Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР-1
Принимая критику по поводу недостаточной экономичности разрабатываемого ТРД, A. M. Люлька предложил схему и развил теорию двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД). Такой двигатель отличался от одноконтурного применением низконапорного вентилятора, установленного за входным диффузором, и разделением потока воздуха за вентилятором на два, из которых один проходит через компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину, образующие внутренний контур, а другой – по наружному контуру, смешиваясь затем с продуктами сгорания внутреннего контура. Вследствие подачи сравнительно холодного воздуха наружного контура температура газа перед соплом падает и скорость реактивной струи уменьшается. Сближение скорости струи со скоростью полета повышает к.п.д. двигателя, что в совокупности с увеличением расхода воздуха через тракт двигателя улучшает экономичность. Наряду с работой над двухконтурной схемой двигателя конструктор в 1939-1941 гг. разрабатывал и другие типы воздушно-реактивных двигателей, в том числе и ТРД с форсажной камерой сгорания.
В мае 1941 г. до 70% деталей двигателя РД-1 были готовы и испытаны, однако начало войны прервало работы над ним. По решению правительства они возобновились осенью 1942 г. Архип Михайлович на военно-транспортном самолете был доставлен в блокадный Ленинград, откуда вывез спрятанные на территории завода детали, чертежи и результаты испытаний. Двигатель планировалось установить на самолете конструктора М. И. Гудкова. В качестве прототипа служил ЛаГГ-3. Михаил Иванович Гудков вспоминал: "Мы долго думали с Архипом Михайловичем, как лучше перекомпоновать РД-1 для установки его на истребитель- Ведь это была первая попытка (в СССР – B. C. ) установить на самолет турбореактивный двигатель. За несколько недель проект закончили и получили положительное решение ЦАГИ. А дальше дело не пошло: новая техника выглядела слишком необычно, в ней сомневались".
А за границей работы над созданием самолетов с ТРД находились уже на этапе внедрения в серийное производство. В Германии испытывались самолеты Не-162 с BMW-003 и Ме-262 с Jumo-004, а в. Англии – "Метеор" с Dervent V. Лишь в 1943-44 гг., когда произошли первые воздушные бои с участием немецких реактивных истребителей и было продемонстрировано их явное преимущество, в СССР стали форсировать работы над ТРД и реактивными самолетами. В это время A. M. Люлька возглавил отдел в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), а затем перевелся в специализированный научно-исследовательский институт.
Здесь под его руководством был разработан технический проект ТРД С-18 тягой 1250 кгс с восьмиступенчатым осевым компрессором. В начале 1945 г. изготовили пять экземпляров двигателя и приступили к испытаниям. Начался длительный и непростой этап доводки. Тогда впервые встретились с грозным, ранее неизвестным явлением – помпажем. При выводе первого экземпляра двигателя на режим повышенной тяги возникла неустойчивость работы, сопровождавшаяся резким неуправляемым ростом температуры газа и выбросом его через компрессор. В считанные секунды двигатель превратился в груду искореженного металла. Надо сказать, что Архип Михайлович считал своим долгом лично присутствовать на испытаниях. Однажды один из проверяемых на стенде двигателей буквально взорвался во время работы. Вылетевший со скоростью снаряда диск турбины чуть было не убил конструктора. К счастью, все обошлось.
Вскоре в НИИ поступили разбитые, обгоревшие турбореактивные двигатели Jumo со сбитого немецкого самолета и два трофейных образца в исправном состоянии. Испытания показали, что тяга Jumo на 350 кгс меньше, чем у С-18, а вес и удельный расход топлива – больше. Однако немецкий двигатель имел более совершенную и многофункциональную систему автоматического управления. Интерес представляли технология изготовления деталей и конструкция вспомогательных агрегатов. Архип Михайлович с должным вниманием отнесся к достижениям немецких конструкторов.. Вскоре по предложению военных специалистов и представителей авиационной промышленности было принято решение о постройке летного варианта двигателя, получившего наименование ТР-1. Двигатель имел воздухозаборник – входной диффузор, окруженный масляным баком, в котором масло охлаждалось потоком воздуха. Внутри кока устанавливался воздушный стартер. Осевой восьмиступенчатый компрессор обеспечивал повышение давления воздуха в 3, 16 раза. В кольцевую камеру сгорания топливо подавалось через центробежные форсунки. В процессе сгорания температура газа не превышала 1050 К, что позволило исключить применение внутреннего охлаждения лопаток. Двигатель развивал тягу 1360 кгс при удельном расходе топлива 13 кг/кгс-ч.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-7Ф
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-21Ф-3
Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-31Ф
Преодолев множество трудностей, сопутствующих всему новому, коллектив A. M. Люльки представил ТР-1 на государственные стендовые испытания в начале 1947 г. Под новый двигатель П. О. Сухой разработал истребитель Су-11. 28 мая Су-11 с двумя ТР-1 совершил первый полет и вскоре достиг скорости 900 км/ч. Летом того же года испытывался и опытный бомбардировщик С. В. Ильюшина Ил-22 с 4 двигателями ТР-1.
Одновременно с доводкой ТР-1 Архип Михайлович руководил работой над двигателем тягой 4500 кгс, получившим наименование ТР-3. Позже этот двигатель был запущен в производство под маркой АЛ-5. В 1951 г. бомбардировщик Ил-30 с двумя такими двигателями достиг скорости 1000 км/ч. Модификацией АЛ-5 тягой 5100 кгс оснащались бомбардировщик Ил-46, экспериментальные истребители Як-1000 и Ла-190. Последний достиг скорости 1190 км/ч. По мнению многих специалистов АЛ-5 был одним из лучших в то время советских двигателей для военной авиации.
Параллельно A. M. Люлька занимается проблемой создания сверхзвукового компрессора, рабочие лопатки которого обтекаются потоком воздуха со скоростью, превышающей скорость звука. Это позволяет увеличить пропускную способность компрессора, поднять степень повышения давления, уменьшить массу и габариты двигателя при сохранении или даже увеличении тяги. Двигатель ТР-7, имеющий первую сверхзвуковую ступень компрессора, прошел испытания в 1952 г. Его тяга составляла 6500 кгс. Под обозначением АЛ-7 двигатель предполагалось установить на бомбардировщик Ил-54.
В первоначальном варианте АЛ-7 не имел форсажной камеры сгорания/ Спустя всего лишь год конструкторское бюро разработало АЛ-7Ф – вариант двигателя с форсажной камерой, расположенной за турбиной. При реализации процесса горения температура газа в этой камере достигает 2000 К, газы истекают из сопла со скоростью свыше 1000 м/с, благодаря чему и достигается существенный прирост тяги. Осенью 1957 г. испытывается истребитель Су-7 с АЛ-7Ф. Самолет развил скорость, более чем в два раза превышающую скорость звука, и достиг высоты
полета свыше 18 км. На базе этого истребителя П. О. Сухой менее, чем за год, создал один из наиболее удачных и универсальных самолетов того времени – истребитель-бомбардировщик Су-7Б, а затем и истребитель-перехватчик ПВО Су-9. Именно АЛ-7Ф стал первым массовым двигателем А. М. Люльки, принесшим ему мировую известность. С 1960 г. АЛ-7Ф устанавливались на дальнем перехватчике Ту-128П. В 1959-62 гг. на экспериментальных самолетах П. О. Сухого Т-431 и Т-405 с этими двигателями были установлены мировые рекорды скорости, скороподъемности, высоты полета. Бесфорсажный вариант АЛ-7ПБ с компрессором из нержавеющих сталей применялся на летающей лодке Г. М. Бериева М-10Г.
Для того, чтобы турбореактивный двигатель развивал большую тягу, необходимо увеличивать степень повышения давления воздуха в компрессоре и температуру газа перед турбиной, а экономичность достигается при оптимальном соотношении этих параметров и высоких к. п. д- узлов. На пути реализации этих требований перед конструктором встает множество трудноразрешимых задач, особенно минимизации массы и габаритов двигателя. Этапным для КБ А. М. Люльки стал ТРДФ АЛ-21Ф. Для обеспечения высокой степени повышения давления компрессор был выполнен 14-ступенчатым с 10 поворотными направляющими аппаратами. Это гарантировало как высокую газодинамическую устойчивость, так и высокий к. п. д. Малая масса компрессора и двигателя в целом обусловлена широким применением в нем титановых сплавов. Турбина имела воздушную систему охлаждения с автоматическим регулированием расхода охлаждающего воздуха. Впервые за форсажной камерой устанавливалось сверхзвуковое регулируемое сопло Лаваля. Управление режимами работы обеспечивалось многофункциональной гидромеханической системой. С 1967 г. этот двигатель устанавливался на истребитель-бомбардировщик Су-17 и фронтовой бомбардировщик Су-24. Постоянно совершенствуясь, АЛ-21Ф эксплуатируется по настоящее время.
