Как работает двигатель самолета: что надо знать

Содержание

Теперь коснемся ТРДД

Именно они устанавливаются на современных «Эйрбасах» и «Боингах». Принцип их работы не отличается от принципа работы ТРД. Но конструктивно они сложнее, а их КПД выше.

Отличие заключается в том что трдд имеет два контура — внутренний и внешний.

Внутренний контур конструктивно такой же как и у TРД. Внешний контур не имеет камера сгорания и турбины — это канал с соплом в конце. Компрессор расположен после входного устройства и обслуживает оба контура.

Воздух проходит через компрессор низкого давления и делится на 2 потока. Один поток идёт по внутреннему контуру, где происходит тоже самое, что и в TРД. Второй поток  идёт во внешний контур. При этом происходят только гидравлические потеря энергии воздуха (трение). Затем воздух попадает в сопло внешнего контура и создает мощную тягу (до 80% всей тяги двигателя).

Главной характеристикой ТРДД является степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внутреннем контуре, к расходу воздуха во внешнем контуре. Это отношение может быть больше единицы или меньше.

Если это отношение больше 2-х единиц, то такие двигатели называет турбовентиляторными.

Самые современные двигатели имеют отношение в 12 единиц.

В настоящее время больше используются ТРДД. Они более эффективны экономичны.  Широко применяются для  истребителей-перехватчиков и для гигантских коммерческих и военно-транспортных самолетов.

Особенности турбовинтовых двигателей

После турбины часть энергии газа направляется на вращение компрессора, а другая часть через редуктор на вращение винта для создания тяги. Только десятая часть оставшейся энергии превращается в реактивную тягу, проходя через сопло.

Редуктор служит для того, чтобы понизить обороты, передаваемые на винт. Дело в том, что турбина вращается с частотой до 10 000 оборотов в минуту, а на винт нужно подавать не более 1 500 оборотов в минуту. К тому же винт обладает достаточно большой массой.

Имеются турбовинтовые двигатели с другой конструкцией. На них устанавливается свободная турбина. Её размещают за турбиной компрессора. Она имеет только газодинамическую связь с турбиной компрессора, поэтому и называется свободной. Свободная турбина установлена на одном валу с редуктором и винтом. В остальном принцип работы тот же. Такие ТВД можно использовать на земле как вспомогательные, при этом, не приводя в движение винт. Широко используются в транспортной и гражданской авиации.

Особенности турбовальных двигателей (ТВД)

Такими двигателями оснащаются современные вертолеты. Конструктивно они похожи на турбовинтовые двигатели. У них есть компрессор, камера сгорания, турбина компрессора, за ней расположено свободная турбина. Она не имеет механической связи со всей предыдущей конструкцией — только газодинамическую.

Обороты несущего винта очень низкие. Также от главного редуктора идёт вал, который через концевой и хвостовой редуктора передает вращение на хвостовой винт. Какие схемы используются на вертолётах конструкции Миля. На Камовских вертолётах применяется хаосная схема — там отсутствует хвостовой винт, но имеется два несущих винта. Один винт вращается по часовой стрелке, другой — против часовой.

Мы коснулись только авиационных двигателей, которые массово применяются в авиации на сегодняшний день. Имеются и другие конструкции, которые по разным причинам почти не используются. Ещё имеется класс ракетных двигателей.

Ульфберт, меч викингов

Особенности авиационных двигателей

Подробности

Категория: Человек и небо

Опубликовано 30.07.2014 10:51

Просмотров: 7625

Двигатель называют сердцем самолёта. И это действительно так. Ведь без него самолёт перестанет быть самолётом. Чем мощнее двигатель, тем быстрее самолёт преодолеет силу сопротивления воздуха и тем большую скорость он сможет развить.

«Но то же самое можно сказать и об автомобиле», — возразите вы. И будете правы. Без двигателя ни самолёт, ни автомобиль не смогут двигаться.

Для чего же нужен двигатель?

Любой двигатель, авиационный или автомобильный, предназначен для создания тяги. И принцип работы у них почти одинаков. Но авиационные двигатели всё-таки имеют свои особенности. Они отличаются от автомобильных размерами и меньшим удельным весом, то есть, весом, приходящимся на единицу мощности. Удельный вес авиационных двигателей в десятки и даже сотни раз меньше удельного веса автомобильных. Ну и, конечно же, в авиации они выполнятся из более лёгких и прочных материалов. Конструкция авиационного двигателя такова, что он может надёжно работать в любом перевёрнутом положении, ведь самолёту иногда приходится выполнять различные манёвры в воздухе. И ещё одна его важная особенность – возможность устойчиво работать, не теряя мощность, на высоте, когда падают плотность и давление воздуха.

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.

Принцип работы турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель технологически очень сложное изделие, но работающее по довольно простому и понятному принципу. Расскажем, о его устройстве и какие процессы и как в нём протекают. Сначала разберёмся с терминами. Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan, причём англоязычный мир имеет под словом turbofan абсолютно любой двухконтурный турбореактивный двигатель.

При этом они разделяют их с низкой и высокой степенью двухконтурности соответственно, а степень двухконтурности – это параметр, который показывает отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу во внутреннем. Итак, неотъемлемое свойство турбовентиляторного двигателя высокая степень двухконтурности – для современных изделий от 4 и выше.

Чтобы как можно больше воздуха расходовать через внешний контур используется вентилятор большого диаметра, энергия для его вращения появляется за счёт работы внутреннего контура и в этом заключается суть работы турбовентиляторного двигателя, где с помощью вентилятора создаётся около 80% всей тяги.

Рассмотрим типичное устройство и как это работает. Турбовентиляторный двигатель имеет внешний и внутренний контуры. На входе в двигатель имеется вентилятор большого диаметра, который подаёт воздух в оба контура, устройство внутреннего контура подобно обычному турбореактивному двигателю, который состоит из компрессора, турбины, камеры сгорания и реактивного сопла.

Сначала воздух, немного увеличив давление, после вентилятора попадает в компрессор низкого давления, затем он попадает в компрессор высокого давления, который вращается в несколько раз быстрее. После прохождения обоих компрессоров, воздух, сжатый более чем в 30 раз и сильно нагретый от высокого давления попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, которое подаётся с помощью форсунок и поджигается. Далее раскалённый газ с температурой около 1600 градусов и выше начинает совершать полезную работу.

Сначала он попадает в турбину высокого давления, которая заставляет вращаться, находящийся с ней на одном валу компрессор высокого давления. Затем, потратив часть энергии и снизив свою температуру, раскаленный газ попадает в турбину низкого давления, которая находится на одном валу с компрессором и вентилятором. Потеряв большую часть энергии, раскалённый газ попадает в сопло и совершает последнее полезное действие – создаёт реактивную тягу. Таков принцип работы внутреннего контура, который создаёт лишь 20% всей тяги вентиляторного двигателя.

Принцип работы внешнего контура. Турбина низкого давления, находящаяся на одном валу с вентилятором, заставляет его вращаться, воздух, пройдя через лопатки вентилятора и немного увеличив своё давление, проходит через спрямляющий аппарат, его неподвижные лопатки поворачивают поток воздуха в осевом направлении, заодно повышая его давление. Затем воздушный поток попадает в сопло, где создаётся реактивная тяга.

Вот и весь принцип работы вентиляторного двигателя. Разумеется, каждый конкретный двигатель имеет свои особенности и различия, больше всего они касаются устройства внутреннего контура, но схема исполнения всегда остаётся плюс минус одинаковой. Обычно разница заключается в количестве ступеней компрессора и турбины, также помимо двухвальной схемы используется и трёхвальная, когда вентилятор и компрессор низкого давления больше не связаны, в таком случае используется промежуточная турбина, которая вращает только компрессор низкого давления на отдельном валу.

Ещё один способ увеличения эффективности конструкции – это установка редуктора на валу, который соединяет турбину низкого давления и вентилятор, такое решение позволяет им работать на оптимальных для себя режимах. Устройство внешнего контура также может иметь заметные отличия. При относительно небольшой степени двухконтурности в двигателе может использоваться смешение потоков, где газ из обоих контуров попадает в единую камеру сгорания и покидает через общее сопло.

Но, такая схема не подходит для более габаритных двигателей с высокой степенью двухконтурности, так как масса двигателя значительно вырастет, поэтому практически во всех вентиляторных двигателях потоки не смешиваются и длина внешнего контура всегда меньше внутреннего. Вот собственно и всё – таков принцип и способы повышения эффективности работы турбовентиляторного двигателя.

Источник

Таможенные ограничения

Турбореактивный двигатель — плюсы и минусы

Служебный роман

Самолетные двигатели в СССР интересовали, конечно, не только фанатиков скорости. Турбинами в НАМИ занимались еще с конца 1920‑х годов. А первым отечественным автомобилем с газовой турбиной стал в 1959‑м Турбо-НАМИ‑053.

Турбо-НАМИ‑053, первый советский автомобиль с газовой турбиной, сделали на основе автобуса ЗИЛ‑127.

Кузов для экспериментальной машины позаимствовали у междугороднего автобуса ЗИЛ‑127. Мест там осталось лишь десять, всё остальное пространство занимала измерительная аппаратура. Турбина развивала 360 л.с. - в два раза больше, чем штатный ярославский дизель, - и работала в паре с двухступенчатой автоматической коробкой передач.

Автобус массой 13 000 кг разгонялся до совершенно фантастических для машин этого класса 160 км/ч. Он прошел 5000 км на бензине, керосине, дизельном топливе и в целом показал себя очень неплохо. Легко заводился в мороз, температура двигателя достигала уровня рабочей буквально через минуту, а значит, и печка начинала подавать в салон тепло. Это для нашей страны особенно актуально. Но расход топлива был слишком высок (в открытой печати его благоразумно не приводили), а турбина, как водится, раскручивалась с существенной задержкой.

Экспериментальный самосвальный автопоезд БелАЗ-Э549В‑5275 грузоподъемностью 120 тонн с вертолетным двигателем мощностью 1200 л.с.

Первоначально у прототипа КрАЗ-Э260Е 1972 года с газовой турбиной ГАЗ‑99ДМ мощностью 350 л.с. был длинный «нос». Потом установку сумели разместить под штатным капотом.

Существовала еще и проблема пыли, очень вредной для турбины, поэтому воздух в двигатель НАМИ‑053 поступал через сопло, расположенное на крыше автобуса. Впрочем, позднее эту проблему, в том числе и на танках, научились решать более совершенными фильтрами. Кстати, в 1976 году в СССР приняли на вооружение первый в мире танк с газотурбинной силовой установкой мощностью 1000 л.с. - Т‑80. Но вернемся к колесным машинам.

Мощными и всеядными моторами, естественно, заинтересовались заводы, производящие тяжелые грузовики, и, конечно, военные. Турбины в качестве эксперимента ставили на ракетовозы ЗИЛ‑135Г, на МАЗы. Ведь «изделия», как писали в документах, а попросту — ракеты, которые предстояло перевозить, становились всё больше и тяжелее.

Последний советский автомобиль с турбиной (1250 л.с.) и электрической трансмиссией — МАЗ‑7907.

Испытывали газовые турбины также на КрАЗа и БелАЗах. Основные проблемы возникали с трансмиссией: ни одна не выдерживала нагрузки. Поэтому, в частности, МАЗ‑7907, ставший вершиной этого направления советского автопрома, получил электрическую трансмиссию с отдельным приводом на каждое из 24 (!) колес. Чудище длиной более 28 метров имело сочлененную раму, массу 68 500 кг и было рассчитано на перевозку 150 тонн груза. Трехвальная турбина развивала 1250 л.с. В 1985 году построили два таких монстра. Их слабым местом вновь оказалась трансмиссия. На этом история отечественных автомобилей с газовыми ­турбинами и закончилась.

Концепт-кар Jaguar C-X75 — гибридный «газотурбиноэлектромобиль».

А есть ли вообще у этой темы перспективы? В 2010 году показали концептуальный суперкар — гибридный Jaguar C-Х75 с четырьмя электромоторами (по одному на колесо) и двумя турбинами по 94 л.с. каждая. Суммарная мощность — около 800 л.с. Чудесно! Но это не более чем шоу-кар типа тех, что показывали еще полвека назад.

В особо сложных условиях

Как устроен стандартный турбореактивный (ТРД) двигатель? Отвечает авиатехник

Стандартная схема турбореактивного двигателя выглядит следующим образом: входное устройство, компрессор, камера сгорания, газовая турбина и конечно же — выходное устройство.

Входное устройство ТРД служит для подвода воздуха к компрессору двигателя. За счет наличия входного устройства, происходит повышение давления воздуха перед компрессором.

Далее происходит повышение давления воздуха в самом компрессоре. На ТРД применяются центробежные и осевые компрессоры.

Для осевого компрессора характерны следующие процессы: при вращении ротора осевого компрессора, его рабочие лопатки воздействуют на поток воздуха, закручивая его, после чего поток двигается вдоль оси в сторону выхода из компрессора.

При работе центробежного компрессора, его рабочее колесо вращается, поток воздуха в этот момент попадает на его лопатки. Под действием центробежных сил воздух движется к периферии.

Осевые компрессоры нашли широкое применение в современной авиации.

Осевой компрессор состоит из ротора (часть, которая вращается) и статора (неподвижная часть компрессора). Ротор состоит из нескольких рядов рабочих лопаток, расположенных по окружности. Чередуются вдоль оси вращения.

Существуют три типа роторов: барабанные, дисковые и барабаннодисковые.

Статор компрессора состоит из кольцевого набора профилированных лопаток. Крепятся к корпусу. Таким образом у компрессора образуются ступени, которые состоят из неподвижных лопаток (спрямляющий аппарат) и ряда рабочих лопаток.

В современной авиации используются многоступенчатые компрессоры, которые способствуют увеличению процесса сжатия воздуха.

Ступени компрессора устанавливаются таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени. Направление воздуха зависит от расположения спрямляющего аппарата. Также, перед компрессором устанавливается направляющий аппарат, который, в свою очередь, аналогично СА отвечает за направление потока воздуха в компрессор. Далеко не на всех ТРД имеется в наличии направляющий аппарат.

Одним из главных элементов ТРД является камера сгорания. Она расположена за компрессором. Существует несколько типов КС: трубчатые, кольцевые и трубчато-кольцевые.

Трубчатая КС состоит из жаровой трубы и наружного кожуха, соединенных между собой. В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные форсунки и завихритель, который служит для стабилизации пламени.

В жаровой трубе имеются отверстия для подвода воздуха, которые уменьшают перегрев.

Воспламенение ТВС происходит за счет специальных запальных устройств. Жаровые трубы между собой соединяются с помощью патрубков, которые обеспечивают поджигание смеси сразу во всех камерах.

Кольцевая КС выполняется в форме кольцевой полости, которая образуется наружным и внутренним кожухами камеры. В передней части кольцевого канала располагается жаровая труба, в носовой части — завихрители и форсунки.

Трубчато-кольцевая КС состоит из внутреннего и наружнего кожухов, которые образуют кольцевое пространство, внутри которого имеются индивидуальные жаровые трубы.

Для осуществления привода компрессора турбореактивного двигателя служит газовая турбина (осевая на современных двигателях). Могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (до 6 ступеней). Турбина состоит из нескольких рабочих колес с рабочими лопатками (диски), а также основным узлом турбины является сопловой (направляющий) аппарат.

Рабочие колеса турбины крепятся к валу, образуя ротор. Перед рабочими лопатками каждого диска устанавливаются неподвижные сопловые аппараты. Также как и с компрессором, в совокупности эти элементы образуют ступени турбины.

Выпускное устройство состоит из выпускной трубы внутреннего конуса, стойки и реактивного сопла. Существуют сопла с регулируемым и нерегулируемым выходным сечением.

Про работу ТРД я расскажу в одной из следующих статей!

Источник

Работа реактивного двигателя

Реактивное движение – это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя.

Представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Газовые пистолеты семейства иж

Большинство газового оружия семейства ИЖ (в народе обзываются «ёжиками») созданы на базе боевых пистолетов ИЖМАША, являются газовыми травматического действия. ИЖ-76 8мм (IZH-76) Является одним из первых российских газовых пистолетов. Создан ижевскими специалистами на базе пистолета Reck G5 (Perfecta Mod. FB1 8000). внешний вид газового пистолета ИЖ-76 Работа автоматики на принципе использования энергии отдачи затвора.

Внутри ствол усилен стальным вкладышем, имеющим перемычки. Магазин съемный, коробчатый, на 5 патронов. Данное оружие России собрало много негативных отзывов.

Участие Eurofighter Typhoon в индийском тендере MMRCA

Конструкция поршневого ДВС

Основные элементы ДВС

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих основных элементов:

• поршень — возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов;
• поршневые кольца выполняют функцию уплотнителей;
• шатун и коленчатый вал осуществляют преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент;
• поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и шатуна;
• впускной и выпускной клапаны открывают цилиндр для входа смеси (впускной] и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения;
• топливная форсунка обеспечивает распыл топлива;
• свеча зажигания создает искру, которая поджигает топливовоздушную смесь;
• блок цилиндров — силовой корпус, объединяющий цилиндры и обеспечивающий их охлаждение.

Сгорание топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, где поджигается смесь топлива и воздуха, под действием давления получившихся газов происходит поступательное движение поршня. Образовавшаяся при этом тепловая энергия превращается в механическую. Это движение поршня, в свою очередь, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя через шатун, являющийся связующим звеном между цилиндром с поршнем и коленчатым валом.

Коэффициент полезного действия современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, то есть большая часть энергии, получаемой при сгорании топлива, превращается в тепло, которое необходимо отводить из двигателя. Эту функцию выполняет система охлаждения.

Схемы двигателей со временем усложнялись, появились моторы 4-, 6-, 8-цилиндровые; рядные и V-образные; с жидкостным охлаждением или воздушным .

Мощность зависела в основном от объёма цилиндров. Но с увеличением объёма цилиндров (или их количества) росла масса двигателя.

О комплектации

Принцип работы двигателя самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.