Добрый день. В рамках нашего большего цикла статей о советском фронтовом истребителе МиГ-9 сегодня мы более подробно рассмотрим двигатель РД-20. Он представлял собой советскую копию немецкого реактивного двигателя начала сороковых годов BMW. 003. В силу определенных обстоятельств, во время войны этот двигатель не получил широкого распространения. Большая часть немецких реактивных самолетов была оснащена знаменитым Junkers Jumo 004 (Ссылка на статью). Основным же изделием, где применялся BMW. 003, стал одномоторный истребитель Heinkel He. 162. Также он ограниченно использовался и на самолете Arado Ar. 234 Blitz (модификация "С"). После окончания войны двигатель BMW. 003 некоторое время был востребован за границей. Во-первых, на основе одной из его модификаций, во Франции велась разработка двигателей семейства Snecma Atar. Кстати над ними трудился и немецкий конструктор Герман Ойстрих (главный разработчик оригинального BMW. 003). Во-вторых, в связи с возникшим отставанием в вопросе создания собственных турбореактивных двигателей, в Советском Союзе началось производство BMW. 003 под индексом РД-20. Соответствующий приказ МАП за номером 247сс был выдан Казанскому объединенному заводу № 16 в июне 1945 года. Предварительно были получены чертежи и несколько трофейных образцов немецкого изделия. Впоследствии было разработано несколько модификаций двигателя РД-20. К примеру, ставшие серийными РД-20А и РД-20Б, а также экспериментальный РД-21. В текущей публикации мы рассмотрим основные конструктивные особенности базового варианта РД-20 и его характеристики. Также мы коротко отметим принцип работы двигателя и основные отличия созданных серийных модификаций. В следующей статье будет рассказано непосредственно о силовой установке истребителя МиГ-9 (которая состояла из двух РД-20), вместе с сопутствующими функциональными системами (топливной, масляной и управления двигателем).
Основные конструктивные особенности двигателя.
Двигатель РД-20 состоял из следующих основных элементов. Это входной кожух, семиступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, одноступенчатая газовая турбина и регулируемое реактивное сопло. Кроме основных элементов в состав конструкции входили различные узлы и агрегаты сопутствующих систем двигателя. Это система смазки, система питания топливом, система зажигания двигателя, система охлаждения и некоторые другие. В данной статье мы рассмотрим что из себя представляли основные элементы конструкции, а также отметим их назначение. Думаю что впоследствии на нашем канале выйдут отдельные публикации, где будет уже более подробно рассказано про каждый из них в отдельности, на конкретных примерах. Также мы отдельно рассмотрим принцип работы и построения некоторых типовых систем турбореактивных двигателей.
Входной кожух находился в передней части двигателя перед компрессором и предназначался для забора воздуха. В свою очередь он состоял из переднего кожуха, трех воздухозаборных колен, трех воздухоподводящих патрубков и четырех воздухоотводящих патрубков. Стоит отметить что на поверхности кожуха размещались маслобак, маслорадиатор и топливный бачок пускового двигателя. Часть воздуха, поступавшего в кожух, использовалась для охлаждения маслорадиатора и некоторых других узлов.
За входным кожухом располагался передний картер компрессора. Он предназначался для крепления различных агрегатов двигателя, а также опорного подшипника вала компрессора. Далее находился сам осевой семиступенчатый компрессор, предназначенный для сжатия воздуха. Каждая его ступень состояла из вращающейся части или ротора, а также неподвижной части- статора. Компрессор приводился в движение от турбины, вал которой был связан с валом компрессора соединительной муфтой. На каждом диске ротора располагались специальные лопатки. При вращении ротора они оказывали воздействие на проходящий поток воздуха, сжимая его. На наружной поверхности картера компрессора крепились некоторые агрегаты (к примеру топливный фильтр низкого давления), набор трубопроводов с щитком разъема и электропроводка.
Смешивание топлива и основного воздушного потока осуществлялось в камере сгорания. Там же происходил процесс сжигания полученной рабочей смеси. Одноступенчатая турбина предназначалась для преобразования тепловой энергии, полученной в результате сгорания рабочей смеси, в механическую работу. При этом она использовалась для вращения вала компрессора и питания некоторых агрегатов. Турбина состояла из рабочего колеса, вала, соплового аппарата и картера. Изготавливались они в основном из хромоникелевой стали марки 40ХНМА. Лопатки турбины изготавливались из листовой высоколегированной жаропрочной стали. Картер турбины был отлит из алюминиевого сплава АЛ4.
Реактивная тяга возникала вследствие выброса газов из реактивного сопла. Оно состояло из корпуса, рубашки, опорной перегородки, внутреннего и наружного привода и выдвижного конуса. Выброс газов осуществлялся с большой скоростью. Само реактивного сопло было регулируемым. При этом изменялась выходная площадь, что позволяло получать максимальные значения тяги. Процесс регулирования площади выходного сечения сопла осуществлялся путем перемещения выдвижного конуса. Для этого применялся реверсивный электромотор и специальная система передач.
Некоторые основные характеристики двигателя и принцип работы.
Что касается основных характеристик двигателя РД-20, то они были следующими:
- Вес сухого двигателя (это сам двигатель, пусковой мотор, входной кожух и некоторые приборы) составлял 610 кг;
- Длина изделия вместе с входным кожухом и конусом реактивного сопла равнялась 3585 мм;
- Ширина двигателя составляла 690 мм;
- Высота двигателя равнялась 870 мм;
- Температура продуктов горения на выходе из реактивного сопла при нормальных условиях составляла 600 градусов Цельсия. Максимально допустимое значение равнялось 750 градусов Цельсия (при запуске);
- Число оборотов турбины на номинальном режиме равнялось 9500 об/мин;
- Непрерывное время работы двигателя на номинальном режиме в полете составляло 25 мин;
- Число оборотов холостого хода при полете на высотах ниже 8000 метров, составляло 6500 об/мин, а при полете выше 8000 метров- 7500 об/мин.
Двигатель РД-20 работал на керосине марки А или тракторном керосине ГОСТ 1842-46. В качестве топлива для пускового мотора применялась специальная смесь, которая на 95 % состояла из авиабензина и на 5 % из авиамасла. Основным смазочным материалом являлась смесь состоящая из авиационного и трансформаторного масла.
Коротко опишем рабочий процесс происходящий в двигателе. Необходимый для работы воздух поступал через входной кожух. Далее он попадал в компрессор, где происходил процесс сжатия воздуха до давления в 3,2 атмосфер. При этом его температура возрастала примерно до 150 градусов Цельсия. После чего происходило разделение воздушного потока на три составляющие. Основная часть воздуха (около 70 % от общего объема) сразу попадала в камеру сгорания, где она смешивалась с топливом, подаваемым через форсунки. Происходило образование рабочей смеси. Она же, в свою очередь, поджигалась при запуске с помощью запальных свеч. В ходе процесса горения рабочей смеси, температура в камере сгорания могла достигать 1500 градусов Цельсия. Две другие составляющие воздушного потока (это около 30 % от общего объема) проходили по наружным кольцевым каналам, а после смешивались с продуктами горения, понижая их температуру примерно до 800 градусов Цельсия. Небольшая часть воздушного потока при этом использовалась для охлаждения кожуха камеры сгорания и некоторых других узлов двигателя. Давление в камере сгорания снижалось примерно на 0,2 атмосфер. Из нее продукты горения попадали в сопловой аппарат турбины, после чего происходило снижение давления до 1,8 атмосфер. Скорость движения газов доходила до 575 м/сек. Далее они проходили через лопатки турбины и на выходе поступали в реактивное сопло, где уже происходило падение давления до уровня атмосферного. При этом скорость движения газов составляла примерно 400 м/сек при температуре в 600 градусов Цельсия. Таким образом создавалась необходимая для движения самолета тяга.
Главные отличия модификаций РД-20А и РД-20Б.
Как уже отмечалось выше, основными серийными модификациями двигателя, которые были разработаны уже в Советском Союзе, стали РД-20А и РД-20Б. При этом все доработки, внесенные в конструкцию этих изделий, были направлены только на увеличение уровня надежности и ресурса. Повышение мощностных характеристик в них не осуществлялось. Для достижения необходимого результата применялись более жаропрочные материалы, вносились изменения для предотвращения образования нагара и снижения перегрева в отдельных узлах и агрегатах. По сравнению с базовым РД-20, у модификации РД-20А ресурс достиг 50 часов до первой переборки, а у варианта РД-20Б он уже составлял 75 часов. Двигатель РД-20А отличался от предшественника следующим образом:
- Смесители камеры сгорания изготавливались из более жаропрочных марок стали вместо марки ЭЯ1Т. Также они были смещены ближе к турбине для улучшения ее обдува;
- В горелке камеры сгорания были сделаны дополнительные технологические отверстия для устранения образования нагара;
- Увеличены зазоры между отдельными элементами конструкции для снижения уровня их перегрева;
- Внесены изменения препятствующие возникновению трещин на наружном кожухе реактивного сопла;
- Заменена жаростойкая смазка ЖУС-4;
- Снижена вероятность возникновения коробления бандажа реактивного сопла;
- Сокращено время приемистости двигателя при переходе от 3000 об/мин. до 9500 об/мин.
Что же касается модификации двигателя РД-20Б то она создавалась на основе РД-20А. Была проведена перекомпоновка некоторого оборудования (к примеру керосиновых фильтров высокого и низкого давления), а также изменялась схема укладки трубопроводов и электрических проводов. На корпусе реактивного сопла были установлены накладки, изменялось и положение наружного привода. Определенные изменения внесли в конструкцию турбины и камеры сгорания. Разработанные модификации после проведения всех необходимых испытаний и подтверждения заявленных характеристик, были запущены в серийное производство. Их появление смогло нивелировать один из основных недостатков базового немецкого варианта этого изделия. Была предпринята попытка и увеличения тяги двигателя. В одной из предыдущих публикаций по данной теме, мы рассказывали о созданных модификациях истребителя МиГ-9 (Ссылка на статью). Однако все работы по этому направлению были прекращены из-за сворачивания производства самого самолета.
Продолжение следует...
При написании данной статьи использовались материалы со следующих источников: https://aviarestorer.ru/, http://russianarms.su/, http://авиару.рф/, https://airandspace.si.edu/, книга А.А. Иноземцев. Газотурбинные двигатели, книга В. Н. Шунков. Реактивные самолеты Люфтваффе, книга Турбокомпрессорные воздушно-реактивные двигатели РД-20, РД-20А, РД-20Б. Техническое описание под редакцией В. А. Бобракова, книга Техническое описание истребителя МиГ-9 под редакцией Д. П. Солоухина.
Уважаемые читатели, подписывайтесь на канал, ожидайте новых публикаций. Ознакомиться с полным каталогом наших статей вы можете здесь (Ссылка на публикацию).
