Оглавление цикла «Тушкины потроха»
Другой цикл канала — «ТЭД — труженик электродвигатель»
Обновлено 08.6.2021 — добавлены сверхзвуковой НК-144 и водородный НК-88
* * * * *
На дворе стояло позднее утро. Алексеевка давно проснулась, потянулась и зажила своей поселковой жизнью: у соседа хрюкали внушительные питомцы, по трассе шуршали машины — пока не очень плотно, суббота на дворе, за железкой тихо и неспешно текла Самара. Внезапно что-то загремело среди ясного неба — из-за горы донёсся далёкий, но мощный рёв. Было похоже на грозу, но какая гроза — солнце светит, листок не шелохнётся?
Но мне всё сразу стало ясно — лётно-испытательный цех вышел работать в выходной, идёт опробование двигателей на Ту-154Б-2, только что списали взлётный режим первого двигателя. И точно — спустя секунд 20 — 30 гром утих так же быстро, как снизошёл. До магистральной рулёжки, где сейчас стоит самолёт, километров 10 по прямой и до меня звук докатывается за полминуты, но даже отсюда дыхание НК-8-2У ни с чем не спутаешь.
На правом берегу Сока, на полигоне за посёлком Винтай, испытывают ракетные двигатели, там гром ещё в разы громче и звучит когда минуту, когда дольше — смотря как гоняют двигатель, по обычной 60-секундной программе или периодической 300-секундной. Мой товарищ Серёга не верил, что ракетный двигатель прекрасно слышно за 20 километров, пока не услышал сам...
Но то на другом берегу Сока, в пятидесяти километрах. А здесь, на Самарке, может греметь лишь детище казанского завода, крепкий и надёжный двухвальный НК-8. На Ту-154 бывают и другие двигатели, рыбинцы Д-30КУ-154, но звучат они намного тише, хоть и дымят далеко не по Евро-5.
Тем временем прогнали по режимам второй двигатель, отгремели взлётным, сейчас гоняют уже третий. Вот отгремел третий, скоро должны сунуть приёмистость... И точно — гром снова снизошёл, но лишь на пару секунд. Сейчас будет ещё раз... Есть. И ещё. Есть. Приёмистость всех трёх двигателей списана, сейчас дёрнут реверсы боковым, охладятся и выключатся. Либо полетят — смотря какая программа. Увидим, круг проходит точно над нашим домом.
В позапрошлой статье цикла была рассмотрена первая, более сложно устроенная половина двигателя НК-8 — компрессор. Пришёл черед жаркой половины — камеры сгорания, турбины и, если двигатель боковой, то реверса. В камере сгорания в поток воздуха, сжатого компрессором, впрыскивается керосин:
На разрезе очень хорошо видно путь воздуха в двигателе — после компрессора поток попадает в камеру сгорания, где подогревается путём сжигания топлива (официальная формулировка из любого учебника по авиадвигателям), и далее поступает на турбину, где часть энергии потока уходит на вращение роторов.
Камера сгорания не так проста, как кажется:
Как видим, лишь малая часть воздуха проходит через форсунки и реагирует с топливом — остальная обтекает камеру снаружи, охлаждает её, предотвращая коробление самой камеры и нагрев окружающих частей, и проходит в камеру через отверствия в наружном и внутреннем кольцах после форсунок. Отношение количества поступившего в камеру сгорания воздуха к необходимому для горения количеству называется коэффициентом избытка воздуха (α, альфа).
У газотурбинных двигателей α в несколько раз больше единицы. Поэтому ГТД не имеют отдельной мощной системы охлаждения как поршневики — они охлаждаются самим проточным воздухом. Немного тепла отводится от подшипников маслом.
Форсунок в камере 139 штук, а пусковых воспламенителей всего два — работают они в газотурбинном двигателе только на запуске, ведь это двигатель непрерывного цикла, в отличие от поршневого. Потому и вмещает столько десятков тысяч лошадиных сил в таком небольшом объёме.
На малых режимах, когда топлива подаётся мало, форсунки будут не распылять, а просто лить топливо — в итоге оно будет плохо смешиваться с воздухом и плохо гореть, частично догорая на турбине, частично вылетая в белый свет. Догорание на турбине сродни догоранию на поршне у поршневиков, чем чревато — я показал в «Беге на месте..», и во избежание этого форсунки разделены на два контура — 35 форсунок входят в первый контур, остальные — во второй. На малых режимах работает лишь первый контур, при повышении распределитель топлива подключает второй.
Про воспламенители особо и сказать нечего — стоит их две штуки, свечи питаются от агрегата зажигания КНИС-222 импульсным высоким напряжением, спираль обогрева питается напряжением 27 вольт и включается вручную при температуре наружного воздуха ниже то ли –5 °С, то ли +5. Мы один раз не включили при –20 — двигатель, естественно, не запустился. Потребляет спираль, если не изменяет память, ампер 40.
После камеры сгорания раскалившийся поток вращает одноступенчатую турбину высокого давления (ТВД), приводящую 6-ступенчатый компрессор высокого давления (КВД), потом двухступенчатую ТНД, приводящую 4-ступенчатый КНД, и покидает двигатель через выходное устройство, создающее реактивную тягу.
Турбина крутит компрессор, компрессор подаёт воздух, камера сгорания сжигает в воздухе керосин, раскалённые газы крутят турбину... Круговорот в природе... Разрез турбины лучше посмотреть на уже знакомом нам НК-144 — турбина почти такая же, но разрезана лучше:
ТНД стоит на роликоподшипнике, стоящем в задней опоре, а ТВД — на роликоподшипнике, стоящем внутри вала ТНД (в «воротнике»). По сути это межвальный подшипник, хотя он в документации на НК-8 так не называется. Лопатки всех трёх ступеней ротора турбины неохлаждаемые, а вот лопатки первой ступени статора, стоящие прямо за камерой сгорания — полые и охлаждаются изнутри воздухом от компрессора.
За турбиной установлены 8 термопар, выдающие важнейший параметр — температуру выходящих газов (ТВГ). Льют ли форсунки, начался ли помпаж компрессора — ТВГ полезет вверх, что чревато сгоранием турбины. Поэтому она выведена не только на прибор у бортинженера (указатель температуры УТ-7), но и оценивается регулятором температуры РТ-12.
На высотах выше 5 км он вступает в работу и, если температура превышает 630 °С — включает электромагнит срезки топлива в насосе-регуляторе, снижая подачу. Если температура завалит за 680 °С — РТ-12 включит электромагнит останова и жёлтое табло «Останов t° газов», двигатель будет защищён от разрушения. Высота контролируется специальным реле давления, входящим в комплект РТ, на высоте меньше 5 км просто загорится табло. А если температуру забросит за 710 °С, то УТ-7 зажжёт красное табло «Опасная t° газов».
Как и любая опора, задняя опора смазывается и охлаждается маслом. Для удаления отработавшего масла (вернее, масловоздушной смеси) в ней установлены маслооткачивающий насос и суфлёр.
На выходе из двигателя горячий поток после турбины и холодный поток от вентилятора (прошедший через второй контур) смешиваются. И если средний двигатель Ту-154 и внутренние (второй и третий) двигатели простого Ил-62 реверсом не оборудованы, то на боковых двигателях стоит реверс решетчатого типа. Привод у реверса НК-8 — воздушный:
Работает, как и другие воздушные агрегаты двигателя, на давлении от компрессора. На малом газе (25 ... 40° положения рычага управления двигателем — РУДа — по указателю) и выше реверс выключен, при уборке РУДа ниже 21° должен включиться — откроется замок, о чём скажет красное табло «Замки реверса» у бортинженера и «1» либо «3» (по номеру двигателя) у пилотов, силовые цилиндры закроют створки и загорится зелёное табло «Створки реверса».
После закрытия створок режим двигателя в зависимости от того, насколько глубоко убран РУД, будет повышаться, максимальный режим на реверсе, если память не изменяет, около 0,9 от номинального. Поток направлен вверх и вниз примерно под 50° по полёту, так что обратная тяга не равна прямой на тех же оборотах.
Почему створки не отрывает? А должно? :) Порядка 9 тонн тяги — ничего невыносимого. Створки склёпаны из прочного металла и работают недолго. На модификации двигателя для старого Ил-62 — НК-8-4 — цилиндр привода один большой, от него к створкам идут тяги. На фото подсвечен красным:
А что ж высокостратосферная версия НК-8 — НК-144? У него реверса нет, зато есть форсажная камера (ФК) и регулируемое сопло. ФК — по сути вторая камера сгорания, стоящая за турбиной. Она использует избыточный воздух, не прореагировавший с топливом в основной камере сгорания, и воздух второго контура, что увеличивает раза в полтора тягу. Правда, и топлива уходит страшное количество, но это оправдано.
ФК состоит из двух частей — наружной и внутренней:
Форсаж включается после выхода двигателя двигателя на номинальный режим, когда «нормальными методами» (повышением оборотов) тягу уже не увеличить. Сотни форсунок форсажной камеры разделены аж на 6 контуров, которые поочерёдно включаются по мере повышения форсажного режима двигателя. 5 контуров хорошо видны тут:
Энергия выходящих газов преобразуется в тягу в регулируемом сопле — оно может раскрываться и закрываться в зависимости от режима. На запуске и малом газе оно открыто, чтобы облегчить выход газов, а на больших режимах закрывается, что повышает скорость истечения газов — вплоть до превращения его в сверхзвуковое сопло Лаваля.
А что программа водородного Ту-154, названного Ту-155? На нём стоял один двигатель НК-88, оборудованный водородной топливной аппаратурой:
По цвету и размеру «горба» с топливной аппаратурой ясно — он выступал из гондолы. Стоял он в роли бокового, третьего, но реверсом не оборудован — важно было испытать принципиально новый топливный комплекс, а не получить хорошие посадочные характеристики, хватало и реверса первого двигателя:
В потоке выходящих газов установлен змеевик для испарения жидкого водорода, температура которого — порядка –250 °С:
Вот, пожалуй, и всё, что можно кратко рассказать о семействе НК-8. Следующие на очереди — горячая половина соловьёвских двигателей от Д-20 до Д-30КУ-154, а дальше пойдут навесные агрегаты!
Оглавление цикла «Тушкины потроха»
Другой цикл канала — «ТЭД — труженик электродвигатель