Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.
Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька.
В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии.
От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.
Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета.
Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом.
После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.
Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.
K. Aainsqatsi / wikipedia.org
Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.
Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности.
Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор.
Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.
Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру.
На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.
В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности.
Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление).
В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.
Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки.
Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть.
Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.
Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час.
Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже.
Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.
Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300
Boeing
Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.
Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур.
Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны.
Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором
Hamilton Sundstrand Corporation
Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.
Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором.
В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете.
Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.
Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно.
По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором.
В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором
avia-simply.ru
Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составить около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняются недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.
Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором.
Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70.
В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.
Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию.
Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.
В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее.
Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором.
Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.
Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа.
Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56.
Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale.
С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки.
Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.
Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы).
Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.
Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет.
Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность.
Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.
Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.
С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным.
Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли.
Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.
Василий Сычёв
Влияние вращения пропеллера на рысканье и тангаж
Думаю, вы уже знаете, что вращение пропеллера каким-то образом влияет на положение самолета в пространстве, что влияние это обычно нежелательно и с ним необходимо что-то делать.
Обычно, в качестве причины этого воздействия называют «момент винта», но часто добавляют что-то и про «обдув хвоста». Иногда упоминается также «правило буравчика» – хотя это, на мой взгляд, уже совсем за гранью добра и зла.
🙂 А курсанты обыкновенно кивают и делают вид, что им все понятно.
Если вы из тех, кому уже все понятно – не задерживайтесь на этой страничке. Для остальных я попробую объяснить это как-нибудь попонятнее, на пальцах.
ВАЖНО: вращение пропеллера обеспечивает сразу четыре различных по природе эффекта, влияющих на положение самолета в пространстве. Два из них более заметны на земле, а два других – в воздухе. Вот они:
- Момент винта
- Обдув вертикального оперения
- Асимметрия тяги винта
- Гироскопический момент (прецессия)
Момент винта (Torque) – это реакция самолета на раскручивание своего же собственного винта. Третий закон Ньютона в действии. Мы раскручиваем винт в одну сторону, а он, в отместку, «раскручивает» нас в обратную. По счастью, мы тяжелее и всегда побеждаем. Но все же немного кренимся.
Людям, имевшим дело с автомобильными моторами, нетрудно вспомнить, что при резкой даче газа, двигатель, работавший до этого на холостом ходу, заметно отклоняется в сторону на своих эластичных подушках.
То же самое делает и двигатель самолета, которому дали взлетный режим, и его реакция передается на фюзеляж.
Только у самолета этот эффект усиливается как массой винта, так и существенным сопротивлением воздуха, им возмущаемого.
Рис. 1: Момент винта (Torque)
Как же этот реактивный момент сказывается на направлении движения самолета? Больше всего его влияние заметно не в воздухе, а на земле, в момент дачи взлетного режима. Самолет немного кренится, что приводит к неравномерному обжатию пневматиков, а это, в свою очередь, способствует уводу в сторону более нагруженного колеса. Только-то и всего.
Обдув вертикального оперения (Slipstream) – это вторая и куда более значительная причина увода самолета в сторону на разбеге. Именно поэтому «на разбеге Цессну тянет влево» (один из реальных поисковых запросов, приведших кого-то на мой сайт). Российские ЯКи, кстати, тянет вправо, т.к. у них воздушный винт вращается в другую сторону.
Почему так происходит? Да все очень просто. Наверное, вы обращали внимание, что самолет в целом довольно симметричная штуковина? Симметричный фюзеляж, два одинаковых крыла и симметричный горизонтальный стабилизатор.
Но есть один элемент, выделяющийся своей асимметрией – это стабилизатор вертикальный, торчащий только вверх. Вообще-то, и он мог бы быть симметричным: аэродинамике это не вредит, но взлетно-посадочные характеристики ухудшаются. Такой самолет цеплял бы хвостом за землю на взлете и посадке.
Ясно, что это никуда не годится, поэтому вертикальный стабилизатор (c рулем направления) всегда только один, сверху.
В то же время, воздух, отбрасываемый пропеллером назад к хвосту, двигается не прямолинейно, а сильно закручивается, вращаясь ВОКРУГ самолета. Одна часть этого воздуха «нажимает» на вертикальный стабилизатор, отклоняя хвост в сторону, а другая часть беспрепятственно пролетает под хвостом снизу. Вот эта разность давлений на вертикальный стабилизатор и обеспечивает увод самолета в сторону.
Рис. 2: Обдув вертикального оперения (Slipstream)
Само собой, что чем больше тяги развивает двигатель, тем больше воздуха отбрасывается назад и тем сильнее воздействие на вертикальный стабилизатор. Именно это происходит на взлете, когда тяга максимальна.
Хуже того, при малой воздушной скорости на первом этапе разбега эффективность руля направления еще совсем невелика, и для коррекции увода самолета приходится давить на педаль чуть ли не до упора.
По мере увеличения скорости на разбеге эффективность руля растет и нажатие на педаль постепенно ослабляют.
Ослабить давление на педаль важно и в другом случае: когда самолет еще находится в воздухе на выравнивании и постановка малого газа приводит к внезапному исчезновению эффекта обдува вертикального стабилизатора. Если этого не сделать, то самолет вильнет в сторону в этот весьма неподходящий момент.
Иногда, особенно при посадках с боковым ветром, приходится даже давать противоположную ногу, чтобы избежать касания ВПП с боковой нагрузкой на шасси. Но это нельзя делать чисто механически: нажатие на педаль должно ровно таким, чтобы ось самолета стала параллельна оси полосы — и не более того.
Поскольку влияние обдува вертикального оперения складывается с влиянием момента винта (см. выше), то эти эффекты часто путают или упоминают только один из них: «обдув» или «момент». Тем не менее, технически, это два различных эффекта.
Асимметрия тяги винта. Этот эффект тем заметнее, чем больше угол кабрирования самолета. Набор высоты после взлета – наилучший пример такой ситуации. В данном случае асимметрия тяги всегда приводит к сильному скольжению самолета и требует повышенного внимания и активного противодействия со стороны летчика.
Почему же возникает этот эффект? Ведь воздушный винт – симметричен? Здесь мне, возможно, придется разрушить чье-то ошибочное представление о движении самолета в наборе высоты.
Обычно люди забывают, что «относительный ветер» (relative wind) далеко не всегда параллелен продольной оси самолета. На самом деле, в наборе высоты самолет летит не «носом вперед» а, скорее, «брюхом вперед».
Так получается и из-за большого угла атаки при малой воздушной скорости, и из-за того, что вектор тяги в наборе всегда направлен несколько вверх, чтобы тянуть самолет «в горку».
Рис. 3. Причина асимметричности тяги винта
При этом всегда получается, что нисходящая лопасть пропеллера имеет больший угол атаки, чем восходящая. Если вам трудно это представить, то просто поверьте, что это так.
Поскольку углы атаки лопастей получаются разными, то и тяга, развиваемая лопастями, – тоже разная. В результате, самолет уводит в сторону, точнее он скользит, летит боком, что потенциально опасно при большом угле атаки в наборе. Тут надо следить за шариком «в оба» и давить на педаль – иного выхода нет.
При переходе к горизонтальному полету нажатие на педаль надо ослабить, поскольку асимметрия тяги винта в этом режиме существенно уменьшается. Она может и совсем исчезнуть, если ось вращения винта полностью совпадет с направлением относительного ветра.
Последнее вполне возможно в реальном полете, т.к. крыло обычно устанавливается под некоторым углом к продольной оси фюзеляжа. Т.е.
самолет может лететь абсолютно горизонтально (и с симметричной тягой), а угол атаки крыла при этом будет составлять, допустим, 3 градуса, что достаточно для поддержания горизонтального полета.
Рис. 4: Абсолютно симметричная тяга как частный случай
Гироскопический момент или прецессия (Gyroscopic Precession) – наверное, самый сложный для понимания, тем не менее интереснейший физический феномен. По сути, воздушный винт – это самый большой гироскоп, установленный на самолете.
К нему применимы все законы, которым подчиняются гироскопы, в частности – прецессия. Каждый раз, при попытке отклонить ось гироскопа в какой-нибудь плоскости, гироскоп стремится самостоятельно отклониться в другой плоскости, перпендикулярной первой.
Проблема в том, что совершенно невозможно запомнить, в какую именно сторону во второй плоскости пытается отклониться гироскоп. 🙂
Чтобы понять суть процесса из объяснения, данного в советской «Практической аэродинамике», мне пришлось прочитать его раз десять. Но поскольку лучшего объяснения я все равно написать не смогу, привожу его полностью, мужайтесь:
Рис. 5: К объяснению гироскопического действия воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55
«Допустим, что масса воздушного винта левого вращения самолетов Як-52 и Як-55 сосредоточена в двух грузах 1 и 2 (Рис. 5).
В момент, когда воздушный винт находился в вертикальном положении, летчик отклонил ручку управления на себя, что привело к поднятию относительно горизонта капота самолета. Поднятие капота самолета приведет к возникновению скорости грузов и относительно поперечной оси Z, дополнительно к имеющейся уже окружной скорости относительно продольной оси X.
Когда грузы займут горизонтальное положение, то по инерции они будут стремиться сохранить приобретенную скорость и при поднятии капота относительно горизонта.
В результате действия этих скоростей грузов (направленных в противоположные стороны-груза 1′ назад, груза 2′ вперед) возникает момент, называемый гироскопическим моментом воздушного винта Му.
гир, под действием его самолет начинает разворачиваться влево (при воздушном винте левого вращения)».
- Чем хороша западная школа – она умеет просто и на пальцах объяснять всем, даже полным идиотам, вещи, которые в России ставят в тупик далеко не глупых студентов МАИ. Так что вот вам в помощь буржуйская картинка:
- Рис. 6: Гироскопический эффект винта самолета
- Зато советская школа всегда докопается до самых мелких деталей – и вот оно! Прекрасная диаграмма (вид из кабины), помогающая летчику запомнить, в каком именно направлении будет действовать гироскопический эффект при изменении положения капота:
Рис. 7: Гироскопическое действие воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55
«Реакция самолета, возникающая при отклонении рулей из-за действия гироскопического момента воздушного винта, зависит от направления перемещения капота самолета (Рис.7).
Таким образом, направление перемещения капота самолета относительно горизонта при действии гироскопического момента воздушного винта находится путем перемещения его на 90° вокруг оси воздушного винта в сторону вращения».
Вот, собственно, и вся премудрость. Только помните: диаграмма выше – это вид именно из кабины, а не вид на самолет спереди. И имейте в виду, что в Цессне и других западных самолетах, винт вращается в другую сторону, значит, и уводить самолет будет в обратном направлении, «в сторону вращения».
Гироскопический момент, также как и асимметрия тяги винта, штука довольно неприятная. Она особенно мешает в виражах, когда ось вращения винта непрерывно отклоняется в течение длительного времени.
На ЯК-18Т, например, в правом развороте самолет все время забрасывает вверх метров на 20, а в левом — всегда теряет высоту.
Также гироскопический момент весьма заметен на самолетах с хвостовым колесом, где на разбеге необходимо сначала оторвать хвост от земли движением штурвала от себя. Ось вращения пропеллера отклоняется на весьма большой угол, и вот тут-то самолет и виляет в сторону.
Не самый удачный момент, надо отметить. К счастью, самолеты с носовой стойкой избавлены от этой особенности. Тем не менее, в воздухе резкое изменение тангажа может привести к сильному скольжению – будьте начеку!
Что ж… Надеюсь, что с влиянием пропеллера на поведение однодвигательного самолета мы разобрались. Про особенности многодвигательного самолета я со временем расскажу отдельно.
Технические параметры и устройство винта самолета
Винт самолета (пропеллер) представляет собой агрегат, приводимый в действие двигателем. За счет вращения возникает тяговая сила, заставляющая летательный аппарат двигаться. Винтовые самолеты обладают как преимуществами, так и недостатками. Они гораздо экономичнее реактивных аналогов, однако при этом у них имеется ряд конструктивных ограничений.
Зачем самолету винт?
Самолетный винт ответственен за преобразование крутящего момента двигателя в тяговую силу. Сочетание двигателя с пропеллером именуется винтомоторной установкой. Винт состоит из лопастей, которые при вращении захватывают воздух и отбрасывают его назад.
Воздушные винты подразделяются на тянущие и толкающие. При создании самолетов толкающие пропеллеры применяются крайне редко. Винтовые изделия применяются также для создания вертолетов, винтокрылов, винтопланов и автожиров. Для их поднятия в воздух используются несущие и рулевые изделия.
Отдельно стоит выделить винтопланы, которые сочетают в себе характеристики самолета и вертолета за счет поворотных двигателей. Лопасти несущих винтов винтоплана могут преобразовывать крутящий момент как в тянущую, так и в подъемную силу.
Пропеллер состоит из ступицы и лопастей. Количество лопастей может быть от 2 до 8. Изделие создается из высокопрочного материала. Как правило, используется термообработанный алюминиевый сплав. Скорость вращения воздушного пропеллера может составлять 1200 оборотов в минуту, поэтому для создания применяются максимально прочные материалы.
Среди основных технических характеристик изделия выделяют:
- угол установки лопастей;
- шаг;
- угол атаки;
- поступь.
Работа пропеллера приводит к появлению разворачивающего эффекта. Среди причин появления данного эффекта выделяют реактивный и гироскопический момент винта, а также закручивание струи воздуха. Для того чтобы противостоять разворачивающему эффекту, винтовые самолеты делаются асимметричными.
Тяга воздушных винтов варьируется за счет изменения оборотов двигателя или шага винта. Изменение шага позволяет изменять тягу, не меняя оборотов двигателя. Стоит отметить, что увеличение оборотов, и как следствие, ускорение вращения пропеллера, считается наиболее быстрым способом увеличить тягу.
КПД воздушных винтов составляет примерно 85%. КПД называется отношение полезной мощности к мощности двигателя. Несмотря на высокий КПД, у них имеются недостатки, среди которых выделяют повышенный уровень шума и так называемый эффект запирания (тяга винта после определенных оборотов двигателя перестает увеличиваться, несмотря на возрастание мощности).
Виды самолетных винтов
Для создания винтовых самолетов практически всегда применяются только тянущие варианты. В более редких случаях можно встретить самолеты с толкающими пропеллерами. Толкающие винтовые изделия располагаются в задней части самолета. Стоит отметить, что КПД тянущего винта больше, чем у толкающего.
Несущий вид не встречается на самолетах. Исключением является гибрид, который именуется винтопланом. Лопасти несущих винтов конвертоплана обладают большей длиной. Их примерный размер сопоставим с лопастями вертолета.
Винты с разным количеством лопастей
Лопастной винт самолета должен обладать высокой прочностью и надежностью. Для создания безопасных воздушных суден применяются винтовые изделия с регулируемым шагом, который позволяет изменять положение лопастей. При необходимости это позволяет осуществить флюгирование, чтобы уменьшить лобовое сопротивление при отказе двигателя.
На современном самолете может быть до 4 винтомоторных установок. Средняя скорость винтовых самолетов составляет 500 километров в час. Быстрейшим турбовинтовым самолетом считается Ту-95.
Преимущества и недостатки
Среди главных преимуществ выделяют высокий коэффициент полезного действия и низкий расход топлива у винтовых самолетов. Среди недостатков использования винтомоторных установок выделяют:
- низкую скорость судна;
- высокую шумность;
- ограничения эксплуатационного характера.
Из-за низких скоростей винтовых самолетов их применяют только для ограниченного ряда задач. Турбовинтовые самолеты практически не применяются в пассажирской авиации. В большинстве случаев их используют для транспортировки грузов.
Как пулемет стреляет через винт самолета?
Первые военные истребители были винтовыми. Авиационные инженеры столкнулись с проблемой вращающегося пропеллера. Покрывать огнем цели, находящиеся во фронтальной области, было невозможно. Первое решение проблемы — металлические уголки на лопастях. Если пуля попадала в лопасти, то она рикошетила, при этом не нанося вреда винтовому изделию и экипажу самолета.
Более продвинутое решение изобретено нидерландским авиаконструктором. Для решения поставленной задачи стал использоваться синхронизатор стрельбы. Посредством этой разработки полностью решалась проблема.
Стрельба велась только в нужный момент, когда лопасти винтового изделия не мешали выстрелу. Специализированный синхронизатор определял момент вылета пули.
Синхронизатор стрельбы уменьшал скорострельность, но при этом позволял вести огонь прямо через лопасти винта несущегося самолета.
На современных истребителях используются реактивные двигатели, поэтому потребности в применении синхронизаторов нет. Винтовые гражданские и военные самолеты не несут на себе пулеметов, поэтому эта проблема их тоже не касается.
Отличия винта от пропеллера
Воздушные винты и пропеллеры являются равнозначными понятиями в авиации, однако винтовые изделия используются во многих других сферах. Лопастные изделия используются при создании:
- кораблей;
- ветряных мельниц;
- турбин;
- гидроэлектростанций.
Пропеллером называются только винтовые изделия, которые применяются для создания самолетов. Например, лопасть несущего винта вертолета нельзя назвать пропеллером. Зная об основных отличиях, можно будет легко классифицировать изделие.
Перспективные разработки
Авиаконструкторы стараются избавиться от недостатков винтовых самолетов. Среди наиболее перспективных разработок выделяют:
- турбовентиляторный двигатель;
- саблевидные лопасти;
- разработка сверхзвуковых воздушных изделий.
Разработка турбовентиляторного двигателя — реализованный проект, который позволил получить высококачественные двигатели. Многие турбовентиляторные двигатели сейчас используются на пассажирских авиалайнерах. Эти двигатели отличает повышенная экономичность, что является существенным фактором в пассажироперевозках.
Для решения проблемы эффекта запирания крутящий момент двигателя разделяется между двумя соосными винтовыми изделиями. Таким образом достигается более высокая скорость при полете. Наиболее успешным самолетом, который использует данный метод, считается Ту-95. Стоит отметить, что для решения проблемы реактивных моментов на вертолете также используются соосные лопасти несущих винтов.
Создание усовершенствованных винтомоторных установок ведется до сих пор, однако составить конкуренцию турбовентиляторным или реактивным вариантам они не могут. Несмотря на это, винтовые судна обладают некоторыми особенностями, которые позволяют использовать их для решения узкоспециализированных задач.
Как работает двигатель 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.
Устройство турбовентиляторного двигателя
Конструкция
Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.
ТРД состоит из нескольких основных элементов:
- вентилятор;
- компрессор;
- камера сгорания;
- турбина;
- сопло.
Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину.
Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой.
За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.
Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается.
После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более.
А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.
Вид самолетного двигателя снаружи
Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.
Самолет-амфибия ВВА-14 с вертикальным взлетом
Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.
В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.
Виды двигателей
Двигатели для самолетов бывают различных типов:
- классические;
- турбовинтовые;
- турбовентиляторные;
- прямоточные.
Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией.
Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины.
Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах.
ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.
Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях.
Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД.
Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.
Размер двигателя самолета относительно человеческого роста
Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.
Как управлять самолетом: инструкция с видео
Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД.
Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз.
Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.
Загрузка...
