По своей архитектуре и составу оборудования двигатели гидросамолетов прак-тически полностью аналогичны двигателям самолетов аэродромного базирования. Однако, несмотря на внешнее сходство их конструкция (как собственно двигателей, так и элементов оборудования) имеет ряд особенностей, обусловленных спецификой работы двигателя в условиях морской среды.
Конструкционные материалы и покрытия деталей двигателей выбраны с учетом обеспечения работоспособности в течение заданного ресурса при наличии в морском воздухе водно-солевых аэрозолей, которые в зависимости от метеоусловий, типа гидросамолета, размещения силовой установки, а также эффективности воздухоочистительных устройств в тех или иных количествах могут поступать в воздухозаборники приводить к развитию процессов коррозионного повреждения элементов конструкции.
Предназначенные для гидросамолетов двигатели имеют усиленную конструкцию, которая обеспечивает работоспособность как собственно двигателя, так и элементов оборудования при воздействии ударных нагрузок, уровень которых может существенно превышать обычно допускаемый для авиационного прототипа. Подобные нагрузки могут возникать из-за воздействия на корпус гидросамолета волн так и при посадке на воду, так как его конструкционная схема не имеет амортизирующих устройств.
В процессе конвертации двигателей сухопутных самолетов обычно демонтируют реверсивное устройство. Это делают по двум причинам: во первых включение обратной тяги при приводнении гидросамолета неизбежно приведет к попаданию воды во входное устройство; во вторых надобность применения реверса отпадает вследствие гораздо большого сопротивления воды.
Для решения проблемы недостаточной взлетной мощности, иногда, в схему силовой установки включают дополнительные стартовые двигатели, помогающие гидросамолету набрать необходимую тягу для преодоления сопротивления воды и набора скорости отрыва.
По данной схеме построена силовая установка самолета-амфибии А-40 «Альбатрос», состоящая из двух турбореактивных двухконтурных двигателей Д-30 КВП Пермского МКБ со взлетной тягой 15000 кгс. Двигатели расположены над обтекателями основных стоек шасси таким образом, что крыло защищает их воздухозаборники от попадания в них воды при взлете и посадке. Для дополнительной защиты двигателей от попадания в них воды используются брызгоотражатели, установленные по бортам фюзеляжа в носовой части и перед реданом. Для улучшения характеристик при взлете с водной поверхности самолет оснащен двумя бустерными турбореактивными двигателями РД-60К (КБ В.Климова), установленными под двигателями главной силовой установки в обтекателях основных стоек шасси (рисунок 1). Суммарная тяга этих двигателей составляет 5000 кгс.
Рис. 1 – Силовая установка самолета-амфибии А-40
Большую опасность для двигателей гидросамолётов (как газотурбинных, так и поршневых) представляет собой попадание воды в проточную часть.
Всасывание небольшого количества воды в компрессор газотурбинного двигателя вызывает кратковременное увеличение мощности и повышение его коэффициента полезного действия. Когда смесь воздуха и воды проходит через компрессор и подвергается сжатию, вода испаряется, в результате чего от воздуха отнимается теплота парообразования и эффективно охлаждается воздух в передних ступенях компрессора, в которых сжатию подвергается не гомогенная смесь сухого воздуха и паров воды, а гетерогенная смесь влажного воздуха и капель воды. Все это вызывает опасность эрозийного износа лопаток первых ступеней компрессора. В случае попадания в компрессор большого объема воды, она не успевает полностью испариться и попадает в камеру сгорания, что может вызвать погасание факела. В целом же всасывание небольшого количества воды в газотурбинный двигатель некритично.
В случае попадания воды в поршневой ДВС происходит гидроудар – резкий, почти мгновенный останов двигателя. Вода при этом проникает в камеру сгорания через воздушный фильтр. Поршень начинает сжимать горючую смесь, но дойти до верхней точки не может, потому что дорогу ему преградила вода. Из-за этого резко происходит стопор двигателя с характерным ударом. В этот момент на подвижные части двигателя передаётся колоссальная кинетическая энергия, которая скручивает и ломает любые металлические конструкции. Учитывая, что при взлете двигатель работает на максимальных оборотах, то гидроудар наносит еще большие повреждения.
Поэтому при проектировании гидросамолетов необходимо предпринимать меры, предупреждающие попадание воды в двигатель. Наиболее простым решением является размещение силовой установки или воздухоприемного устройства на большом расстоянии от поверхности воды. Именно по этой причине в конструкции гидросамолетов практически не применяется схема установки двигателей на пилонах под крылом, нашедшая наибольшее распространение в самолетах аэродромного базирования.
Другим направлением защиты двигателей гидросамолетов от попадания воды является установка разного рода защитных устройств. Очистка воздуха, подаваемого к двигателю, от капель морской воды и аэрозолей является важной и трудноразрешимой задачей. Во-первых, гидросамолет должен иметь малую массу и габариты силовой установки, а во-вторых, при штормовой или свежей погоде гидросамолет не может значительно снижать мощность двигателей, так как необходимо развить взлетную скорость. Следовательно, при этих условиях в двигатель будет поступать воздух с повышенным содержанием водяной пыли и брызг.
Высокое расположение силовой установки на гидросамолетах создает очень много трудностей в питании двигателя горючим. В лодочных гидросамолетах топливные баки часто располагаются непосредственно в лодке. Даже в небольших гидросамолетах в этом случае расстояние от низа бака до уровня нагнетающего насоса получается около 2,0 — 2,5 м, в больших же гидросамолетах оно доходит до 4,5—5,0 м. Но и в тех случаях, когда баки расположены в крыле, все же от низа бака до уровня нагнетающего насоса камеры сгорания получается около 2,0 м. Поэтому для гидросамолетов имеет важное значение стабильная и устойчивая работа подкачивающих топливных насосов, при отказе которых запаса топлива для продолжения полета не хватит и на пару минут полета.
Схемы расположения силовых установок гидросамолетов гораздо разнообразнее, чем сухопутных самолетов. Но это разнообразие зачастую оказывается не результатом свободных изысканий наилучших форм, а следствием, вытекающим из общей компоновки гидросамолетов и желания наиболее полно удовлетворить тем разнообразным требованиям, (которые были рассмотрены выше.
На гидросамолетах применение нашли следующие схемы расположения силовых установок:
Расположение СУ над крылом
Расположение СУ на пилонах за крылом
Расположение СУ под крылом
Расположение СУ в наплывах крыла
Расположение СУ в носовой части фюзеляжа
Расположение СУ в задней части фюзеляжа
Расположение СУ между крыльями
Рассмотрим некоторое из них.
Расположение СУ над крылом
Хорошо защищает двигатель от попадания воды. Такое расположение позволяет достигнуть значительной мореходности и хорошего в отношении прочности расположения деталей. Но с точки зрения аэродинамики эта схема расположения далеко не благополучна. Широко применялась в конструкциях первых гидросамолетов в 20-40 годы. В настоящее время применяется редко.
Достоинства:
Малая вероятность попадания воды и пены в силовую установку;
Хорошая изоляция конструкции самолета от воздействия шума двигателей;
Двигатели демпфируют колебания крыла при полете;
Недостатки:
Плохое аэродинамическое качество вследствие взаимодействия потока с верхней поверхностью крыла
Плохая управляемость в путевом направлении из-за попадания в тень от силовой установки руля направления;
Отсутствует разгружение крыла подъемной силой;
Создается дополнительный момент в пути тангажа из-за большого разноса центра масс и плоскости действия тяги
Сложная система подачи топлива из-за большого перепада высот между силовой установкой и топливными баками
Примеры: МА-1, Ш-7, Ш-5, АНТ-22, АНТ-8, АНТ-27, Heinkel HD-44, Dornier «Wal», Loire-70, Savoia S-55, ОСГА-101,
Расположение СУ на пилонах за крылом
Эта схема очень хороша в смысле защиты двигателей от действия воды. Также обеспечивает аэродинамически «чистое» крыло, что повышает его аэродинамическое качество и позволяет улучшить характеристики продольной, путевой и поперечной устойчивости самолета. Но при этом носовая часть фюзеляжа выдвигается вперед, что отрицательно сказывается на управляемости самолета. Данная схема является наиболее оптимальной для гидросамолетов большой массы. Так все последние проекты ТАНКТ имени Г.М. Бериева весом более 40 тонн выполнены по этой конструкции.
Достоинства:
- Крыло, не связанное специальными требованиями по установке двигателей, оптимизировано по аэродинамическим характеристикам;
- В случае отказа одного двигателя относительно невелик разворачивающий момент;
- Исключается попадание воды в воздухозаборники при взлете и посадке с воды, посторонних предметов и грязи при взлете и посадке с БВПП;
- Позволяет максимально использовать размах крыла для размещения средств механизации, что улучшает взлетно-посадочные характеристики самолета;
- Пилоны работают как дополнительное вертикальное оперение и улучшают устойчивость гидросамолета
- Меньший уровень шума в кабине самолета.
Недостатки:
- На больших углах атаки более вероятны отказы двигателя из-за попадания в воздухозаборник аэродинамического следа от крыла;
- Требует применения высокорасположенного горизонтального оперения;
- Увеличивается вес конструкции самолета как за счет веса крыла, так как отсутствует его разгрузка двигателями, так и за счет усиления конструкции лодки, крепления двигателей;
- При попадании самолета в обледенение создается возможность попадания в двигатели обломков льда, сбрасываемых противообледенителями с крыла;
Примеры: Бартини ВВА-14, А-40 «Альбатрос», Бе-200 «Иркут», Бе-103
-
- Литература:
- Зрелов В. А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы М: Машиностроение, 2005 – 336 с.
Петров Г.Ф. Гидросамолеты и экранопланы России - М: Русавиа, 2000 – 243 с.