Главная » Разное » Типы двигателей реактивных

Типы двигателей реактивных


Виды реактивных двигателей

 

 

Известны следующие основные типы реактивных двигателей:

 

Пороховой и жидкостной ракетный двигатели для своей работы не нуждаются в кислороде из окружающего воздуха, так как необходимый для сжигания топлива кислород содержится в веществах, входящих в состав пороха, или в жидком окислителе.

При сгорании пороха или жидкого топлива в смеси с жидким окислителем образуются продукты сгорания, занимающие во много раз больший объем, чем исходные продукты, поэтому продукты сгорания в виде газов с большой скоростью вырываются из реактивного сопла наружу.

В силу закона сохранения энергии количество движения системы тел есть величина постоянная. Двигатель и заключенные в нем продукты сгорания являются системой из двух тел. И если одно из тел системы (продукты сгорания) массой т получает скорость истечения V„CT, т. е. создает количество движения, равное произведению, то и другое тело системы (двигатель) должно получить равное по величине, но обратное по направлению количество движения. Только в этом случае количество движения всей системы не изменится и не будет нарушен закон сохранения энергии. Если двигатель имеет массу, то он получит скорость V в направлении, обратном истечению газа. Количество движения двигателя, равное произведению, должно равняться количеству движения продуктов сгорания

Использование пороховых и жидкостных ракетных двигателей для вертолета затруднительно из-за ограниченного времени их действия н трудности дросселирования. Будучи запушенными, эти двигатели все время развивают одинаковую тягу до тех пор, пока не сгорит все топливо.

В жидкостных ракетных двигателях сложно регулировать подачу топлива под высоким давлением, их экономичность Невелика, а срок службы мал. Поэтому как пороховые, так и жидкостные ракетные двигатели не могут применяться как двигатели для вращения несущего вита.

Прямоточный воздушно-pеактивный двигатель использует для сгорания топлива кислород «з окружающего воздуха и состоит из следующих основных частей: воздухозаборника (входной диффузор), камеры сгорания, реактивного сопла.

Воздухозаборник служит для направления потока воздуха в двигатель. Форма входа в воздухозаборник и изменение площади проходного сечения вдоль потока выбираются такими, чтобы с минимальными гидравлическими потерями на входе обеспечить прирост давления воздуха по пути в камеру сгорания. Для уменьшения потерь на входе в воздухозаборник передняя его кромка выполнена в виде кольцевого крыльевого профиля, носик которого имеет малый радиус кривизны. Для увеличения давления воздуха воздухозаборнику придается вид расширяющегося канала (диффузора).

Преобразование тепловой энергии, заключенной в газе, в механическую работу истечения может произойти только в результате расширения газа. Поэтому воздух перед поступлением в камеру сгорания должен быть подвергнут предварительному сжатию с целью повышения его давления.

В полете воздух подходит к воздухозаборнику двигателя со скоростью, равной скорости полета. При висении вертолета эта скорость равна окружной скорости конца лопасти. Перед входом в воздухозаборник воздух несколько притормаживается, за счет чего растет его давление, а попав в расширяющийся канал воздухозаборника, еще больше уменьшает свою скорость, за счет чего продолжает увеличиваться давление.

Таким образом, в прямоточном двигателе давление воздуха повышается за счет использования кинетической энергии входящего в него воздуха. Этим объясняется невозможность работы прямоточного двигателя на месте, когда скорость набегающего потока равна нулю. Этим же объясняется увеличение тяги двигателя с увеличением скорости его движения. Несущий винт вертолета с установленными на концах лопастей прямоточными двигателями требует поэтому перед запуском двигателей предварительной раскрутки от постороннего источника энергии.

В камеру сгорания через форсунки непрерывно подается топливо. При горении топлива воздух нагревается и расширяется, за счет чего происходит увеличение его скорости. Газ выходит из реактивного сопла со скоростью, значительно превышающей скорость входа. В результате ускорения массы газа внутри двигателя образуется реактивная тяга.

Прямоточный двигатель может быть с успехом применен для вертолета, если обеспечить предварительную раскрутку винта.

Пульсирующий воздушно-pеактивный двигатель в этом отношении выгодно отличается от прямоточного, так как может создавать тягу на месте (без движения вертолета) и не требует раскрутки винта.

В пульсирующем двигателе сгорание топлива происходит не непрерывно, как в прямоточном, а периодически. Перед камерой сгорания пульсирующего двигателя установлена решетка с клапанами. Из-за наличия разности давлений воздуха в воздухозаборнике и камере сгорания клапаны открываются и пропускают в камеру сгорания порцию свежего воздуха. Одновременно с этим в камеру сгорания впрыскивается топливо и поджигается. Нагрев воздуха вызывает кратковременное повышение давления в камере сгорания, в результате чего клапаны в решетке закрываются. Газы из камеры сгорания с большой скоростью вытекают через реактивное сопло, что вызывает понижение давления

в камере сгорания, и клапаны вновь открываются, впуская в камеру очередную порцию свежего воздуха, после чего цикл повторяется. Тяга такого двигателя изменяется от максимального до нулевого значения. Однако ввиду того, что частота пульсаций очень велика, изменения тяги практически не сказываются -на равномерности вращения несущего винта. Частота пульсаций обратно пропорциональна длине двигателя. Так, если двигатель, имеющий длину 610 мм, работает с частотой пульсаций 270 циклов в секунду, то двигатель, имеющий длину 915 мм, — с частотой 180 циклов в секунду.

Следует сказать, что подача топлива к двигателям на концах лопастей не требует применения насосов для принудительной подачи. Дело в том, что возникающая при вращении несущего винта центробежная сила сама гонит топливо от втулки винта к двигателям по топливо-проводам, проложенным вдоль лопасти. Однако в этом случае трудно осуществить герметизацию подвижного соединения, через которое топливо от трубопроводов, находящихся на неподвижной части вертолета, передается на вращающуюся втулку.

Конструкция двигателя и регулировка подачи топлива и зажигания должны быть таковы, чтобы обеспечить синхронность сгорания с пульсацией столба газов.

Пульсирующий двигатель, кроме того, что может развивать тягу при работе на месте, имеет также то преимущество, что он значительно меньше расходует топлива на создание каждого килограмма тяги, чем другие типы воздушно-реактивных двигателей. При выборе двигателя для установки на концах лопастей вертолета конструкторы чаще всего останавливаются «а пульсирующем двигателе еще и потому, что этот двигатель развивает наибольшую величину тяги на каждую единицу лобовой площади.

Основным недостатком пульсирующих двигателей являются значительные вибрационные нагрузки, этим объясняется малый срок службы впускных клапанов (несколько часов) и частые усталостные поломки хвостовой трубы. Кроме того, к недостаткам относятся потребность в сжатом воздухе для запуска (для первоначальных циклов работы) и, наконец, большой шум работающего двигателя.

Турбореактивный и турбовинтовой двигатели в том виде, в котором они существуют сейчас, на концах лопастей использоваться не могут. Хотя эти двигатели и обладают наименьшим удельным расходом топлива в час на каждый килограмм тяги или на каждую лошадиную силу, но удельный вес этих двигателей, т. е. отношение веса к тяге, еще настолько велик, что не позволяет их эффективно использовать на концах лопастей. Эти двигатели могут быть применены на вертолетах в обычной силовой установке с механическим приводом к несущему винту.

Агрегаты техники

avia.pro

Реактивный двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 ноября 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 ноября 2019; проверки требует 1 правка.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т. н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (см. ионный двигатель).

Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

Составные части реактивного двигателя[править | править код]

Любой реактивный двигатель должен иметь, по крайней мере, две составные части:

Основные технические параметры реактивного двигателя[править | править код]

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга (иначе — сила тяги) — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата.

Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

ПуВРД — Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, ТРД — Турбореактивный двигатель, ПВРД — Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ГПВРД — Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain), выдающимся немецким инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle).
Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

2 августа 1939 года в Германии в небо поднялся первый реактивный самолёт — Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

  1. ↑ 1 2 3 4 Кабардин О. Ф., Орлов В. А., Пономарёва А. В. Факультативный курс физики. 8 класс. — М.: Просвещение, 1985. — Тираж 143 500 экз. — С. 140 - 141

ru.wikipedia.org

Виды реактивных двигателей — О самолётах и авиастроении

Известны следующие главные типы реактивных двигателей:

Пороховой и жидкостной ракетный двигатели для собственной работы не нуждаются в кислороде из окружающего воздуха, поскольку нужный для сжигания горючего кислород содержится в веществах, входящих в состав пороха, либо в жидком окислителе.

При сгорании пороха либо жидкого горючего в смеси с жидким окислителем образуются продукты сгорания, занимающие многократно больший количество, чем исходные продукты, исходя из этого продукты сгорания в виде газов с громадной скоростью вырываются из реактивного сопла наружу.

В силу закона сохранения энергии количество перемещения совокупности тел имеется величина постоянная. Двигатель и заключенные в нем продукты сгорания являются совокупностью из двух тел. И в случае если одно из тел совокупности (продукты сгорания) массой т приобретает скорость истечения V„CT, т. е. формирует количество перемещения, равное произведению, то и второе тело совокупности (двигатель) должно взять равное по величине, но обратное по направлению количество перемещения.

Лишь в этом случае количество перемещения всей совокупности не изменится и не будет совершить правонарушение сохранения энергии. В случае если двигатель имеет массу, то он возьмёт скорость V в направлении, обратном истечению газа. Количество перемещения двигателя, равное произведению, должно равняться количеству перемещения продуктов сгорания

Применение пороховых и жидкостных ракетных двигателей для вертолета затруднительно из-за ограниченного времени их действия н трудности дросселирования. Будучи запушенными, эти двигатели все время развивают однообразную тягу , пока не сгорит все горючее.

В жидкостных ракетных двигателях сложно регулировать подачу горючего под большим давлением, их экономичность Мала, а срок работы мелок. Исходя из этого как пороховые, так и жидкостные ракетные двигатели не смогут использоваться как двигатели для вращения несущего вита.

Прямоточный воздушно-pеактивный двигатель применяет для сгорания горючего кислород «з окружающего воздуха и складывается из следующих главных частей: воздухозаборника (входной диффузор), камеры сгорания, реактивного сопла.

Воздухозаборник помогает для направления потока воздуха в двигатель. Форма входа в изменение и воздухозаборник площади проходного сечения на протяжении потока выбираются такими, дабы с минимальными гидравлическими утратами на входе обеспечить прирост давления воздуха по пути в камеру сгорания. Для уменьшения утрат на входе в воздухозаборник передняя его кромка выполнена в виде кольцевого крыльевого профиля, носик которого имеет небольшой радиус кривизны.

Для повышения давления воздуха воздухозаборнику придается вид расширяющегося канала (диффузора).

Преобразование тепловой энергии, заключенной в газе, в механическую работу истечения может случиться лишь в следствии расширения газа. Исходя из этого воздушное пространство перед поступлением в камеру сгорания должен быть подвергнут предварительному сжатию с целью увеличения его давления.

В полете воздушное пространство подходит к воздухозаборнику двигателя со скоростью, равной скорости полета. При висении вертолета эта скорость равна окружной скорости финиша лопасти. Перед входом в воздухозаборник воздушное пространство пара притормаживается, за счет чего растет его давление, а попав в расширяющийся канал воздухозаборника, еще больше сокращает собственную скорость, за счет чего увеличивается давление.

Так, в прямоточном двигателе давление воздуха увеличивается за счет применения кинетической энергии входящего в него воздуха. Этим разъясняется невозможность работы прямоточного двигателя на месте, в то время, когда скорость набегающего потока равна нулю. Этим же разъясняется повышение тяги двигателя с повышением скорости его перемещения.

Несущий винт вертолета с установленными на финишах лопастей прямоточными двигателями требует исходя из этого перед запуском двигателей предварительной раскрутки от постороннего источника энергии.

В камеру сгорания через форсунки непрерывно подается горючее. При горении горючего воздушное пространство нагревается и расширяется, за счет чего происходит повышение его скорости. Газ выходит из реактивного сопла со скоростью, существенно превышающей скорость входа.

В следствии ускорения массы газа в двигателя образуется реактивная тяга.

Прямоточный двигатель возможно с успехом применен для вертолета, в случае если обеспечить предварительную раскрутку винта.

Пульсирующий воздушно-pеактивный двигатель в этом отношении выгодно отличается от прямоточного, поскольку может создавать тягу на месте (без перемещения вертолета) и не требует раскрутки винта.

В пульсирующем двигателе сгорание горючего происходит не непрерывно, как в прямоточном, а иногда. Перед камерой сгорания пульсирующего двигателя установлена решетка с клапанами. Из-за наличия разности давлений воздуха в камере и воздухозаборнике сгорания клапаны раскрываются и пропускают в камеру сгорания порцию свежего воздуха.

Одновременно с этим в камеру сгорания впрыскивается горючее и поджигается. Нагрев воздуха приводит к кратковременному повышению давления в камере сгорания, в следствии чего клапаны в решетке закрываются. Газы из камеры сгорания с громадной скоростью вытекают через реактивное сопло, что приводит к понижению давления

в камере сгорания, и клапаны снова раскрываются, впуская в камеру очередную порцию свежего воздуха, по окончании чего цикл повторяется. Тяга для того чтобы двигателя изменяется от большого до нулевого значения. Но ввиду того, что частота пульсаций весьма громадна, трансформации тяги фактически не сказываются -на равномерности вращения несущего винта.

Частота пульсаций обратно пропорциональна длине двигателя. Так, в случае если двигатель, имеющий длину 610 мм, трудится с частотой пульсаций 270 циклов в секунду, то двигатель, имеющий длину 915 мм, — с частотой 180 циклов в секунду.

направляться заявить, что подача горючего к двигателям на финишах лопастей не требует применения насосов для принудительной подачи. Дело в том, что появляющаяся при вращении несущего винта центробежная сила сама гонит горючее от втулки винта к двигателям по горючее-проводам, проложенным на протяжении лопасти. Но в этом случае тяжело осуществить герметизацию подвижного соединения, через которое горючее от трубопроводов, находящихся на неподвижной части вертолета, передается на вращающуюся втулку.

регулировка подачи и Конструкция двигателя горючего и зажигания должны быть таковы, дабы обеспечить синхронность сгорания с пульсацией столба газов.

Пульсирующий двигатель, помимо этого, что может развивать тягу при работе на месте, имеет кроме этого то преимущество, что он намного меньше расходует топлива на создание каждого килограмма тяги, чем другие типы воздушно-реактивных двигателей. При выборе двигателя для установки на финишах лопастей вертолета конструкторы значительно чаще останавливаются «а пульсирующем двигателе еще и вследствие того что данный двигатель развивает громаднейшую величину тяги на каждую единицу лобовой площади.

Главным недочётом пульсирующих двигателей являются большие вибрационные нагрузки, этим разъясняется небольшой срок работы впускных клапанов (пара часов) и нередкие усталостные поломки хвостовой трубы. Помимо этого, к недочётам относятся потребность в сжатом воздухе для запуска (для начальных циклов работы) и, наконец, громадный шум трудящегося двигателя.

Турбореактивный и турбовинтовой двигатели в том виде, в котором они существуют на данный момент, на финишах лопастей употребляться не смогут. Не смотря на то, что эти двигатели и владеют мельчайшим удельным расходом горючего в час на любой килограмм тяги либо на каждую лошадиную силу, но удельный вес этих двигателей, т. е. отношение веса к тяге, еще так велик, что не разрешает их действенно применять на финишах лопастей. Эти двигатели смогут быть применены на вертолетах в простой силовой установке с механическим приводом к несущему винту.

Агрегаты техники

Модели реактивных двигателей

Увлекательные записи:
Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны:

stroimsamolet.ru

Реактивный двигатель. История реактивных двигателей. Виды реактивных двигателей.

Реактивные двигатели. История реактивных двигателей.

 

Реактивные двигатели.

Реактивный двигатель - это устройство, конструкция которого позволяет получать реактивную тягу, посредством преобразования внутренней энергии запаса топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело объекта с большой скоростью истекает из реактивного двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (ионный двигатель).

Реактивный двигатель позволяет создавать тяговое усилие только за счёт взаимодействия реактивной струи с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. В связи с этим, реактивный двигатель нашел широкое применение в авиации и космонавтике.

 

История реактивных двигателей.

Первыми реактивное движение научились использовать китайцы, ракеты с твердым топливом появились в Китае в X веке н. э. Такие ракеты применялись на Востоке, а затем в Европе для фейерверков, сигнализации, и как боевые.

 

Ракеты древнего Китая.

 

Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Ее впервые сформулировал русский революционер-народоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881 года, незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов.

H. Е. Жуковский в работах "О реакции вытекающей и втекающей жидкости" (1880е годы) и "К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды" (1908 г.) впервые разработал основные вопросы теории реактивного двигателя.

Интересные работы по исследованию полета ракеты принадлежат также известному русскому ученому И. В. Мещерскому, в частности в области общей теории движения тел переменной массы.

В 1903 году К. Э. Циолковский в своей работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами" дал теоретическое обоснование полета ракеты, а также принципиальную схему ракетного двигателя, предвосхищавшую многие принципиальные и конструктивные особенности современных жидкостноракетных двигателей (ЖРД). Так, Циолковский предусматривал применение для реактивного двигателя жидкого топлива и подачу его в двигатель специальными насосами. Управление полетом ракеты он предлагал осуществить посредством газовых рулей - специальных пластинок, помещаемых в струе вылетающих из сопла газов.

Особенность жидкостнореактивного двигателя в том, что в отличие от других реактивных двигателей он несет с собой вместе с топливом весь запас окислителя, а не забирает необходимый для сжигания горючего воздух, содержащий кислород, из атмосферы. Это единственный двигатель, который может быть применен для сверхвысотного полета вне земной атмосферы.

Первую в мире ракету с жидкостным ракетным двигателем создал и запустил 16 марта 1926 года американец Р. Годдард. Она весила около 5 килограммов, а ее длина достигала 3 м. Топливом в ракете Годдарда служили бензин и жидкий кислород. Полет этой ракеты продолжался 2,5 секунды, за которые она пролетела 56 м.

Систематические экспериментальные работы над этими двигателями начались в 1930-х годах.

Первые советские ЖРД были разработаны и созданы в 1930-1931 годах в ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) под руководством будущего академика В. П. Глушко. Эта серия называлась ОРМ - опытный ракетный мотор. Глушко применил некоторые новинки, например охлаждение двигателя одним из компонентов топлива.

Параллельно разработка ракетных двигателей велась в Москве Группой изучения реактивного движения (ГИРД). Ее идейным вдохновителем был Ф. А. Цандер, а организатором - молодой С. П. Королев. Целью Королева была постройка нового ракетного аппарата - ракетоплана.

В 1933 году Ф. А. Цандер построил и успешно испытал ракетный двигатель ОР1, работавший на бензине и сжатом воздухе, а в 1932-1933 годах - двигатель ОР2, на бензине и жидком кислороде. Этот двигатель был спроектирован для установки на планере, который должен был совершить полет в качестве ракетоплана.

Развивая начатые работы, советские инженеры в последующем продолжали работать над созданием жидкостных реактивных двигателей. Всего с 1932 по 1941 год в СССР было разработано 118 конструкций жидкостных реактивных двигателей.

В Германии в 1931 году состоялись испытания ракет И. Винклера, Риделя и др.

Первый полет на самолетеракетоплане с жидкостнореактивным двигателем был совершен в Советском Союзе в феврале 1940 года. В качестве силовой установки самолета был применен ЖРД. В 1941 году под руководством советского конструктора В. Ф. Болховитинова был построен первый реактивный самолет - истребитель с жидкостноракетным двигателем. Его испытания были проведены в мае 1942 года летчиком Г. Я. Бахчиваджи. В это же время состоялся первый полет немецкого истребителя с таким двигателем.

В 1943 году в США провели испытания первого американского реактивного самолета, на котором был установлен жидкостнореактивный двигатель. В Германии в 1944 году были построены несколько истребителей с этими двигателями конструкции Мессершмитта.

Кроме того, ЖРД применялись на немецких ракетах Фау2, созданных под руководством В. фон Брауна.

В 1950-е годы жидкостноракетные двигатели устанавливались на баллистических ракетах, а затем на космических ракетах, искусственных спутниках, автоматических межпланетных станциях.

ЖРД состоит из камеры сгорания с соплом, турбонасосного агрегата, газогенератора или парогазогенератора, системы автоматики, органов регулирования, системы зажигания и вспомогательных агрегатов (теплообменники, смесители, приводы).

Идея воздушнореактивных двигателей (ВРД) не раз выдвигалась в разных странах. Наиболее важными и оригинальными работами в этом отношении являются исследования, проведенные в 1908-1913 годах французским ученым Рено Лореном, который и предложил ряд схем прямоточных воздушнореактивных двигателей (ПВРД). Эти двигатели используют в качестве окислителя атмосферный воздух, а сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается за счет динамического напора воздуха.

В мае 1939 года в СССР впервые состоялось испытание ракеты с ПВРД конструкции П. А. Меркулова. Это была двухступенчатая ракета (первая ступень - пороховая ракета) с взлетным весом 7,07 кг, причем вес топлива для второй ступени ПВРД составлял лишь 2 кг. При испытании ракета достигла высоты 2 км.

В 1939-1940 годах впервые в мире в Советском Союзе были проведены летние испытания воздушнореактивных двигателей, установленных в качестве дополнительных двигателей на самолете конструкции Н. П. Поликарпова. В 1942 году в Германии испытывались прямоточные воздушнореактивные двигатели конструкции Э. Зенгера.

Воздушнореактивный двигатель состоит из диффузора, в котором за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха происходит сжатие воздуха. В камеру сгорания через форсунку впрыскивается топливо и происходит воспламенение смеси. Реактивная струя выходит через сопло.

Процесс работы ВРД непрерывен, поэтому в них отсутствует стартовая тяга. В связи с этим при скоростях полета меньше половины скорости звука воздушнореактивные двигатели не применяются. Наиболее эффективно применение ВРД на сверхзвуковых скоростях и больших высотах. Взлет самолета с воздушнореактивным двигателем происходит при помощи ракетных двигателей на твердом или жидком топливе.

Большее развитие получила другая группа воздушнореактивных двигателей – турбокомпрессорные двигатели. Они подразделяются на турбореактивные, в которых тяга создается струей газов, вытекающих из реактивного сопла, и турбовинтовые, в которых основная тяга создается воздушным винтом.

В 1909 году проект турбореактивного двигателя был разработан инженером Н. Герасимовым. В 1914 году лейтенант русского морского флота М. Н. Никольской сконструировал и построил модель турбовинтового авиационного двигателя. Рабочим телом для приведения в действие трехступенчатой турбины служили газообразные продукты сгорания смеси скипидара и азотной кислоты. Турбина работала не только на воздушный винт: отходящие газообразные продукты сгорания, направленные в хвостовое (реактивное) сопло, создавали реактивную тягу дополнительно к силе тяги винта.

В 1924 году В. И. Базаров разработал конструкцию авиационного турбокомпрессорного реактивного двигателя, состоявшую из трех элементов: камеры сгорания, газовой турбины, компрессора. Поток сжатого воздуха здесь впервые делился на две ветви: меньшая часть шла в камеру сгорания (к горелке), а большая подмешивалась к рабочим газам для понижения их температуры перед турбиной. Тем самым обеспечивалась сохранность лопаток турбины. Мощность многоступенчатой турбины расходовалась на привод центробежного компрессора самого двигателя и отчасти на вращение воздушного винта. Дополнительно к винту тяга создавалась за счет реакции струи газов, пропускаемых через хвостовое сопло.

В 1939 году на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Его испытаниям помешала война.

В 1941 году в Англии был впервые осуществлен полет на экспериментальном самолете истребителе, оснащенном турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла. На нем был установлен двигатель с газовой турбиной, которая приводила в действие центробежный компрессор, подающий воздух в камеру сгорания. Продукты сгорания использовались для создания реактивной тяги.

К концу Второй мировой войны стало ясно, что дальнейшее эффективное развитие авиации возможно только при внедрении двигателей, использующих принципы реактивной тяги полностью или частично.

Первые самолеты с реактивными двигателями были создавались в фашисткой Германии, Великобритании, США и СССР.

В СССР первый проект истребителя, с ВРД разработанным А. М. Люлькой, в был предложен в марте 1943 года начальником ОКБ-301 М. И. Гудковым. Самолёт назывался Гу-ВРД. Проект был отвергнут экспертами, в связи с неверием в актуальность и преимущества ВРД в сравнении с поршневыми авиадвигателями.

Немецкие конструкторы и учёные, работавшие в этой и смежных областях (ракетостроение), оказались в более выгодном положении. Третий рейх планировал войну, и выиграть её рассчитывал за счёт технического превосходства в вооружениях. Поэтому в Германии новые разработки, которые могли усилить армию, в области авиации и ракетной техники субсидировались более щедро, чем в других странах.

Первый самолёт, оснащенный турбореактивным двигателем (ТРД) HeS 3 конструкции фон Охайна, - был самолет He 178 (фирма Хейнкель Германия). Произошло это 27 августа 1939 года. Этот самолёт превосходил по скорости (700 км/ч) поршневые истребители своего времени, максимальная скорость которых не превышала 650 км/ч, но при этом был менее экономичен, и вследствие этого имел меньший радиус действия. К тому же у него были большие скорости взлёта и посадки, по сравнению с поршневыми самолётами, из-за чего ему требовалась более длинная взлётно-посадочная полоса с качественным покрытием.

Работы по этой тематике продолжались практически до конца войны, когда Третий рейх, утратив своё былое преимущество в воздухе, предпринял безуспешную попытку восстановить его за счёт поставки для военной авиации реактивных самолетов.

С августа 1944 года начал серийно выпускаться реактивный истребитель-бомбардировщик Мессершмитт Me.262, оборудованного двумя турбореактивными двигателями Jumo-004 производства фирмы Юнкерс. Самолет Мессершмитт Me.262 значительно превосходил всех своих «современников» по скорости и скороподъёмности.

С ноября 1944 года начал выпускаться ещё и первый реактивный бомбардировщик Arado Ar 234 Blitz с теми же двигателями.

Единственным реактивным самолётом союзников по антигитлеровской коалиции, формально принимавшим участие во Второй мировой войне, был «Глостер Метеор» (Великобритания) с ТРД Rolls-Royce Derwent 8 конструкции Ф. Уиттла.

После войны во всех странах, имевших авиационную промышленность, начинаются интенсивные разработки в области воздушно-реактивных двигателей. Реактивное двигателестроение открыло новые возможности в авиации: полёты на скоростях, превышающих скорость звука, и создание самолётов с грузоподъёмностью, многократно превышающей грузоподъёмность поршневых самолётов, как следствие более высокой удельной мощности газотурбинных двигателей в сравнении с поршневыми.

Первым отечественным серийным реактивным самолётом был истребитель Як-15 (1946 год), разработанный в рекордные сроки на базе планера Як-3 и адаптации трофейного двигателя Jumo-004, выполненной в моторостроительном конструкторском бюро В. Я. Климова.

А уже через год прошёл государственные испытания первый, полностью оригинальный, отечественный турбореактивный двигатель ТР-1, разработанный в КБ А. М. Люльки. Такие быстрые темпы освоения совершенно новой сферы двигателестроения имеют объяснение: группа А. М. Люльки занималась этой проблематикой ещё с довоенных времён, но «зелёный свет» этим разработкам был дан, только когда руководство страны вдруг обнаружило отставание СССР в этой области.

Первым отечественным реактивным пассажирским авиалайнером был Ту-104 (1955 год), оборудованный двумя турбореактивными двигателями РД-3М-500 (АМ-3М-500), разработанными в КБ А. А. Микулина. К этому времени СССР был уже в числе мировых лидеров в области авиационного моторостроения.

Изобретенный в 1913 году прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), так же начал активно совершенствоваться. Начиная с 1950-х годов в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.

Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга на месте, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД стал предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а, следовательно, дешевизне и надёжности.

В турбореактивном двигателе (ТРД) воздух, поступающий при полете, сжимается сначала в воздухозаборнике, а затем в турбокомпрессоре. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое топливо (чаще всего – авиационный керосин). Частичное расширение газов, образовавшихся при сгорании, происходит в турбине, вращающей компрессор, а окончательное – в реактивном сопле. Между турбиной и реактивным двигателем может быть установлена форсажная камера, предназначенная для дополнительного сгорания топлива.

Сейчас турбореактивными двигателями (ТРД) оснащено большинство военных и гражданских самолетов, а также некоторые вертолеты.

В турбовинтовом двигателе основная тяга создается воздушным винтом, а дополнительная (около 10 %) - струей газов, вытекающих из реактивного сопла. Принцип действия турбовинтового двигателя схож с турбореактивным (ТР), с той разницей, что турбина вращает не только компрессор, но и воздушный винт. Эти двигатели применяются в дозвуковых самолетах и вертолетах, а также для движения быстроходных судов и автомобилей.

Наиболее ранние реактивные твердотопливные двигатели (РТТД) использовались в боевых ракетах. Их широкое применение началось в XIX веке, когда во многих армиях появились ракетные части. В конце XIX века были созданы первые бездымные пороха, с более устойчивым горением и большей работоспособностью.

В 1920-1930 годы велись работы по созданию реактивного оружия. Это привело к появлению реактивных минометов - "катюш" в Советском Союзе, шестиствольных реактивных минометов в Германии.

Получение новых видов пороха позволило применять реактивные твердотопливные двигатели в боевых ракетах, включая баллистические. Кроме этого они применяются в авиации и космонавтике как двигатели первых ступеней ракетоносителей, стартовые двигатели для самолетов с прямоточными воздушнореактивными двигателями и тормозные двигатели космических аппаратов.

Реактивный твердотопливный двигатель (РТТЖ) состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором находится весь запас топлива и реактивного сопла. Корпус выполняется из стали или стеклопластика. Сопло - из графита, либо тугоплавких сплавов. Зажигание топлива производится воспламенительным устройством. Регулирование тяги может производиться изменением поверхности горения заряда или площади критического сечения сопла, а также впрыскиванием в камеру сгорания жидкости. Направление тяги может меняться газовыми рулями, отклоняющейся насадкой (дефлектором), вспомогательными управляющими двигателями и т. п.

Реактивные твердотопливные двигатели очень надежны, не требуют сложного обслуживания, могут долго храниться, и постоянно готовы к запуску.

 

Виды реактивных двигателей.

В наше время  реактивные двигатели самых разных конструкций используются достаточно широко.

Реактивные двигатели можно разделить на две категории: ракетные реактивные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

В категории ракетные реактивные двигатели существуют двигатели двух видов:

- Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ) - ракетный двигатель твёрдого топлива - двигатель, работающий на твердом горючем, наиболее часто используется в ракетной артиллерии и значительно реже в космонавтике. Является старейшим из тепловых двигателей.

- Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) - химический ракетный двигатель, использующий в качестве ракетного топлива жидкости, в том числе сжиженные газы. По количеству используемых компонентов различаются одно-, двух- и трёхкомпонентные ЖРД.

В категории воздушно-реактивные двигатели имеются двигатели следующих видов:

- прямоточный воздушно-реактивный;

- пульсирующий воздушно-реактивный;

- турбореактивный;

- турбовинтовой.

 

Современные реактивные двигатели.

 

На фотографии самолетный реактивный двигатель во время испытаний.

 

На фотографии процесс сборки ракетных двигателей.

 

 

 

Реактивные двигатели. История реактивных двигателей. Виды реактивных двигателей.

Женский сайт: Я-самая-красивая.рф (www.i-kiss.ru)

i-kiss.ru

Турбореактивный двигатель — Википедия

Схема работы ТРД:
1. Забор воздуха
2. Компрессор низкого давления
3. Компрессор высокого давления
4. Камера сгорания
5. Расширение рабочего тела в турбине и сопле
6. Горячая зона
7. Турбина
8. Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания
9. Холодная зона
10. Входное устройство

Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин — turbojet engine) — воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания.

В 1791 году английский изобретатель Джон Барбер предложил идею коловратного двигателя с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. В 1909 году русский изобретатель Н. В. Герасимов запатентовал схему газотурбинного двигателя для создания реактивной тяги (турбореактивного двигателя)[1][2][3]. Патент на использование газовой турбины для движения самолёта получен в 1921 году французским инженером Максимом Гийомом[fr].

Первый образец турбореактивного двигателя продемонстрировал английский инженер Фрэнк Уиттл 12 апреля 1937 года и созданная им небольшая частная фирма Power Jets[en]. Он основывался на теоретических работах Алана Гриффита[en].

Первое полезное применение турбореактивного двигателя произошло в Германии на самолёте Heinkel He 178 с ТРД HeS 3[en]. ТРД разработан Хансом фон Охайном почти одновременно с Уиттлом — первый пуск в сентябре 1937 года, изготовлялся фирмой Heinkel-Hirth Motorenbau. Лётчик Эрих Варзиц совершил первый полёт 27 августа 1939 года.

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2000 градусов цельсия.

Ключевые характеристики ТРД следующие:

  1. Создаваемая двигателем тяга.
  2. Удельный расход топлива (масса топлива, потребляемая за единицу времени для создания единицы тяги/мощности)
  3. Расход воздуха (масса воздуха, проходящего через каждое из сечений двигателя за единицу времени)
  4. Степень повышения полного давления в компрессоре
  5. Температура газа на выходе из камеры сгорания.
  6. Масса и габариты.

Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90).

Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными (НК-22) или трехкаскадными (НК-25). Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своим каскадом турбины. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последним (самым низкооборотным) каскадом турбины, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (каскада высокого давления для двухкаскадного двигателя, каскада среднего давления для трехкаскадного). Каскады двигателя также именуют роторами низкого, среднего и высокого давления.

ТРД J85 производства компании General Electric. Между 8 ступенями компрессора и 2 ступенями турбины расположена кольцевая камера сгорания.

Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.

Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.

Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.

ТРД ВК-1 КБ Климова, с ныне всё реже использующимися центробежным компрессором и трубчатой камерой сгорания. Создан на основе лицензионного Rolls-Royce Nene[en] для МиГ-15, МиГ-17.

Благодаря компрессору ТРД (в отличие от ПВРД) может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.

При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве (так же, как в ПВРД) и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.

Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещён в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:

Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.

В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды,[4]

P=G⋅(c−v){\displaystyle P=G\cdot (c-v)}, (1)

где P{\displaystyle P} — сила тяги,
G{\displaystyle G} — секундный расход массы рабочего тела через двигатель,
c{\displaystyle c} — скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя),
v{\displaystyle v} — скорость полёта,
ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями M = 2,5 — 3 (M — число Маха). На этих и более высоких скоростях полёта торможение встречного потока воздуха создаёт степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и ещё бо́льшее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полёта (при M > 3) агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создаёт дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Форсажная камера[править | править код]

Форсажная камера ТРД General Electric J79. Вид со стороны сопла. В торце находится стабилизатор горения с установленными на нём топливными форсунками, за которым видна турбина. F-18 Hornet на форсаже взлетает с палубы авианосца

Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. В форсажной камере применяется стабилизатор, функция которого состоит в снижении скорости за ним до околонулевых значений, что обеспечивает стабильное горение топливной смеси. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолётов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.

Скоростной разведчик SR-71 с гибридными ТРД/ПВРД.

Гибридный ТРД / ПВРД[править | править код]

Турбопрямоточный двигатель J58

В 1960-х годах в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До числа Маха М = 2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М = 3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.

Гибридный ТРД / РД[править | править код]

Двигатели этого типа при полете в атмосфере в качестве окислителя используют кислород из атмосферного воздуха, а при полете за пределами атмосферы в качестве окислителя используют жидкий кислород из топливных баков. Двигатели такого типа планировалось использовать в проекте HOTOL и намечено в проекте Skylon[5].

Регулируемые сопла[править | править код]

Регулируемое сопло ТРДДФ F-100 самолёта F-16 створки максимально открыты Регулируемое сопло ТРДФ АЛ-21 регулируемые створки максимально закрыты

ТРД, скорость истечения реактивной струи в которых может быть как дозвуковой, так и сверхзвуковой на различных режимах работы двигателей, оборудуются регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического (самого узкого) и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях и режимах работы двигателя.[1]

Область применения[править | править код]

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).

Двухконтурный турбореактивный двигатель[править | править код]

Схема ТРДД с малой степенью двухконтурности.

Впервые двухконтурный ТРД предложен создателем первого работоспособного ТРД Фрэнком Уитлом в начале 1930-х годов. Советский учёный и конструктор А. М. Люлька с 1937 года исследовал этот принцип и представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство 22 апреля 1941 года). Первые образцы ТРД с форсажными камерами созданы в Rolls-Royce во второй половине 1940-х годов, а Conway стал первым серийным.

В основе двухконтурных ТРД (далее — ТРДД) принцип вовлечения дополнительной массы воздуха в создание тяги, чтобы, прежде всего, увеличить КПД реактивного двигателя в плотной атмосфере. Эта часть воздуха нагнетается через внешний контур двигателя.

Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, иногда называемым вентилятором. После чего поток разделяется на две части: во внешний контур и, минуя камеру сгорания, далее в сопло, а другая часть во внутренний контур ТРД, где обычно последние ступени турбины приводят вентилятор.

Наиболее эффективные и мощные ТРДД делают трёхкаскадными, двух- и трёхвальными. К двум роторам внутреннего контура, называемого ещё газогенератором, добавляется ещё один, в котором вентилятор и последний каскад турбины соединены валом, расположенном внутри валов газогенератора.

Параметром ТРДД является степень двухконтурности — отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу через внутренний. Повышение КПД достигается за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения газов из сопла и скоростью самолёта за счёт увеличения расхода воздуха в двигателе, то есть увеличения площади входа в двигатель. Это ведёт к росту лобового сопротивления и массы.

ТРДД выполняют со смешением потоков контуров за турбиной и без смешения, с коротким внешним контуром. При смешении потоки смешиваются в особой камере и покидают двигатель через единое сопло с выровненной температурой. Наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя, но увеличивает КПД и снижает шум, создаваемый струёй.

ТРДД, подобно ТРД, могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами для сверхзвуковых военных самолётов.

Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)[править | править код]

Отклоняемые створки сопла с ОВТ. ТРДД Rolls-Royce Pegasus, поворотные сопла которого позволяют осуществлять вертикальные взлёт и посадку. Устанавливается на самолёте Harrier.

Специальные поворотные сопла на некоторых ТРДД позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняет управление самолётом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением манёвренности и сокращением разбега самолёта при взлёте и пробега при посадке, вплоть до вертикальных взлёта и посадки. ОВТ используется исключительно в военной авиации.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель[править | править код]

Порою в популярной литературе ТРДД с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называют турбовентиляторными. В англоязычной литературе этот двигатель называется turbofan с добавлением уточнения high bypass (высокая двухконтурность), сокращённо — hbp. ТРДД с высокой степенью двухконтурности выполняются, как правило, без камеры смешения. По причине большого входного диаметра таких двигателей их сопло внешнего контура достаточно часто делают укороченным с целью снижения массы двигателя.

Область применения[править | править код]

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день в самолётном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространённым классом ВРД, используемых на самолётах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДД с малой степенью до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолётов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

Як-44 с винтовентиляторными двигателями Д-27

У винтовентиляторного двигателя поток холодного воздуха создаётся двумя соосными, вращающимися в противоположных направлениях, многолопастными саблевидными винтами, приводимыми в движение от турбины через редуктор. Степень двухконтурности таких двигателей достигает 90.

На сегодня известен лишь один серийный образец двигателя этого типа — Д-27 (ЗМКБ «Прогресс» им. академика А. Г. Ивченко, г. Запорожье, Украина.), использовавшийся на самолёте Як-44 с крейсерской скоростью полёта 670 км/ч, и на Ан-70 с крейсерской скоростью 750 км/ч.

Турбовинтовой двигатель. Привод винта от вала турбины осуществляется через редуктор Устройство турбовинтового двигателя

Турбовинтовые двигатели (ТВД) или турбовальные двигатели (ТВЛД)[источник не указан 258 дней] относятся к ВРД непрямой реакции.

Конструктивно ТВД схож с ТРД, в котором мощность, развиваемая последним каскадом турбины, передаётся на вал воздушного винта (обычно через редуктор). Этот двигатель не является, строго говоря, реактивным (реакция выхлопа турбины составляет не более 10 % его суммарной тяги), однако традиционно их относят к ВРД. Турбовинтовые двигатели используются в транспортной и гражданской авиации при полётах с крейсерскими скоростями 400—800 км/ч.

В ТВЛД газ, исходящий их камеры сгорания, направляется, во-первых, на турбину, приводящую в движение компрессор, а во-вторых, на турбину, связанную с приводным валом. Приводной вал механически соединяется с редуктором, приводящим в движение несущий винт. Таким образом, в ТВЛД связь ротора и выходного вала является чисто газодинамической. Такое техническое решение преимущественно применяется для силовых установок вертолетов из-за большого момента инерции несущего винта. В случае механической связи несущего винта с газогенератором запуск двигателя требует наличия стартера большой мощности.

Использует для нагрева воздуха ядерный реактор вместо сжигания керосина. Главным недостатком является сильное радиационное заражение использованного воздуха. Преимуществом является возможность длительного полета[6].

ru.wikipedia.org

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель — Википедия

Огневые испытания ПВРД в лаборатории НАСА

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) — реактивный двигатель, является самым простым в классе воздушно-реактивных двигателей (ВРД) по устройству. Относится к типу ВРД прямой реакции, в которых тяга создается исключительно за счёт реактивной струи, истекающей из сопла. Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха. ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости, для вывода его на рабочую мощность необходим тот или иной ускоритель.

В 1913 году француз Рене Лорин[en] получил патент на прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

ПВРД привлекал конструкторов простотой своего устройства, но главное — своей потенциальной способностью работать на гиперзвуковых скоростях и в самых высоких, наиболее разреженных слоях атмосферы, то есть в условиях, в которых ВРД других типов неработоспособны или малоэффективны. В 1930-х годах с этим типом двигателей проводились эксперименты в США (Уильям Эвери), в СССР (Ф. А. Цандер, Б. С. Стечкин, Ю. А. Победоносцев).

В 1937 году французский конструктор Рене Ледюк[en] получил заказ от правительства Франции на разработку экспериментального самолёта с ПВРД. Эта работа была прервана войной и возобновилась после её окончания. 19 ноября 1946 года состоялся первый в истории полёт пилотируемого аппарата с маршевым ПВРД, Leduc 0.10[en]. Далее в течение 10 лет было изготовлено и испытано ещё несколько экспериментальных аппаратов этой серии, в том числе, пилотируемые Leduc 0.21[en] и Leduc 0.22[en], а в 1957 году правительство Франции отказалось от продолжения этих работ — бурно развивавшееся в то время направление турбореактивных двигателей представлялось более перспективным.

Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга при неподвижности, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД является предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а следовательно, дешевизне и надёжности. Начиная с 1950-х годов, в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.

В СССР с 1954 по 1960 год в ОКБ-301 под руководством генерального конструктора С. А. Лавочкина, разрабатывалась крылатая ракета «Буря», предназначавшаяся для доставки ядерных зарядов на межконтинентальные расстояния, и использовавшая в качестве маршевого двигателя ПВРД, разработанный группой М. М. Бондарюка, и имевший уникальные для своего времени характеристики: эффективная работа на скорости свыше М = 3 и на высоте 17 км. В 1957 году проект вступил в стадию лётных испытаний, в ходе которых выявился ряд проблем, в частности, с точностью наведения, которые предстояло разрешить, и на это требовалось время, которое трудно было определить. Между тем, в том же году на вооружение уже поступила МБР Р-7, имевшая то же назначение, разработанная под руководством С. П. Королёва. Это ставило под сомнение целесообразность дальнейшей разработки «Бури». Смерть С. А. Лавочкина в 1960 году окончательно похоронила проект.

Из числа более современных отечественных разработок можно упомянуть противокорабельные крылатые ракеты с маршевыми ПВРД: П-800 «Оникс», П-270 «Москит».

Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом. Воздух, поступая со скоростью полёта во входное устройство двигателя, затормаживается (на практике, до скоростей 30—60 м/с, что соответствует числу Маха 0,1—0,2), его кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию — его температура и давление повышаются.

В предположении того, что воздух — идеальный газ, и процесс сжатия является изоэнтропийным, степень повышения давления (отношение статического давления в заторможенном потоке к атмосферному) выражается формулой:

ppo=(1+k−12⋅Mn2)kk−1{\displaystyle {\frac {p}{p_{o}}}={\bigg (}1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2}{\bigg )}^{\frac {k}{k-1}}} (1)

где

p{\displaystyle p} — давление в полностью заторможенном потоке;
po{\displaystyle p_{o}} — атмосферное давление;
Mn{\displaystyle M_{n}} — полётное число Маха (отношение скорости полёта к скорости звука в окружающей среде),
k{\displaystyle k} — показатель адиабаты, для воздуха равный 1,4.

На выходе из входного устройства, при входе в камеру сгорания рабочее тело имеет максимальное на всём протяжении проточной части двигателя давление.

Сжатый воздух в камере сгорания нагревается за счёт окисления подаваемого в неё топлива, внутренняя энергия рабочего тела при этом возрастает. Затем рабочее тело сначала, сжимаясь в сопле, достигает звуковой скорости, а потом, расширяясь — сверхзвуковой, ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создаёт реактивную тягу.

Схема устройства ПВРД на жидком топливе:
  1. встречный поток воздуха;
  2. центральное тело;
  3. входное устройство;
  4. топливная форсунка;
  5. камера сгорания;
  6. сопло;
  7. реактивная струя.
Схема устройства твердотопливного ПВРД

Зависимость тяги ПВРД от скорости полёта определяется несколькими факторами:

ηt=1−1βk−1k{\displaystyle \eta _{t}=1-{\frac {1}{\beta ^{\frac {k-1}{k}}}}} (2)
Препарированный ПВРД «Тор» ракеты «Бладхаунд». Хорошо видны входное устройство и вход в камеру сгорания.

В общем, зависимость тяги ПВРД от скорости полёта может быть представлена следующим образом: пока скорость полёта значительно ниже скорости истечения реактивной струи, тяга растёт с ростом скорости полёта (вследствие повышения расхода воздуха, давления в камере сгорания и термического КПД двигателя), а с приближением скорости полёта к скорости истечения реактивной струи тяга ПВРД падает, миновав некоторый максимум, соответствующий оптимальной скорости полёта.

Сила тяги ПВРД определяется выражением

P=dmadt⋅(ve−v)+dmfdt⋅ve{\displaystyle P={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (v_{e}-v)+{\frac {dm_{f}}{dt}}\cdot v_{e}} (3)

Где P{\displaystyle P} — сила тяги, v{\displaystyle v} — скорость полёта, ve{\displaystyle v_{e}} — скорость реактивной струи относительно двигателя, dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего.

Секундный расход воздуха:

dmadt=ρ⋅dVdt=ρ⋅S⋅dldt=ρ⋅S⋅v{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}=\rho \cdot {\frac {dV}{dt}}=\rho \cdot S\cdot {\frac {dl}{dt}}=\rho \cdot S\cdot v},

где

ρ{\displaystyle \rho } — плотность воздуха (зависит от высоты),
dVdt{\displaystyle {\frac {dV}{dt}}} — объём воздуха, который поступает в воздухозаборник ПВРД за единицу времени,
S{\displaystyle S} — площадь сечения входа воздухозаборника,
v{\displaystyle v} — скорость полёта.

Секундный расход массы рабочего тела для идеального случая, когда горючее полностью сгорает и полностью используется кислород воздуха в процессе горения, вычисляется с помощью стехиометрического коэффициента:

dmdt=dmadt+dmfdt=dmadt+1L⋅dmadt=dmadt⋅(1+1L){\displaystyle {\frac {dm}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {dm_{f}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}+{\frac {1}{L}}\cdot {\frac {dm_{a}}{dt}}={\frac {dm_{a}}{dt}}\cdot (1+{\frac {1}{L}})},

где

dmadt{\displaystyle {\frac {dm_{a}}{dt}}} — секундный расход воздуха,
dmfdt{\displaystyle {\frac {dm_{f}}{dt}}} — секундный расход горючего,
L{\displaystyle L} — стехиометрический коэффициент смеси горючего и воздуха.

Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора поступает воздух, а из топливных форсунок — горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло, как правило, суживающееся-расширяющееся.

С развитием технологии смесевого твёрдого топлива, оно стало применяться в ПВРД. Топливная шашка с продольным центральным каналом размещается в камере сгорания. Рабочее тело, проходя по каналу, постепенно окисляет топливо с его поверхности, и нагревается само. Использование твёрдого топлива ещё более упрощает конструкцию ПВРД: ненужной становится топливная система. Состав смесевого топлива для ПВРД отличается от используемого в ракетных твердотопливных двигателях. Если для последних большую часть топлива составляет окислитель, то для ПВРД он добавляется лишь в небольшом количестве для активизации процесса горения. Основную часть наполнителя смесевого топлива ПВРД составляет мелкодисперсный порошок алюминия, магния или бериллия, теплота окисления которых значительно превосходит теплоту сгорания углеводородных горючих. Примером твердотопливного ПВРД может служить маршевый двигатель противокорабельной крылатой ракеты П-270 «Москит».

В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Это разделение обусловлено конструктивными особенностями каждой из этих групп.

Дозвуковые ПВРД предназначены для полётов на скоростях с числом Маха от 0,5 до 1. Торможение и сжатие воздуха в этих двигателях происходит в расширяющемся канале входного устройства — диффузоре.

Эти двигатели характеризуются крайне низкой эффективностью. При полёте на скорости М = 0,5 степень повышения давления в них (как следует из формулы  (1) ) равна 1,186, вследствие чего их идеальный термический КПД (в соответствии с формулой (2)) составляет всего 4,76 %, а с учётом потерь в реальном двигателе эта величина становится почти равной 0. Это означает, что на скоростях полёта при M < 0,5 ПВРД практически неработоспособен. Но и на предельной для дозвукового диапазона скорости, то есть при М → 1, степень повышения давления составляет лишь 1,89, а идеальный термический КПД — лишь 16,7 %, что в 1,5 раза меньше, чем у реальных поршневых ДВС, и вдвое меньше, чем у газотурбинных двигателей. К тому же и поршневые, и газотурбинные двигатели эффективны при работе на месте.

По этим причинам дозвуковые прямоточные двигатели оказались неконкурентоспособными в сравнении с авиадвигателями других типов и в настоящее время серийно не выпускаются.

Сверхзвуковые ПВРД (СПВРД) предназначены для полётов в диапазоне чисел Маха 1 < M < 5.

Торможение сверхзвукового газового потока происходит всегда разрывно (скачкообразно) — с образованием ударной волны, называемой также скачком уплотнения. Процесс сжатия газа на фронте ударной волны не является изоэнтропийным, вследствие чего в нём имеют место необратимые потери механической энергии, и степень повышения давления в нём меньше, чем в идеальном — изоэнтропийном процессе. Чем интенсивнее скачок уплотнения, то есть чем больше изменение скорости потока на его фронте, — тем больше потери давления, которые могут превышать 50 %.

Процесс торможения сверхзвукового потока во входном устройстве конического течения, внешнего сжатия с тремя скачками уплотнения. М — график изменения числа Маха в потоке; p — график изменения статического давления. Беспилотный разведчик Lockheed D-21B (США). ПВРД с осесимметричным входным устройством с центральным телом. Плоские входные устройства внутреннего сжатия ПВРД крылатой ракеты воздух-земля ASMP[en] (Франция)

Потери давления удаётся минимизировать за счёт организации сжатия не в одном, а в нескольких (обычно, не более 4) последовательных скачках уплотнения меньшей интенсивности, после каждого из которых (кроме последнего), скорость потока снижается, оставаясь сверхзвуковой. Это возможно, если все скачки (кроме последнего) являются косыми, фронт которых наклонён к вектору скорости потока (косой скачок уплотнения образуется, когда сверхзвуковой поток встречается с препятствием, поверхность которого наклонена к вектору скорости воздушного потока). В промежутках между скачками параметры потока остаются постоянными. В последнем скачке (всегда прямом — нормальном к вектору скорости воздушного потока) скорость становится дозвуковой, и дальнейшее торможение и сжатие воздуха происходит непрерывно в расширяющемся канале диффузора.

В случае, если входное устройство двигателя находится в зоне невозмущённого потока, например, в носовом окончании летательного аппарата, или на консоли на достаточном удалении от фюзеляжа, оно исполняется осесимметричным и снабжается центральным телом — длинным острым «конусом», выступающим из обечайки, назначение которого состоит в создании во встречном потоке системы косых скачков уплотнения, обеспечивающих торможение и сжатие воздуха ещё до поступления его в канал входного устройства — так называемое внешнее сжатие. Такие входные устройства называются также устройствами конического течения, потому что поток воздуха в них имеет коническую форму. Коническое центральное тело может быть снабжено механическим приводом, позволяющим смещать его вдоль оси двигателя, оптимизируя тем самым торможение воздушного потока на различных скоростях полета. Такие входные устройства именуются регулируемыми.

При установке двигателя на нижней (боковой) стенке фюзеляжа, или под крылом летательного аппарата, то есть в зоне аэродинамического влияния его элементов, обычно применяются плоские входные устройства двухмерного течения, имеющие прямоугольное поперечное сечение, без центрального тела. Система скачков уплотнения в них обеспечивается благодаря внутренней форме канала. Они называются также устройствами внутреннего или смешанного сжатия, так как внешнее сжатие частично имеет место и в этом случае — в скачках уплотнения, образованных у носового окончания и/или у передней кромки крыла летательного аппарата. Регулируемые входные устройства прямоугольного сечения имеют меняющие своё положение клинья внутри канала.

В сверхзвуковом диапазоне скоростей ПВРД значительно более эффективен, чем в дозвуковом. Например, на скорости М = 3 для идеального ПВРД степень повышения давления по формуле (1) составляет 36,7, что сравнимо с показателями самых высоконапорных компрессоров турбореактивных двигателей, а термический КПД теоретически, по формуле (2), достигает 64,3 %. У реальных ПВРД эти показатели ниже, но даже с учётом потерь, в диапазоне полётного числа Маха от 3 до 5 СПВРД превосходят по эффективности ВРД всех других типов.

При торможении встречного потока воздуха он не только сжимается, но и нагревается, и его абсолютная температура при полном торможении (в изоэнтропийном процессе) выражается формулой:

T=To⋅(1+k−12⋅Mn2){\displaystyle T=T_{o}\cdot (1+{\frac {k-1}{2}}\cdot M_{n}^{2})}(4)

где Tо — температура окружающего невозмущённого потока. При М = 5 и Tо = 273 K (что соответствует 0 °C) температура заторможенного рабочего тела достигает 1638 К, при М = 6 — 2238 К, а с учётом трения и скачков уплотнения в реальном процессе — ещё выше. При этом дальнейший нагрев рабочего тела за счёт сжигания топлива становится проблематичным из-за ограничений, накладываемых термической устойчивостью конструкционных материалов, из которых изготовлен двигатель. Потому скорость, соответствующая М = 5, считается предельной для СПВРД.

Экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 (рисунок художника) Иллюстрация газодинамических процессов в плоском ГПВРД с соплом SERN[en] Сжатие воздуха происходит в двух скачках уплотнения: внешнем, образованным у носового окончания аппарата, и внутреннем — у передней кромки нижней стенки двигателя. Оба скачка — косые, и скорость потока остаётся сверхзвуковой.

Гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, англоязычный термин — scramjet) называется ПВРД, работающий на скоростях полёта свыше М = 5 (верхний предел точно не устанавливается).

На начало XXI века этот тип двигателя является экспериментальным: не существует ни одного образца, прошедшего лётные испытания, подтвердившие практическую целесообразность его серийного производства.

Торможение потока воздуха во входном устройстве ГПВРД происходит лишь частично, так что на протяжении всего остального тракта движение рабочего тела остаётся сверхзвуковым. При этом бо́льшая часть исходной кинетической энергии потока сохраняется, а температура после сжатия относительно низка, что позволяет сообщить рабочему телу значительное количество тепла. Проточная часть ГПВРД расширяется на всём её протяжении после входного устройства. Горючее вводится в сверхзвуковой поток со стенок проточной части двигателя. За счёт сжигания горючего в сверхзвуковом потоке рабочее тело нагревается, расширяется и ускоряется, так что скорость его истечения превышает скорость полёта.

Двигатель предназначен для полётов в стратосфере. Возможное назначение летательного аппарата с ГПВРД — низшая ступень многоразового носителя космических аппаратов.

Организация горения топлива в сверхзвуковом потоке составляет одну из главных проблем создания ГПВРД.

Существует несколько программ разработок ГПВРД в разных странах, все — в стадии теоретических изысканий или предпроектных экспериментов.

ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, тем более — при нулевой скорости. Для достижения начальной скорости, при которой он становится эффективным, аппарат с этим двигателем нуждается во вспомогательном приводе, который может быть обеспечен, например, твердотопливным ракетным ускорителем, или самолётом-носителем (самолетом-разгонщиком), с которого запускается аппарат с ПВРД.

Неэффективность ПВРД на малых скоростях полёта делает его практически неприменимым на пилотируемых самолётах с неядерной двигательной системой[2], но для беспилотных, в том числе боевых (в частности, крылатых ракет), одноразового применения, летающих в диапазоне скоростей 2 < М < 5, благодаря своей простоте, дешевизне и надёжности, он предпочтителен. Также ПВРД используются на летающих мишенях. Основным конкурентом ПВРД в этой нише является ракетный двигатель.

Ядерный ПВРД[править | править код]

Во второй половине 1950-х годов, в эпоху холодной войны, в США и СССР разрабатывались проекты ПВРД с ядерным реактором.

Источником энергии этих ПВРД (в отличие от остальных ВРД) является не химическая реакция горения топлива, а тепло, вырабатываемое ядерным реактором в камере нагрева рабочего тела. Воздух из входного устройства в таком ПВРД проходит через активную зону реактора, охлаждая его, нагревается сам до рабочей температуры (около 3000 К), а затем истекает из сопла со скоростью, сравнимой со скоростями истечения для самых совершенных химических ЖРД[3] . Возможное назначения летательного аппарата с таким двигателем:

В обеих странах были созданы компактные малоресурсные ядерные реакторы, которые вписывались в габариты большой ракеты. В США по программам исследований ядерного ПВРД «Pluto» и «Tory» в 1964 году были проведены стендовые огневые испытания ядерного прямоточного двигателя «Tory-IIC» (режим полной мощности 513 МВт в течение пяти минут с тягой 156 кН). Лётные испытания не проводились, программа была закрыта в июле 1964 года. Одна из причин закрытия программы — совершенствование конструкции баллистических ракет с химическими ракетными двигателями, которые вполне обеспечили решение боевых задач без применения схем с сравнительно дорогостоящими ядерными ПВРД.

Тем не менее, ядерный ПВРД перспективен как двигательная система для одноступенчатых воздушно-космических самолётов и скоростной межконтинентальной тяжёлой транспортной авиации. Этому способствует возможность создания ядерного ПВРД, способного работать на дозвуковых и нулевых скоростях полёта в режиме ракетного двигателя, используя бортовые запасы рабочего тела. То есть, например, воздушно-космический самолёт с ядерным ПВРД стартует (в том числе взлетает), подавая в двигатели рабочее тело из бортовых (или подвесных) баков и, уже достигнув скоростей от М = 1, переходит на использование атмосферного воздуха.

В России, по сделанному президентом В. В. Путиным в начале 2018 года заявлению, «состоялся успешный пуск крылатой ракеты с ядерной энергоустановкой».[4]

ru.wikipedia.org

Типы авиационных двигателей | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Здравствуйте!

Поршневой двигатель.

Неоднократно в своих рассказах я упоминал авиадвигатели, но ведь при таком разнообразии летательных аппаратов неизбежно и разнообразие двигателей. Поэтому, я думаю, пришла пора этот вопрос рассмотреть поближе.

Типы авиационных двигателей. На самом деле их существует не так уж мало и всю информацию о них в одной статье уместить было бы неправильно. Получилось бы слишком длинно. Поэтому я подумал: пусть будет цикл статей о типах авиадвигателей. В нем каждому типу будет посвящена одна статья, со всеми необходимыми подробностями.  А эта, первая, будет общая, так сказать ознакомительная :-)… Я тут попытался изобразить схемку, надеюсь она вам поможет :-). Итак, начнем…

Авиадвигатели можно подразделять по разному, но мне больше нравится их деление по отношению к атмосферному воздуху. То есть они делятся на такие, которым атмосфера для работы  необходима и такие, которым она в принципе не  нужна, более того даже снижает их эффективность.

Вторые – это ракетные двигатели, а первые назовем атмосферными (воздушными). Любой из авиадвигателей использует химическую реакцию окисления топлива или, говоря человеческим языком, горения. Для окисления (горения) в воздушных двигателях используется атмосферный окислитель – кислород, а в ракетных он не нужен, потому что запас окислителя (как и топлива) имеется на борту. Более того для создания самого процесса движения воздушный двигатель так или иначе взаимодействует с атмосферой, либо посредством винта, либо воздух становится рабочим телом двигателя. В ракетном двигателе рабочее тело – это газы, получившиеся при сгорании топлива.

Жидкостный ракетный двигатель. Правда неавиационный 🙂

Ракетные двигатели делятся на твердотопливные (РДТТ)  и жидкостные (ЖРД). В первых и топливо,  и окислитель в готовом виде спрессованы в корпусе в специальную шашку. А во втором  они подаются определенным образом в жидком виде в камеру сгорания.

Воздушные двигатели делятся на реактивные (их еще называют в соответствии с темой воздушно-реактивными, ВРД) и винтовые. В  первых тяга образуется  за счет выхода из сопла реактивной струи, а во вторых за счет взаимодействия с воздушной средой вращающегося воздушного винта.

Еще один поршневой двигатель :-). Фирма Siemens.

Винтовые, в свою очередь, могут быть винто-моторными, то есть, попросту говоря, поршневыми (о них мы уже не раз упоминали и еще не раз вспомним :-))  или турбовинтовыми (ТВД). ТВД – это по сути своей ТРД, у которого львиная  доля мощности срабатывается на турбине для вращения воздушного винта, который укреплен на валу перед компрессором (через редуктор).

Турбовинтовой двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1.

АН-140. На этом самолете установлены двигатели ТВ3-117ВМА-СБМ1.

Реактивные двигатели – это, в первую очередь турбореактивные (ТРД). О них вы уже знаете из этой статьи. Далее, развитие ТРД – двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД или ТРДД). Это двигатель в котором помимо основного тракта (контура) добавлен еще один контур, в котором воздух  прогоняется передними ступенями компрессора (их еще назвают вентилятором) поверх основного контура прямо в сопло. Эти двигатели славятся большой экономичностью.

Двухконтурный ТРД.

Как простой ТРД, так и двухконтурный могут быть форсированными. Бывает, что необходимо дополнительное увеличение мощности (часто кратковременное). А так как в газах, прошедших турбину, обычно есть еще достаточное количество кислорода, то организуют дополнительный подвод топлива в затурбинное пространство, его поджог,  и получается форсажная камера. С ее помощью мощность двигателя можно значительно увеличить (обычно более, чем на треть). Получаем ТРДФ или ТРДДФ. Такой прием чаще всего применяется на военных самолетах.

Еще два вида реактивных двигателей – это прямоточный и пульсирующий воздушно-реактивные  двигатели (ПВРД и ПуВРД). Это те самые реактивные двигатели, у которых нет турбины, как, впрочем, и компрессора. То  есть у них нет вращающегося вала. Это очень специфичные малоприменяемые, однако достаточно интересные двигатели. О них я расскажу в отдельных статьях.

Основные типы авиационных двигателей я перечислил. Однако обязательно  надо сказать, что в науке о тепловых машинах  существует понятие газотурбинного двигателя (ГТД). И вобщем-то, строго говоря, ТРД – это разновидность ГТД. И первоначально был разработан именно ГТД, как полезный механизм, но не для авиации. В ГТД практически нет выходящей реактивной струи. Вся его мощность превращается турбиной в мощность на валу двигателя, а этот вал вращает нужные человеку агрегаты. В нашем авиационном случае он вращает винт, и чаще всего это несущий винт вертолета. Такие двигатели так и называются: вертолетные ГТД. Или еще по-другому турбовальные двигатели (от слов турбина, вал). В этом же ключе к ГТД можно отнести и турбовинтовые двигатели(ТВД), так как реактивной тяги у них сохранилась только очень малая часть.

Вертолетный ГТД (турбовальный) Д-136. Устанавливается на вертолеты МИ-26

В заключение скажу, что есть еще, скажем так, экзотические виды двигателей. Это такие, как, например,  ракетные двигатели на ядерном  или электро-ядерном топливе, турборакетные или ракетно- прямоточные двигатели и т.д. Такие двигатели обычно либо в практической (или даже теоретической) разработке, либо в единичных опытных образцах, будущее которых туманно. Я даже не стал включать их в схему. В дальнейшем, если будет к ним интерес и достаточно информации, я о них напишу.

Вот, пожалуй, и все. С вводной темой «Типы авиационных двигателей» мы покончили. Теперь черед более детальных и обязательно более интересных статей 🙂 о каждом типе в отдельности.

No related posts.

avia-simply.ru

Авиа двигатели. Виды и типы двигателей для самолетов и вертолетов

 

Именно благодаря использованию авиа двигателей, прогресс развития современной авиации продолжает развиваться. Первые самолёты которые не были оснащены двигателями практически не получили своего практического применения, так как не могли перевозить более одного человека, да и значительные расстояния преодолеваемые такими воздушными судами большими никак не назовёшь.

Все авиа двигатели принято разделять на 9 основных категорий.

  1. Паровые авиа двигатели;
  2. Поршневые авиа двигатели;
  3. Атомные авиа двигатели;
  4. Ракетные авиа двигатели;
  5. Реактивные авиа двигатели;
  6. Газотурбинные авиа двигатели;
  7. Турбовинтовые авиа двигатели;
  8. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;
  9. Турбовентиляторные авиа двигатели.

 

Паровые авиа двигатели

 

Паровые авиа двигатели практически не нашли своего практического применения в авиации из-за низкого КПД своей работы. Главным принципом работы парового авиационного двигателя является преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение винтов за счёт энергии пара.

 

 

Стоит отметить, что первоначально паровые авиа двигатели предполагалось использовать на заре авиации, когда источник пара был наиболее доступным, однако из-за массивности своей конструкции паровые двигатели не смогли поднимать воздушные суда.

 

Поршневые авиа двигатели

 

Поршневой авиа двигатель представляет собой обычный двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяемого газа превращает поступательное движение поршня во вращательное движение винта. Такие авиа двигатели нашли своё применение, и применяются и по сегодняшний день из-за простоты своего функционирования и недорогостоящего изготовления.

 

 

КПД поршневого авиационного двигателя, как правило, не превышает 55 %, однако это ничуть не смущает современных авиаконструкторов, так как у этого двигателя имеется высокая надёжность.

 

Атомные авиа двигатели

 

Первые атомные авиа двигатели начали появляться в середине минувшего века, когда начались мирные исследования атома. Основным принципом работы атомного авиационного двигателя является осуществление контролируемой цепной ядерной реакции, что позволяло выдавать огромную мощность, при сравнительно небольшом уровне затрат.

Атомные авиа двигатели практически одновременно появились и в США и в СССР, однако сама идея того, что самолёт, пусть и с весьма компактным атомным реактором на своём борту может упасть и это впоследствии приведёт к катастрофе, заставила отказаться от этой идеи.

В США атомный авиационный двигатель применялся на самолёте Convair NB-36H, а в СССР на самолётах Ту-95 и Ан-22.

 

Ракетные авиа двигатели

 

 

Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.

Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.

 

Реактивные авиа двигатели

 

 

Реактивные двигатели весьма распространены на сегодняшний день в авиации и авиаконструкторском деле. Принцип работы этих авиа двигателей основывается на то, что необходимая тяга для воздушного судна создаётся за счёт преобразования в кинетическую энергию реактивную струи внутренней энергии авиационного топлива.

Реактивные двигатели весьма надёжны и эффективны и потому в ближайшее время стоит ожидать их дальнейшего совершенствования и развития.

 

Газотурбинные авиа двигатели

 

 

Принцип работы газотурбинного авиационного двигателя основывается на сжатии и нагреве газа, энергия которого впоследствии преобразуется в механическую работу, заставляя вращаться газовую турбину. Первые двигатели данного класса появились в Германии ещё в начале 40-х годов прошлого века, и на сегодняшний день они по-прежнему продолжают широко применяться в военной авиации, в частности устанавливаются на самолётах Су-27, МиГ-29, F-22, F-35 и т.д.

Газотурбинные авиа двигатели весьма эффективны на сравнительно небольших скоростях перемещения воздушных судов, и потому их применение в гражданской авиации также весьма обоснованно.

 

Турбовинтовые авиа двигатели

 

 

Турбовинтовые авиа двигатели представляют собой своеобразную разновидность газотурбинный авиационных двигателей, принцип действия которых основывается на том, что энергия горячих газов преобразуется во вращение винта, а около 10% от совокупной энергии превращается в толкающую реактивную струю.

Турбовинтовые авиа двигатели имеют хороший КПД и надёжны, что делает их эффективными и применимыми в гражданской авиации на многих воздушных судах.

 

Пульсирующие воздушно-реактивные авиа двигатели

 

 

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не нашли применения в современной авиации из-за неудовлетворительной своей эффективности. Главной особенностью их функционирования является то, что работают они на принципе воздушно-реактивного двигателя. С той лишь разницей, что топливо в камеру сгорания подаётся периодически, создавая своеобразные импульсы, позволяющие двигать объект в заданном направлении.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели эффективны лишь при однократном своём использовании, в последующих же случаях, их использование снижает и саму надёжность и увеличивает затраты.

 

Турбовентиляторные авиа двигатели

 

 

Принцип работы турбовентиляторных авиационных двигателей сводится к тому, что подаваемый за счёт вентилятора воздух. Обеспечивает полное сгорание топлива за счёт избытка кислорода, что делает такие авиа двигатели и более эффективными и в тоже время наиболее экологически чистыми. Применяются подобные турбовентиляторные авиа двигатели как правило на крупных авиалайнерах, так как практически всегда у них имеется большая конструкция за счёт необходимости нагнетания дополнительного объёма воздуха.

avia.pro

Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения при разных скоростях

Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения при разных скоростях.

Введение.

В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. При этом величина тяги пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость её отброса. Так упрощённо можно описать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современных реактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в её основе и конструкции реактивных двигателей лежат труды русских учёных и изобретателей, которые в развитии реактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущее место. Конечно, к началу работ по ракетной технике в России относится к 1690г., когда было построено специальное заведение при активном участии Петра 1 для производства пороховых ракет, которые гораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракеты образца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовались почти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки создания авиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когда военный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростата использовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработал проект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно, это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательных аппаратов, а конечно Н.Е.Жуковский, "отец русской авиации", впервые разработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по праву основоположником этой теории.

Труды Российских и советских учёных и конструкторов вместе с трудами наших выдающихся соотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова, В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, что позволило создать высокоскоростные истребители типа……, тяжёлые транспортные самолёты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144, ракетоноситель Энергия и орбитальную станцию Мир и многое другое, что является нашей славной историей и гордостью России.

I. Физические основы работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя "рабочего вещества", обычно - раскалённых газов.

Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д.

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке - источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на "фазах" работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение - и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно "упакованные". Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то "двигать", приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта - двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо - здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины

Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное - создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов - продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию - беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы - продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, - газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя - через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через "звуковой барьер".

II. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования

Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне "генеалогического дерева" семьи реактивных двигателей. Чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей "ствол" прямой реакции. Вскоре, как можно видеть по рисунку (см. ниже), этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло по тому, что все "химические" реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

Один из вновь образованных стволов - это класс воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели - основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели

(ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью - именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдёт применения. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь спасибо за пользование нашей системой меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно-двухкаскадными и т.д. Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции безкомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В бескомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной решётки и давление в камере сгорания повышается в результате скоростного напора, т.е. торможения встречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полёте. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью, на стоянке он тяги не разовьет. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой "химический" реактивный двигатель при этих условиях. Вот почему прямоточные двигатели.

Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

III.Особенности проектирования и создания летательного аппарата.

Рассмотрим реактивного движения при разных скоростях возьмем два типа реактивного движения: дозвуковое и сверхзвуковое. На любой скорости важную роль играет аэродинамика летательного аппарата.

Аэродинамика - наука о движении тел в воздушной среде - является теоретической основной авиации. Без успехов аэродинамики не возможно было бы стремительное развитие авиации, столь характерное для нашего времени. Но успехи аэродинамики были бы немыслимы без проведения экспериментальных работ, в основе которых использование аэродинамических труб, позволяющих производить моделирование полёта летательного аппарата с учётом теории подобия, в результате чего испытуемое изделие закреплялось стационарно, а воздушный поток набегал на него.

Это позволило инженерам решить сложные вопросы аэродинамики крыла, оптимизировать формы фюзеляжа, решить проблемы штопора, флаттера, вопросы преодоления вниз звукового барьера и многие другие, инженерные и научные вопросы теории газодинамики. На лабораторной базе Центрального аэрогидродинамического университета (ЦАГУ) проводились основные исследования, в том числе и реактивных двигателей (вернее их масштабных моделей) при дозвуковом и сверхзвуковом набегающем потоке. Результатами этих работ явились научные труды, позволившие оптимальным образам выбирать характеристики двигателей их компоновку и положение на корпусе фюзеляжа и многое другое. Таким образом, в результате проектных и экспериментальных работ определялся общий вид летательного аппарата.

Но важной особенностью проектных работ являлось выбор двигательной установки, позволившей выполнять изделию заданные технические характеристики. Конечно, на самом деле вопросы выбора двигателя в истории развития авиационной технике шли как бы поэтапно от простого к сложному и соответственно более совершенному, не уменьшая надёжности. Это на современном этапе развития техники мы можем более грамотно (из имеющегося) выбирать компоновку летательного аппарата в соответствии с требуемыми задачами. Поэтому конструктора всегда учитывают особенности двигателей при разных скоростях.

В этих случаях Реактивные двигатели (прямоточные, турбореактивные) используют для своей работы кислород воздуха, поступающий из воздухозаборников, установленных на летательном аппарате.

Размеры воздухозаборных устройств, их число, характер расположения, режимы работы существенно изменяют условия обтекания и аэродинамические свойства летательного аппарата, что в свою очередь влияет на тяговые и экономические характеристики двигателей.

Для обеспечения наименьших потерь полного давления и создания тем самым лучших условий работы двигателей воздухозаборные устройства должны размещаться на летательном аппарате так, чтобы они не затенялись крыльями, оперением и другими впихните свой лицо выступающими частями, т.е. чтобы в зоне входа в воздухозаборное устройство поток испытывал как можно меньшие возмущения

С этой целью нежелательно размещать воздухозаборное устройство вблизи поверхности корпуса на большом удалении от носовой части, если входной канал оказывается в зоне пограничного слоя с достаточно большой толщиной и поступающий воздух будет иметь большие потери полного давления

Вид аэродинамической схемы летательного аппарата с реактивным двигателем зависит от расположения воздухозаборных устройств. При большом удалении воздухозаборника от носовой части летательного аппарата перед входом в него должны быть предусмотрены устройства для отсоса пограничного слоя. Возможно вынесение входного сечения воздухозаборника за пределы пограничного слоя. Всё это предотвращает срыв потока воздуха и улучшает характеристики работы воздухозаборников.

С целью снижения потерь давления воздуха, поступающего в двигатель, и повышения эффективности его работы воздухозаборные устройства вместе с двигателями могут располагаться в виде гондол на крыльях или специальных пилонах. В этом случае для повышения устойчивости и улучшения управляемости предусмотрено хвостовое оперение.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://goldref.ru/

Дата добавления: 30.09.2003

www.km.ru

Реактивные, турбореактивные двигатели, их виды и принцип работы

При всей своей мощи и кажущейся невероятной сложности - ракетные и турбореактивные двигатели на самом деле имеют довольно простой принцип работы.

Самым простым является ракетный двигатель. Начнем с него.


Для того, чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливо-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.
Наглдный пример реактивной силы в повседневной жизни это обычный воздушный шарик. Если его надуть и отпустить, не завязывая, то шарик будет двигаться за счет реактивной силы, создаваемой вылетающим из него  воздухом.

Турбореактивный двигатель (ТРД)

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по тому же принципу, что и ракетный, за исключением того, что в нем сжигается атмосферный кислород.

Сходства:
Топливо постоянно сжигается внутри камеры сгорания турбины. Освобождающийся через сопло газ создает реактивную силу.

Различия:
На выходе из сопла установлены несколко ступеней турбины, закрепленные на общем валу. проходя через лопатки турбин газ приводит их во вращение. Между колесами турбин установлены неподвижные направляющие лопатки, которые придаю определенное направление потоку газа на пути ко следующей ступени (колесу) турбины, что создает более эффективое вращение.

Вместе с турбиной на едином валу в передней части двигателя установлен компрессор, который служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания.

Турбовинтовой двигатель (ТВД).

Принцип работы точно такой же как и у ТРД, за исключением того, что на валу перед компрессором установлен редуктор, приводящий во вращение воздушный винт с более низкими оборотами, чем турбина.
Получение мощности, необходимой для вращения ротора компрессора и воздушного винта, обеспечивается турбиной с увеличенным числом ступеней, поэтому расширение газа в турбине происходит почти полностью и реактивная тяга, получаемая за счет реакции газовой струи, вытекающей из двигателя, составляет только 10–15% суммарной тяги, в то время как воздушный винт создает основное тяговое усилие (85–90%).

ТВД сочетают в себе преимущества ТРД на больших скоростях полета (способность создавать большую тягу при относительно небольшой массе и габаритах двигателя) и ПД на малых скоростях (низкие расходы топлива) и, обладая высокой топливной эффективностью, широко применяются в силовых установках имеющих большую грузоподъемность и дальность полета самолетов (летающих на скоростях 600–800 км/ч) и вертолетов.

Турбовентиляторный двигатель (ТВлД)

Этот двигатель является неким копромиссом между турбореактивным и турбовинтовым двигателем. У турбовентиляторного двигателя (ТВлД) на валу перед компрессором установлен вентилятор, имеющий большее количество лопаток, чем воздушный винт и обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлете.


ingenerov.net

Прямоточный реактивный двигатель. ПВРД.

 

Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для движения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

 

Классы реактивных двигателей:

 

Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:

 

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства повышение давления образуется путем торможения встречного воздушного потока.

Рабочий процесс ПВРД можно кратко описать следующим образом:

В конструктивном плане ПВРД является предельно простым устройством. В составе двигателя есть камера сгорания, внутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздух – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое является суживающейся-расширяющимся.

Развитие технологии смесевого твердого топлива повлекло за собой использование этого горючего в ПВРД. В камере сгорания располагается топливная шашка с центральным продольным каналом. Проходя по каналу, рабочее тело постепенно окисляет поверхность топлива и нагревается само. Применение твердого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная система становится ненужной.

Смесевое топливо по своему составу в ПВРД отличается от применяемого в РДТТ. Если в ракетном двигателе большую часть состава топлива занимает окислитель, то в ПВРД он используется в небольших пропорциях для активирования процесса горения.

Наполнитель смесевого топлива ПВРД преимущественно состоит из мелкодисперсного порошка бериллия, магния или алюминия. Их теплота окисления существенно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. В качестве примера твердотопливного ПВРД можно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».

Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:

Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета можно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет увеличиваться вместе с ростом скорости полета. Когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором наблюдается оптимальная скорость полета.

 

В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:

Каждая из групп имеет свои отличительные особенности конструкции.

 

Дозвуковые ПВРД

 

Эта группа двигателей предназначена для обеспечения полетов на скоростях, равных от 0,5 до 1,0 числа Маха. Сжатие воздуха и торможение в таких двигателях происходит в диффузоре – расширяющемся канале устройства на входе потока.

Данные двигатели имеют крайне низкую эффективность. При полетах на скорости М= 0,5 уровень увеличения давления в них равен 1,186, из-за чего идеальный термический КПД для них – всего 4,76%, а если еще и учитывать потери в реальном двигателе, эта величина будет приближаться к нулю. Это значит, что при полетах на скоростях M<0,5 дозвуковой ПВРД неработоспособен.

Но даже на предельной скорости для дозвукового диапазона при М=1 уровень увеличения давления равен 1,89, а идеальный термический коэффициент – всего 16, 7%. Эти показатели в 1,5 раза меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания, и в 2 раза меньше, нежели у газотурбинных двигателей. Газотурбинные и поршневые двигатели к тому же эффективны для использования при работе в стационарном положении. Поэтому прямоточные дозвуковые двигатели в сравнении с другими авиационными двигателями оказались неконкурентоспособными и в настоящее время серийно не выпускаются.

 

Сверхзвуковые ПВРД

 

Сверхзвуковые ПВРД рассчитаны на осуществление полетов в диапазоне скоростей 1 < M < 5.

Торможение газового сверхзвукового потока всегда выполняется разрывно, при этом образуется ударная волна, которая называется скачком уплотнения. На дистанции ударной волны процесс сжатия газа не является изоэнтропийным. Следовательно, наблюдаются потери механической энергии, уровень увеличения давления в нем меньший, нежели в изоэнтропийном процессе. Чем мощнее будет скачок уплотнения, тем больше изменится скорость потока на фронте, соответственно, больше потери давления, иногда достигающие 50%.

Для того чтобы минимизировать потери давления, организуется сжатие не в одном, а нескольких скачках уплотнения с меньшей интенсивностью. После каждого из таких скачков наблюдается снижение скорости потока, которая остается сверхзвуковой. Это достигается, если фронт скачков расположен под углом к направлению скорости потока. Параметры потока в интервалах между скачками остаются постоянными.

В последнем скачке скорость достигает дозвукового показателя, дальнейшие процессы торможения и сжатия воздуха происходят непрерывно в канале диффузора.

Если входное устройство мотора расположено в области невозмущенного потока (например, впереди летательного аппарата на носовом окончании или на достаточном отдалении от фюзеляжа на крыльевой консоли), оно выполняется асимметричным и комплектуется центральным телом – острым длинным «конусом», выходящим из обечайки. Центральное тело предназначено для создания во встречном воздушном потоке косых скачков уплотнения, которые обеспечивают сжатие и торможение воздуха до момента его поступления в специальный канал входного устройства. Представленные входные устройства получили название устройств конического течения, воздух внутри них циркулирует, образуя коническую форму.

Центральное коническое тело может быть оснащено механическим приводом, который позволяет ему двигаться вдоль оси двигателя и оптимизировать торможение потока воздуха на разных скоростях полета. Данные входные устройства называются регулируемыми.

При фиксации двигателя под крылом или снизу фюзеляжа, то есть в области аэродинамического влияния элементов конструкции самолета, используют входные устройства плоской формы двухмерного течения. Они не оснащаются центральным телом и имеют поперечное прямоугольное сечение. Их еще называют устройствами смешанного или внутреннего сжатия, поскольку внешнее сжатие здесь имеет место только при скачках уплотнения, образующихся у передней кромки крыла или носового окончания летательного аппарата. Входные регулируемые устройства прямоугольного сечения способны менять положение клиньев внутри канала.

В сверхзвуковом скоростном диапазоне ПВРД более эффективен, нежели в дозвуковом. К примеру, на скорости полета М=3 степень увеличения давления составляет 36,7, что приближается к показателю турбореактивных двигателей, а расчетный идеальный КПД достигает 64,3 %. На практике эти показатели меньшие, но на скоростях в диапазоне М=3-5 СПВРД по эффективности превосходят все существующие типы ВРД.

При температуре невозмущенного воздушного потока 273°K и скорости самолета М=5 температура рабочего заторможенного тела равна 1638°К, при скорости М=6 — 2238°К, а в реальном полете с учетом скачков уплотнения и действия силы трения становится еще выше.

Дальнейшее нагревание рабочего тела является проблематичным из-за термической неустойчивости конструкционных материалов, входящих в состав двигателя.  Поэтому предельной для СПВРД считается скорость, равная М=5.

 

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

 

К категории гиперзвуковых ПВРД относится ПВРД, который работает на скоростях более 5М. По состоянию на начало XXI века существование такого двигателя было только гипотетическим: не собрано ни единого образца, который бы прошел летные испытания и подтвердил целесообразность и актуальность его серийного выпуска.

На входе в устройство ГПВРД торможение воздуха выполняется только частично, и на протяжении остального такта перемещение рабочего тела является сверхзвуковым. Большая часть кинетической исходной энергии потока при этом сохраняется, после сжатия температура относительно низкая, что позволяет освободить рабочему телу значительное количество тепла. После входного устройства проточная часть двигателя по всей своей длине расширяется. За счет сгорания топлива в сверхзвуковом потоке происходит нагрев рабочего тела, оно расширяется и ускоряется.

Этот тип двигателя предназначен для проведения полетов в разреженной стратосфере. Теоретически такой двигатель можно использовать на многоразовых носителях космических аппаратов.

Одной из главных проблем конструирования ГПВРД является организация сгорания топлива в сверхзвуковом потоке.

В разных странах начаты несколько программ по созданию ГПВРД, все они находятся на стадии теоретических изысканий и предпроектных лабораторных исследований.

 

Где применяются ПВРД

 

ПВРД не работает при нулевой скорости и низких скоростях полета. Летательный аппарат с таким двигателем требует установки на нем вспомогательных приводов, в роли которых может выступать твердотопливный ракетный ускоритель или самолет-носитель, с которого производится запуск аппарата с ПВРД.

По причине неэффективности ПВРД на малых скоростях его практически неуместно использовать на пилотируемых самолетах. Такие двигатели предпочтительно использовать для беспилотных, крылатых, боевых ракет одноразового применения благодаря надежности, простоте и дешевизне. ПВРД также применяют в летающих мишенях. Конкуренцию по характеристикам ПВРД составляет только ракетный двигатель.

 

Ядерный ПВРД

 

В период холодной войны между СССР  и США создавались проекты прямоточных воздушных реактивных двигателей с ядерным реактором.

В таких агрегатах в качестве источника энергии выступала не химическая реакция сжигания топлива, а тепло, которое вырабатывал ядерный реактор, установленный вместо камеры сгорания. В таком ПВРД воздух, поступающий сквозь входное устройство, проникает в активную область реактора, охлаждает конструкцию и сам нагревается до 3000 К. Далее происходит его истекание из сопла двигателя со скоростью, приближенной к скорости совершенных ракетных двигателей. Ядерные ПВРД предназначались для установки в межконтинентальных крылатых ракетах, несущих ядерный заряд. Конструкторы в обеих странах создали малогабаритные ядерные реакторы, которые поместились в габариты крылатой ракеты.

В 1964 году в рамках программ исследования ядерных ПВРД Tory и Pluto провели стационарные огневые испытания ядерного ПВРД Tory-IIC. Программа испытаний была закрыта в июле 1964 г., летные испытания двигателя не проводили. Предположительной причиной сворачивания программы могло послужить совершенствование комплектации баллистических ракет ракетными химическими двигателями, которые позволяли реализовать боевые задачи без привлечения ядерных  ПВРД. 

avia.pro

Смотрите также