнется мембрана 3, рычаг повернется и топливо начнет вытекать через отверстие 5 из полости 6 сервомеханизма насоса обратно на всасывание; давление в полости 6 сервомеханизма насоса уменьшится и поршень 7 сервомеханизма передвинется вправо; угол наклона «косой шайбы» 8 уменьшится, в результате чего подача топлива по трубопроводу 9 в камеры сгорания снизится до допустимой величины

Этот рычаг поворачивается вокруг своей опоры и открывает выход топлива из полости сервомеханизма насоса. Результат получается таким же, как и при увеличении высоты или уменьшении скорости полета: угол наклона «косой шайбы» уменьшается до тех пор, пока число оборотов не становится равным максимально допустимому. Чтобы можно было установить этот ограничитель на нужное максимальное число оборотов, сверху в крышке насоса имеется регулирующий винт, который сжимает пружину, воздействующую на мембрану ограничителя. Чем сильнее затянута пружина, тем меньше максимальное число оборотов двигателя, поддерживаемое ограничителем.

На рис. 35 показана общая принципиальная схема топливной системы и системы регулирования двигателя РД-500, а на рис. 36 — расположение основных агрегатов этих систем на двигателе.

Рассказ о конструкции современных турбореактивных двигателей не ограничивается, конечно, двумя приведенными примерами — его можно было бы продолжить. Эти двигатели имеют много сложных устройств и систем, обеспечивающих высокую надежность и эффективность работы двигателя.

Можно было бы рассказать, например, о различных пусковых системах, обеспечивающих быстрый и надежный запуск двигателя как на земле, так и в условиях полета вплоть до самых больших высот.

О сложности проблемы запуска современных мощных турбореактивных двигателей можно судить хотя бы по тому, что на них устанавливаются стартеры, мощность которых иной раз составляет сотни лошадиных сил. Стартер приходится устанавливать на двигателе потому, что турбина двигателя способна самостоятельно приводить во вращение компрессор только при уже достаточно большом числе оборотов. Поэтому при запуске вал двигателя приходится прокручивать с помощью стартера.

В качестве стартеров на турбореактивных двигателях применяются электродвигатели, поршневые двигатели внутреннего сгорания, подобные мотоциклетным, небольшие вспомогательные газотурбинные двигатели (один газотурбинный двигатель применяется для запуска другого), специальные пороховые пиропатроны и другие устройства.

Рис. 35. Общая схема топливной системы турбореактивного двигателя РД-500

Не менее сложной является также система электрического зажигания рабочей смеси при запуске двигателя.

Чтобы воспламенить холодную, плохо приготовленную (это неизбежно при запуске) топливовоздушную смесь, в особенности на большой высоте, где воздух разрежен, нужны очень мощные запальные устройства. Энергия электрической искры, получающейся в запальных свечах турбореактивных двигателей, должна быть больше, чем, например, энергия искры в свечах поршневых авиационных двигателей. Непрерывно изыскиваются новые способы обеспечения надежного воспламенения топлива при запуске турбореактивного двигателя. В некоторых двигателях пропускают, например, через искровой промежуток запальных свечей, установленных в камере сгорания, не один, как обычно, а два электрических разряда, один вслед за другим. Первый высокочастотный разряд как бы «подготавливает» второму путь в топливовоздушной смеси, заполняющей искровой промежуток свечи, вызывая образование в ней большого числа электрически заряженных частиц — ионов. Второй мощный разряд идет по этому наэлектризованному каналу и воспламеняет смесь. Применяют и так называемые свечи поверхностного разряда, в которых между электродами заключен специальный полупроводниковый материал. Этот материал вызывает при разряде резкое снижение электрического сопротивления газа между электродами и способствует образованию другого, рабочего разряда, воспламеняющего смесь при сравнительно низком напряжении. Эти свечи обеспечивают надежный запуск в самых трудных условиях.

Рис. 36. Расположение основных агрегатов топливной системы на двигателе РД-500

Немало хлопот доставляет конструкторам и эксплуатационникам защита двигателя от попадания в него посторонних предметов, которые могут оказаться в засасываемом в двигатель воздухе. В особенности это важно для двигателей с осевым компрессором. Сравнительно прочная крыльчатка центробежного компрессора значительно меньше повреждается, например, мелкими камешками или песком, попадающими в воздушный тракт двигателя при работе на стоянке или при рулении самолета. Перегруженные же лопатки осевого компрессора разрушаются даже при легком ударе.

Самым простым решением этой проблемы была бы установка на входе в двигатель достаточно густой защитной проволочной сетки. Но такая сетка вызывает дополнительное гидравлическое сопротивление засасываемому воздуху, что приводит к уменьшению развиваемой двигателем тяги. Это тем более неприемлемо, что сетка нужна только при работе двигателя на земле, тягу же она уменьшает в течение всей работы двигателя. Кроме того, сетка, как выяснилось, подвергается в полете обледенению, вследствие чего гидравлическое сопротивление поступающему в двигатель воздуху увеличивается еще более; сильное обледенение может вызвать даже аварию двигателя. Поэтому конструкторам приходится разрабатывать сложные устройства с автоматически убирающимися в полете защитными сетками.

Следует заметить, что автоматическая уборка в полете защитных сеток не является одновременно и решением проблемы борьбы с обледенением двигателя в полете. Если полет происходит во влажном воздухе при низкой температуре, в облаках и т. д., то образование льда может происходить не только на входных сетках, но также и на внутренних стенках входного канала, в топливных фильтрах и т. п. Это обычно приводит к перебоям в подаче топлива, уменьшению тяги двигателя из-за уменьшения количества протекающего через него воздуха и другим ненормальностям в работе двигателя. Наибольшую опасность при этом представляет попадание скалывающихся кусков льда в компрессор, в результате чего двигатель может выйти из строя. Неудивительно, что для борьбы с обледенением двигателя в полете приходится прибегать к специальным антиобледенительным устройствам, усложняющим двигатель. Иногда, например, для этой цели стенки входного канала двигателя и находящиеся в нем стойки, входные направляющие лопатки и другие детали делаются полыми. Внутри них в этом случае циркулирует горячий воздух, отводимый из компрессора.