Николай Дмитриевич Кузнецов

Среди конструкторов отечественных авиационных двигателей одно из ведущих мест принадлежит Николаю Дмитриевичу Кузнецову. Как и многие другие конструкторы, он начинал свою деятельность еще во время учебы в Военно-воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского. Уже на третьем курсе обучения вместо обычного проекта по деталям машин ему было разрешено проектировать авиационный двигатель.

Окончив академию в 1938 г. с отличием, Николай Кузнецов был оставлен адъюнктом на кафедре конструкции двигателей. Надо сказать, что, будучи отличником учебы, он имел разрешение учиться одновременно и в летной школе, которую также успешно окончил. Продолжая активную конструкторскую работу, он читал слушателям лекции по вопросам конструкции и прочности авиационных поршневых двигателей. Научные труды Кузнецова в тот период касались именно этих вопросов. Все это. вместе взятое, способствовало тому, что в 1941 г. он защитил кандидатскую диссертацию по своей специальности. В течение 1942 г. Н. Д. Кузнецов находился в действующей армии, а в 1943 г. был отозван с фронта в связи с назначением заместителем главного конструктора ОКБ и завода авиационных двигателей под руководством В. Я. Климова. Несколько позже в соответствии с решением правительства организуется опытное конструкторское бюро, в задачу которого входило создание турбовинтовых двигателей, а его главным конструктором в 1946 г. становится Н. Д. Кузнецов.

В конце сороковых годов наша промышленность выпускает первые отечественные реактивные двигатели. В связи с этим направления развития реактивных двигателей были неодинаковы, например, для самолетов-истребителей и бомбардировщиков с небольшим и средним радиусом действия. Для летательных аппаратов, которым в первую очередь необходимо [292] было иметь большую дальность и продолжительность полета (стратегический бомбардировщик), требовалось создать дотоле неизвестный в авиационной технике турбовинтовой двигатель (ТВД). Как во всяком газотурбинном двигателе, в ТВД имеются входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина. Но в отличие от ГТД у ТВД есть еще редуктор и винт. В турбовинтовом двигателе частота вращения воздушного винта составляет 1000 — 1500 об/мин, а турбины — в 10 — 15 раз больше, поэтому для изменения частоты вращения на турбовинтовых двигателях используются редукторы с различным передаточным числом. Общая тяга в двигателях этого типа создается в основном за счет воздушного винта и в меньшей степени за счет реакции газовой струи. Создание тяги за счет винта более эффективно на малых и средних скоростях полета. Поэтому турбовинтовые двигатели и применяются на самолетах, летающих на скоростях до 600 — 750 км/ч. По сравнению с турбореактивными двигателями конструкция ТВД сложнее, более сложна и система регулирования, так как необходимо регулировать углы установки лопастей воздушного винта в зависимости от условий и режима полета.

На небольших скоростях полета турбовинтовой двигатель более экономичен по сравнению с обычным турбореактивным двигателем. Вот почему силовые установки с ТВД выгодно применять на пассажирских и транспортных самолетах, имеющих большие дальности и продолжительность полета. С увеличением же скорости полета экономичность ТВД падает. На базе ТВД иногда создают газотурбинные установки для вертолетов. Важным эксплуатационным достоинством самолетов с ТВД являются короткий разбег перед взлетом и особенно короткий пробег после посадки.

Первым турбовинтовым двигателем, созданным в конце сороковых годов в конструкторском бюро, руководимом Николаем Дмитриевичем Кузнецовым, стал двигатель ТВ-2. В этой организации и в дальнейшем велись работы над созданием ТВД, при разработке которых приходилось изыскивать пути повышения эффективности лопаточных машин, отработки процесса сгорания, запуска и решения многих других проблем. Вопросы обеспечения надежности и прочности таких агрегатов, как редуктор, в ту пору также считались довольно трудными, особенно если на базе существующего двигателя необходимо было создать вертолетный двигатель.

На основе обширных теоретических и экспериментальных работ, проведенных по турбовинтовым двигателям, в [293] начале пятидесятых годов ОКБ приступило к созданию мощного и экономичного двигателя НК-12. Этот двигатель имел высокую для того времени степень повышения давления в компрессоре и температуру газа перед турбиной, без чего нельзя было получить хорошие данные как по мощности, так и по расходу топлива, что потребовало освоения новых, более жаропрочных материалов. Впервые в этом конструкторском бюро был применен новый высокожаропрочный сплав для изготовления литых монолитных и пустотелых охлаждаемых лопаток оригинальной конструкции, которые применяются в настоящее время на некоторых типах реактивных двигателей.

Турбовинтовой двигатель НК-12 развивал невиданную мощность — 15 000 л. с. Естественно, потребовалось создание надежного авиационного редуктора для передачи этой мощности.

Из практики зарубежного авиадвигателестроения известно, что попытка создания ТВД мощностью более 10 000 л. с. вызвала большие трудности в конструировании достаточно надежного редуктора с высоким к. п. д. и малой массой и окончилась неудачей. В ОКБ Н. Д. Кузнецова эта особо сложная задача была решена в содружестве с М. Л. Новиковым — профессором Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского благодаря применению зубчатых передач оригинальной конструкции. Для обеспечения устойчивого регулирования всего комплекса силовой установки с огромными соосными винтами, вращающимися в противоположные стороны, требовались совместные усилия двигателистов, винтовиков и самолетчиков. Недаром в одном из первых полетов на самолете с этими двигателями А. Н. Туполев тщательно изучал все тонкости поведения не только силовой установки, но и самолета в целом. Двигатель НК-12 был создан в начале пятидесятых годов, однако до настоящего времени он является наиболее мощной и экономичной силовой установкой этого типа в мировой практике.

Ранее уже упоминалось, какое удивление вызвал самолет с этой силовой установкой во время первой демонстрации Ту-114 на выставке в Париже. Каждому посетителю непременно хотелось «пощупать» эту сложную технику, и многие старались повернуть шестиметровый винт за лопасть.

Естественно, что создание силовой установки такой огромной мощности было сопряжено с большими трудностями, и на первых порах случались неполадки. И тем не [294] менее все, кто имел дело с этими двигателями, встречали со стороны генерального конструктора доброжелательное отношение, стремление выяснить истинные причины неполадок. Н. Д. Кузнецов проявлял максимум оперативности в решении возникших при эксплуатации вопросов.

Немало времени пришлось затратить на выбор силовой установки для самолета, который должен был иметь грузоподъемность и дальность полета большие, чем любой из существующих отечественных и зарубежных летательных аппаратов. Мнения специалистов разошлись: одни предлагали строить самолет с турбореактивными двигателями, а следовательно, с большей скоростью полета, другие считали возможным использовать (при значительной модификации) хорошо зарекомендовавший себя турбовинтовой двигатель НК-12. После рассмотрения нескольких проектов самолетов с двигателями различных типов заказчики единодушно решили отдать предпочтение турбовинтовому самолету. Сотрудникам ОКБ Н. Д. Кузнецова пришлось немало потрудиться, проявить настоящий творческий подход и оперативность, так как реализация новых конструктивных решений требовала изменения не только двигателя, но и многолопастных винтов, а также редукторов.

В результате стендовых испытаний модифицированных двигателей НК-12, установки их на макете самолета и всякого рода «примерок» в наземных условиях и на летающих: лабораториях в очень короткие сроки был создан самый грузоподъемный в мире самолет Ан-22. Надежность силовой установки позволила после сравнительно небольшого количества испытательных полетов запустить самолет с модифицированными двигателями в серию.

Казалось, немного времени прошло после первого поле-га крупнейшего для своего времени пассажирского самолета Ту-114, имевшего четыре турбовинтовых двигателя НК-12 конструкции Н. Д. Кузнецова. Это было в 1957 г., а в июне 1965 г. «Антей» с четырьмя модифицированными турбовинтовыми двигателями типа НК-12 совершил полет в Европу, в 1967 г. на нем был осуществлен рекордный для турбовинтовых самолетов подъем груза 100,44 т на высоту 7848 м. Официальный рекорд удалось перекрыть более чем на 47 т. Всего десять лет разделяли эти события.

Силовая установка, разработанная конструкторским бюро Н. Д. Кузнецова, по-видимому, завершает создание этого типа двигателей (мощных ТВД для магистральных самолетов) как в нашей стране, так и за границей. Объясняется это тем, что появился газотурбинный двигатель [293] нового типа — двухконтурный (турбовентиляторный), в котором нет огромного и напряженного редуктора, сложного многолопастного винта с собственными системами регулирования и защиты в аварийных случаях. Распространение турбовентиляторных двигателей связано с тем, что кинетическая энергия газов, вытекающих из сопла турбореактивного двигателя, при малых скоростях полета в значительной степени теряется бесполезно, кроме того, она служит источником шума, создаваемого реактивным двигателем. Минимальные потери энергии возможны при отбрасывании назад наибольшей массы газов с наименьшей скоростью. Именно поэтому при малых скоростях полета винт турбовинтового двигателя являлся более экономичным движителем, чем реактивная струя турбореактивного двигателя, несмотря на то что в ТВД энергия передается последовательно — через турбину, редуктор и винт. Однако при больших скоростях полета коэффициент полезного действия винта падает. На таких скоростях (околозвуковых) целесообразнее применять двухконтурный двигатель, в котором располагаемая мощность цикла, развивающаяся в процессе расширения газов, используется для ускорения как горячей, так и холодной (во втором контуре) струй. Коэффициент полезного действия такого двигателя более высокий, чем обычного турбореактивного двигателя, при умеренных дозвуковых скоростях полета. Вместе с тем у него нет таких ограничений по скорости полета, как у ТВД.

Вопросы уменьшения шума, создаваемого двигателем, особенно для пассажирских самолетов, всегда привлекали внимание ученых, конструкторов и эксплуатационников. Они встали еще острее при увеличении тяги двигателей современных самолетов.

Именно по этим причинам конструкторское бюро, руководимое Николаем Дмитриевичем Кузнецовым, в 1960 г. приступило к разработке двухконтурного двигателя НК-8, предназначавшегося для межконтинентального пассажирского лайнера Ил-62. Позднее выпускается его улучшенная модификация — НК-8-4. Для самолета Ту-154 был создан еще один вариант двигателя этого семейства — НК-8-2. Двухконтурные двигатели должны были иметь данные на уровне современных зарубежных силовых установок, что и было достигнуто благодаря простоте выбранной конструкции двигателя с малым количеством опор, умеренной степени повышения давления и широкому применению сравнительно новых в авиационном двигателестроении титановые сплавов. Помимо требуемых технических характеристик [296] двигатель, предназначенный для установки на пассажирском самолете, должен отличаться повышенной надежностью.

В конструкции двухконтурного двигателя для первого советского аэробуса Ил-86 получили дальнейшее развитие лучшие черты двигателей семейства НК-8, реализованные в эксплуатации на самолете Ил-62. Особое внимание было уделено обеспечению высокой надежности и большого ресурса двигателя без переделки основной конструкции. Обеспечению высокой надежности в эксплуатации способствует также применение на двигателе многочисленных систем автоматического контроля и защиты, а также системы ранней диагностики и предупреждения о возникающих неисправностях.

Дальнейшее развитие получила конструкция многофорсуночной камеры сгорания, обеспечивающая не только равномерное поле температур перед турбиной, что важно для надежной работы горячей части двигателя, но и бездымный выхлоп двигателя, не загрязняющий окружающую среду. В двигателе предусмотрены также конструктивные мероприятия по существенному снижению уровня шума на всех этапах полета соответственно международным нормам. Значительное внимание уделено повышению экономичности двигателя по сравнению с двигателями семейства НК-8 за счет применения более высокой степени повышения давления в компрессоре и степени двухконтурности, а также за счет дальнейшего повышения к. п. д. всех узлов.

Под руководством Н. Д. Кузнецова созданы и создаются двигатели многих типов для различных аппаратов. В частности, для решения проблемы транспортировки газа с труднодоступных месторождений страны разработан, серийно изготовляется и широко эксплуатируется на газоперекачивающпх станциях газотурбинный привод НК-12СТ. В его конструкции осуществлена идея использования авиационного двигателя типа НК-12 в качестве привода газоперекачинающих агрегатов ГПА-Ц-6,3. Выполнены работы, позволившие использовать природный газ, перекачиваемый по трубопроводам, в качестве топлива для двигателя, осуществлена автоматизация всех процессов управления двигателем и его регулирования.

Решение этих сложных технических задач позволило:

— обеспечить газоперекачивающие агрегаты мощным газотурбинным приводом с малой массой и небольшими габаритами (мощность привода 6300 кВт);

— осуществить полную автоматизацию газоперекачивающих [297] агрегатов и обеспечить полную автономию двигателя, не требующую дополнительных источников тепла, топлива и водоснабжения.

Впоследствии для транспортировки газа был конвертирован и другой двигатель ОКБ Н. Д. Кузнецова — НК-8, Этот автоматизированный газоперекачивающий агрегат ГПА-Ц-16/76-100, использующий достижения авиационной техники и современной технологии, надежно эксплуатируется в условиях пустынь Средней Азии, районах Крайнего Севера и горах Кавказа.

Николай Дмитриевич Кузнецов явился пионером в разработке авиационных двигателей, работающих на альтернативных топливах. В 1988 и 1989 гг. совершили испытательные полеты экспериментальные самолеты Ту-155. Для первого из них ОКБ Н. Д. Кузнецова разработало двигатель НК-88, использующий в качестве топлива водород. При его создании пришлось решить целый комплекс научно-технических и инженерных задач, в частности организацию рабочего процесса в камере сгорания. Из-за чрезвычайной сложности системы подачи топлива (практически невозможно избежать парообразования в подводящих трубопроводах) жидкий водород перед подачей в камеру сгорания газифицировался и подогревался.

Для другого экспериментального самолета ОКБ Н. Д. Кузнецова разработало двигатель НК-89, использующий в качестве топлива сжиженный природный газ.

Создание этих экспериментальных двигателей явилось большим творческим успехом конструкторского бюро и его руководителя.

Многогранную научно-исследовательскую, конструкторскую работу Николай Дмитриевич сочетает с педагогической деятельностью и подготовкой научных кадров на кафедре в одном из ведущих авиационных вузов страны. Таков путь выходца из рабочей семьи генерал-лейтенанта-инженера, действительного члена Академии наук СССР, Героя Социалистического Труда, лауреата Ленинской премии, генерального конструктора авиационных двигателей Николая Дмитриевича Кузнецова.