История самого мощного в мире авиационного турбовинтового двигателя.
Предисловие
Я люблю читать, особенно об авиации - технологиях, в ней применяющихся, невероятных рекордах и людях, создающих возможное из невозможного. Но в данной статье эти слова не просто ради пафоса. Только они способных подчеркнуть весь талант конструктора, его кристально чистый инженерный взгляд на поставленную задачу и ее выполнение. ..Но что-то я отвлекся. Изучая материал по теме двигателя НК-12, я столкнулся с многочисленными статьями, посвященными как самому мотору, так и самолету а также биографии главного конструктора Николая Дмитриевича Кузнецова. И мне так понравились некоторые статьи, что просто рука не поднимается "пересказывать"(вернее перепечатывать) их. Решение - составить одну большую статью из разных источников, добавив интересных исторических фактов и строго следя за достоверностью. Результат отдаю на Ваш суд. Приятного чтения :)
Пролог
Авиационные двигатели часто называют именами их создателей. Так, ПС-90А, лучший двигатель в России для дальнемагистральной авиации, назван в честь Павла Соловьева, технический бестселлер ХХ века АЛ-31 носит имя легендарного Архипа Люльки, «Ночные охотники» в небо поднимают двигатели ВК-2500 с инициалами Владимира Климова, а самый мощный серийный турбовинтовой двигатель в мире НК-12 носит имя Николая Кузнецова.
23 июня 2019 исполняется 108 лет со дня рождения Николая Дмитриевича Кузнецова, выдающегося конструктора двигателей, академика Российской академии наук, дважды Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской премии, доктора технических наук, почетного гражданина города Самары, создателя Самарского научно-технического комплекса (входит в ОДК).Под руководством Кузнецова с 1949 по 1994 год на самарском предприятии, было создано 57 модификаций двигателей марки НК. Практически вся стратегическая и грузовая отечественная авиация летает на самолетах с двигателями Кузнецова. Более трети газоперекачивающих агрегатов страны работают на двигателях НК. Разработки коллектива Николая Кузнецова в области ракетных двигателей до сих пор остаются актуальными и востребованными.
Николай родился в 1911 году в городе Актюбинске в Казахстане, куда его отец, член компартии и участник крестьянских восстаний, бежал от преследования властей. С ранних лет Николай проявил интерес к кузнечному делу, подтверждая профессиональную принадлежность фамилии. В школе с удовольствием занимался точными науками. В 15 лет вместе с друзьями по журнальным чертежам, раздобыв автомобильный двигатель и винт от самолета, Николай собрал аэросани. С этого момента, по всей видимости, начинается увлечение Кузнецова авиацией.
В 1930 году 19-летний юноша поступает в Московский авиационный техникум. Чтобы получить место в общежитии, Кузнецову приходится совмещать учебу с работой на авиамоторном заводе №24 им. М.В. Фрунзе. По удивительному стечению обстоятельств на этом заводе через много лет будут выпускаться двигатели, спроектированные самим Кузнецовым. В 1932 году будущего конструктора, как одного из лучших комсомольцев, отправляют учиться на авиамоторный факультет Военно-воздушной инженерной академии им. Н.Е. Жуковского.Николай мечтает стать летчиком-испытателем, для этого занимается на летных курсах, нарабатывая опыт полетов и прыжков с парашютом. Но этой мечте не суждено было сбыться – отличника академии рекомендуют на кафедру конструкции авиадвигателей, где он в апреле 1941 года с успехом защищает кандидатскую диссертацию.
Дальнейшей научной деятельности помешала война. С ее началом Кузнецов подает рапорт об отправке на фронт. Не с первого раза, но ценного сотрудника отпускают в армию ввиду того, что Кузнецов был не только инженером, но и летчиком. На фронте он пробыл недолго – в октябре 1942 года указом секретаря ЦК ВКП(б) Г.М. Маленкова Кузнецова назначают парторгом в ОКБ В.Я. Климова на Уфимский авиационный завод №26. Основная задача Кузнецова на новом месте − обеспечить создание, доводку и запуск в серийное производство нового мощного поршневого двигателя ВК-107А, в котором очень нуждалась авиация. Со временем В.Я. Климов оценил профессиональные знания и опыт Кузнецова и ходатайствовал о его переводе с партийной работы на должность своего первого заместителя. Климов, более сосредоточенный на углубленной индивидуальной работе, и Кузнецов, активно обсуждавший задачи с коллективом, удачно дополняли друг друга.
Цитата Н.Д Кузнецова:" именно коллектив – сотни конструкторов и тысячи рабочих нашего завода – именно они, а не я, решают успех дела... Современный двигатель очень сложен, а завтра будет еще сложнее. И никакой генеральный конструктор никогда лично ничего не сделает, если не будет опираться на коллектив".
После войны Климов возглавляет новое ОКБ в Ленинграде по разработке реактивных двигателей, а его заместитель Кузнецов становится главным конструктором ОКБ в Уфе. На его плечи ложится освоение немецкого реактивного двигателя jumo-004. Уже в 1947 году на Дне авиации в Тушино были показаны реактивные истребители Як-15 с серийным двигателем РД-10, разработанным коллективом Кузнецова. В том же году Уфимское ОКБ переводится в разряд серийных (СКБ) для сопровождения производства уже разработанных двигателей. Кузнецов же хочет продолжить создание новых устройств.
В 1946 году в посёлке Управленческий, расположенном на берегу Волги в 30 км от Куйбышева, был организован опытный завод № 2. На его базе было сформировано два конструкторских бюро: ОКБ-1 (главный конструктор А.Шайбе) и ОКБ-2 (главный конструктор К.Престель), численность работающих в 1947 году составляла около 2500 человек, из них 662 — немецкие специалисты. При организации завода предполагалось, что в СССР немцы продолжат работы, начатые ими в Германии — создание форсированных образцов серийных немецких ТРД «Jumo-004» и «BMW-003» и новых мощных реактивных двигателей «Jumo-012» и «BMW-018». После серии опытно-конструкторских работ по турбовинтовым двигателям «022» и «028», мотокомпрессорному реактивному двигателю «032» и турбореактивному «003с» в 1948 году было принято решение объединить два ОКБ и сосредоточить усилия на разработке одного двигателя — «022». В середине 1948 года проектирование двигателя завершилось, три экземпляра передали в производство. В 1949 году Кузнецова назначают главным конструктором куйбышевского завода №2, в самый разгар работ по проекту «022». С собой Кузнецов привлек команду опытных инженеров из Уфы - в 1946 году они ,вместе с Климовым и Бранднером, на заводе в Уфе осваивали производство «Jumo-004».
Начало работ
В 1951 году двигатель «022» получил наименование ТВ-2 (турбовинтовой двигатель-2). Вместо обычного четырёхлопастного пропеллера были применены соосные винты противоположного вращения. В 1951 г. два ТВ-2 проходили летные испытания в ЛИИ на самолете Ту-4 ЛЛ (летающая лаборатория). Их установили вместо крайних поршневых двигателей бомбардировщика. Самолет совершил 27 полетов и налетал с испытываемыми двигателями более 70 часов. 8 октября произошла авария из-за пожара в правом ТВ-2. Загорание произошло в момент запуска двигателя в полете из-за попадания топлива в мотогондолу самолета.
( Примечание = Позднее в ОКБ П.А. Соловьева ТВ-2 усовершенствовали, доведя его мощность до 7650 э.л.с. (ТВ-2М). Вместо обычного четырехлопастного пропеллера были применены соосные винты противоположного вращения. )
В начале 1950-х годов международная политическая обстановка требовала скорейшего усиления стратегической составляющей Военно-воздушных сил СССР. 11 июля 1951 года вышло постановление Совета Министров СССР № 2396—1137, и соответствующий Приказ Министерства авиационной промышленности № 654, согласно которым ОКБ А. Н. Туполева было поручено начать проектирование нового скоростного дальнего бомбардировщика. На авиационном заводе № 156 (Москва) было заложено строительство двух экземпляров самолёта «95» известного также как ТУ-95. Специалистам ОКБ Кузнецова выдали новое задание: построить ТВД большой мощности — 12000 л.с. Именно такие двигатели требовались для Ту-95 и позволили бы тяжелому бомбардировщику в условиях нараставшей холодной войны донести до США «полезный груз» и вернуться обратно. Самым простым методом обеспечить требуемые характеристики новой силовой установки было соединение вместе двух форсированных ТВ-2 с передачей мощности на один общий редуктор.
В том же 1951 г. была закончена сборка двух опытных образцов спаренных двигателей, получивших обозначение 2ТВ-2Ф. Двигатели располагались бок о бок, один немного со сдвигом назад. Мощность их турбин передавались на общий планетарный редуктор с коэффициентом редукции 0.094. Он вращал два соосных винта диаметром 5,8 м. Управление спаренной силовой установкой осуществлялось одним сектором газа, связанным с командно-топливными агрегатами каждого двигателя.После доводочных работ, в сентябре 1952 г. 2ТВ-2Ф № 13 прошел 100-часовые стендовые заводские испытания. Посте этого, не дожидаясь результатов государственных испытаний, двигатели установили на самолет. 12 ноября 1952 г. Ту-95 с четырьмя 2ТВ-2Ф впервые поднялся в воздух.
Между тем государственные стендовые испытания, проводившиеся дважды — в январе и апреле 1953 г.. показывали, что усталостная прочность редуктора силовой установки недостаточна. «Двигатель 2ТВ-2Ф № 14 Государственные 100-часовые стендовые испытания не выдержал, вследствие разрушения зуба правой шестерни вала редуктора двигателя и обрыва 10 болтов среднего фланца несущей трубы после 50 часов режимной работы...», говорилось в январском акте об испытаниях. «Двигатель 2ТВ-2Ф № 15 Государственных 100-часовых испытаний не выдержал вследствие выкрашивания материала на рабочей поверхности зубьев правой ведущей шестерни редуктора, разрушения крышки правого приводного вала и разрушения уплотнения маслопривода в системе управления воздушным винтом после 21 часа режимной работы...», — это уже из апрельского акта.
Это трудно объяснить с позиции здравого смысла, но, несмотря на дважды повторенный вывод госиспытаний о недостаточной прочности ведущей шестерни редуктора двигателя, испытательные полеты Ту-95 продолжались. И случилось то, что должно было случиться: 11 мая 1953 г. из-за разрушения шестерни редуктора в полете произошел пожар. Ту-95 потерял управление и упал. Погибли командир корабля летчик-испытатель А.Д. Перелет и еще три члена экипажа...
НК-12(ТВ-12) и ТУ-95
В начале 1953 года закончилась сборка двигателя. Он получил обозначение ТВ-12. Стендовые испытания ТВ-12 прошли успешно. Двигатель продемонстрировал требуемую мощность и высокий ресурс. Создание ТВ-12 (НК-12) было финальной работой, в которой участвовали немецкие специалисты. В конце 1953 года последние немцы покинули завод. Окончательными испытаниями и последующим усовершенствованием двигателя занимался исключительно советский коллектив под руководством Н.Д.Кузнецова.
На опытном образце «95-1» были достигнуты следующие показатели: максимальная скорость 945 км/ч, практический потолок 13700 метров, практическая дальность 15200 км. И все это при массе более 150 тонн! (Следует отметить, что на серийных машинах скорость была несколько ниже , а дальность наоборот - выше).
Благодаря созданию нового жаропрочного сплава нимоник появилась возможность повысить давление в компрессоре и увеличить температуру газа перед турбиной. Для повышения КПД двигателя выполнили большое количество исследований по уменьшению потерь в лопаточных машинах, применили уплотняющие вставки, позволяющие минимизировать радиальные зазоры в турбине, создали пустотелые охлаждаемые лопатки оригинальной конструкции. Был изготовлен новый редуктор, решены вопросы регулирования ТВД с соосными винтами противоположного вращения.В результате всех этих мероприятий удалось добиться требуемой мощности, высокой надежности и хорошей топливной эффективности двигателя. По удельному расходу топлива он оказался намного экономичнее своего предшественника ТВ-2.
Для лётных испытаний в 1953 году специально были оборудованы три самолета Ту-4ЛЛ (Летающая Лаборатория). Двигатель ТВ-12 был установлен на месте правого внутреннего поршневого мотора АШ-73. При этом ТВ-12 превосходил АШ-73 по мощности более чем в 5 раз, а его винты по диаметру были больше примерно в 1,5 раза. Испытания проводили ведущий летчик-испытатель М.А.Нюхтиков и ведущий инженер Д.И.Кантор. После Госиспытаний в конце 1954-го — феврале 1955 года был совершен первый полет самолета «95-2», второго прототипа Ту-95 с двигателями ТВ-12. Серийный двигатель стал называться НК-12 — по первым буквам имени и фамилии руководителя опытного завода.
Особенности конструкции
Одновальный турбовинтовой двигатель НК-12МВ состоит из следующих основных узлов:
-14-ступенчатого осевого компрессора;
-кольцевой камеры сгорания;
-реактивной 5-ступенчатой турбины;
-нерегулируемого реактивного сопла и дифференциального редуктора (передаточное отношение 0,0882).
Степень повышения давления в компрессоре меняется от 9 до 13 в зависимости от высоты, а также от положения механизации компрессора. Номинальная скорость вращения вала двигателя — 8300 об/мин, каждого из двух винтов — 735 об/мин. НК-12 является самым мощным и экономичным турбовинтовым двигателем в мире (удельный расход топлива в крейсерском полете — 0,161 кг/л.с.ч.), его также отличает чрезвычайно высокая надёжность.
Двигатель подвешивается к демпферам гондолы двигателя самолёта на четырёхстержневой раме-подвеске.
Силовая, несущая часть двигателя состоит из:
-картера вала заднего винта;
-картера редуктора;
-картера турбины, соединённого с картером редуктора четырьмя силовыми раскосами;
-статора турбины;
-задней опоры.
Эти узлы вместе с картером компрессора образуют остов двигателя, внутри которого размещаются ходовая часть редуктора с валами воздушных винтов, ротор компрессора, ротор турбины, камера сгорания, приводы агрегатов и другие узлы и детали.
Ротор имеет правое направление вращения, смотря по направлению полёта. Компрессор осевого типа, 14-ступенчатый с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) и с 5-ю клапанами перепуска воздуха дроссельного типа с гидравлическим управлением. ВНА управляется в зависимости от высоты и скорости полёта, клапаны перепуска воздуха управляются в зависимости от оборотов — при запуске и работе на режиме земного малого газа открыты, при повышении оборотов до 7900 об/мин поочерёдно закрываются. Камера сгорания кольцевая с 12 головками, турбина реактивная 5-ступенчатая. КПД компрессора — 0,88, турбины — 0,94, что является рекордом до настоящего времени. Для уменьшения радиальных зазоров были применены легкосрабатываемые покрытия на элементах проточной части статора. Для лопаток турбины были использованы литейные жаропрочные сплавы, которые при высокой температуре имеют пределы длительной прочности выше, чем деформируемые сплавы.НК
На НК-12 впервые были применена система регулирования подачи топлива в едином блоке (командно-топливный агрегат), регулирование радиальных зазоров в турбине. Из практики зарубежного авиадвигателестроения известно, что попытка создания ТВД мощностью более 10000 л.с. вызвала большие трудности в конструировании достаточно надежного редуктора с высоким КПД и малой массой и окончилась неудачей. В ОКБ Н.Д.Кузнецова эта задача была решена в содружестве с М.Л.Новиковым — профессором Военно-воздушной академии им. Н.Е.Жуковского благодаря применению зубчатых передач оригинальной конструкции.
Кроме того, на НК-12 впервые были применены:
— регулировка компрессора клапанами перепуска воздуха;
— система регулирования подачи топлива в едином блоке (командно-топливный агрегат);
— автоматическое флюгирование винтов как система защиты двигателя;
— регулирование радиальных зазоров в турбине.
С двигателем используются тянущие автоматические соосные винты изменяемого шага, с центробежным фиксатором шага, гидроцентробежным механизмом поворота лопастей с установкой лопастей во флюгерное положение и на упор промежуточного угла — АВ-60К либо АВ-60Н на Ту-95, Ту-114 и Ту-142, АВ-90 на Ан-22. АВ-60К состоит из двух четырёхлопастных флюгируемых винтов противоположного вращения с изменяемым в полёте шагом и электрической системой противообледенения. Направление вращения винтов, если смотреть по направлению полета, переднего винта — правое, заднего винта — левое. Вес воздушного винта: переднего 518 кг, заднего 637 кг, общий 1155 кг, диаметр 5,6 м. Автоматическое флюгирование винтов используется как система защиты двигателя и самолёта. Винты разработаны в ОКБ-150 (позднее, Ступинское КБ машиностроения, сейчас — НПП «Аэросила»). Руководитель ОКБ-150, К.И.Жданов, получил в 1957 году за их разработку Ленинскую премию. Двигатель может работать на большинстве производимых в мире сортов авиационного топлива. В частности, из отечественных могут применяться все основные виды авиакеросина: Т-1, ТС, РТ, Т-8В с азотированием и т.д.
Модификации:
- ТВ-2 — Доведен до производства, использовался очень ограниченно.
-2ТВ-2Ф — сдвоенный вариант ТВ-2. Испытания окончились неудачей.
-ТВ-12, он же НК-12 — первый серийный вариант. Предполагалось установить на транспортно-десантный самолет, но проект был закрыт.
-НК-12М — ТВД повышенной мощности. Первое испытание НК-12М состоялось в сентябре 1955 года, Госиспытания 19 июня 1956 года.
-НК-12МА — устанавливался на самолёт Ан-22. Воздушный винт АВ-90 диаметром 6,2 м.
-НК-12МВ — устанавливался на Ту-95К, Ту-114, Ту-126, ТУ-142. Воздушный винт диаметром 5,6 м и массой 1155 кг.
-НК-12МК — устанавливался на экранолёт «Орлёнок».
-НК-12МП — двигатель для ракетоносца Ту-95МС. Увеличен ресурс, снижен расход топлива, применены новые приводы для более мощных генераторов. Устанавливался также на Ту-142М.
- НК-12МПМ разработки Самарского ПАО „Кузнецов“ является модификацией НК-12МП. В новой силовой установке используются более мощные винты, созданные НПП „Аэросила“, при этом благодаря новым конструкторским решениям уровень вибраций от двигателя уменьшился почти в два раза», — говорится в заявлении Ростеха.
НК-16 (ТВ-16): мощность увеличена до 16000 л.с.
НК-12СТ, НК-14СТ: приводы газоперекачивающих агрегатов.
НК-14Э: привод генератора в блочно-модульных электростанциях.
И в завершении статьи приведу технические характеристики двигателя НК-12МВ:
Для самых любознательных и терпеливых - дополнительные материалы по теме.
Звук двигателя НК-12
Замечательный ролик от моего любимого канала "Авиасмотр". Турбовентиляторный двигатель. Просто о сложном
Фильм о Николае Кузнецове. Отложенный триумф. Часть I
И часть II
Все права на фото,видео и текстовые материала принадлежат их обладателям.
P/S. Жду ваших комментариев. Если заметка понравиться, то буду писать и о других моторах, автомобильных гоночных и авиационных - там есть, что рассказать ) Благодарю за внимание.
Источники:
- https://rostec.ru/news/vechnye-dvigateli-i-ikh-sozdateli-nikolay-kuznetsov/
- Д.А.Соболев, Д.Б.Хазанов. Создание ТВД в СССР.
- А.Н.Пономарев. Советские авиационные конструкторы.
- Сайт «Уголок неба» - «Турбовинтовой двигатель НК-12МВ».
- Книга "особенности конструкции газотурбинных двигателей" (В. Корнеев)
- Памятник двигателю НК-12 (заметка) http://tehnoomsk.ru/node/2901
- Ремонт двигателей на "ПАО кузнецов" - https://bmpd.livejournal.com/2887602.html
- https://docs.google.com/document/d/1QU_74YJ_JEl3_W_EFP-58rlLC0CvzoF5DTUqm6XLugg/
