Введение

Двигатель -важнейшая составная часть конструкции любого самолета или вертолета. Весь прогресс в самолетостроении с самого начала зарождения авиации определялся, прежде всего, прогрессом в двигателестроении. Создание первых в мире самолетов стало возможным лишь тогда, когда был разработан достаточно легкий двигатель, способный развить мощность, необходимую для преодоления сопротивления воздуха в полете.

Последующее в первой половине прошлого века многократное увеличение дальности, скорости, высоты полета и грузоподъемности самолетов было обусловлено, прежде всего, созданием новых все более мощных и все более легких авиационных поршневых двигателей.

Но к средине 40-х годов ХХ века, когда скорости полета истребителей достигли 650 – 700 км/ч, выяснилось, что дальнейшее существенное увеличение скорости полёта при использовании обычной схемы силовой установки поршневой авиадвигатель – воздушный винт весьма проблематично. Дальнейший резкий рывок в скорости полета (до 900 – 1000 км/ч) стал возможным только благодаря переходу к турбореактивным двигателям (ТРД). Они обладают существенно меньшей массой (по сравнению с поршневыми двигателями) при данной мощности на большой скорости полета. Кроме того, применение этих двигателей исключает большие потери энергии в воздушном винте. Первые серийные ТРД – немецкие UMO-004 и BMW-003, начали устанавливаться на реактивные истребители Me-262 и He-162 в 1944 году.

Затем на пути еще большего увеличения скорости полета стал «звуковой барьер» - резкое увеличение сопротивления самолета при приближении скорости полета к скорости звука. И опять эта проблема была решена только с появлением турбореактивных двигателей, у которых за турбиной была установлена форсажная камера (ТРДФ), что позволило резко увеличит тягу двигателя при незначительном увеличении его массы. Первым в мире серийным истребителем, превысившим (в 1950 г.) скорость звука в горизонтальном полете, был самолет МиГ-17 с двигателем ВК-1Ф, снабженным форсажной камерой. В 1952 г. стал серийно выпускаться первый в мире сверхзвуковой истребитель МиГ-19 с двигателем РД-9Б (также с форсажной камерой). Он достигал в горизонтальном полёте скорости, в 1,6 раза превышающей скорость звука.

В настоящее время максимальная скорость полета истребителей в 2 – 3 раза превышает скорость звука, резко выросла их скороподъемность. Разрабатываются гиперзвуковые самолеты со скоростью полета в 5 – 6 и более превышающей скорость звука. Дальность полета ряда самолетов составляет несколько тысяч километров. Уже много лет существуют самолеты вертикального взлета и посадки, появились сверхманевренные истребители и т.д. Всё это достигнуто благодаря прогрессу в развитии авиационного двигателестроения, основным объектом которого в настоящее время являются газотурбинные двигатели (ГТД).

В современном вертолетостроении также широко применяются ГТД, имеющие (при равной мощности) в несколько раз меньшую массу и меньшие габариты, чем поршневые двигатели (ПД). Последние используются сейчас только в так называемой легкомоторной авиации – на легких спортивных, маломестных и т.п. самолетах и вертолетах.

При этом необходимо отметить, что авиационное двигателестроение – это высочайший уровень научных исследований и высоких технологий во имя достижения минимальных значений веса, габаритов и расхода топлива при требуемой мощности (тяге) при высоком уровне надежности и возможно меньшей трудоемкости технического обслуживания. Поэтому создание нового авиационного двигателя с высокими показателями по массе, габаритам и топливной экономичности – весьма трудоемкий процесс, требующий большого искусства конструкторов, применения высоких технологий, сложных и длительных испытаний (на земле и в полете) и занимающий поэтому длительный период времени, как правило, 12 – 15 лет. Соответственно, авиационные ГТД принято делить на «поколения», хотя следует признать, что такое деление условно. Так, например, двигатели, установленные на пассажирских самолетах Ту-204, Ту-214, Ил-96, истребителях МиГ29 и Су-27 относят к 4-му поколению, а разрабатываемые в настоящее время новые ГТД – к 5-му поколению.

Теория авиационных ГТД сложилась как самостоятельная научная дисциплина в основном после второй мировой войны. Однако ряд фундаментальных результатов в этой области был получен значительно раньше. Еще в работах Н.Е. Жуковского «О реакции втекающей и вытекающей жидкости» (1882 и 1886 г.г.) и «К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды» (1908 г.) были определены понятия силы тяги и тягового КПД водяного реактивного двигателя. А работы Н.Е. Жуковского по вихревой теории гребных винтов и осевых вентиляторов (1912 и 1918 г.г.) легли в основу современной теории авиационных осевых компрессоров.

Основателем современной теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД) является академик Б.С. Стечкин, который еще в 1929 г. опубликовал работу «Теория воздушного реактивного двигателя». В дальнейшем

Б.С. Стечкин внес большой вклад в развитие теории и методов расчета характеристик ВРД и их элементов. Под его редакцией в 1956 и 1958 гг. был издан первый полный учебник по курсу «Теория реактивных двигателей», получивший широкое признание у нас в стране, а также переведенный и изданный в ряде зарубежных стран.

Значительный вклад в развитие теории газовых турбин и газотурбинных двигателей внес проф. В.В. Уваров. Им разработана теория профилирования лопаток газовых турбин, впервые проведены экспериментальные и теоретические исследования по созданию высокотемпературных газотурбинных двигателей.

После Великой Отечественной войны авиадвигателестроительная промышленность нашей страны сумела быстро приступить к созданию реактивных двигателей. Первыми крупносерийными турбореактивными двигателями (ТРД) были двигатели РД-45 и ВК-1, созданные под руководством известного авиаконструктора В.Я. Климова в конце 40^-х - начале 50^-х г.г. прошлого века в Ленинграде. Эти двигатели были разработаны на основе английского ТРД «Нин». Они устанавливались на истребителях МиГ-15, МиГ-15 бис, хорошо зарекомендовавших себя в корейской войне, и фронтовых бомбардировщиках Ил-28.

В последующие годы в ОКБ-300 (г. Москва) выдающимся авиаконструктором А.А. Микулиным, заместителем которого был Б.С. Стечкин, был создан ряд выдающихся по своим параметрам ТРД. Среди них АМ-3 (самый мощный для того времени ТРД, устанавливаемый на тяжелом бомбардировщике ТУ-16 и первом в мире реактивном лайнере ТУ-104), РД-9Б с первой в мире трансзвуковой ступенью в компрессоре и Р11-300, конструкция компрессора которого была оригинальной.

Превосходящие по ряду параметров мировой уровень авиационные ГТД были созданы также под руководством выдающихся конструкторов А.М. Люльки, Н.Д. Кузнецова, С.К Туманского, В.А. Добрынина и других.

В разработке авиационных двигателей видную роль играет Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ им. П.И. Баранова), являющийся головным институтом отрасли. ЦИАМ является научным центром, обеспечивающим формирование технического облика перспективных двигателей, создание научно-технического задела (НТЗ) для их проектирования и разработку новых передовых технологий. Он обладает крупнейшей в Европе уникальной экспериментальной базой для наземных и высотных испытаний авиадвигателей, функционирующей с 1955 г.

В настоящее время на самолетах и вертолетах различного назначения применяются весьма разнообразные типы авиационных двигателей, реализующие термодинамический цикл Брайтона. Их можно классифицировать следующим образом.