Самолет с износом тормозов
Автомобильные ГТД НАМИ
После Великой отечественной войны в НАМИ возобновились работы по газотурбинным двигателям, начатые в середине 1920-х годов под руководством профессора Н.Р. Брилинга. Приказом № 271 по Министерству автомобильной промышленности 12 июля 1946 г. Александра Александровича Душкевича назначили главным конструктором и заведующим бюро газотурбинных автомобилей. Николай Романович Брилинг стал научным консультантом бюро. С этого времени развернулась самая удивительная история одного из самых уникальных в мире автобусов.
C 1950 г. работы НАМИ по газотурбинным двигателям включены в Государственный план важнейших научно-исследовательских работ, намечен первый пятилетний план работ. В течение 1951–1952 гг. в НАМИ была спроектирована и оборудована лаборатория, обеспечивающая разрешение ряда первоочередных вопросов. Новые технологии обработки металлов и керамики в теории развития скоростей магистрального транспорта тогда сулили немыслимые выгоды, а дешевизна топлива и налаженный крекинг нефти – баснословную прибыль. Не последнюю роль в этом играли и новые виды газотурбинных двигателей. Для оборудования лаборатории были разработаны и на заводе опытных конструкций института изготовлены 12 стендов и установок. Для испытаний турбин и компрессоров первоначально использовали авиационный поршневой двигатель АМ-38Ф, поэтому коллег из ГДР попросили сделать установку для испытания газотурбинных двигателей мощностью до 500 л.с. Кто бы мог подумать, что это станет одной из самых туманных разработок самой секретной лаборатории, где испытывались самые передовые наземные технологии.
В 1952 г. в НАМИ для работы над газотурбинными двигателями было создано конструкторско-экспериментальное бюро (КЭБ), трансформировавшееся через три года в СКБ-2. Бюро возглавил А. А. Душкевич. Из авиационного КБ Микулина в КЭБ перешел М. А. Коссов.
Первым разработали газотурбинный двигатель НАМИ-О50. Затем был изготовлен и испытан первый двухвальный автомобильный газотурбинный двигатель – АГТД НАМИ-О51. За этим двигателем М. Коссов и В. Фисенко разработали модификации НАМИ-О52 и НАМИ-О53.
Для проведения широких дорожных экспериментально-эксплуатационных испытаний газотурбинной силовой установки в НАМИ была создана газотурбинная дорожная лаборатория на базе междугородного автобуса ЗИЛ-127, на которой установили спроектированный и построенный в НАМИ газотурбинный двигатель ТурбоНАМИ-О53. Автомобильный газотурбинный двигатель ТурбоНАМИ-О53 № 1 был спроектирован в 1956 г. и изготовлен в 1957-м. Перед установкой на автобус он прошел доводочные и стендовые испытания в объеме только 75 ч. Требование срочно установить недоработанный двигатель на автобус исходило от министерских чиновников, ответственных за прогресс и науку. Сам ГТД был для них лишь клубком трубок.
Специальную коробку передач для этого двигателя спроектировали на ЗИЛе под руководством П. С. Фомина. Она имела прямую и понижающую передачи. Чтобы исключить возможность разноса турбины, переключение ступеней осуществлялось без разрыва мощности, и вал тяговой турбины всегда находился под нагрузкой. Это вызывало значительные усилия для переключения передач, поэтому применили силовые пневмоцилиндры. Подачей воздуха в цилиндры управляли золотниковые клапаны. Перемещение золотников осуществлялось реле-солиноидами.
История началась в Англии в 1791 г. с выданного патента на газовую турбину. Первая турбина была сконструирована и построена только в 1872 г., а испытание двигателя было проведено лишь в 1900–1904 гг. Это была многоступенчатая реактивная турбина с многоступенчатым компрессором, работавшая от горячего воздуха. Успеха турбина не имела, так как ее КПД был очень низким. В 1900 г. фирма Brown Boveri впервые построила турбину с центробежным компрессором. Это был 3-цилиндровый компрессор с ротором из последовательно установленных 25 дисков. Он обслуживал турбину, работающую на парафинистой нефти. КПД установки оказался настолько низким, что практической отдачи почти не было – отдача турбины поглощалась компрессором. Чтобы поднять КПД, в 1905 г. Гольцварт разработал конструкцию турбины постоянного объема. Только в 1928 г. в Brown Boveri построили вполне работоспособную турбину, которая в 1933 г. была установлена на одном из сталелитейных заводов.
Несмотря на большое количество построенных к 1950-м автомобильных газотурбинных двигателей, сведения об их эксплуатационных свойствах были скудными. Стало известно лишь о дорожных испытаниях двигателей Boeing 502-2 на тягаче Kenworth, General Motors GMT-305 и отрывочные сведения об испытаниях на автомобилях двигателей Rover, Renault.
Испытания автомобиля с ГТД-приводом проводились в СССР впервые. Программой были предусмотрены работы по выявлению особенностей эксплуатации, поведения силовой установки и освоению вождения автобуса с таким двигателем.
Управление ими производилось водителем с помощью трехпозиционного переключателя, находившегося на щитке приборов.
К стандартному щитку приборов добавили манометр давления топлива перед форсунками, указатели числа оборотов турбокомпрессора и тяговой турбины, указатель температуры газов на выхлопе. Только последний прибор требовался в условиях нормальной эксплуатации, остальные нужны были для экспериментальнолабораторной установки.
Недоработки в трансмиссии вызвали две аварии двигателя с разносом тяговой турбины, вызванные в первом случае самопроизвольным переключением КП на понижающую передачу на скорости 83 км/ч и во втором – из-за неполного включения заднего хода, когда двигатель оказался без нагрузки. После второй аварии на автобусе и двигателе была проведена полная ревизия, когда заменили редуктор двигателя с 7,2 на 5,3 с целью предохранения от разноса (возможно, эти происшествия объясняют, почему автобусы на встречающихся снимках в разное время имели несколько вариантов окраски и даже отделки кузова).
Работы по созданию и испытанию газотурбинной дорожной лаборатории проводил коллектив экспериментально-конструкторского отдела под общим руководством научного руководителя отдела А. А. Душкевича. Непосредственное руководство осуществлял главный конструктор двигателя ТурбоНАМИ-О53 к.т. н. М. А. Коссов, В. К. Фесенко руководил конструкторскими работами по силовой установке и дорожными испытаниями, работы по камере сгорания проводила инженер К. С. Козловская. Проточная часть турбин и облопачивание разработаны М. П. Беляковым, а системы автоматического регулирования – под руководством Н. Н. Захарова.
Газотурбинный двигатель развивал максимальную мощность 350 л.с. Его сухая масса составляла лишь 572 кг, а дизеля ЯМЗ-206Д – 1060 кг. В дальнейшем, правда, масса автобуса с газотурбинным двигателем увеличилась в сравнении с первоначальным вариантом почти на полтонны из-за применения шумопоглощающих приспособлений. Их испытания проводили в лаборатории шумоглушения НАМИ под руководством к. т. н. В. Е. Кошкина. Однако задача по облегчению этих устройств не ставилась, а основная цель была – доказать право на существование новинки!
Дорожные испытания в НАМИ двигателя ТурбоНАМИ-О53 проводились в два этапа. Из-за новизны задачи и отсутствия опыта как в создании автомобильной газотурбинной силовой установки, так и ее эксплуатации 1-й этап испытаний, осуществленный в 1958–1959 гг., был ограничен пробегом 5000 км. В этих конструкторских, доводочных и испытательных работах принимали участие инженеры В. В. Микрюков, В. П. Гельбрас-Аксенов, М. Ф. Климанова, К. А. Крапивенцева, техник 3. И. Бодрова, ст. механики Н. В. Горячев, А. И. Артамонов, В. М. Копейкин. Снятие динамических и моментных характеристик производилось под руководством доцента МАМИ к. т. н. А. П. Кузнецова. Все производственные работы выполняли на заводе опытных конструкций НАМИ.
Дорожные испытания 1-го этапа позволили наметить и осуществить ряд технических улучшений как в конструкции собственно двигателя, так и в элементах силовой установки. Особенно это коснулось топливной и масляных систем, шумоглушительных устройств, систем всасывания и выхлопа.
Емкость маслоподающей системы вмещала около 40 л. Ввиду отсутствия водяной системы масло использовалось и для охлаждения двигателя. На автобусе в качестве масляного радиатора использовали водяной радиатор автомобиля ЗИЛ-150В, который отводил до 60 000 ккал/ч. Как подтвердил впоследствии опыт эксплуатации, он был слишком, как говорят инженеры, переразмерен: на охлаждение ГТД требуется в 8–12 раз меньше площади, поэтому радиатор прикрыли щитом.
Первые запуски двигателя на автобусе выявили значительную вибрацию двигателя, которая достигала ужасающих 10–11 g, а в некоторых случаях доходила до 17 g. Задача снижения уровня вибраций решилась изменением конструкции двигателя, направленной на увеличение жесткости системы ротор-корпус. В результате виброперегрузки уменьшились до 0,5–2,0 g и не представляли уже никакой опасности. Вторая проблема касалась скорости: при достижении 150 км/ч автобус выходил из-под контроля.
Невзирая на впервые установленную автоматическую систему регулирования воздуха в задних шинах автобуса ходовая часть не была рассчитана на подобные скорости, и максимальный конструкционный предел ограничили теоретически возможными 200 км/ч.
Установка ГТД потребовала изменения систем всасывания и выхлопа. Для уменьшения содержания пыли в воздухе, поступающем в двигатель, воздухоборник разместили на крыше автобуса. В горизонтальной части он имел внутреннюю перегородку, разделяющую его на нижний и верхний каналы. Левее с впускным каналом размещался выхлопной патрубок двигателя с эжектирующим соплом. В зазор между ним и стенками канала подсасывался воздух из моторного отсека. Выхлоп осуществлялся вверх.
На первом этапе запуск газотурбинного двигателя осуществлял автомобильный стартер СТ-25, который впоследствии заменили на авиационный стартер-генератор ГСР-СТ-6000А, который, как предполагалось, можно было запитывать на автостанциях. Он обеспечивал более быстрый пуск. Длительность пуска составляла 3–5 секунд и сильно затягивалась при запуске двигателя на дизельном топливе, особенно при низких температурах. В целом двигатель ТурбоНАМИ-О53 был малотребователен к качеству топлива и работал на бензине, керосине и дизельном топливе.
Второй этап испытаний – 10 000 км пробега – был проведен в августе–ноябре 1961 г. В течение этого этапа его силовая установка проработала почти без дефектов, полностью оправдав все введенные улучшения. На этом этапе испытаний мощность газотурбинного двигателя была понижена до 180 л.с., что соответствовало мощности дизеля ЯМЗ-206, установленного на серийных автобусах ЗИЛ-127. Это позволило сопоставить динамические качества автобуса с двигателем ТурбоНАМИ-О53. На испытаниях скорость автобуса доходила до 130 км/ч и длительная – на уровне 80–100 км/ч. Число оборотов турбокомпрессора колебалось от 10 000 на малом газу до 20 200 мин–1, а тяговой турбины – от 0 на стоянке до 16 500 мин–1. Непрерывная длительность испытаний доходила до 10 часов, что было связано с охватом максимальных среднесуточных температур. В этих условиях движение 13-тонного автобуса на пониженной передаче осуществлялось до скорости 40–60 км/ч. Число переключений передач на шоссе по сравнению с числом требуемых переключений для автобуса с поршневым двигателем было значительно меньше. Автобус с газотурбинным двигателем мог разгоняться только на прямой передаче, однако при этом движение начиналось спустя 6–8 с после нажатия на педаль подачи топлива. Для улучшения разгона с места автобус на кратковременных стоянках удерживался на тормозах, а турбокомпрессор – на средних оборотах. При этом был необходим нажим на обе педали одновременно (!), что было неудобно, так как обе педали располагались справа. Из-за того что в конструкциях двигателя и КП автобуса не применялись специальные устройства, дающие возможность тормозить двигателем, в течение испытаний наблюдался повышенный износ тормозов…
Автомобили тоже летают... только низенько-низенько
В издании «85 лет НАМИ», вышедшем в прошлом году, на с. 280 встречается и другое обозначение НАМИ-О53 – ТурбоНАМИ-127. Как оказалось, испытания конструкций АГТД НАМИ, апробированные на автобусах ЗИЛ-127 проводили на автобусах и в последующие годы. В 1978 году на ХХ Международной выставке-ярмарке в Брно (ЧССР) был представлен турбоэлектробус с ГТД НАМИ-0183. Еще через два года был испытан ГТД НАМИ-2Э0163 на автобусе Ikarus-255 с механической КП Autokut. Самый свежий пример использования газовой турбины относится к прошлому году на турбобусе «Тролза-5250» («ГП» № 10, 2008 г., «ГП» № 10, 2008 г.).
Но автобусами дело не ограничивалось. В период 1960–1965 гг. на грузовиках КрАЗ испытывались двигатели НАМИ-О51. Малые АГТД применялись в рекордных автомобилях, для обеспечения энергетики ствольных и ракетных комплексов на установках ПВО «Шилка», «Енисей», «Круг» и «Куб».
/Ю.П./
