Читай!
Газовые турбины профессора В.В. Уварова

Газовые турбины профессора В.В. Уварова

Более семидесяти лет назад, в начале 1948 г. на московском авиационном моторостроительном заводе № 41, где главным конструктором был профессор МВТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Уваров, начались испытания изготовленного по его проекту первого в мире высокотемпературного турбовинтового двигателя Э‑3081 мощностью 2600 кВт. Термодинамические параметры, схема двигателя и основные конструктивные решения, принятые В.В. Уваровым, носили абсолютно оригинальный характер: при разработке двигателя Э‑3081 и более ранних моделей (ГТУ‑1, ГТУ‑2, ГТУ‑3, Э‑3080) нигде в мире аналогов и даже самого понятия “турбовинтовой двигатель” не существовало.

Автор/Авторы:
Академик А.И. Леонтьев, кандидат технических наук В.Л. Иванов (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Более семидесяти лет назад, в начале 1948 г. на московском авиационном моторостроительном заводе № 41, где главным конструктором был профессор МВТУ им. Н.Э. Баумана В.В. Уваров, начались испытания изготовленного по его проекту первого в мире высокотемпературного турбовинтового двигателя Э-3081 мощностью 2600 кВт. Термодинамические параметры, схема двигателя и основные конструктивные решения, принятые В.В. Уваровым, носили абсолютно оригинальный характер: при разработке двигателя Э‑3081 и более ранних моделей (ГТУ-1, ГТУ-2, ГТУ-3, Э-3080) нигде в мире аналогов и даже самого понятия “турбовинтовой двигатель” не существовало.

Созданием этих двигателей подводился итог многолетней работы В.В. Уварова по внедрению газотурбинных двигателей
изобарического цикла (p = const) в авиацию, начатой в МВТУ по инициативе и под научным руководством профессора МВТУ Николая Романовича Брилинга в далёком 1925 г., который поручил своему бывшему дипломнику и начинающему преподавателю непосредственно руководить работой небольшой исследовательской Газовой группы.

Расчётно-теоретические исследования термодинамического цикла газотурбинного двигателя, экспериментальные исследования процесса истечения высокотемпературного газа через охлаждаемый сопловой аппарат турбины, выполненные в 1925–1930 гг., привели к важнейшим для отечественного авиадвигателестроения выводам.

Во-первых, несмотря на достаточно успешный опыт использования немногочисленных газотурбинных установок Г. Хольцварта, работающих по изохорическому циклу, будущее принадлежит более лёгкому и более простому газотурбинному двигателю (ГТД), работающему по циклу с постоянным давлением сгорания. Во-вторых, для реализации приемлемых значений КПД такого двигателя (с учётом низких значений КПД лопаточных машин того времени, особенно компрессора) температура  газа перед турбиной должна быть не ниже 1400–1500 К. А в связи с отсутствием конструкционных материалов,способных нести нагрузку при столь высокой температуре, лопатки турбины должны быть охлаждаемыми. И, наконец, главный вывод: сфера применения газотурбинного двигателя изобарического цикла может быть достаточно широкой, но прежде всего – это авиация. Благодаря малой удельной массе и возможности реализовать большую мощность в одном агрегате такой двигатель позволит значительно улучшить лётные качества самолёта (скорость и высоту полёта), чего не способен обеспечить поршневой двигатель.

Для реализации столь важных выводов предстояло найти заинтересованного “потребителя”. В 1930 г. В.В. Уваров устанавливает контакт и находит поддержку у начальника ГУАП5 С.О. Макаровского, сумевшего оценить значение газотурбинного двигателя для авиации и оказавшего работе поддержку.

Расширение фронта работ требовало соответствующей материальной базы. По предложению Н.Р. Брилинга, поддержанного директором Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ) профессором МВТУ Л.К. Рамзиным, работы переносятся в ВТИ, где сначала в составе Машинной лаборатории создаётся “Газовая группа”, а позднее уже самостоятельная Газотурбинная лаборатория. В силу обстоятельств от участия в дальнейших работах отходит Н.Р. Брилинг. Последующие многолетние работы по газотурбинному двигателю выполняются под руководством В.В. Уварова, назначенного руководителем лаборатории. С этого момента вся дальнейшая профессиональная жизнь Владимира Васильевича Уварова (он скончался 09.10.1977 г.) будет посвящена служению одной музе – газотурбинному двигателю широкого спектра практического применения. Он становится и главным конструктором, и главным теоретиком, и главным идеологом-пропагандистом газотурбинного двигателя. Одновременно В.В. Уваров продолжает педагогическую работу в МВТУ, где по его инициативе с 1931 г. сначала в качестве факультативного, а затем обязательного вводится курс “Газовые турбины”, который он сам преподаёт. Одновременно его приглашают преподавать такой же курс в Военно-воздушной академии РККА (впоследствии Военно-воздушная академия имени Н.Е. Жуковского), где также начинается подготовка военных инженеров по газотурбинной специальности.

Школа В.В. Уварова

Цикл обучения газотурбинистов В.В. Уваровым строится по-новому: академические занятия студентов МВТУ
и слушателей академии сочетаются с проектно-экспериментальными работами в газотурбинной лаборатории.
Под руководством В.В. Уварова впервые выполняются дипломные проекты по авиационным газотурбинным двигателям.
Первым инженером-газотурбинистом становится выпускник МВТУ 1932 г., впоследствии многолетний соратник В.В. Уварова М.И. Востриков, внёсший весомую лепту в становление отечественного авиационного газотурбостроения.
Молодые инженеры – бывшие дипломники В.В. Уварова пополняют коллектив лаборатории, становятся его сподвижниками на многие годы. Это выпускники разных лет, имена которых также будет хранить история развития этого направления: Я.Т. Ильичёв (1933 г.), Б.А. Уваров (1934 г.), В.Х. Абианц (1935 г.), А.А. Лакштовский (1936 г.), П.К. Казанджан (1936 г.), О.И. Голубева (1937 г.), А.Г. Романов (1940 г.), В.Е. Михальцев, А.Ф. Пронкин, С.М. Шляхтенко (1941 г.), Г.Ю. Степанов (1946 г.).

Тематика дипломных проектов напрямую связывается с работами газотурбинной лаборатории. Например, темой дипломного проекта В.Х. Абианца был турбовинтовой двигатель для самолёта “Максим Горький”. В каждый дипломный проект включаются элементы нового: разработка какого-либо элемента конструкции, расчётно-теоретический анализ или экспериментальное исследование важного элемента ГТД. Например, в дипломном проекте В.Х. Абианца исследовалось влияние радиального зазора над рабочей лопаткой на КПД турбинной ступени турбины. Педагогический процесс, проектирование, испытания экспериментальных моделей и натурного двигателя формировали огромный теоретический и экспериментальный материал, позволявший В.В. Уварову и его сотрудникам постепенно создавать основы теории расчёта и проектирования газотурбинных двигателей. Сложившаяся в 1930-х гг. традиция вовлечения студентов в НИР кафедры, выполнение курсовых и дипломных проектов в тесной связи с тематикой текущих научных работ кафедры позволяет не только поддерживать высокий “градус” педагогической квалификации, но и через выпускников распространять научные взгляды и разработки кафедры в промышленность, НИИ и КБ страны. В предисловии к монографии “Газовые турбины и газотурбинные установки” (1970 г.) В.В. Уваров пишет: “…учитель не только учит, но и учится у своих учеников, и с этой точки зрения предлагаемую книгу можно рассматривать как совместный труд автора с огромным числом … учеников, которые получили свои дипломы за более чем сорокалетний период его работы в МВТУ”.

Тернистый путь турбовинтового газотурбинного двигателя

В январе 1934 г. В.В. Уварова приглашают на НТС ЦИАМ с докладом об авиационном турбовинтовом газотурбинном двигателе, результатах экспериментального исследования основных агрегатов и полнокомплектной малоразмерной модели ГТУ-1, а также о разработке проекта полномасштабного турбовинтового двигателя ГТУ-3. Работа получает высокую оценку специалистов ЦИАМ, а в положительном Заключении научно-технического совета работы по созданию ГТУ-3 рекомендуется интенсифицировать.

Газотурбинный двигатель В.В. Уварова заинтересовал также маршала М.Н. Тухачевского, увидевшего в газотурбинном
двигателе большое будущее для военной авиации. По его приглашению В.В. Уваров с аналогичным докладом выступил
на заседании Совета труда и обороны. Турбовинтовой двигатель вызвал большой интерес у военных. Но ведущие конструкторы авиационных поршневых двигателей, приглашённые на заседание, к газотурбинному двигателю интереса не проявили. Известный конструктор авиационных дизелей А.Д. Чаромский назвал В.В. Уварова фантастом, а газотурбинный двигатель малопригодным для авиации.

С такими характеристиками пионерских работ Владимир Васильевич столкнётся ещё не однажды. Но он упорно будет отстаивать газотурбинный двигатель, газотурбинную установку, сфера применения которых необъятна. Время постепенно подтверждало его правоту.

При завершении проекта двигателя ГТУ-3 возникла проблема поиска изготовителя, по понятным причинам вне предприятий авиационной промышленности. Владимир Васильевич имел дар увлекать и убеждать – изготовить первый ТВД согласился Коломенский паровозостроительный завод. В 1937 г. двигатель был изготовлен. В 1938 г., 80 лет назад, начались первые его испытания. Обычно за пультом стоял главный конструктор двигателя В.В. Уваров. Машина пускалась легко, быстро набирала обороты, но на расчётный режим не выходила. И начался сложный процесс доводки: поиск причин отклонения от расчётных параметров, их объяснения и устранения, а также многое другое. Всё это было впервые!

Так в трудах, познании и преодолении обнаруженных ошибок рождался первый отечественный опыт создания и доводки газотурбинного двигателя. Например, недостаточная эффективность турбины, выявленная при испытаниях ГТУ-3 и последующих испытаниях двигателей Э-3080, Э-3081, привела к пересмотру традиционного на тот период времени метода профилирования лопаток турбины. Результаты проведённых исследований впоследствии были представлены в работах В.В. Уварова “К расчёту гидродинамических решёток” и “Профилирование длинных лопаток газовых и паровых турбин”7 (вскоре все турбинисты, не только отечественные, стали проектировать лопатки с закруткой по высоте “по методу Уварова”). Были решены проблемы высотного двигателя, в частности проблема рационального распределения тяги между воздушным винтом и реактивным соплом, результаты которых обобщены в работе В.В. Уварова “Характеристика газовой турбины с винтом”.

Любимой ученицей В.В. Уварова, “который в целом весьма скептически относился к роли женщин в науке”, Ольгой Ивановной Голубевой был разработан метод расчёта температурного поля охлаждаемой лопатки, послуживший стартовой площадкой для разработки численных методов расчёта температурного поля лопатки с внутренней системой охлаждения. Под руководством В.В. Уварова были выполнены многие другие исследования, результаты которых опубликованы в специальной литературе. Постепенно менялся облик двигателя: в отличие от ГТУ-3 двигатели Э3080 и Э3081 выполнялись уже по прямоточной схеме с реактивным соплом в современном лётном варианте.

Несмотря на значительные успехи в создании первого в мире высокотемпературного турбовинтового двигателя (ТВД), в 1949 г. дальнейшие работы по двигателю были прекращены. В качестве одной из причин, в известной степени, была преждевременность ТВД. Для ударной авиации требовался сверхзвуковой самолёт, реализуемый с турбореактивным двигателем (ТРД), а турбовинтовой – двигатель дозвуковой авиации. Вероятно, возник и определённый дефицит производственных мощностей, требуемой для производства ТРД. Возвращение к турбовинтовым двигателям состоится, однако несколько позже, когда заказчиками выступят военно-транспортная и гражданская авиация. Но это случится уже без В.В. Уварова, который сосредоточится на работе в МВТУ, возглавив кафедру “Воздушно-реактивные двигатели” на созданном в 1948 г. факультете реактивной техники.

Продолжение читайте в номере 1 журнала «Энергия: экономика, техника, экология» .


Оригинальный материал: https://www.libnauka.ru/journal/energiya-ekonomika-tehnika-ekologiya/energiya-ekonomika-tekhnika-ekologiya-2019-1/gazovye-turbiny-professora-v-v-uvarova-energiya-ekonomika-tekhnika-ekologiya/