Motor turbohélice NK-93: único inútil
NK-93
Sed de queroseno
Para empezar historias sobre el exclusivo motor de avión turbohélice NK-93, es necesario averiguar en qué se diferencia este diseño de otros productos. Además, el nombre completo del motor también contiene la frase "propfan birotativo". Sin una preparación preliminar, uno no puede entender por qué se construyó una máquina como la NK-93.
В aviación En la construcción de motores, todas las ideas de diseño giran en torno a dos categorías: eficiencia y velocidad de vuelo de crucero. Por supuesto, la seguridad, la fiabilidad, el efecto de ruido y los parámetros de peso y tamaño de los productos son importantes. Pero ya hemos aprendido a afrontarlo más o menos bien y ya no podemos esperar avances importantes.
Pero con el consumo de combustible todavía se puede encontrar algo. Los más económicos son los motores turbohélice, que generan la mayor parte del empuje de la hélice. El rey de todos los motores de este tipo es, por supuesto, el NK-12 nacional, instalado principalmente en el portamisiles estratégico Tu-95. Es el motor de avión turbohélice más potente y de menor consumo de combustible del mundo. También se puede encontrar bajo el ala del transporte militar An-22 Antey.
Los parámetros de dos Tu-95 y Tu-160 similares en tareas hablan de cuán económicamente más rentable es un motor turbohélice (si podemos hablar de equipo militar) que un motor turborreactor. El primero, con un alcance práctico de 13,5 mil kilómetros, lleva a bordo unas 80 toneladas de combustible, y el Tu-160 se ve obligado a despegar con 148 toneladas de queroseno y al mismo tiempo volar 12,3 mil km. Pero la principal desventaja del NK-12 radica en su relativa baja velocidad: incluso el turbohélice en serie Tu-95 más rápido del mundo no acelera más de 900 km / h.
Se trata de una fuerte disminución en el empuje de la hélice al alcanzar velocidades supersónicas. El mismo efecto, llamado "efecto de bloqueo", puso fin al mayor aumento de las velocidades de vuelo de los helicópteros; solo es posible avanzar más con el uso de hélices de empuje. El problema se puede resolver parcialmente aumentando el diámetro de los tornillos, pero todo es posible dentro de unos límites razonables. El Tu-95 tiene una hélice AB-60 con un diámetro de 5,6 metros, y la hélice AV-90 del transporte militar Antey ya tiene 6,2 metros. Y todos saben qué tipo de ruido crean estas máquinas al despegar, incluso para equipos militares, tal efecto está en el límite de lo permitido.
Pero no asuma que el tema de los motores turbohélice para la aviación está a punto de cerrarse: el moderno transporte militar A400M está equipado con cuatro Europrop International TP400-D6, que los fabricantes llaman el segundo más poderoso del mundo después del ruso NK-12 . Por lo tanto, veremos hélices abiertas bajo las alas de todo tipo de aviones durante mucho tiempo.
Diagrama esquemático de un motor de avión turbohélice (arriba) y turboventilador.
En una situación en la que la velocidad es crítica, es necesario instalar motores de aviones turborreactores. El principio de funcionamiento es simple: en la cámara de combustión, el combustible mezclado con aire realiza un trabajo útil y transfiere la rotación al compresor a través de los álabes de la turbina. Este último bombea más aire para la cámara de combustión. Dichos motores son capaces de acelerar los transportadores a varias velocidades del sonido, pero el consumo de combustible de los productos simplemente está fuera de discusión. Esto es en comparación con los compañeros de clase turbohélice.
Para reducir el consumo de combustible, se inventaron los motores de aviones turboventiladores. Con un gran tramo, el diseño puede llamarse un híbrido de un turborreactor y un motor turbohélice. El turboventilador crea empuje no solo debido a la salida de un chorro de gas caliente de la boquilla, sino también debido a la rotación del ventilador en la cabeza del motor. Un rasgo característico de los motores de este esquema es su gran tamaño: el turboventilador General Electric GE9X más potente del mundo tiene un diámetro de entrada de aire de 4,5 metros.
Para simplificar por completo, la hélice de tales motores se convierte en un ventilador y se cubre con un cuerpo aerodinámico para evitar complicaciones durante la rotación supersónica de las palas. También resultó ser más silencioso, lo cual es importante para la aviación civil.
La mayoría de los motores de aviones desarrollados en Rusia son del tipo turboventilador: PD-8, PD-18 y PD-35. Es importante comprender aquí que la eficiencia de cualquier turboventilador depende directamente de la relación de derivación. Es decir, de la relación de la masa de aire que sopla el ventilador por el circuito exterior (aquí no se quema el aire) a la masa de aire que se quema en el circuito caliente interno.
Por ejemplo, el supersónico AL-31F para el Su-27 tiene un mísero índice de derivación de 0,59, mientras que el puramente civil Pratt & Whitney PW1000G tiene un récord de 12. El primero tiene 0,59 kg de aire por cada kilogramo de aire que pasa por el zona caliente, pasando por el contorno exterior. En la PW1000G, ocurre lo contrario: por cada kilogramo de aire que pasa a través de la cámara de combustión, el ventilador sopla inmediatamente 12 kilogramos a lo largo del contorno exterior.
Ahora, en la construcción de motores de aviación global, el límite entre un turborreactor y un producto de turboventilador se ha borrado: los diseños solo se pueden distinguir por el grado de derivación. Digamos condicionalmente que todos los motores con una relación de derivación de más de dos unidades pueden llamarse turboventiladores con seguridad. Y cuanto más se parece un turboventilador a un turbopropulsor, mayor es su eficiencia. Pero la resistencia frontal inevitablemente aumenta, y con ella también disminuye la velocidad.
En realidad, los diseñadores de todo el mundo ahora están luchando por el equilibrio de estos parámetros. Este es un tipo de construcción de motor de avión convencional.
Propfan
A pesar de la estructura de mercado establecida, los ingenieros no dejan de experimentar. ¿Qué sucede si el equilibrio de un motor turboventilador se desplaza más cerca de un turbohélice? Resultará un diseño propfan, con el que todo es muy difícil. Incluso exteriormente, no es fácil distinguir un turbopropulsor convencional de un turbopropulsor. Aquí, por ejemplo, D-27 de la Oficina de Diseño de Zaporizhzhya "Progreso". Y junto a él está el europeo Europrop International TP400-D6 mencionado anteriormente del camión A-400M.
Motores de aeronaves TP400-D6 (arriba) y D-27, respectivamente, de las aeronaves A-400M y An-70.
Parecería que las diferencias, si las hay, son mínimas. Pero no se confunda, ucraniano (más precisamente, todavía soviético) se refiere a turbohélices, y la multinacional TP-400-D6 se refiere a turbohélices. La diferencia está en la forma de las palas de la hélice.
La teoría dice: una hélice puede considerarse propfan solo cuando tiene de 8 a 20 palas, y ellas mismas son muy similares a los sables, es decir, "con un barrido variable de los bordes delantero y trasero a lo largo de la envergadura de la pala". Una gran cantidad de palas y formas le permiten alcanzar velocidades de vuelo de 800-900 km / h sin el notorio "efecto de bloqueo", que se discutió anteriormente.
En primer lugar, más palas le permiten reducir la velocidad periférica con el mismo empuje y, en segundo lugar, las palas en forma de sable mejoran la aerodinámica a altas velocidades de vuelo. Hablando en términos muy secos, el DT-27 tiene la mayor eficiencia posible de un motor de aire hasta el momento: más de 0,9.
1993 D-27 bajo el ala de Il-76LL.
D-236 instalado en el laboratorio volador Yak-42LL
El número y forma característica de los ventiladores de aire D-27 permite que la unidad alcance un nuevo nivel de eficiencia
Al mismo tiempo, el consumo de combustible es comparable al de un motor turbohélice, es decir, muy inferior al de un turboventilador. Para DT-27, el consumo específico de combustible en modo crucero no superaba los 0,13 kg/hp/h, y para el turbohélice más económico del mundo, Europrop International TP400-D6 y NK-12, alrededor de 0,16.
Por cierto, si no fuera por el Maidan de 2014, el avión de transporte An-70 equipado con cuatro propfan DT-27 habría estado volando en el cielo ruso durante mucho tiempo. En la primavera de 2013, anunciaron pruebas de banco exitosas del propfan SV-27, y Zurabov, el embajador en Ucrania, prometió comprar hasta 60 aviones para el departamento militar ruso.
Vale la pena señalar este hecho por separado: hace diez años, las autoridades de certificación rusas aprobaron la admisión de un motor de avión innovador en los vuelos. Volveremos sobre este hecho.
Propfan experimental General Electric GE36 (arriba) y PW-Allison 578-DX.
En total, se conocen tres esquemas de motores propfan: con una propulsión de tracción y empuje, así como con una cubierta. DT-27 y su predecesor experimental D-236. A mediados de los años 80, los estadounidenses experimentaron con éxito con el circuito de empuje en los demostradores de tecnología PW-Allison 578-DX y General Electric GE36. Tanto los motores soviéticos como los estadounidenses estaban equipados con dos ventiladores de hélice colocados uno detrás del otro y girando en direcciones opuestas. Este es el diseño de "propfan birotativo".
Los productos de PW y GE resultaron agradables: el consumo específico cayó un 20 por ciento en comparación con sus pares. Pero a fines de los 80, se desarrollaron condiciones que no eran favorables para motores de este tipo: requisitos de ruido más estrictos y precios bajos del petróleo. Y los motores experimentales PW-Allison 578-DX y General Electric GE36 hicieron mucho ruido. Además, los decibelios se salieron de escala en la cabina, a pesar de que los diseñadores llevaron el motor hasta la cola e incluso lo desplegaron debajo del tornillo de empuje.
Como resultado, los estadounidenses descartaron los proyectos. De vez en cuando, el interés en los propfans se despierta con el aumento de los precios del queroseno, pero esto no debería esperarse en un futuro próximo. Safran ahora está trabajando seriamente en un motor turbofan de rotor abierto: en 2017, se completaron las pruebas preliminares del concepto. CFM International también ha tenido problemas con su prototipo de motor de avión "ecológico" de 12 palas.
Motores de aviones propfan modernos con un propulsor abierto del tipo empujador. Arriba por Safran, abajo por CFM International
Ahora es el momento de pasar al personaje principal de nuestra historia: el motor de avión turbohélice birotacional NK-93.
La principal diferencia de todos los esquemas anteriores es el propfan con capucha. La hélice delantera tiene ocho palas, la segunda tiene diez, y son impulsadas por un eje separado de una caja de cambios planetaria con siete satélites. El trabajo en el NK-93 comenzó en Samara NTK im. Kuznetsov a finales de los 80, y estaba destinado al transporte militar pesado Il-106.
Se suponía que el avión reemplazaría al An-22 Antey obsoleto incluso para ese momento. El empuje del motor es de 18 toneladas; aproximadamente la misma cantidad está siendo desarrollada ahora en el stand por el turboventilador PD-18, que aún está en preproducción. Solo el consumo específico de combustible del motor Permian es de unos 0,55 kg/ehp/h, mientras que el del NK-93 es de 0,22.
Los diseñadores lograron reducir significativamente el nivel de ruido inherente a todos los ventiladores de hélice, principalmente debido a la cubierta. En cualquier caso, es inferior al del homólogo ucraniano D-27, que fue homologado para vuelos en Rusia en 2013.
NK-93 bajo el ala de Il-76LL en la exhibición aérea MAKS-2007. Fuente: sell-off.livejournal.com
El NK-93 tiene algunas ventajas sólidas: la relación de derivación es de 16,6, por lo que la turbina representa solo el 17 por ciento del empuje, el resto para propfans. A pesar del IL-106 no nacido, el trabajo en el motor continuó en Samara por iniciativa propia.
De 2006 a 2008, el laboratorio de pruebas Il-76LL despegó cinco veces con un motor experimental bajo el ala. Se supuso que un par de motores estarían bajo el ala del Tu-204 y transportarían al Tu-303. Se planearon cuatro NK-93 para el avión comercial Il-96 e incluso para el superpesado An-124. Para este último, se planeó desarrollar una versión con un empuje de 22-24 toneladas. Pero ni un solo cliente mostró interés en un diseño en gran parte revolucionario.
Por supuesto, también hubo desventajas. Por ejemplo, una toma de aire de casi tres metros de diámetro. Esto, por supuesto, creará dificultades de diseño para los diseñadores, pero no son críticas: aviones con motores aún más grandes vuelan en el mundo. Esto fue mencionado anteriormente.
Los desarrolladores civiles de MS-21 y CR929 simplemente estaban asustados por el innovador NK-93. Se pueden entender: los automóviles se guían por el mercado mundial, que es muy conservador.
Como resultado, se están desarrollando desde cero una serie de PD-8, PD-10, PD-14 y PD-35, para los que también se cerrará este mismo mercado en un futuro próximo.
¿Podría haberse adaptado y ampliado el NK-93 en el tiempo perdido y los miles de millones gastados? ¿Por qué se permitió que el D-27 ucraniano operara en Rusia al mismo tiempo, pero no un NK-93 doméstico similar, aunque más poderoso? Las próximas preguntas retóricas, cuyas respuestas, si nos enteramos, no llegarán pronto.
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