|
5. Особенности силовых установок экраноплана.
Аэро-гидродинамическое качество известных экранопланов на скорости горба сопротивления при старте (Кг = 4-7) и в крейсерском полете (Ккр = 15-30) отличается примерно в 3-5 раз, во столько же отличается требуемая мощность двигателей и тяга движителей (винтов) на этих режимах. Диапазон отношений взлетной и экономичной крейсерской мощности (и тяги) современных двигателей обычно не превышает значений Nвзл / Nкрейс. = 1,5-2,0. Соответственно, для экраноплана существует проблема рационального согласования тяги двигателей во всем диапазоне скоростей движения - от плавания до старта и крейсерского полета.
Тре6уемое изменение тяги на режимах старта и полета, возможно реализовать только на движителях с низкой нагрузкой на ометаемую площадь, типа вертолетных винтов, за счет более высокого у них тягового КПД на малых скоростях движения, рис. 5.1.
Решением может служить, особенно для тяжелых экранопланов, раздельная силовая установка : – маршевый винтовой движитель с высоким тяговым КПД (h=0,7-0,95) на крейсерской скорости, и - компактный стартовый двигатель реактивного типа. Подобная схема применена на экранопланах ЦКБ по СПК (КМ, СМ-6, экраноплан Орленок).
Рис. 5.1. Таким образом, главная энергетическая установка в компоновке экраноплана может формироваться в двух вариантах: - с единой энергетической установкой (ЕЭУ), обеспечивающей как режим старта, так и маршевый режим (полет); - с раздельной энергетической установкой (РЭУ): - стартовой (СЭУ) и - маршевой (МЭУ), каждая из которых оптимизируется под соответствующий режим движения.
Для морских экранопланов в компоновке необходимо дополнительно предусматривать установку малого хода. Это, в сочетании с высокой крейсерской скоростью, повышает безопасность и автономность экраноплана в режиме плавания до уровня обычных водоизмещающих судов.
В варианте с РЭУ, для преодоления горба сопротивления, например, при старте тяжелого 1050-тонного экраноплана (рис. 5.1.1), необходима общая тяговооруженность (отношение тяги к весу аппарата) более t >= 0,22, в то же время для полета достаточно тяговооруженности маршевых двигателей t >= 0,14. Разницу, примерно в 75 т тяги, могут обеспечить компактные турбореактивные двигатели (ТРД) с форсажной камерой. При этом, чем меньше будет нагрузка на площадь маршевого движителя (или, чем больше степень его двухконтурности), тем меньше будет дополнительная тяга стартового ускорителя, но также и меньшая крейсерская скорость полета (Прил. 1). Следует отметить, что при раздельной силовой установке - стартовой и маршевой, в крейсерском полете ни при каком режиме маршевых двигателей экраноплан не выходит из зоны влияния экрана (т.е. соответствует классу А по ИМО).
Из диаграммы потребных и располагаемых тяг P,Q = f (Vx) для тяжелого экраноплана, с качеством в полете Ккр = 25 и качеством на горбе Кг= 6,0, видно, что для преодоления горба сопротивления при взлете с воды требуется кратковременный импульс тяги стартовых двигателей, рис. 5.1.1 (вариант - а. с. № 1837508 от 13.10.1992 г, СССР).
Рис. 5.1.1. Диаграмма потребных и располагаемых тяг экраноплана R-1050, P,Q = f(Vx)
Для преодоления горба сопротивления, кратковременный (10-30 сек) стартовый импульс тяги стартового ускорителя, в диапазоне скоростей ΔVx, определяется из выражения:
Ty = ( Qгорба - Рмарш + Go*nx ) * ΔVx / ( g*nx ) , кг*сек , где:
Qгорба. - сопротивление на горбе, Рмарш - тяга маршевого двигателя, Go - стартовый вес экраноплана, nx = ~ (0,1-0,3) - перегрузка при старте, g - ускорение свободного падения.
Стартовый ускоритель в полете отключается, аккуратно капотируется в аэродинамических обводах компоновки экраноплана и, соответственно, должен обладать высокими удельными показателями по габаритам и весу. Таким требованиям лучше всего отвечают ТРД, ТРДФ и РД - ракетные двигатели.
Для экраноплана эксплуатирующегося на воде может быть интересна разработка стартового ускорителя пароводяного типа (Прил. 6 в Содержании). Подобный тип ускорителя применялся в геофизических пароводяных ракетах (ФРГ, 50-е годы) и на легком самолете Пиппер (Щвейцария, 70-е годы). Принцип действия пароводяного ускорителя показан на схеме.
Устройство пароводяного ускорителя (ПВУ) включает - бак для воды, - теплообменник для передачи непосредственно перед стартом части энергии маршевого двигателя (тепловой или электрической) воде в баке, - реактивное сопло для преобразования тепловой энергии воды в тягу.
Вариант схемы ПВУ для тяжелых экранопланов -*-
Вариант схемы ПВУ для легких экранопланов
Стендовый вариант ПВУ для экспериментов
Включается ПВУ при достижении экранопланом скорости начала горба сопротивления при старте и сам же отключается при достижении расчетной скорости за горбом, еще задолго до скорости отрыва от воды, рис. 5.1.1. Такое применение ПВУ делает его безопасным и простым в части пилотирования.
Параметры ПВУ, оптимизированные для использования на экраноплане: Рв= 60 кг/см2 - давление воды в баке. Тв= 275 град.С - температура воды в баке. Iв = 1213 кДж/кг= 0,34 квт*час/кг - теплосодержание (энтальпия) перегретой воды. Руд= 55 сек - удельный импульс тяги перегретой воды. σ = 6000 кг/см2 - допускаемые напряжения конструкции бака. Gпву= 0,003*Go - сухой вес ПВУ в долях веса судна- Go.
Использование стартового ускорителя в компоновке экраноплана позволяет уменьшить тяговооруженность по маршевому двигателю до значений - t мд = 0,1-0,15, то есть примерно в 1,5-2,0 раза увеличить взлетный вес экраноплана в сравнении с единым маршевым двигателем (ЕЭУ) той же мощности.
В варианте с единой силовой установкой экраноплана, мощность двигателя и тяговые характеристики движителя подбираются, в первую очередь, для преодоления стартового горба сопротивления, причем для условий тихой воды и расчетного волнения. В этом случае мощность двигателя, как правило, получается избыточной для режимов приэкранного полета (т.е. экраноплан будет соответствовать классу В или С по ИМО). Вариант диаграммы режимов старта и полета экраноплана с единой силовой установкой приведен на рис. 5.1.2..
Рис. 5.1.2. На диаграмме видно, что на взлетном режиме двигателя экраноплан может лететь на высотах вне влияния экрана.
Как влияет выбор типа маршевого двигателя на транспортную производительность экраноплана показано на рис. 5.2. Относительная транспортная производительность – А рассчитана, как произведение дальности полета – L на относительный вес коммерческой нагрузки – Gкомм [19]: А тр = (G комм /G о) * L = (G комм /G о) * ( 270*Ккр* h / Се) * ln (Go/Gк) , км . Тяга (Ркр) и полный вес аппарата (Go) определены как функция тягового КПД (h) движителя и скорости полета (Vкр) при постоянной крейсерской мощности двигателя (No) [4]: ___ h = ( 2Vкр) / (Vкр + 4Ö Hв ) , Pкр = (75 * Nо * h) / Vкр , Go = (Ркр * Ккр) , L = f (Vкр, h) , где : Vкр- крейсерская скорость, Нв – полное давление в струе за винтом (нагрузка на винт), Се – удельный расход топлива в двигателе, кг/лс*час Gk = (Go – Gт)= 0,75 - вес аппарата в конце полета ( без топлива). На графике сравниваются аппараты с одинаковой энерговооруженностью (Nо, лс/кг), при одинаковых - относительном весе топлива Gт, относительном весе груза Gком и аэродинамическом качестве в полете – Ккр, но с различной удельной нагрузкой на площадь движителя - Hв. Другими словами, сравнивается, с каким движителем (винтом) дальность полета экраноплана будет больше, при прочих равных условиях. В расчетах принято: Nо = 0,15 лс/кг; G топ= 0,25Go; Gком= 0,25Go; Ккр=16;. Се = 0,22.
Рис.5.2. Зависимость относительной транспортной производительности экранопланов от нагрузки на площадь движителя и от крейсерской скорости. Из графиков следует, чем меньше нагрузка на движитель (больше диаметр винта), тем больше производительность аппарата, так как растет тяга винта, при неизменной энерговооруженности, растет полетный вес аппарата и его дальность. С увеличением крейсерской скорости пропорции уменьшаются, максимальная производительность достигается при значении тягового КПД, равном h = 2/3, и быстро снижается при увеличении нагрузки на движитель. Для экранопланов рациональны крейсерские скорости Vкр = 150 – 700 км/час (50-200 м/с) и удельные нагрузки на маршевый движитель менее Руд<1500 кг/м2, т. е. характерные для винтов и вентиляторов. Наиболее характерные особенности экраноплана, как принципиального нового типа транспортного средства, можно оценить, если сравнить параметры экраноплана и самолета при одинаковой у них взлетной тяге маршевых двигателей. Параметры транспортного самолета и его двигателя, как правило, выбираются из условий достижения максимальной крейсерской скорости на высотах 6-11 км, где плотность воздуха примерно в 3 раза меньше, соответственно во столько же раз уменьшается и сопротивление аппарата. За счет разности плотностей воздуха самолет может в 3-5 раз увеличить свою скорость, в сравнении со скоростью взлета у земли. Экраноплан, в отличие от самолета, не может в такой же пропорции увеличивать скорость, поскольку его режим полета происходит при постоянной плотности воздуха. Но при этом, высокая плотность воздуха способствует во столько же раз увеличению подъемной силы, при той же площади крыла, что и у самолета, и во столько же увеличению тяги, снимаемой с единицы мощности двигателя. К сожалению, силовая установка экраноплана должна преодолеть значительный горб сопротивления при старте с воды. Для сравнения в таблице 5.1 выбраны : - современный гидросамолет Бе-200 с двумя двигателями Д-436, рис. 5.3; - проект экраноплана Р2-7500, с теми же двигателями, рис. 5.4; и - известный экраноплан Орленок, тяга маршевого двигателя которого равна тяге 2-х двигателей Д-436, но дополнительно используются стартовые ускорители для преодоления горба сопротивления при старте, рис. 4.11 .
Рис. 5.3. Гидросамолет Бе-200.
Рис. 5.4. Экраноплан Р2-7500, проект. Таблица 5.1
Экраноплан превосходит самолет примерно в 1,5-3 раза по грузоподъемности, при равной взлетной тяге маршевых двигателей. Транспортная эффективность экраноплана (скорость доставки грузов) может в 2 раза превысить самолетную, при условии использования ускорителей для старта с воды, и выбора типа маршевого двигателя, оптимального по режиму крейсерского полета (экраноплан Орленок). В сравнении с самолетом экраноплан может рассматриваться как супераэробус, менее скоростной, но более тяжелый и вместительный. ___________________________________________________________________________
|
