• 26 ноября 2021

    Полёт над водой и его движущая сила

    Hovercraft-MVPP10, фото Wikipedia



    Как и для самолёта, для судна на воздушной подушке двигатель - во многом это залог его эксплуатационных характеристик.

    Свои комментарии по  силовым установкам для судов на воздушной подушке и по состоянию вопроса в данном сегменте двигателестроения даёт для нашего издания инженер-двигателист, проходивший службу на военном судне на воздушной подушке «Мурена», а ныне сотрудник Самарского Национального Исследовательского университета Владимир Герасимов.

    Силовая установка судна на воздушной подушке состоит из  двигателя , трансмиссии , и движителей с нагнетателями. Может быть и спорным включение движителей и нагнетателей , так как собственно движение судну они не обеспечивают, но их отказ приводит к останову судна даже при исправных двигателе и трансмиссии. Сами по себе двигатели достаточно надёжны , но режим работы судового двигателя более  напряжённый по сравнению с авиационным , автомобильным и с точки зрения нагрузки сопоставим с  двигателем сельхозтехники и дорожных машин. При этом выбор двигателя для СВП ограничен массой, как и в авиации, поэтому по массогабаритным характеристикам судовые двигатели  близки к авиационным, а по характеру нагрузок  - к агродорожной технике , для которой нет жёстких ограничений по массе и габаритам.

    Но этот подход судостроительными КБ отметается сразу и берётся двигатель , как правило , находящийся в серийном производстве, а в ряде случаев и зарубежный,  близкий по техническим характеристикам к отечественным. Так, например , отечественный ЗМЗ-406.2 с указанной мощностью 150л.с., выбранный  для СВП Х-10 , а изначально для  Х-6, которые активно эксплуатировались на трассе «Нижний Новгород-Бор» , работали на оборотах, составлявших  0,9 от номинальных , что характерно для гоночных автомобилей с гарантированным ресурсом в 100часов. Перегрев двигателя ЗМЗ 406.2. компенсировался краткосрочным временем нагрузки , составлявшей порядка 3-5минут , переводом на холостой ход  и инертностью маслосистемы и системой охлаждения двигателя. Более длительный режим работы мог неминуемо привести  к поломке. Об этих проблемах  было доложено  как как в КБ Дербенёва , так и в КБ моторостроения.

    Главнейшим условием , отягчающем работу двигателя СВП , является пыле и брызгообразование , сопровождающееся наличием в забираемом воздухе частиц размером 10-20мкр , способных проходить через фильтры. В ходе начавшейся эксплуатации судов Х-10 в Нижнем Новгороде были отмечены случаи  разрушения подшипников двигателей , интенсивном износе цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и неоднократным поломкам двигателей из-за наличия песка в картере. Это всё известно было и в КБ , куда информация о проблемах посутпала  различными путями. Настоятельная просьба к  КБ имени Дербенёва решить задачу по совершенствованию системы воздухоочистки игнорировалась , но на сегодня значительно более мощные фильтры всё же установлены на двигатели судов Х-10. Тем не менее и мощности усовершенствованного фильтра всё равно недостаточно,  , так как само страгивание  СВП с места создаёт максимальный фон пылебрызгообразования -  двигатель работает на максимальном режиме и максимальная концентрация взвезей всё равно пройдёт через фильтр. Выходом их этой , казавшейся на первый взгляд  патовой ситуации , существует и давно —вихревая очистка воздуха в циклонах , которые устанавливают на дорожных машинах , а на «Мурене» они стояли с 1985года. Таким же образом решалась проблема  и с танком Т-80 , на котором эти циклоны стоят с 1980 года. Благодаря им этот танк мог идти в пылевой бури в пустыни сохраняя работоспособность двигателя (но на нём установлен  ГТД-1250  у которого потребление воздуха составляет 4,5кг/сек).

    Одним словом,  системам воздухоочистики двигателя сегодня не уделяется  должного внимания , нет признания того факта , что абразив проникает через суфлёры и в маслосистему двигателя и в топливную через дыхательные клапана. Поэтому , загубить можно любой двигатель , если системы очистки СВП сделаны как для автодорожной и аграрной технике —не следует забывать, что эксплуатация СВП  по уровню подъёма пыли сродни вертолёту. Соответственно, и подход к решению задачи должен быть «вертолётным». Для СВП можно использовать двигатель, уже освоенный в серийном производстве, но он должен быть адаптирован к условиям эксплуатации и значительное  внимание должно быть уделено системам воздухоочистки. Как правило , этот вопрос  решается силами КБ как судостроения, так и моторостроения или серийным заводом по двигателям , когда  речь идёт о двигателе СВП. Пренебрежение этим вопросом пагубно влияет на всё направление по СВП в целом.

    Не менее важным является и вопрос о о трансмиссии. Казалось бы, он находится  вне компетенций как двигателиста, так  и самого кораблестроителя. Двигателист снимает с себя ответственность за передачу энергии Данная тема относится к вопросам механики   непостижимым корпусникам от кораблестроения. В частности , считается что зубчаторемённые передачи вызывают вибрации вследствие неравномерности частоты вращения двигателя от крутильных колебаний основного вала приводов. Для скоростного амфибийного судна вопрос является существенным , так как оно может идти в условиях , где надёжность движения важна так же, как надёжность полёта. В настоящее время  самая надёжная передача  мощности и крутящего момента на привод обеспечена только у СВП «БАРС» , где проектированием занималось ОКБМ (Воронеж ), которое заимствовало решение по раздаточному редуктору от силовой установки на вертолёте Ка-26. Имеем единичный случай проектирования , конструирования и изготовления силовой установки от одного проектанта , который за все отказы установки несёт единоличную ответственность. Поэтому , в связи со слабой надеждой  на зубчатые ремни , в качестве наиболее надёжного средства извоза в межсезонье были выбраны аэросани-амфибия А3 со снижением нагрузки на двигатель Аи-14Б с 260л.с. до 200л.с. ( по оборотам до 2000-2100об/мин). У данной амфибии  весь энергоузел построен  на базе авиационного двигателя и испытан по нормам лётной годности.  Надёжное решение применено и для СВП «Скат» с дефорсированным двигателем ТВД-10М , где мощность была понижена с 1100л.с. до 750-780л.с. , но были оставлены  штатные воздушные винты. Исходный двигатель ТВД-10 , устанавливался на Ан-28 и производился в Омске.Есть основания предполагать , что Омское КБ , когда прекратился выпуск базовой моделиТВД-10 , просто выжило за счёт морского ТВД-10М  заказанного в количестве  100 единиц.


    Обратим внимание, как происходит запуск двигателя , включение сцепления и набор оборотов. При отключенном сцеплении  поршневой двигатель запускается штатно , прогревается и далее капитан-пилот включает сцепление….Казалось бы, так и нужно делать,  , но неизвестно,  каков момент инерции всей трансмиссии вместе с винтами и вентиляторами. Вся масса приходит во вращение и за 1секунду раскручивается до уровня редукции ХХ двигателя. Это момент инерции разный и когда наружная температура составляет 25 градусов жары, он  растёт с понижением. Но при этом  но никто не укажет и эти показатели  при 25 градусов мороза, для всех «Хивусов» , как правило, такие условия эксплуатации были рядовым явлением. Можно пробовать запускать двигатель  сразу с включенным сцеплением , но это возможно только на дизеле  благодаря достаточно мощному крутящему моменту на запуске. И этот вопрос находится вне компетенции КБ по СВП , так как либо зубчаторемённой передачи достаточно либо виноват эксплуатант в случае поломки —что мы и наблюдаем, оценивая опыт эксплуатации СВП Х-48. Возможно, новые образцы СВП производятся  с учётом указанной проблемы , но вона давно решена на примере силовой установки того же вертолёта Ка-26: двигатель запускается без сцепления, после прогрева , идёт включение жёстко-эластичной муфты в течении 15-25секунд(!) для плавного набора оборотов лопастями и принятия нагрузки двигателем —всё сделано абсолютно грамотно , поэтому и расчётная надёжность энергоустановки обеспечивается  в течении всего ресурса.

    Итак , вопрос по трансмиссии находится в самом худшем состоянии. Как только поставщик двигателя будет озадачен и компоновкой трансмиссии  как условием установки двигателя на проект , вопрос будет решён адекватно уровню компетенции.

    В авиации наиболее распространённым видом силовой установки является газотурбинный двигатель. Поршневые моторы устанавливаются только на лёгкие спортивные и учебные самолёты. А каков выбор для СВП?

    Граничным условием выбора между поршневым или газотурбинным двигателями  является его  мощность. Если  показатель единичной мощности двигателя составляет 1000л.с. , то в случае, когда требуется большая мощность, лучше выбирать ГТД , если меньше - поршневой. Следует учитывать  и будущие условия работы; в пресных водоёмах и в  ,тундре предпочтительнее использовать ГТД , на море , целесообразно будет оснастить судно поршневым двигателем - для его работы требуется меньше воздуха и в силу этого он будет надёжнее по сравнению с газотурбинным.если на  на СВП установлено  два двигателя и их суммарная мощность близка  к 1000л.с. , необходимо проработать вопрос  оперативности запуска и дачи хода.

    Существует также  зависимость планируемой скорости движения от затрат мощности , поэтому , если аппарат рассчитан на  скорости в пределах 55-75км/час  либо  65-95км/час при равном водоизмещении , то в первом случае оптимальным видом силовой установки будет поршневой двигатель, , а во втором газотурбинный. Критичный уровень водоизмещения СВП , при котором возникнут вопросы о выборе силовой установки, составляет 15-20 тонн.

    Но если выбран поршневой двигатель - он должен быть бензиновым или дизельным?  В связи с назревшей проблемой потепления климата, в связи с которой стала актуальной тема использования  СПГ  либо  водорода , выбор падает в сторону бензинового двигателя, который является  наиболее приспособленным  к переходу на газ по условиям сжатия ( предел 9,5/10) , а учитывая , что авиационный бензиновый имеют как правило степень сжатия 6,5 и до 7,0 , то его дефорсирование  путём повышения степени сжатия и модернизация системы топливопитания до непосредственного впрыска даёт самый мощный стимул вторичного использования  на лёгких СВП. Примером может послужить  М-14 ,установленный на самолёте  Аи-14 и имевший мощность 260л.с. = он был модернизирован  до версии  М9 с мощностью 450 л.с. Были выдвинуто предложение  взять  М14 за основу , из 9 цилиндров оставлять 7 и делать двойную звезду , достигая таким образом показателя мощности  500-550л.с  в дефорсированном режиме.



    Преимущество дизельного двигателя состоит в минимальной пожароопасностью и, кроме того, нужное для него топливо уже применяется на водном транспорте.Лучшим его вариантом будет дизель воздушного охлаждения. Примером является силовая установка СВП «Ирбис», представляющая собой  немецкие дизели воздушного охлаждения. Английский АР1-88 оснащён дизелями водяного охлаждения, предназначенными для привода нагнетателей , на привод воздушных винтов приводится в действие дизелями воздушного охлаждения. Это самый интересный проект из всех серийных СВП с поршневыми двигателями.

    Распределение мощности двигателя между движителями (воздушными винтами) и нагнетателями для создания воздушной подушки, как правило, было в соотношении 70/30. Современный опыт эксплуатации  показывает , что более оптимальным является соотношение 60/40 . Владимир Герасимов пришёл к выводу,  , что самое правильное соотношение 50/50 , так как в этом случае  общая энерговооружённость  и расход топлива.снижаются. Примером является  военный  катер на воздушной подушке «Зубр».  Аналогичным образом распределение мощности осуществляется и на вертолёте, но в ином соотношении, несопоставимым с СВП: 90% на несущий винт и оставшиеся 10% на рулевой винт.

    Если в качестве силовой установки для СВП выбран серийный авиационный двигатель, он  должен быть доработан и адаптирован к работе в корабельных условиях. Игнорирование этого вопроса и привело к провалу проекта  постановки снятых с эксплуатации самолётов на воздушную подушку. Речь идёт о региональных турбовинтовых самолётах Ан-24 и Л-410. к данному проекту Владимир Герасимов имел непосредственное отношение.

    Компетенциями по «оморячиванию» газотурбинных двигателей обладает СНТК имени Н.Д. Кузнецова, построившее корабельную версию двигателей НК-12 и НК-8-4. Ими был оснащён экраноплан «Орлёнок».

    Для современных СВП лёгкого класса (водоизмещением до 15 т) оптимальным двигателем стала бы корабельная версия М-14, для среднего класса ( от 15 до 25 тонн) - ГТД-1250, а тяжёлого класса идеальной силовой установкой может стать двигатель НК-12NG.
    Техническая возможность построить надёжный, безопасный и эффективный двигатель для СВП есть. Но сегмент СВП в целом должен пройти такой де путь, како уже прошла гражданская авиация.

    Подготовил Петр Крапошин.

Еще больше интересного отраслевого контента на наших страницах в соцсетях: в FaceBook, канале в YouTube, паблике в Telegram, странице в Twitter и канале в Яндекс.Дзен