Двухконтурный турбореактивный двигатель

Виды двигателей для авиамоделей

Реактивные двигатели на авиамодели бывают нескольких основных типов и двух классов: воздушно-реактивные и ракетные. Некоторые из них устарели, другие слишком затратные, но азартные любители управляемых авиамоделей пытаются опробовать новый двигатель в действии. Со средней скоростью полета в 100 км/час авиамодели становятся только интересней для зрителя и пилота. Популярнейшие типы двигателя отличаются для управляемых и стендовых моделей, в силу разного КПД, веса и тяги. Всего типов в авиамоделировании немного:

• Ракетный;
• Прямоточный воздушно-реактивный (ПРВД);
• Пульсирующий воздушно-реактивный (ПуРВД);
• Турбореактивный (ТРД);

Ракетный используется только на стендовых моделях, и то довольно редко. Его принцип работы отличается от воздушно-реактивного. Основным параметром здесь выступает удельный импульс. Популярен из-за отсутствия необходимости взаимодействия с кислородом и возможности работы в невесомости.

Прямоточный сжигает воздух из окружающей среды, который всасывается из входного диффузора в камеру сгорания. Воздухозаборник в этом случае направляет кислород в двигатель, который благодаря внутреннему строению заставляет нагнетать давление у свежего потока воздуха. Во время работы, воздух подходит к воздухозаборнику со скоростью полета, но во входном сопле она резко уменьшается в несколько раз. За счет замкнутого пространства нагнетается давление, которое при смешивании с топливом выплескивает из обратной стороны выхлоп с огромной скоростью.

Пульсирующий работает идентично прямоточному, но в его случае сгорание топлива непостоянное, а периодичное. При помощи клапанов топливо подается только в необходимые моменты, когда в камере сгорания начинает падать давление. В своем большинстве реактивный пульсирующий двигатель совершает от 180 до 270 циклов впрыскивания топлива в секунду. Чтобы стабилизировать состояние давления (3,5 кГ/см2), используется принудительная подача воздуха с помощью насосов.

Турбореактивный двигатель, устройство которого вы рассматривали выше, обладает самым скромным расходом топлива, за счет чего и ценятся. Единственным их минусов является низкое соотношение веса и тяги. Турбинные РД позволяют развить скорость модели до 350 км/ч, при этом холостой ход двигателя держится на уровне 35 000 оборотов в минуту.

Особенности двигателя

ТВВД оснащается одним или двумя винтовентиляторами, которые одновременно нагнетают воздух в первый контур, представляющий собой обычный турбореактивный двигатель, и создает дополнительную тягу. ТВВД – это вид двухконтурных турбореактивных двигателей с очень высокой степенью двухконтурности (в среднем 20-50, но может доходить и до 90). Под степенью двухконтурности имеется в виду отношения количества воздуха, прошедшего по второму контуру, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более эффективным является двигатель.

ТВВД, как и другие представители семейства газотурбинных двигателей, состоит из компрессора, камеры сгорания топлива, газовой турбины и сопла. Кроме того, этот тип мотора имеет дополнительную турбину, приводящую в движение винтовентилятор через редуктор. В этом отношении ТВВД схож с ТВД, где воздушный винт тоже соединен с приводной турбиной через редуктор, понижающий угловую скорость вращения и увеличивающую момент, правда, лопасти винтовентилятора меньше лопастей винта почти в 2 раза и он играет немного другую роль в общей работе мотора. Турбина в двигателе вращается со скоростью, достигающей 20-30 тыс. оборотов, но ни винт, ни винтовентилятор не могут эффективно работать при такой скорости, именно поэтому и используется редуктор. Вместе с тем его наличие в конструкции – это «слабое звено». Обычно в ТВВД используются планетарные редукторы, а они считаются самыми неэффективными среди всех видов шестеренчатых передач. Они чувствительны к повышенным нагрузкам, требовательны к качеству масла и к его рабочим параметрам. Вместе с тем особенности геометрии лопастей винтовентилятора позволяют повысить его КПД до 80-90% при полетах на дозвуковых скоростях, что перекрывает все конструктивные недостатки.

ТВВД установленный на самолете АН-70

Использование

Несмотря на свою высокую эффективность, ТВВД пока не нашли массового применения в авиации. На сегодняшний день одним из немногих таких двигателей, который действительно используется на самолетах, является Д-27. Это творение Запорожского машиностроительного конструкторского бюро «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко, которое изначально планировалось устанавливать на самолеты АН-70, АН-120, ЯК-44 и БЕ-42. Из всех перечисленных этот двигатель был установлен только на самолет АН-70, который и сейчас успешно используется в гражданской авиации. Остальные же разработки были остановлены или полностью прекращены, что особенно жаль, учитывая, что аналогов Д-27 нет во всем мире.

Из других разработок ТВВД стоит также отметить Д-236 на основе Д-36 и НК-93. К сожалению, ни первый, ни второй так и не были установлены на действующие модели самолетов, а тестировались исключительно на стендах.

двигатель Д-27

двигатель НК-93

Как было отмечено выше, ТВВД в «чистом виде» представлены только моделью Д-27, но среди двигателей зарубежного производства есть модели, напоминающие их по своему строению и принципу работы. Среди них наиболее известным является GE36 (Ultra High Bypass Turbofan или Unducted fan UDF) – двигатель с открытым ротором. Это не ТВВД в привычном понимании, но все же общие черты у них есть. В случае с GE36 открытые лопасти винта расположены не перед компрессором, а на задней части корпуса двигателя, поэтому он не нагнетает воздух в первый контур, как вентилятор или винтовентилятор. Привод винта осуществляется за счет свободной турбины, а его лопасти имеют сложную саблевидную форму. Использование такого двигателя позволяет сэкономить до 35% топлива в сравнении с ТВРД, но при этом при работе он создает много шума. Пока GE36 не устанавливается на самолеты, но работы по его усовершенствованию все же продолжаются.

Двигатель General Electric GE36

ТВВД – это перспективное направление в разработке авиационных двигателей, дающее возможность экономии расхода топлива при полетах на дозвуковых скоростях без потерь мощности. Возможно, в будущем все же возобновятся работы по их конструированию и усовершенствованию.

На последок видео работы турбовинтовентиляторного двигателя в совокупи с машиной КБ Антонова АН- 70 и полет АН-70 с ТВВД Д-27.

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.

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.

Похожие патенты RU2736670C1

Строение и принцип действия ПуВРД

Устройство ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

• такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
• полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
• при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

Типы ПуВРД

Кроме обычного ПуВРД в виде прямолинейного канала с входным клапаном, что описывались выше, есть и его разновидности: бесклапанный и детонационный.

Бесклапанный ПуВРД, как понятно по его названию, не имеет входного клапана. Причиной его появления и использования стал тот факт, что клапан является довольно уязвимой деталью, которая очень быстро выходит из строя. В этом же варианте «слабое звено» устранено, поэтому и срок службы мотора продлен. Конструкция бесклапанного ПуВРД имеет форму буквы U с концами, направленными назад по ходу реактивной тяги. Один канал длиннее, он «отвечает» за тягу; второй короче, по нему поступает воздух в камеру сгорания, а при горении и расширении рабочих газов часть их выходит через этот канал. Такая конструкция позволяет осуществлять лучшую вентиляцию камеры сгорания, не допускает утечки топливного заряда через входной клапан и создает дополнительную, пусть и незначительную, тягу.

без клаппаный вариант исполнения ПуВРД

без клапанный U-образный ПуРВД

Детонационный ПуВРД предполагает сжигание топливного заряда в режиме детонации. Детонация предусматривает резкое повышение давления продуктов горения в камере сгорания при постоянном объеме, а сам объем увеличивается уже при движении газов по соплу. В этом случае повышается термический КПД двигателя в сравнении не только с обычным ПуВРД, но и с любым другим двигателем. На данный момент этот тип моторов не используется, а находится на стадии разработок и исследований.

детонационный ПуРВД

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.

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

История создания

Первые официально зарегистрированные разработки ПуВРД относятся ко второй половине XIX века. В 60-е годы сразу двое изобретателей независимо друг от друга сумели получить патенты на новый тип двигателя. Имена этих изобретателей – Телешов Н.А. и Шарль де Луврье

В то время их разработки не нашли широкого применения, но уже в начале ХХ века, когда для самолетов подыскивали замену поршневым двигателям, на ПуВРД обратили внимание немецкие конструкторы. Во время Второй мировой войны немцы активно использовали самолет-снаряд ФАУ-1, оснащенный ПуВРД, что объяснялось простотой конструкции этого силового агрегата и его дешевизной, хотя по своим рабочим характеристикам он уступал даже поршневым двигателям

Это был первый и единственный раз в истории, когда этот тип двигателя использовался в массовом производстве самолетов.

Фау-1

После окончания войны ПуВРД остались «в военном деле», где нашли применение в качестве силового агрегата для ракет типа «воздух-поверхность» КБ Южное . Но и здесь со временем они утратили свои позиции из-за ограничения по скорости, необходимости первоначального разгона и низкой эффективности. Примерами использования ПуВРД являются ракеты Fi-103, 10Х, 14Х, 16Х, JB-2. В последние годы наблюдается возобновление интереса к этим двигателям, появляются новые разработки, направленные на его усовершенствование, так что, возможно, в скором будущем ПуВРД вновь станет востребованным в военной авиации. На данный момент пульсирующий воздушно-реактивный двигатель возвращают к жизни в области моделирования, благодаря использованию в исполнении современных конструкционных материалов.

Современное исполнение ПуВРД

Достоинства и недостатки ПуВРД, сфера применения

Основными преимуществами пульсирующих воздушно-реактивных двигателей можно считать их простую конструкцию, что тянет за собой их невысокую стоимость. Именно эти качества и стали причиной их использования в качестве силовых агрегатов на военных ракетах, беспилотных самолетах, летающих мишенях, где важны не долговечность и сверхскорость, а возможность установки простого, легкого и дешевого мотора, способного развить нужную скорость и доставить объект к цели. Эти же качества принесли ПуВРД популярность среди любителей авиамоделизма. Легкие и компактные двигатели, которые при желании можно сделать самостоятельно или же купить по приемлемой цене, прекрасно подходят для моделей самолетов.

Недостатков у ПуВРД немало: повышенный уровень шума при работе, неэкономный расход топлива, неполное его сгорание, ограниченность по скорости, уязвимость некоторых конструктивных элементов, таки как входной клапан. Но, несмотря на такой внушительный перечень минусов, ПуВРД по-прежнему незаменимы в своей потребительской нише. Они – идеальный вариант для «одноразовых» целей, когда нет смысла устанавливать более эффективные, мощные и экономичные силовые агрегаты.

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАТЕРИСТИКИ

«Секретные документы. Только для высшего командования»

Истребитель с вращающимся крылом и силовой установкой Лорена

Общие данные

Бад-Айльзен, 15.9.1944 года.    Подпись: