ТРДД с вентилятором на входе.
В сегодняшней небольшой статье продолжаем более конкретное знакомство с типами авиационных двигателей. Двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД) уже не раз упоминался по сайту и осталось только познакомиться с ним поближе.
Главная идея статьи в том, чтобы понять каково, собственно, главное отличие ТРДД от его предшественника, так сказать первого звена в двигательном семействе, обычного турбореактивного двигателя (ТРД).
Правильней, наверное, было бы сказать даже не просто отличие, а преимущество. Ведь на сегодняшний день ТРД активно сдает свои позиции (если уже не сдал совсем :-)) двухконтурному двигателю. ТРДД теперь превратился в самый распространенный воздушно-реактивный авиационный двигатель на земле.
Главная причина этому одна – высокая экономичность при столь же высокой тяговой эффективности. В наше время растущего энергодефицита такой важный фактор значит очень многое. Экономичность и, соответственно, дальность полета.Современный самолет с ТРДД имеет в этой области большие преимущества.
Первые разработки по теме двухконтурный турбореактивный двигатель начались еще в 19-м веке. Начал их (по крайней мере это официально известно :-)) русский инженер Федор Романович Гешвен (наш ! :-)). В 1939 году А.М.
Люлька, ставший в последствии знаменитым конструктором авиадвигателей, разработал ТРДД такой схемы, которая используется в современных двухконтурных двигателях. Но ни тогда, ни в последующие годы проблема экономичности ТРД не стояла так остро, как сейчас.
Это были скорее просто конструктивные варианты воздушно-реактивного двигателя, хотя выигрышно-положительные стороны их были известны.
Таковым положение дел оставалось вплоть до 50-х годов, когда ТРД уверенно стали завоевывать первенство среди авиационных двигателей мира. И уже тогда стал проявляться их, пожалуй, главный недостаток. На относительно небольших скоростях полета эти двигатели довольно неэкономичны. Или, говоря другими словами, имеют низкий коэффициент полезного действия.
В одной из прошлых статей я упомянул как-то прочитанный мной в одной из книг интересный факт, неплохо характеризующий этот недостаток.
Там было сказано, что в течение одной летной смены полка сверхзвуковых бомбардировщиков ТУ-22 (они были оснащены ТРДФ) потреблялось количество керосина, равное месячному бюджету Белорусской ССР по топливу.
За достоверность сказанного не ручаюсь, но очень похоже на правду :-).
Бомбардировщик ТУ-22.
То есть для повышения экономичности было бы конечно хорошо снизить подачу топлива в двигатель. Но ведь чем меньше топлива в камере сгорания, тем меньше температура газа. Воздушный поток, проходящий через двигатель, получит меньше энергии, и в дальнейшем, при выходе из сопла, скорость потока будет ниже. А это значит, что и тяга тоже уменьшится.
Выходит, ничего хорошего ???? … Однако есть возможность этого избежать. Уменьшение тяги, полученное за счет падения скорости истечения газовоздушного потока из двигателя, можно компенсировать увеличением самого этого потока, то есть, правильней говоря, увеличением его массы.
Или на техническом языке: нужно увеличить расход воздуха через двигатель. Чем больше масса воздуха, тем больше импульс тяги, создаваемый двигателем. Это, я думаю, всем уже ясно.
Реактивное движение : чем больше из движка «вылетело», тем сильнее его самого толкнуло в обратную сторону :-).
Что же получилось в итоге? А то, что тяга осталась той же, а расход топлива уменьшился. То есть улучшилась экономичность, иначе говоря повысился коэффициент полезного действия двигателя (кпд).
Или же немного по-другому: можно при тех же энергетических затратах пропускать через двигатель значительно большую массу воздуха, но с малой скоростью ее истечения. При этом получим большую тягу с меньшими удельными параметрами расхода топлива. То есть суть дела та же :-)…
Все вышесказанное как раз и есть основной принцип работы двухконтурного турбореактивного двигателя. Получили, так сказать, мое любимое объяснение «на пальцах» :-)…
А теперь подтвердим этот факт парочкой формул. Тяга воздушно-реактивного двигателя (коим и является, как известно, ТРД) определяется простым выражением, вытекающим из закона сохранения импульса:
P = G (c — v) , здесь Р – тяга двигателя, G – это расход воздуха через двигатель (кг/с), c— скорость истечения газовоздушной струи из двигателя (м/с), v – скорость полета (м/с). Из этой формулы хорошо видно, что чем больше скорость реактивной струи, тем выше тяга двигателя.
Теперь о кпд. Для нашего случая эффективность реактивного двигателя, как движителя, характеризует так называемый полетный кпд (еще его называют тяговым). Он определяется формулой, которую часто именуют формулой Стечкина (Борис Сергеевич Стечкин — выдающийся советский ученый -гидроаэромеханик и теплотехник, которого в авиационных кругах полушутливо, но явно с большим уважением называли «Главный моторист Советского Союза»)
η= 2/(1+с/v) , здесь η – полетный кпд. Можно сравнить эти две формулы, и тогда виден интересный факт. Чем выше скорость выхода газовоздушной струи из двигателя (с), тем выше его тяга (Р), но при этом ниже кпд (η). И наоборот. То есть при проектировании турбореактивного двигателя инженерам приходится решать две явно противоположные задачи. Нужно поддерживать тягу двигателя на хорошем уровне, но при этом нельзя сильно занижать кпд. Приходится идти на компромисс. В этом случае именно применение концепции двухконтурного турбореактивного двигателя облегчает задачу
Итак, мы с вами выяснили, что для ТРДД должен быть организован дополнительный расход воздуха.
Конструктивно это выполняется путем добавления к уже существующему ТРД так называемого второго контура, выполненного в виде кольцевого канала как бы поверх уже существующих габаритов.
Этот канал проходит от компрессора до сопла, минуя камеру сгорания и турбину. Первый же контур (внутренний) представляет собой по сути обычный ТРД со всеми присущими ему атрибутами и принципом работы.
Воздух, поступая из самолетного воздухозаборника (входного устройства) на вход в двигатель, попадает в так называемый компрессор низкого давления (КНД), степень повышения давления в котором действительно невысока (в среднем от 1,5 до 3). Этот компрессор состоит из небольшого количества ступеней. Обычно от одной до пяти. Передние ступени КНД могут носить название «вентилятор».
Далее сжатый до определенного уровня воздух делится на два потока. Один поступает в первый (внутренний) контур и работает там, как в обычном турбореактивном двигателе, а другой попадает в вышеозначенный второй( или внешний) контур и, следуя по нему, истекает из реактивного сопла, создавая при этом реактивную тягу.
Схема ТРДД. Здесь: 2 — КНД, 3 — КВД, 4 — камера сгорания, 5 — ТВД, 6 — ТНД, 7 — сопло, 8 — ротор высокого давления, 9 — ротор низкого давления, 1 — часть КНД (вентилятор).
Компрессор внутреннего контура называется компрессором высокого давления КВД (степень повышения давления в среднем 10-30). Во внутренний контур могут также входить и последние ступени компрессора низкого давления.
Каждый из этих компрессорных узлов вращает своя турбина (турбины низкого и высокого давления, ТНД и ТВД). Оба эти турбокомпрессора между собой обычно механически не связаны, и валы их расположены один внутри другого.
Часто они и вращаются в разные стороны.
Одним из основных параметров для двухконтурного двигателя является степень двухконтурности К. Это отношение массового расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний. Диапазон изменения степени двухконтурности для различных двигателей довольно большой: от 0,5 вплоть до 90.
Степень двухконтурности К от 0,5 до 2 имеют двигатели, стоящие на самолетах, предназначенных для полета на высоких дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Обычно это военные самолеты.
А если К>2, то это уже скорей всего движок для пассажирского лайнера или транспортника, потому что большая степень двухконтурности означает большой расход воздуха, что подразумевает, в свою очередь, большие диаметральные размеры движка. А это никакой истребитель себе позволить не может :-).
ТРДДФ Eurojet EJ200. На фото ниже его рисунок с разрезом. Устанавливается на истребитель Eurofighter Typhoon.
Двухконтурный турбореактивный двигатель Eurojet EJ200 с малой степенью двухконтурности. Второй контур голубого цвета. Устанавливается на истребитель Eurofighter Typhoon.
Истребитель Eurofighter Typhoon с двигателями Eurojet EJ200.
Практически на всех современных истребителях сейчас ставятся ТРДД с малой степенью двухконтурности.
Примером может служить двигатель Pratt & Whitney F100-PW-229 (степень двухконтурности 0,4), устанавливавшийся на самолеты F-15 и F-16, двигатель Eurojet EJ200 со степенью двухконтурности 0,4, устанавливающийся на самолет Eurofighter Typhoon, а также российские АЛ-31Ф (истребитель СУ-27, степень двухконтурности 0,571) и РД-33 (истребители МИГ-29 (35), степень двухконтурности 0,49).
ТРДДФ F100-PW-229. Типичный двигатель со смешением потоков. Хорошо просматривается второй контур (темный цвет). Устанавливался на истребители F-15 и F-16.
Истребитель F-15 с двигателями F100-PW-229.
Истребитель F-16 с двигателем F100-PW-229.
ТРДДФ АЛ-31Ф. Устанавливается на истребитель СУ-27.
Истребитель СУ-27УБ с двигателями АЛ-31Ф.
ТРДДФ РД-33. Устанавливается на самолеты МИГ-29, МИГ-35.
Истребитель МИГ-29 с двигателями РД-33.
Однако правильнее будет сказать, что все эти двигатели не ТРДД, а ТРДДФ, то есть двухконтурные турбореактивные двигатели с форсажем.
Дело в том, что двухконтурный двигатель достаточно эффективен (как в плане экономии, так и в тяговом отношении) именно на дозвуковых скоростях. Например, ТРДД со степенью двухконтурности М=1 имеет на взлете (максимальный режим на малой скорости) тягу на 25% выше, чем ТРД с такой же тягой на скорости 1000 км/ч.
Но с ростом скорости полета (более 1000 км/ч) и приближении ее к сверхзвуку, тяговая эффективность ТРДД ощутимо падает, потому что скорость выхода реактивного потока из движка для полета на таких скоростях уже мала. Чтобы эту скорость увеличить производится дополнительный подвод энергии к воздуху второго контура. Для этого как раз вполне подходит форсажная камера. Она к тому же служит камерой смешения.
Дело в том, что ТРДД могут быть двух видов: со смешением потоков и без него. То есть поток второго контура может с момента разделения с потоком первого самостоятельно пройти до выхода из двигателя и покинуть его через свое собственное сопло. Это будет двигатель без смешения потоков.
Но два потока могут и смешиваться. Происходит это обычно в так называемой камере смешения. И далее смешанный поток уже с общими температурой и давлением покидает двигатель через общее сопло.
Это в целом повышает эффективность двухконтурного турбореактивного двигателя. В движках, предназначенных для сверхзвуковых самолетов (ТРДДФ, степень двухконтурности меньше 1)) роль камеры смешения выполняет форсажная камера. Конструкция ее и принцип работы такие же, как и у простого ТРДФ.
Это совмещение функций очень удобно. Потому что, ведь, надо понимать, что дополнительная камера смешения – это дополнительные габариты и масса. Поэтому движки с большой степенью двухконтурности (К>4), обычно итак уже имеющие немалые габариты и массу :-), чаще всего выполняются без смешения потоков.
Но об этом уже в другой статье, потому что такие двигатели (обычно начиная со степени двухконтурности два) уже выделяются в отдельный вид, называемый турбовентиляторные двигатели (ТВРД).
Кроме того существуют еще и турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД). У них двухконтурность переваливает далеко за 20 и может достигать 90 и более.
И те и другие движки особенные и поэтому рассказывать о них тоже будем особо :-).
В заключение немного остановлюсь на моей любимой теме о правильности понятий. Дело в том, что в последнее время часто все двухконтурные турбореактивные двигатели огульно называют турбовентиляторными. При этом часть компрессора низкого давления называют вентилятором. Я, конечно, не могу считать себя истиной в первой инстанции :-), но считаю, что это некорректно.
Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan. Им «у них» обозначаются все двухконтурные турбореактивные двигатели. Здесь fan означает вентилятор. Такое название носит та часть компрессора низкого давления, которая гонит воздух во второй контур.
Слово английское и по-английски все, пожалуй, нормально звучит :-). Но, извините, по-русски не могу я назвать вентилятором те 3-4 ступени компрессора на входе в движок с малой степенью двухконтурности (работающие на второй контур), которые и диаметр-то имеют еле отличающийся от диаметра остальных ступеней компрессора низкого давления (да и высокого тоже).
Двухконтурный турбореактивный двигатель Д-18Т. Устанавливается на АН-124 и АН-225.
Другое дело, когда степень двухконтурности ого-го :-). Тогда обычно ступень одна и диаметр тоже соответствующий. Вот это да, это настоящий вентилятор (как, например, у двигателя Д-18Т). Поэтому (я думаю :-)) и принято было в нашей теории двигателей (русской :-)) всегда называть турбовентиляторными двигатели, у которых К>2.
Если же К2) с высоким расходом воздуха во втором контуре (для пассажирских и транспортных самолетов). Low bypass turbofan – двигатели для военных самолетов с низкой степенью двухконтурности. То есть соответствие практически полное нашему делению :-). На приведенной схемке это показано. Не стал даже ничего переводить с английского, итак все ясно :-).
Движки там, кстати, изображены без смешения потоков.
ТРДД с низкой и высокой степенью двухконтурности.
Вот, пожалуй, и все. На такой самоутверждающейся ноте и закончим сегодня. Продолжение, как говорится, следует…
Фотографии кликабельны.
Двигатель для авиамоделей | Техника и человек
Пилотирование самолетов стало увлечением, объединившим взрослых и детей со всего мира. Но с развитием данного развлечения развиваются и движители для мини самолетов. Самый многочисленный двигатель для самолетов такого типа является электрический.
Но с недавних пор на арене двигателей для RC авиамоделей появились реактивные двигатели (РД).
Они постоянно дополняется всевозможными инновациями и придумками конструкторов. Задача перед ними стоит довольно сложная, но возможная.
После создания одной из первых моделей уменьшенного двигателя, которая стала значимой для авиамоделирования, в 1990-х годах изменилось многое. Первый ТРД был 30 см в длину, около 10 см в диаметре и весом в 1,8 кг, но за десятки лет, у конструкторов получилось создать более компактную модель.
Если основательно взяться за рассмотрение их строения, то можно поубавить сложностей и рассмотреть вариант создания собственного шедевра.
Устройство РД
Турбореактивные двигатели (ТРД) работают благодаря расширению нагретого газа. Это самые эффективные двигатели для авиации, даже мини работающие на углеродном топливе. С момента появления идеи создания самолета без пропеллера, идея турбины стала развиваться во всем обществе инженеров и конструкторов. ТРД состоит из следующих компонентов:
- Вал;
- Диффузор;
- Колесо турбины;
- Камера сгорания;
- Компрессор;
- Статор;
- Конус сопла;
- Направляющий аппарат;
- Подшипники;
- Сопло приема воздуха;
- Топливная трубка и многое другое.
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.
Виды управления ТРД
Существует три вида управления двигателем:
-
Электронный блок управления ТРД jet GR180
Ручной. Самый простой из способов, который разгоняет двигатель электрическим статором до минимальных оборотов 3000 об/мин. При таких оборотах на свечу накала подается газ, и после воспламенения обороты увеличиваются вдвое. При стабильной тяге, подача газа отключается и начинается стабильная подача жидкого топлива. Недостаток управления в полном отсутствии информации о работе движка. - Автоматический. Запуск с тумблера на пульте управления. Стартер раскручивает вал до рабочих оборотов, пока электронный блок контролирует зажигание, старт и все остальные показатели. Для остужения движка при выключении блок прокручивает вал еще несколько раз.
- Полуавтоматический. Система управления в полуавтоматическом режиме схожа с предыдущим видом. Она отличается только подачей газа с пульта управления. Все процессы, обороты и температуры электронный блок регулирует самостоятельно.
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.
Технические характеристики
Важным параметром, заставляющим авиамодели летать, является тяга. Она обеспечивает хорошую мощность, способную поднимать в воздух большие грузы. Тяга у старых и новых двигателей отличается, но у моделей, созданных по чертежам 1960-х годов, работающих на современном топливе, и модернизированных современными приспособлениями, КПД и мощность существенно возрастают.
В зависимости от типа РД, характеристики, как и принцип работы, могут отличаться, но всем им для запуска необходимо создать оптимальные условия.
Запускаются двигатели при помощи стартера — других двигателей, преимущественно электрических, которые прикрепляются к валу двигателя перед входных диффузором, либо запуск происходит раскручиванием вала с помощью сжатого воздуха, подаваемого на крыльчатку.
- двигателя GR-180
- На примере данных из технического паспорта серийного турбореактивного двигателя GR-180 можно увидеть фактические характеристики рабочей модели:
Тяга: 180N при 120 000 об/мин, 10N при 25 000 об/мин
Диапазон оборотов: 25 000 — 120 000 об/мин
Температура выхлопного газа: до 750 C°
Скорость истечения реактивной струи: 1658 км/ч
Расход топлива: 585мл/мин (при нагрузке), 120мл/мин (холостой ход)
Масса: 1.2кг
Диаметр: 107мм
длина: 240мм
Использование
Основной сферой применения была и остается авиационная направленность. Количество и размер разных типов ТРД для самолетов ошеломляет, но каждый из них особенный и применяется при необходимости.
Даже в авиамоделях радиоуправляемых самолетов время от времени появляются новые турбореактивные системы, которые представляются на всеобщий обзор зрителям выставок и соревнований. Внимание к его использованию позволяет существенно развивать способности двигателей, дополняя принцип работы свежими идеями.
В последнее десятилетие парашютисты и спортсмены экстремального вида спорта вингсьют, интегрируют мини ТРД как источник тяги для полета с применением костюм-крыло из ткани для вингсьюта, в этом случае двигатели крепятся к ногам, или жесткого крыла, надеваемого как рюкзак на спину, к которому и крепятся двигатели.
Еще одним перспективным направлением использования являются боевые беспилотники для военных, на данный момент их активно используют в армии США.
Самым перспективным направлением использования мини ТРД — беспилотники для транспортировки товаров между городами и по миру.
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.
Преимущества и недостатки РД
Преимуществ у всех типов реактивных двигателей множество. Каждый из типов турбин применяется для определенных целей, которым не страшны его особенности.
В авиамоделировании использование реактивного двигателя открывает двери в преодоление высоких скоростей и возможности маневрирования независимо от многих внешних раздражителей.
В отличие от электро- и ДВС реактивные модели более мощные и позволяют проводить самолету в воздухе больше времени.
Выводы
Реактивные двигатели для авиамоделей могут иметь различную тягу, массу, структуру и внешний вид. Для авиамоделизма они всегда останутся незаменимы из-за высокой производительности и возможности применять турбину с использование разного топлива и принципа работы.
Выбирая определенные цели, конструктор может корректировать номинальную мощность, принцип образования тяги и т. д., применяя разные виды турбин к разным моделям.
Работа двигателя на сгорании топлива и нагнетании давления кислорода делает его максимально эффективным и экономичным от 0,145 кГ/л до 0,67 кГ/л, чего всегда добивались авиаконструкторы.
Прямоточный реактивный двигатель
Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для движения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Классы реактивных двигателей:
Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:
- Воздушно-реактивные – тепловые двигатели, использующие энергию окисления воздуха, получаемого из атмосферы. В этих двигателях рабочее тело представлено смесью продуктов горения с остальными элементами отобранного воздуха.
- Ракетные – двигатели, которые на борту содержат все необходимые компоненты и способны работать даже в безвоздушном пространстве.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства повышение давления образуется путем торможения встречного воздушного потока.
Рабочий процесс ПВРД можно кратко описать следующим образом:
- Во входное устройство двигателя поступает воздух со скоростью полета, кинетическая его энергия преобразуется во внутреннюю, давление и температура воздуха повышаются. На входе в камеру сгорания и по всей длине проточной части наблюдается максимальное давление.
- Нагревание сжатого воздуха в камере сгорания происходит путем окисления подаваемого воздуха, при этом внутренняя энергия рабочего тела увеличивается.
- Далее поток сужается в сопле, рабочее тело достигает звуковой скорости, а вновь при расширении – сверхзвуковой. За счет того, что рабочее тело движется со скоростью, превышающей скорость встречного потока, внутри создается реактивная тяга.
В конструктивном плане ПВРД является предельно простым устройством. В составе двигателя есть камера сгорания, внутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздух – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое является суживающейся-расширяющимся.
Развитие технологии смесевого твердого топлива повлекло за собой использование этого горючего в ПВРД. В камере сгорания располагается топливная шашка с центральным продольным каналом.
Проходя по каналу, рабочее тело постепенно окисляет поверхность топлива и нагревается само.
Применение твердого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная система становится ненужной.
Смесевое топливо по своему составу в ПВРД отличается от применяемого в РДТТ. Если в ракетном двигателе большую часть состава топлива занимает окислитель, то в ПВРД он используется в небольших пропорциях для активирования процесса горения.
Наполнитель смесевого топлива ПВРД преимущественно состоит из мелкодисперсного порошка бериллия, магния или алюминия. Их теплота окисления существенно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. В качестве примера твердотопливного ПВРД можно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».
Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:
- Чем больше показатель скорости полета, тем большим будет расход воздуха, проходящего через тракт двигателя, соответственно, большее количество кислорода будет проникать в камеру сгорания, что увеличивает расход топлива, тепловую и механическую мощность мотора.
- Чем больше расход воздуха сквозь тракт двигателя, тем выше будет создаваемая мотором тяга. Однако существует некий предел, расход воздуха сквозь тракт мотора не может увеличиваться неограниченно.
- При возрастании скорости полета увеличивается уровень давления в камере сгорания. Вследствие этого увеличивается термический КПД двигателя.
- Чем больше разница между скоростью полета аппарата и скоростью прохождения реактивной струи, тем больше тяга двигателя.
Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета можно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет увеличиваться вместе с ростом скорости полета. Когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором наблюдается оптимальная скорость полета.
В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:
- дозвуковые;
- сверхзвуковые;
- гиперзвуковые.
Каждая из групп имеет свои отличительные особенности конструкции.
Дозвуковые ПВРД
Эта группа двигателей предназначена для обеспечения полетов на скоростях, равных от 0,5 до 1,0 числа Маха. Сжатие воздуха и торможение в таких двигателях происходит в диффузоре – расширяющемся канале устройства на входе потока.
Данные двигатели имеют крайне низкую эффективность. При полетах на скорости М= 0,5 уровень увеличения давления в них равен 1,186, из-за чего идеальный термический КПД для них – всего 4,76%, а если еще и учитывать потери в реальном двигателе, эта величина будет приближаться к нулю. Это значит, что при полетах на скоростях M
Топливная эффективность реактивных двигателей
?
Коммик (stalinist) wrote, 2017-12-18 10:09:00 Коммик stalinist 2017-12-18 10:09:00 Categories: Когда появилась возможность использовать реактивные двигатели в гражданской авиации, она, очевидно, вызвала большой энтузиазм как открывающая новые, современные перспективы развития авиации. Между тем, то, что было необходимо для военной авиации, далеко не всегда было подходяще для авиации гражданской. Советские конструкторы, заточенные под военную технику, проигнорировали эти соображения целесообразности, поэтому, когда на Западе началось массовое применение турбовентиляторных двигателей для гражданских самолетов, СССР продолжал использовать неэкономичные и шумные турбореактивные в течение десятилетий.Чем плох реактивный двигатель? Своей огромной топливной неэффективностью. Чтобы это понять, рассмотрим, для простоты, реактивный двигатель в летательном аппарате, функционально подобном вертолету, в простейшем режиме: летательный аппарат неподвижно висит в воздухе, то есть тяга двигателя, направленная вертикально вверх, равна весу аппарата.
Предположим, двигатель использует керосин, сжигание килограмма которого производит примерно 50 мегаджоулей тепла (поправьте меня, если я ошибаюсь); я назову эту величину E. Определим скорость реактивной струи. Предположим, m кг топлива сгорело. Энергия реактивной струи будет равна выделенному при сгорании топлива теплу:
mv2/2 = mE;
скорость струи будет, таким образом, равна SQRT(2E), то есть 10000 м/сек — примерно 30 M (скоростей звука).
Тяга двигателя будет равна m'v, где m' — расход массы в единицу времени. Эта тяга, по нашему предположению, должна быть равна весу аппарата mg. Таким образом, относительный расход массы, то есть расход массы на единицу массы,
m'/m = g/v = 9.8/10000 сек-1 ≈ 0.1 % / сек.
Таким образом, в течение часа расход топлива будет примерно в 3.6 раза больше требуемой массы летательного аппарата!
Реактивный vs турбовинтовой двигатель
Всего существует два типа двигателей для самолетов: воздушный (атмосферный) и ракетный. В нашей же статье мы будем сравнивать два подвида воздушных двигателей — это реактивный и турбовинтовой, чтобы показать вам все преимущества и недостатки одного и другого двигателей.
Но прежде, чем сравнивать, какой из них лучше, сперва мы расскажем вам об их принципах работы. Следует отметить, что все воздушные двигатели в качестве материала, выполняющего механическую работу, используют атмосферу.
Турбовинтовой двигатель состоит из воздушного винта, редуктора и турбокомпрессора. Принцип работы данного вида двигателей достаточно прост: атмосферный воздух сжимается и подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом.
Там с помощью свечи зажигания эта смесь поджигается и сгорает, образуя при этом продукты сгорания под высоким давлением, которые приводят во вращение диск турбины.
Данные процессы показывают, как энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу.
Мощность турбовинтового двигателя сосредоточена в валу из-за отсутствия выходящей реактивной струи. Именно вал приводит в движение винт, который и создает тягу. Подобного род конструкции применяют не только для самолетов, но и вертолетов.
Намного интереснее работа реактивного двигателя. Существует несколько разновидностей данного рода двигателей:
турбореактивный двухконтурный
прямоточный воздушно-реактивный
пульсирующий воздушно-реактивный
Турбореактивный двигатель.
Турбореактивный двигатель в качестве рабочего тела использует атмосферу, которая при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Основным принципом работы является превращение внутренней энергии топлива сначала в кинетическую, а затем в механическую энергию.
Все начинается с компрессора, куда атмосферный воздух попадает и затем сжимается, получая энергию. Затем сжатый воздух переходит в камеру сгорания, где смешивается с продуктами сгорания керосина, сам при этом нагреваясь и, как следствие, расширяясь.
Смесь из газов попадает в турбину и вращает ее через рабочие лопатки. При этом часть энергии теряется, превращаясь в механическую энергию основного вала.
Она расходуется также на работу топливных и масляных насосов, на работу компрессора, привода электрогенераторов, вырабатывающих энергию для различных бортовых систем самолетов.
Но большая часть энергии расходуется на создание тяги с помощью реактивного сопла: энергия разгоняется в нем и создает тягу за счет реактивной струи.
Турбореактивный двухконтурный двигатель.
Отличие двухконтурного турбореактивного двигателя от просто турбореактивного заключается в наличие у первого внутреннего и внешнего контуров, благодаря чему весь поток поступает сначала в компрессор низкого давления. Основная же часть воздуха проходит по внутреннему контуру, как и в турбореактивном двигателе.
Вторая же часть, которая проходит по внешнему контуру, остается холодной и при выбросе не сгорает, создавая дополнительную тягу и уменьшая расход топлива.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
В отличие от других реактивных двигателей в прямоточном воздушно-реактивном двигателе нет турбины и компрессора. Основными частями являются камера сгорания, диффузоры и сопла, с помощью которых создается тяга, как говорилось ранее.
Главной задачей диффузора является торможение встречного воздуха и повышение статического электричества. Кислород, поступающий из него, является основным окислителем для сгорания топлива в камере сгорания.
Помимо диффузора в таком двигателе также есть стабилизатор пламени и форсунки.
Существует также несколько разновидностей такого двигателя (это зависит от требуемой скорости):
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель помимо таких стандартных частей, как сопло и камера сгорания, состоит еще из форсунок (как прямоточный), свечи зажигания, и клапанной решетки.
Сопло представляет собой длинную цилиндрическую часть, а камера сгорания имеет входные клапаны. При их открытие туда поступаю воздух и топливо, образуя единую смесь, которая поджигается искрой зажигания.
После этого клапаны тут же закрываются под действием избыточного давления. Реактивная тяга создается с помощью выброса продуктов сгорания через сопло.
Так работают реактивные и турбовинтовые двигатели. Теперь, когда вы смогли узнать немного больше о принципе их работы, мы опишем для вас как положительные, так и отрицательные стороны двигателей, чтобы вы сами смогли решить, что же все таки лучше.
Если речь идет о низких скоростях, то турбовинтовые двигатели находятся в преимуществе. За счет вращения винта КПД повышается и расход топлива становится меньше, чем у реактивных. Но если вам необходима большая скорость, то тут первенство, бесспорно, переходит к реактивным двигателям за счет большей тяговой силы, что помогает намного легче и быстрее достичь необходимой скорости.
У турбовинтовых двигателей намного больше, чем у реактивных. Поэтому, если самолету необходима маневренность, предпочтение отдают реактивным двигателям.
Шум, создаваемый турбовинтовыми двигателями, составляет более 140 децибелов, что превышает порог допустимого. Реактивные же двигатели создают шум в пределах 130-140 децибелов. Такой уровень звука может вызвать болевые ощущения, но при этом остается в пределах нормы.
Подводя итоги, трудно сказать, что же все таки лучше, реактивный или турбовинтовой двигатели. Каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки в той или иной степени перед по отношению друг к другу.
Например, если самолет нужен для выполнения местных перевозок на небольшой высоте, то намного эффективнее и выгоднее будет турбовинтовой двигатель.
Если же речь идет про дальние и быстрые перелеты, то, безусловно, наиболее удачным решением будет отдать предпочтение реактивному двигателю по уже известным вам причинам.
Загрузка...
