(no subject)
Парадокс - неожиданное, непривычное суждение, резко расходящееся с традиционным мнением. Самый известный результат парадоксального мышления сдача Москвы в 1812 году французам фельдмаршалом Кутузовым М.И. и взятие Парижа. В области газотурбостроении страна обороняется от наступления лидеров и необходим парадокс, чтобы стать лидером.
Ветеранам неба - вторую молодость
Более полувека назад полеты пассажирского Ту-114 с двигателем НК-12 породили восхитительное утверждение дилетантов о высочайшей надёжности самолёта; если в полёте турбина остановится, то винты продолжают работать, а если винты встанут, то турбина все равно работает. Для инженера это анекдот, но визитная карточка о надежности двигателей, созданных под руководством Николая Дмитриевича Кузнецова, с тех пор стало брендом «НК» - надежность и качество. И на первых Ту-154 и Ил-62 тоже устанавливались двигатели «НК». За звание «первопроходец» с конструкторами «НК» потом рассчитались претензиями к экономичности двигателя, к устаревшему газогенератору - история хорошо известная. Решено было, и может верно, заменить двигатель НК-8 на двигатель Д-30КУ, дополнив ТУ-154 и Ил-62 буквой «М». На современном языке - произвели ремоторизацию. Первые результаты ремоторизации ощутили авиаторы - расход топлива действительно сократился, а вот показатель надежности ухудшился. Хабаровский объединенный авиаотряд, начинавший осваивать легендарный Ту-114, так и не принял в эксплуатацию Ту-154М, продолжая эксплуатировать ТУ-154 с двигателями «НК». В общем, авиапром проигнорировал голос аэрофлота и история за несправедливость к надежности тоже рассчиталась. Авиакомпании стали переходить на «иномарки», а Ту-154 и Ил-62 всех модификаций выводить из эксплуатации и списывать. Основная причина - низкая топливная эффективность устаревших двигателей и уменьшенная весовая отдача самолета при размещении двигателей в хвосте. Хотя ресурса выпущенных планеров хватит на десятки лет, а отработка конструкции и производства самолета достигли высших показателей. Новомодная концепция «двигатель под крылом» тоже работает против размещения двигателя в хвосте. Оценивая «+» и «-» двух концепций, в статье «Пассажирские самолеты: пути развития» (Авиапанорама, №№1,2, 2001г.) профессор МАИ В. Киселев, лауреат государственной премии, приходит к выводу, что окончательный вывод можно получить на практике как критерию истины. Так вот имеем вызов времени: планеры надежны и дешевы, но без двигателя самолётом не назовешь. Первой ремоторизацией получили выигрыш в расходе топлива и проигрыш в безопасности из чего следует, что следующая ремоторизация может быть только непорочной, т.е. выигрыш и по топливу и по восстановлению уровня безопасности, с задачей уменьшения количества двигателей. Как таковая идея перехода с 3-х двигательной схемы Ту-154 на 2-х двигательную в 90-х обсуждалась на уровне проекта Ту-154М2, но в потоке идей Ту-204/214, использование водорода и сжиженного природного газ была отложена. Свою ложку дегтя, в отложенный выигрыш по топливу на 15-20% для Ту-154М2 вносил мотор ПС-90-154, известный происхождением от Д-30КУ с его «родовыми» болезнями. Но в суете событий перестройки вариант постановки двигателя НК-56 на Ту-154М2 нигде не отмечен. Зато два НК-56, изначально спроектированного под Ту-204, идеально заменяют три Д-30КУ по тягам (взлётной, крейсерской), массе и выводит Ту-154М2 на предполагавшийся выигрыш по топливу, с уровнем надёжности «НК». Как говориться, не опорочит честь и достоинство самолета. Внутренний потенциал газогенератора НК-56 позволит получить двигатель с тягами, обеспечивающими возможность ремоторизации Ил-62М в Ил-62М2 и тоже с двумя моторами. По задумке Н.Д. Кузнецова НК-56 гражданский ТРДД с увеличенной степенью двухконтурности, унифицированный с базовым газогенератором двигателя бомбардировочной авиации. Для удобства понимания - двойная технология. Геометрия размещения двигателей в хвостовой части планера Ил-62 «развязывает» руки двигателистам по оптимизации повышению тяги и экономичности за счет увеличения двухконтурности и запаса мощности газогенератора. В некотором смысле у узкофюзеляжного дальнемагистрального Б-787 (Дримлайнер) может появиться старший брат - Ил-62М2. Повышает интерес к двигателям «НК» в классе тяг 18-20 тонн и возможность конверсии военно-транспортного ИЛ-76 в разряд гражданского путем ремоторизации из 4-х двигательного в 2-х двигательный, с ограничением взлетной массы и нагрузки 20-30 тонн. Обозначим его как Ил-76М2 (рис.1).
Рис. 1. Проект Ил-76М2
При этом снимается противоречие между грузоподъемностью и реальной платной нагрузкой гражданского назначения, имеющей низкую плотность. Доверительным уровнем расчетных характеристик ремоторизованных Ту-154, Ил-62, Ил-76 можно считать комплексные дипломные проекты по профилю выпускающих кафедр на факультетах самолето- и двигателестроения. В качестве защиты темы ремоторизации названных самолетов, в условиях дефицита финансов, времени, кадров в реализации идей восстановления потенциала авиапрома на основе принципа «не навреди» хочу провести аналогию с закономерным периодом реабилитации человека после болезни и выбор цели после восстановления. Как в русской пословице: «В здоровом теле - здоровый дух».
Экраноходы земли и воды
Корни современных авиационных газовых турбин берут начало с первого упоминания патента на газовую турбину в 1791 году, а российская школа газотурбостроения с турбин флотского инженера Кузьминского, построенных им для кораблей в 1893-97гг. Интерес кораблестроителей к ГТД вновь возрастает только к 60-м годам прошлого века, используя достижения ГТД в авиации. В СССР приняли концепцию специализированного проектирования и изготовления морских ГТД в г. Николаев (ныне Украина), в противовес конвертированию авиадвигателей в морские, принятому за рубежом. Там же, в г. Николаев, были созданы и энергоустановки (ГТД+трансмиссия+редуктор) для кораблей на воздушной подушке (КВП) водоизмещением от 100 до 550 тонн. Для них серийно производилось три типа энергоустановок, включающих в общем зачёте ГТД мощностью 10-20 тыс. л.с., и 9 типов редукторов (воздушного винта, вентилятора, раздаточный, промежуточный) с массами редукторов от 465 кг до 1674 кг. Это диктовалось быстрой сменой задач, выполняемых флотом, необходимым накоплением опыта и минимизации цены жизненного цикла корабля. Затраты на создание дешёвого корабля и перерасход топлива в процессе эксплуатации будут меньше, чем затраты на дорогой корабль и меньший расход топлива. При ста ходовых часах в год и жестких сроках введения кораблей в состав флота этот выбор был объективным. Но опыт проектирования и создания ЭУ для КВП с высокотехнологичным и особосложном производстве угловых передач с коническими шестернями после распада СССР остался на Украине. Правительство РФ в последующем, приняло решение о создании собственного производства морских ГТД трех типов(7,0-14,0-21,0 тыс. л.с.) для всей номенклатуры кораблей ВМФ. Предполагают вновь разработать и редукторы для ЭУ КВП, но редукторные передачи для них могут делать только Украина и Англия. Проблема освоения производства угловых редукторов чрезвычайно сложна, что даже США для новейшего самолета вертикального взлёта F-35B, угловой редуктор привода подъёмного вентилятора заказывали в Англии, имеющий полувековой опыт создания ЭУ для СВП.
Однако, в России опыт конвертирования авиадвигателей в морские существует, благодаря Главному конструктору Р.Е.Алексееву, установившему на экранопланы «Орлёнок» и «Лунь» двигатели «НК»; турбовинтовой НК-12 (морской вариант НК-12МК) и двухконтурный ТРД НК-8 (морские варианты НК-8-4К, НК-87). Этот суверенный опыт «оморячивания» сохранившийся в России как и опыт модификации редуктора двигателя НК-12 под передаточное отношение 7,2 позволит скомпоновать нагнетательный комплекс для создания ВП без поворота валов и отказаться от угловой передачи и капризных конических шестерён. Это предельно надёжная компоновка нагнетательного комплекса может дать столь необходимые 10 тыс. часов ресурса при снятии мощности 7,5-10 тыс. л.с. на биротативные осевые вентиляторы с низким уровнем шума. Тестовые испытания одного из проектов амфибийного КВП, ремоторизованного под энергоустановку «НК» с базовым двигателем НК-12 показали бы досягаемость топливной эффективности 0,25-0,3 кг/ткм, как у лучших грузовых самолётов. И это для условий отсутствия аэродромов, авто- и железных дорог. Для тотального транспортного освоения территории страны это тот самый недостающий элемент в логистике транспортных потоков. Если провести аналогию транспортной системы страны с системами жизнедеятельности человека, то важнейшие системы организма как сердечно-сосудистая, дыхательная функционируют за счет переноса 2/3 нагрузки на клапаны, капилляры, кожу, так и магистральные пути сообщения нуждаются в амфибийной перефирии. Для движения амфибий необходима только опорная поверхность (земля, болото, тундра, вода) или экран, и экраноходы как транспорт могут трансформироваться в мобильную инфраструктуру транспорта. Бесконечное противоборство показателей «топливная эффективность» и «цена перевоза» лучше заменить на осмысленное объективное понимание энергозатрат перевоза с оценкой в условных единицах доли топлива на перевоз и энергозатрат создания самого средства и инфраструктуры. По выводам, содержащимся в учебном пособии «Транспортная энергетика» (Ю.Г. Котиков, В.Н. Ложкин, 2006г.), непосредственная утилизация энергии силовой установки (двигатель-трансмиссия-движитель) грузового автомобиля при транспортировании груза составляет 1/5 часть общего энергопотребления автотранспортного комплекса по обеспечению перевозки. Чем тогда проигрывает экраноход, если дороги и мосты в требуемых местах отсутствуют? Заглядывая в будущее и зная пределы провозоспособности экраноходов со статической ВП, можно будет перейти и на динамическую ВП с сохранением отработанной энергоустановки «НК». На рис.2 изображён дизайн-проект экранохода «Nordway» (автор Молчанова В.)
Рис.2. Дизайн-проект экранохода «Nordway»
Бомбардировочно-железнодорожный потенциал НК-12
Появление на вооружении стратегических авиакомплексов гиперзвуковых и крылатых ракет дальностью свыше 3000 км в корне изменили суть бомбардировщика, сбрасывающего бомбы или прорывающегося на сверхзвуке для выполнения задач. Достаточно находиться над своей территорией и иметь ракеты большой дальности. Физический предел скорости в 920 км/ч для турбовинтового Ту-95 с НК-12 теряет военно-стратегическое значение и лётные характеристики самолёта сегодня можно скорректировать в сторону повышения экономичности и массы полезной нагрузки для выполнения дежурств над своей территорией. Есть два варианта дополняющих друг друга; увеличение диаметра винта и повышение кпд двигателя. Очевидно, что тяговооружённость двигателя на взлёте с 7,8тс можно повысить до 10-11тс за счёт увеличения диаметра винта с 5,6м до 5,8-6,0м, опираясь на опыт получения стартовых тяг на взлёте 14-16тс при диаметре винтов 6,2м для самолёта Ан-22 «Антей» и экраноплана «Орлёнок». Скорости полёта при этом снизятся, но и часовой расход топлива тоже уменьшится. Второй вариант, как повышение кпд двигателя, вероятно, более сложный, т.к. современная наземная версия НК-12 в виде НК-14 существует с кпд 33% против исходных 27%, но требует сертификации НК-14 на лётную годность. Однако, стоит помнить экономическую формулу сверхзвуковых бомбардировщиков ТУ-160 и его американского аналога В-1В, что стоимость самолёта больше куска золота равного весу самолёта. К этому надо добавить цену владения и как итог - цена «пусковылета» ракеты, количество которых при новых обстоятельствах на Ту-95 может быть увеличено с 16 до 20шт. Но важнейший выигрыш России - возможность появления в небе дальнемагистрального турбовинтового грузопассажирского самолёта с фантастической топливной эффективностью. Единожды страна отказалась от Ту-114, который в 60-е за один рейс Токио-Москва приносил чистой прибыли $22тыс., и сегодня в гражданской авиации нам необходим безкомпромиссный прорыв только на своих технологиях. Пришло время вернуть из архивов КБ «Туполев» проект двухпалубного широкофюзеляжного Ту-114. Как говорят бывалые: война войной, а обед обедом или военный бюджет надо ещё и заработать. Не случайно авторитетный оппонент двигателей «НК» Виктор Михайлович Чепкин, Ген. конструктор НПО «Сатурн» назвал НК-12 предельно экономичным двигателем со степенью двухконтурности 100, и его надо только немного обновить.
И если для взлёта необходима вся мощность НК-12, то на земле двигатели исчерпавшие взлётный ресурс, могут быть востребованы в диапазоне мощности 2/3 номинала или меньше. В этом состояла суть идеи конвертации авиадвигателей, предложенная Н.Д. Кузнецовым в 60-х годах. В области газоперекачивающих агрегатов и электроэнергетики дебют конвертированных авиа ГТД давно состоялся, а вот в применении конвертированных авиа ГТД на транспорте дебют только предстоит. В начале 2000-х годов руководство РЖД посчитало выгодным возвращение к теме эксплуатации локомотива с ГТД мощностью 8-9 МВт, используя вместо дизтоплива и мазута сжиженный природный газ (СПГ) для магистральных дорог в восточной части страны, оценив потребность в 40 единиц. Однако, проблемы установки и работы ГТД на локомотиве, как необходимость глубокой очистки поступающего воздуха в двигатель, снижение температуры выхлопных газов и шумовое загрязнение окружающей среды, достаточно сложны. И здесь пригодился бы опыт очистки поступающего воздуха в двигатель на кораблях или судах на воздушной подушке, где воздух проходит 4 ступени очистки, в том числе два фильтра. Также существуют исследования, доказывающие, что наименьший шум генерируют биротативные винты и вентиляторы известные как соосные с противовращением. Если синтезировать накопленный опыт в одной энергоустановке, то впереди входа воздуха в двигатель должен находиться биротативный осевой вентилятор с редукторным приводом и расположенными после него блоками очистки воздуха. Очищенный воздух поступает в двигатель, а избыточный воздух, забираемый вентилятором, охлаждает подкупольное пространство двигателя и поступает на охлаждение выхлопных газов. По схеме это напоминает двухконтурный двигатель. Оставшуюся мощность силовой турбины используют для привода электрогенератора. В эту схему идеально встраивается НК-12, приводящий биротативный вентилятор через редуктор с передаточным числом 7,2 и свободной силовой турбины, с ограничением мощности 8-9МВт. Вероятно, что электрической мощности потребуется меньше, т.к. проблема охлаждения газов решена за счёт механического привода от двигателя. Специалисты «НК» создали головную установку НК-361 для газотурбовоза ГГ-01, но на базе более сложного и дорогого трёхвального двигателя. Главной «изюминкой» этой установки надо признать криогенную начинку - передовой элемент научно-технического задела «НК» и самый дорогой во всех отношениях. Локомотив с НК-361, как экспериментальный образец, открывает для «НК» и новые транспортные отрасли и рынки, но перспективы использования базы одновального НК-12 выше. Для той же Индии объявившей конкурс на газотурбовоз, ближе и понятней локомотив с НК-12, потому как индусы давно эксплуатируют самолёт Ту-95 МП с НК-12 в тропическом исполнении и им очень довольны. От добра добра не ищут - вроде бы так гласит мудрость.
Мотор экономики
Прочитав подзаголовок, финансист безоговорочно скажет, что это деньги, имея ввиду формулу «деньги-товар-деньги». Первоначально же было «товар- деньги-товар». Вот так простым переставлением всего двух слов можно менять смысл экономики. Деньги, как средство обмена стали иметь свою цену, измеряемую в процентах кредита, которые намного больше одного процента, выплачиваемых за операционное обслуживание товаропроизводителем. И риск товаропроизводителя, особенно в отрасли авиамоторостроения, много выше, чем риск финансиста, приобретающего деньги Центробанка и продающего их в кредит. Всем нужны гарантии, но надёжность сделки только в качестве товара. Если есть товар свойства которого доказаны и существует его производство, способный улучшить качество транспорта и услуг, то его и надо менять на деньги. При любой формуле, при любой экономике государства. Это о двигателях НК-56, и в большей степени НК-12. Вопрос только в адекватном конструкторском маркетинге.
СГАУ каф.КиПДЛА инж.Герасимов В.А.
P.S. Похожий материал в газете «Полёт» №№7-8 от 24.03.11г., №№16-17 от 01.06.12г.