Поршневой авиационный двигатель

Принцип работы

В основе строения турбированного двигателя лежит вал, который крутится при помощи тяги компрессора и нагнетает быстрым вращением воздух, сжимая его и направляя из статора. Попав в более свободное пространство, воздух сразу же начинает расширяться, пытаясь обрести привычное давление, но в камере внутреннего сгорания он подогревается топливом, что заставляет его расшириться еще сильней.

Единственный путь для выхода воздух под давлением — выйти из крыльчатки. С огромной скоростью он стремится на свободу, направляясь в противоположную от компрессора сторону, к крыльчатке, которая раскручивается мощным потоком, и начинает быстро вращаться, придавая тяговой силы всему движку. Часть полученной энергии начинает вращать турбину, приводя в действие компрессор с большей силой, а остаточное давление освобождается через сопло двигателя мощным импульсом, направленным в хвостовую часть.

Чем больше воздуха нагревается и сжимается, тем сильней нагнетаемое давление, и температура внутри камер. Образовываемые выхлопные газы раскручивают крыльчатку, вращают вал и дают возможность компрессору постоянно получать свежие потоки воздуха.

Атомный двигатель

В период холодной войны в мире были попытки создания атомного двигателя, за основу был взят турбореактивный двигатель. Главной задумкой ученых было создание двигателя, основанного не на химической реакции радиоактивных веществ, а на вырабатываемом тепле от ядерного реактора. Он должен был находиться на месте камеры сгорания.

В теории воздух должен был проходить через работающую зону реактора, благодаря этому реактор должен был остужаться, а температура воздуха наоборот возрастать. После чело воздух должен был расширяться и выходить через сопла (выхлоп) на этот момент скорость воздуха должна была превышать скорость полета самолета.

В Советском союзе были попытки проведения испытаний подобного двигателя, также ученные в соединенных штатах Америки, вели разработку данного двигателя, и их работа почти подходила к тестам двигателя на настоящем самолете.

Но по ряду причин разработки этого двигателя было решено закрыть. Так как у двигателя было множество недостатков, а именно:

• Пилоты были подвержены постоянному радиоактивному облучению на протяжении всего полета.
• Вместе с воздухом через сопла выходили и частички радиоактивного элемента в атмосферу.
• В том случае если самолет терпел крушение, был очень большой шанс взрыва радиоактивного реактора, что влекло за собой радиоактивное отравление на довольно большой площади.

Труды Густава Лаваля

Первым создателем турбины на пару стал Густав Лаваль, изобретатель родом из Швеции. Бытует мнение о том, что к конструированию такого механизма его привело желание обеспечить собственноручно сделанный сепаратор для молока механическим действием, выполняющимся без прямого вмешательства человеком. Двигатели тех времен не позволяли создавать необходимую скорость вращения.

Рабочим телом в машине Лаваля послужил пар. В 1889 году он сделал дополнение сопла турбин, на которые поставил конические расширители. Его труд стал инженерным прорывом, и это ясно, ведь анализ величины нагрузки, которую оказывали на рабочее колесо, показывает, что она была сверхсильной. Такое воздействие даже при малейшем нарушении привело бы к сбою в удержании центра тяжести и вызвало бы незамедлительное возникновение неполадок в работе подшипников. Избежать такой проблемы изобретатель смог при помощи использования тонкой оси, прогибающейся при вращении.

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

• 16,5 МВт — мощность на валу.
• 37% — КПД, механический привод.
• 36% — КПД, электрический (простой цикл).
• 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
• 200 000 часов — полный жизненный цикл
• выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

Десантное судно «Зубр»

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.

Установка и подключение

Установка реактивного двигателя и его подключение к системе — процесс сложный. В единую цепь необходимо подключить топливный насос, перепускные и регулировочные клапана, бак и температурные датчики. В силу воздействия высоких температур, обычно используются соединения и топливные трубки с огнеупорным покрытием. Закрепляется все самодельными фитингами, паяльником и уплотнениями. Так как трубка может быть по размеру с головку иголки, соединение должно быть плотным и изолированным. Неправильное подключение может привести к разрушению или взрыву двигателя. Принцип соединения цепи на стендовых и летающих моделях отличается и должен выполняться согласно рабочим чертежам.

Исторические факты

Идею использования реактивной тяги, которая позволила бы преодолеть силу притяжения Земли, выдвинул в 1903 году феномен российской науки – Циолковский. Он опубликовал целое исследование на данную тему, но оно не было воспринято серьезно. Константин Эдуардович, пережив смену политического строя, потратил годы трудов, чтобы доказать всем свою правоту.

Сегодня очень много слухов о том, что первым в данном вопросе был революционер Кибальчич. Но завещание этого человека к моменту публикации трудов Циолковского было погребено вместе с Кибальчичем. Кроме того, это был не полноценный труд, а лишь эскизы и наброски – революционер не смог подвести надежную базу под теоретические выкладки в своих работах.

Двигатель турбовинтовой: устройство, схема, принцип работы

Двигатель турбовинтовой принадлежит к классу газотурбинных, которые разрабатывались как универсальные преобразователи энергии и стали широко использоваться в авиации. Они состоят из тепловой машины, где расширенные газы вращают турбину и образуют крутящий момент, а к ее валу прикрепляют другие агрегаты. Двигатель турбовинтовой снабжается воздушным винтом.

Он представляет собой нечто среднее между поршневыми и турбореактивными агрегатами.

Сначала в самолеты устанавливали поршневые двигатели, состоящие из цилиндров в форме звезды с расположенным внутри валом. Но из-за того, что они имели слишком большие габариты и вес, а также низкую возможность скорости, их перестали использовать, отдав предпочтение появившимся турбореактивным установкам. Но и эти двигатели не были лишены недостатков. Они могли развивать сверхзвуковую скорость, но потребляли очень много топлива. Поэтому их эксплуатация обходилась слишком дорого для пассажирских перевозок.

Двигатель турбовинтовой должен был справиться с подобным недостатком. И эта задача была решена. Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбореактивного мотора, а от поршневого — воздушные винты. Таким образом, стало возможным совмещение небольших габаритов, экономичности и высокого коэффициента полезного действия.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.

Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

• Входное устройство
• Компрессор
• Камеру сгорания
• Турбину
• Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве В-К — процесс сжатия в компрессоре К-Г — изобарический подвод тепла Г-Т — процесс расширения газа в турбине Г-С — процесс расширения газа в сопле С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Что такое степень двухконтурности авиационного двигателя

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Степень двухконтурности» в других словарях:

Степень двухконтурности — параметр рабочего процесса турбореактивного двухконтурного двигателя (см. Параметры рабочего процесса двигателя), равный отношению расхода воздуха в наружном контуре к расходу воздуха во внутреннем контуре. С. д. является одним из основных… … Энциклопедия техники

Степень — Термин «степень» может означать: В математике Возведение в степень Декартова степень Корень n й степени Степень множества Степень многочлена Степень дифференциального уравнения Степень отображения Степень точки в геометрии Степени тысячи… … Википедия

ПВРД — Воздушно реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые … Википедия

ПуВРД — Воздушно реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые … Википедия

Турбореактивный двигатель — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

Воздушно-реактивный двигатель — (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется смесь забираемого из атмосферы воздуха и продуктов окисления топлива кислородом, содержащимся в воздухе. За счёт реакции окисления рабочее тело нагревается… … Википедия

CFM56 (двигатели) — Вентилятор двигателя CFM56 Двигатель CFM56 … Википедия

НК-93 — Макет двигателя НК 93. Частично разрезан. МАКС 2009 Тип: турбо винтовентиляторный двухконтурный (ТРДД) Страна … Википедия

АИ — Рис. 1. Поршневой двигатель АИ 14Р. АИ марка авиационных двигателей, созданных в опытном КБ под руководством А. Г. Ивченко (см. Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс»). Двигатели, разработанные под руководством его… … Энциклопедия «Авиация»

АИ — Рис. 1. Поршневой двигатель АИ 14Р. АИ марка авиационных двигателей, созданных в опытном КБ под руководством А. Г. Ивченко (см. Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс»). Двигатели, разработанные под руководством его… … Энциклопедия «Авиация»

Источник

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.