engineering_ru | Паровой двигатель в авиации

12 апреля 1933 г. Уильям Беслер стартовал с муниципального аэродрома города Окленд в Калифорнии на самолете с паровым двигателем.
Газеты написали:

«Взлет был нормальным во всех отношениях, за исключением отсутствия шума. Фактически, когда самолет уже отделился от земли, наблюдателям казалось, что он не набрал еще достаточной скорости. На полной мощности шум был заметен не более, чем при планирующем самолете. Можно было слышать только свист воздуха. При работе на полном паре винт производил только небольшой шум. Можно было различать через шум винта звук пламени...

Когда самолет шел на посадку и пересекал границу поля, то винт останавливался и пускался медленно в обратную сторону с помощью перевода реверса и последующего малого открывания дросселя. Даже при очень медленном обратном вращении винта снижение заметно становилось круче. Немедленно после касания земли пилот давал полный задний ход, который вместе с тормозами быстро останавливал машину. Краткий пробег особенно был заметен в этом случае, так как во время испытания была безветренная погода, и обычно пробег при посадке достигал нескольких сот футов».

В начале XX века рекорды высоты, достигнутой самолетами, ставились чуть ли не ежегодно:

Стратосфера сулила немалые выгоды для полета: меньшее сопротивление воздуха, постоянство ветров, отсутствие облачности, скрытность, недосягаемость для ПВО. Но как взлететь на высоту, например, 20 километров?

Здесь и далее по книге Дузя П.Д. "Паровой двигатель в авиации", Оборонгиз, 1939 год.

Мощность [бензинового] мотора падает быстрее, чем плотность воздуха.

На высоте 7000 м мощность мотора уменьшается почти в три раза. С целью повышения высотных качеств самолетов еще в конце империалистической войны делались попытки применять наддув, в период 1924-1929 гг. нагнетатели еще больше внедряются в производство. Однако обеспечить сохранение мощности двигателя внутреннего сгорания на высотах свыше 10 км становится все труднее.

Стремясь поднять «предел высоты», конструкторы всех стран все чаще и чаще обращают свои взоры на паровую машину, имеющую ряд преимуществ в качестве высотного двигателя. Отдельные страны, как, например, Германию, толкнули на этот путь и стратегические соображения, а именно — необходимость на случай большой войны добиться независимости от привозной нефти.

За последние годы были сделаны многочисленные попытки установить паровой двигатель на самолет. Быстрый рост авиационной промышленности накануне кризиса и монопольные цены на ее продукцию позволили не спешить с реализацией опытных работ и накопившихся изобретений. Эти попытки, принявшие особый размах в период экономического кризиса 1929-1933 гг. и наступившей затем депрессии, — не случайное явление для капитализма. В печати, в особенности в Америке и Франции, часто бросались упреки крупным концернам о наличии у них соглашений об искусственной задержке реализации новых изобретений.

Наметились два направления. Одно представлено в Америке Беслером, установившим на самолет обычную поршневую машину, другое же обусловлено применением турбины в качестве авиационного двигателя и связано, главным образом, с работами немецких конструкторов.

Братья Беслер взяли за основу поршневую паровую машину Добля для автомобиля и установили ее на биплан Тревел-Эр [описание их демонстрационного полета приведено в начале поста].
Видео того полета:

Машина снабжена реверсивным механизмом, при помощи которого можно легко и быстро изменять направление вращения вала машины не только в полете, но и при посадке самолета. Двигатель помимо пропеллера приводит в движение через соединительную муфту вентилятор, нагнетающий воздух в горелку. При старте пользуются небольшим электрическим моторчиком.

Машина развивала мощность в 90 л.с., но в условиях известной форсировки котла ее мощность можно довести до 135 л. с.
Давление пара в котле 125 aт. Температура пара поддерживалась около 400-430°. В целях максимальной автоматизации работы котла был применен нормализатор или прибор, помощью которого вода впрыскивалась под известным давлением в перегреватель, как только температура пара превышала 400°. Котел был снабжен питательным насосом и паровым приводом, а также первичным и вторичным подогревателями питающей воды, обогреваемыми отработанным паром.

На самолете были установлены два конденсатора. Более мощный переделан из радиатора мотора ОХ-5 и установлен сверху фюзеляжа. Менее мощный сделан из конденсатора парового автомобиля Добля и расположен под фюзеляжем. Производительность конденсаторов, как утверждали в печати, оказалась недостаточной для работы паровой машины на полном дросселе без выпуска в атмосферу «и приблизительно соответствовала 90% крейсерской мощности». Опыты показали, что при расходе 152 л горючего необходимо было иметь 38 л воды.

Общий вес паровой установки самолета составлял 4,5 кг на 1 л. с. По сравнению с мотором ОХ-5, работавшим на этом самолете, это давало лишний вес в 300 фунтов (136 кг). Не подлежит сомнению, что вес всей установки мог быть значительно снижен при облегчении деталей двигателя и конденсаторов.
Топливом служил газойль. В печати утверждали, что «между включением зажигания и пуском на полный ход прошло не более 5 мин.».

Другое направление в развитии паросиловой установки для авиации связано с использованием паровой турбины в качестве двигателя.
В 1932-1934 гг. в иностранную печать проникли сведения о сконструированной в Германии на электрозаводе Клинганберга оригинальной паровой турбине для самолета. Автором ее называли главного инженера этого завода Хютнера.
Парообразователь и турбина вместе с конденсатором здесь были объединены в один вращающийся агрегат, имеющий общий корпус. Хютнер замечает: «Двигатель представляет силовую установку, отличительная характерная особенность которой состоит в том, что вращающийся генератор пара образует одно конструктивное и эксплоатационное целое с вращающейся в противоположном направлении турбиной и конденсатором».
Основной частью турбины является вращающийся котел, образованный из целого ряда V-образных трубок, причем одно колено этих трубок соединено с коллектором для питательной воды, другое — с паросборником. Котел показан на фиг. 143.

Трубки расположены радиально вокруг оси и вращаются со скоростью в 3000—5000 об/мин. Поступающая в трубки вода устремляется под действием центробежной силы в левые ветви V-образных трубок, правое колено которых выполняет роль генератора пара. Левое колено трубок имеет ребра, нагреваемые пламенем от форсунок. Вода, проходя мимо этих ребер, превращается в пар, причем под действием центробежных сил, возникающих при вращении котла, происходит повышение давления пара. Давление регулируется автоматически. Разность плотностей в обеих ветвях трубок (пар и вода) дает переменную разность уровней, являющуюся функцией центробежной силы, а следовательно, и скорости вращения. Схема такого агрегата показана на фиг. 144.

Особенностью конструкции котла является расположение трубок, при котором во время вращения создается разрежение в камере сгорания, и таким образом котел выполняет как бы роль всасывающего вентилятора. Таким образом, как утверждает Хютнер, «вращением котла обусловливаются одновременно и питание его, и движение горячих газов, и движение охлаждающей воды».

Пуск турбины в ход требует всего 30 сек. Хютнер рассчитывал получить к. п. д. котла 88% и к. п. д. турбины 80%. Турбина и котел нуждаются для запуска в пусковых моторах.

В 1934 г. в печати промелькнуло сообщение о разработке проекта большого самолета в Германии, оборудованного турбиной с вращающимся котлом. Два года спустя во французской прессе утверждали, что в условиях большой засекреченности военным ведомством в Германии построен специальный самолет. Для него сконструирована паросиловая установка системы Хютнера мощностью в 2500 л. с. Длина самолета 22 м, размах крыльев 32 м, полетный вес (приблизительный) 14 т, абсолютный потолок самолета 14000 м, скорость полета на высоте в 10000 м - 420 км/час, подъем на высоту 10 км - 30 минут.
Весьма возможно, что эти сообщения в печати значительно преувеличены, но несомненно, что германские конструкторы работают над этой проблемой, и предстоящая война может здесь принести неожиданные сюрпризы.

В чем же заключается преимущество турбины перед двигателем внутреннего сгорания?
1. Отсутствие возвратно-поступательного движения при высоких скоростях вращения позволяет сделать турбину довольно компактной и меньших размеров, нежели современные мощные авиационные моторы.
2. Важным преимуществом является также относительная бесшумность работы парового двигателя, что важно как с точки зрения военной, так и в смысле возможности облегчения самолета за счет звукоизолирующего оборудования на пассажирских самолетах.
3. Паровая турбина, не в пример моторам внутреннего сгорания, почти не допускающим перегрузки, может быть перегружаема на короткий период до 100% при постоянной скорости. Это преимущество турбины дает возможность уменьшить длину разбега самолета и облегчает его подъем в воздух.
4. Простота конструкции и отсутствие большого количества подвижных и срабатывающихся деталей составляют также немаловажное преимущество турбины, делая ее более надежной и долговечной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
5. Существенное значение имеет также отсутствие на паровой установке магнето, на работу которого можно воздействовать с помощью радиоволн.
6. Возможность использовать тяжелое топливо (нефть, мазут) помимо экономических преимуществ обусловливает большую безопасность парового двигателя в пожарном отношении. Создается к тому же возможность теплофицировать самолет.
7. Главное же преимущество парового двигателя заключается в сохранении его номинальной мощности с подъемом на высоту.

Одно из возражений против парового двигателя исходит, главным образом, от аэродинамиков и сводится к размерам и возможностям охлаждения конденсатора. Действительно, паровой конденсатор имеет поверхность в 5-6 раз большую, нежели водяной радиатор двигателя внутреннего сгорания.
Вот почему, стремясь снизить лобовое сопротивление такого конденсатора, конструкторы пришли к размещению конденсатора непосредственно по поверхности крыльев в виде сплошного ряда трубок, следующих точно контуру и профилю крыла. Помимо придания значительной жесткости это уменьшит и опасность обледенения самолета.

Имеется, конечно, еще целый ряд других технических трудностей в эксплоатации турбины на самолете.
- Неизвестно поведение форсунки на больших высотах.
- Для изменения быстрой нагрузки турбины, что является одним из условий работы авиационного двигателя, необходимо иметь либо запас воды, либо паросборник.
- Известные трудности представляет и разработка хорошего автоматического устройства для регулировки турбины.
- Неясно также и гироскопическое действие быстро вращающейся турбины на самолете.

Все же достигнутые успехи дают основания надеяться, что в ближайшее время паровая силовая установка найдет свое место в современном воздушном флоте, в особенности на транспортных коммерческих самолетах, а также на больших дирижаблях. Самое трудное в этой области уже сделано, и практики-инженеры сумеют добиться конечного успеха.