0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что называют реактивным двигателем

Что называют реактивным двигателем

CZ.1.07/1.1.10/03.0026

Конструктивные особенности двигателей и станков

Дви́гатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные.

К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, например, ветрянное колесо, водяное колесо; тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии ,а ко вторичным относятcя двигатели преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками (электридвигатель, пневмодвигатель,гидродвигатель).

В зависимости от используемого вида энергии двигатели делятся на:

  • тепловые
  • гидравлические
  • электрические.

Современная техника использует три типа тепловых машин:

  • поршневые
  • турбинные
  • и реактивные.

Виды тепловых двигателей:

  • паровая машина,
  • двигатель внутреннего сгорания,
  • паровая и газовая турбины,
  • реактивный двигатель.

По данным агенства экономических новостей, более перспективными разработками в настоящее время являются термомагнитный двигатель и тепловойдвигатель с внешним подводом теплоты.

По конструктивным особенностям двигатели подразделяются на:

  • поршневые двигатели (двигатели внутреннего сгорания, дизельныe,бензиновыe)
  • роторныe двигатели (паровые турбины, большинство электромоторов)
  • реактивныe двигатели (воздушно-реактивные, pакетные двигатели).

Поршневые двигатели также разделяются на три группы:

  • на двигатели, которые работают по циклу Отто (карбюраторные),
  • циклу Дизеля (дизельные)
  • и по циклу Тринклера с использованием форсунки.

Основными состабляющими двигателя внутреннего сгорания являются:

  • цилиндр
  • впускной клапан
  • выпускной клапан
  • впускной коллектор
  • свеча
  • камера сгорания
  • поршень
  • шатун
  • каленвал

Каждое движение поршня называется тактом. Цикл, создающий энергию для работы двигателя, состоит из четырех тактов: вниз, вверх, вниз, вверх. Соответственно этот процесс называется четырехтактным циклом.

Наиболее широко используются поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания – это тепловая машина, в которой топливо сжигается в цилиндре под поршнем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров и т.д.

Рассмотрим теперь конструктивные особенности станков.

Станок — машина, используемая (как правило, в промышленности) для обработки различных материалов, либо приспособление для выполнения чего-либо.
Большинство деталей машин обрабатываются на металлорежущих станках.
Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной формы и размеров..

Основные составляющие станка:
Сyппорт, предназначенный для крепления и ручного либо автоматического перемещения инструмента.
Шпи́ндель — вращающийся вал металлорежущего станка с устройством для закрепления обрабатываемого изделия или режущего инструмента;
Привод — совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин.
Ба́бка — предназначается для точного поддержания и перемещения обрабатываемой на станке детали относительно режущего инструмента или обрабатывающей поверхности. Располагается и крепится на станине.
Бабка передняя (бабка шпиндельная или бабка изделия) — узел связан с шпинделем, который сообщает вращательное движение обрабатываемой заготовке, детали или инструменту.
Бабка задняя (упорная) — используется для закрепления инструмента (например, сверл, зенкеров, разверток) для обработки детали по оси с внешней стороны.
Бабка шлифовальная представляет из себя узел шлифовальных станков.
Резец — режущий инструмент с одним прямым, изогнутым или фасонным главным режущим ребром.
Станки могут быть классифицированы по разным признакам.

По степени специализации они относятся к одной из следующих групп:

  • универсальные
  • специализированные
  • специальные.

По степени точности станки делят на пять классов:

  • нормальной точности
  • повышенной точности
  • высокой точности
  • особо высокой точности
  • особо точные станки, иначе мастер-станки.

По степени автоматизации различают механизированные и автоматизированные станки, в том числе автоматы и полуавтоматы:

По расположению шпинделя станки делятся на горизонтальные, вертикальные, наклонные и комбинированные.

В зависимости от массы различают станки легкие (до 1т), средние (до 10 т) и тяжелые (свыше 10 т), среди которых можно выделить особо тяжелые или уникальные (более 100 т).
Совокупность всех типов и размеров выпускаемых станков называется типажом.

По виду обработки металлорежущие станки делятся на:

  • Токарные
  • Сверлильные и расточные
  • Шлифовальные, полировальные, доводочные
  • Комбинированные, электро- и физико-химические
  • Зубо- и резьбо-обрабатывающие
  • Фрезерные
  • Строгальные, долбежные, протяжные
  • Разрезные

Металлорежущие станки почти всех типов выпускаются как с ручным управлением, так и с числовым программным управлением (ЧПУ).

  1. Что такое двигатель?
  2. Назовите основные составляющие двигателя внутреннего сгорания?
  3. Что такое металлорежущий станок?
  4. Какие металлорежущие станки по виду обработки Вы знаете?

Ответы.

  1. Дви́гатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания.
  2. Основными состабляющими двигателя внутреннего сгорания являются: цилиндр, впускной клапан, выпускной клапан, впускной коллектор, свеча, камера сгорания, поршень, шатун, каленвал.
  3. Металлорежущий станок — это технологическая машина, предназначенная для обработки материалов резанием с целью получения деталей заданной формы и размеров. На станках обрабатывают заготовки не только из металла, но и из других материалов, поэтому термин «металлорежущий станок» является условным.
  4. По виду обработки металлорежущие станки делятся на токарные; cверлильные и расточные; шлифовальные, полировальные, доводочные; комбинированные, электро- и физико-химические; зубо- и резьбо-обрабатывающие; фрезерные; cтрогальные, долбежные, протяжные ; paзрезные.

Плюсы и минусы реактивного двигателя

1939 год, Германия — впервые в небо поднялся самолёт, работающий на реактивном двигателе. Он превосходил по скорости полета истребители того времени. Но потреблял больше топлива и требовал длинной взлетно-посадочной полосы. Несмотря на недостатки, это был прорыв в авиации.

Сейчас этот усовершенствованный движитель применяется для запуска ракет, космических аппаратов, гражданских и военных самолётов. Рассмотрим его плюсы и минусы более подробно.

Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

  1. Топливо.
  2. Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
  3. Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Бывает двух типов:

  1. Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
  2. Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

  • Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
  • Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
  • Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
  • КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
  • Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
  • Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Недостатки реактивного двигателя

  • Создает сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создается шум до 120 децибел. Для человеческого уха это значение близко к болевому порогу. Если стоять на расстоянии 100 метров от места взлета космического корабля, можно получить контузию. Ведь уровень шума достигает 150 децибел. Ученым пока не удается подавить шум от реактивного движителя или решить эту проблему иным способом.
  • Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.
  • Ограниченный ресурс для космических полетов. Все виды топлива, которые применяют для ракет, выделяют ограниченное количество энергии. Этого недостаточно для совершения полетов в пределах Галактики и даже между планетами Солнечной системы. Перспективным направлением считается использование ядерной энергии.
  • Большой вес и размер летательных аппаратов. Перед учеными, изучающими космос, стоят колоссальные задачи. Одна из главных – создание летательного аппарата для межпланетных и межзвездных перелетов. Они научились выводить на земную орбиту ракеты, спутники, достигли Луны. Для дальних полетов использовать реактивный двигатель невыгодно и нецелесообразно. Ученые подчитали, что для полета ракеты на Марс, ее стартовый вес должен составлять – 30 000 тонн, а на Юпитер – 250 000 тонн. Соответственно, увеличатся и размеры летательных аппаратов.
  • Топливо расходуется быстро. Для длительного полета необходим большой объем энергоносителя. Емкости с горючим составляют значительную часть от массы самолёта или космического корабля.
Читать еще:  W210 дизель двигатель характеристики

Подведем итоги

Реактивный двигатель — это мощный механизм, без которого не может обойтись современные самолётостроение и ракетостроение. Он заставил летать самолёты в 1,5 раза быстрее и выше, чем поршневой мотор. Его сила тяги не зависит от наличия окружающей среды, точки опоры или иного тела.

Конструкция позволяет управлять ракетами в безвоздушном пространстве. Это делает его крайне необходимым для исследования космоса.

Чем выше его скорость летательного аппарата, тем большую полезную работу совершает двигатель. При меньшей скорости – полезная работа меньше.

Реактивный двигатель внедряют в автомобилестроении, строительстве поездов, для гоночных болидов, снегоуборочных машин, ледоколов. Компания «Rolls Royce» создала мотоцикл с газореактивным мотором.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Турбовинтовентиляторные реактивные двигатели гражданской авиации ближайшего будущего

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.

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

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 составит 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 объясняется 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.

Читать еще:  Что такое двигатель bosh

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.

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Виды реактивных двигателей

Известны следующие основные типы реактивных двигателей:

Пороховой и жидкостной ракетный двигатели для своей работы не нуждаются в кислороде из окружающего воздуха, так как необходимый для сжигания топлива кислород содержится в веществах, входящих в состав пороха, или в жидком окислителе.

При сгорании пороха или жидкого топлива в смеси с жидким окислителем образуются продукты сгорания, занимающие во много раз больший объем, чем исходные продукты, поэтому продукты сгорания в виде газов с большой скоростью вырываются из реактивного сопла наружу.

В силу закона сохранения энергии количество движения системы тел есть величина постоянная. Двигатель и заключенные в нем продукты сгорания являются системой из двух тел. И если одно из тел системы (продукты сгорания) массой т получает скорость истечения V„CT, т. е. создает количество движения, равное произведению, то и другое тело системы (двигатель) должно получить равное по величине, но обратное по направлению количество движения. Только в этом случае количество движения всей системы не изменится и не будет нарушен закон сохранения энергии. Если двигатель имеет массу, то он получит скорость V в направлении, обратном истечению газа. Количество движения двигателя, равное произведению, должно равняться количеству движения продуктов сгорания

Использование пороховых и жидкостных ракетных двигателей для вертолета затруднительно из-за ограниченного времени их действия н трудности дросселирования. Будучи запушенными, эти двигатели все время развивают одинаковую тягу до тех пор, пока не сгорит все топливо.

В жидкостных ракетных двигателях сложно регулировать подачу топлива под высоким давлением, их экономичность Невелика, а срок службы мал. Поэтому как пороховые, так и жидкостные ракетные двигатели не могут применяться как двигатели для вращения несущего вита.

Прямоточный воздушно-pеактивный двигатель использует для сгорания топлива кислород «з окружающего воздуха и состоит из следующих основных частей: воздухозаборника (входной диффузор), камеры сгорания, реактивного сопла.

Воздухозаборник служит для направления потока воздуха в двигатель. Форма входа в воздухозаборник и изменение площади проходного сечения вдоль потока выбираются такими, чтобы с минимальными гидравлическими потерями на входе обеспечить прирост давления воздуха по пути в камеру сгорания. Для уменьшения потерь на входе в воздухозаборник передняя его кромка выполнена в виде кольцевого крыльевого профиля, носик которого имеет малый радиус кривизны. Для увеличения давления воздуха воздухозаборнику придается вид расширяющегося канала (диффузора).

Преобразование тепловой энергии, заключенной в газе, в механическую работу истечения может произойти только в результате расширения газа. Поэтому воздух перед поступлением в камеру сгорания должен быть подвергнут предварительному сжатию с целью повышения его давления.

В полете воздух подходит к воздухозаборнику двигателя со скоростью, равной скорости полета. При висении вертолета эта скорость равна окружной скорости конца лопасти. Перед входом в воздухозаборник воздух несколько притормаживается, за счет чего растет его давление, а попав в расширяющийся канал воздухозаборника, еще больше уменьшает свою скорость, за счет чего продолжает увеличиваться давление.

Таким образом, в прямоточном двигателе давление воздуха повышается за счет использования кинетической энергии входящего в него воздуха. Этим объясняется невозможность работы прямоточного двигателя на месте, когда скорость набегающего потока равна нулю. Этим же объясняется увеличение тяги двигателя с увеличением скорости его движения. Несущий винт вертолета с установленными на концах лопастей прямоточными двигателями требует поэтому перед запуском двигателей предварительной раскрутки от постороннего источника энергии.

В камеру сгорания через форсунки непрерывно подается топливо. При горении топлива воздух нагревается и расширяется, за счет чего происходит увеличение его скорости. Газ выходит из реактивного сопла со скоростью, значительно превышающей скорость входа. В результате ускорения массы газа внутри двигателя образуется реактивная тяга.

Прямоточный двигатель может быть с успехом применен для вертолета, если обеспечить предварительную раскрутку винта.

Пульсирующий воздушно-pеактивный двигатель в этом отношении выгодно отличается от прямоточного, так как может создавать тягу на месте (без движения вертолета) и не требует раскрутки винта.

В пульсирующем двигателе сгорание топлива происходит не непрерывно, как в прямоточном, а периодически. Перед камерой сгорания пульсирующего двигателя установлена решетка с клапанами. Из-за наличия разности давлений воздуха в воздухозаборнике и камере сгорания клапаны открываются и пропускают в камеру сгорания порцию свежего воздуха. Одновременно с этим в камеру сгорания впрыскивается топливо и поджигается. Нагрев воздуха вызывает кратковременное повышение давления в камере сгорания, в результате чего клапаны в решетке закрываются. Газы из камеры сгорания с большой скоростью вытекают через реактивное сопло, что вызывает понижение давления

в камере сгорания, и клапаны вновь открываются, впуская в камеру очередную порцию свежего воздуха, после чего цикл повторяется. Тяга такого двигателя изменяется от максимального до нулевого значения. Однако ввиду того, что частота пульсаций очень велика, изменения тяги практически не сказываются -на равномерности вращения несущего винта. Частота пульсаций обратно пропорциональна длине двигателя. Так, если двигатель, имеющий длину 610 мм, работает с частотой пульсаций 270 циклов в секунду, то двигатель, имеющий длину 915 мм, — с частотой 180 циклов в секунду.

Читать еще:  Боится ли двигатель больших оборотах

Следует сказать, что подача топлива к двигателям на концах лопастей не требует применения насосов для принудительной подачи. Дело в том, что возникающая при вращении несущего винта центробежная сила сама гонит топливо от втулки винта к двигателям по топливо-проводам, проложенным вдоль лопасти. Однако в этом случае трудно осуществить герметизацию подвижного соединения, через которое топливо от трубопроводов, находящихся на неподвижной части вертолета, передается на вращающуюся втулку.

Конструкция двигателя и регулировка подачи топлива и зажигания должны быть таковы, чтобы обеспечить синхронность сгорания с пульсацией столба газов.

Пульсирующий двигатель, кроме того, что может развивать тягу при работе на месте, имеет также то преимущество, что он значительно меньше расходует топлива на создание каждого килограмма тяги, чем другие типы воздушно-реактивных двигателей. При выборе двигателя для установки на концах лопастей вертолета конструкторы чаще всего останавливаются «а пульсирующем двигателе еще и потому, что этот двигатель развивает наибольшую величину тяги на каждую единицу лобовой площади.

Основным недостатком пульсирующих двигателей являются значительные вибрационные нагрузки, этим объясняется малый срок службы впускных клапанов (несколько часов) и частые усталостные поломки хвостовой трубы. Кроме того, к недостаткам относятся потребность в сжатом воздухе для запуска (для первоначальных циклов работы) и, наконец, большой шум работающего двигателя.

Турбореактивный и турбовинтовой двигатели в том виде, в котором они существуют сейчас, на концах лопастей использоваться не могут. Хотя эти двигатели и обладают наименьшим удельным расходом топлива в час на каждый килограмм тяги или на каждую лошадиную силу, но удельный вес этих двигателей, т. е. отношение веса к тяге, еще настолько велик, что не позволяет их эффективно использовать на концах лопастей. Эти двигатели могут быть применены на вертолетах в обычной силовой установке с механическим приводом к несущему винту.

Знакомьтесь, это GE9X — самый большой реактивный двигатель в мире

В конце прошлого месяца Федеральное управление гражданской авиации США утвердило крупнейший в мире коммерческий реактивный двигатель. Называется он GE9X, и в первую очередь будет использоваться в новом широкофюзеляжном самолете Boeing 777x, по одной штуке под каждым крылом. Этот самолет впервые совершил полет еще в январе этого года и может похвастаться складывающимися законцовками крыльев — в разложенном виде они делают крылья длиннее, тем самым повышая подъемную силу и делая полеты более экономичными, а в сложенном позволяют самолету занимать меньше места на стоянке или в ангаре.

Жадные до топлива четырехдвигательные реактивные самолеты, такие как Boeing 747 и Airbus A380, в наши дни уже явно устарели, и от них массово отказываются крупные авиакомпании. А вот самолеты с двумя мощными двигательными установками олицетворяют как настоящее, так и будущее авиаперевозок. Чтобы поднять в воздух огромный Boeing 777x, нужны два очень мощных двигателя, тяги которых буквально хватит для ракет. Вот описание GE9X в цифрах.

47.5 тонн тяги — хватит для выхода на орбиту

Каждый двигатель может производить по 47.5 тонн тяги, что в сумме составляет 95 тонн для Boeing 777x. Более того, на испытаниях движок смог выдать 60 тонн тяги — это рекорд для реактивных двигателей. Они настольно мощные, что Пэт Доннеллан, инженер по программе двигателей GE9X, говорит, что пилотам, вероятно, не нужно будет доводить тягу двигателей до максимума, чтобы оторвать самолет от земли. Фактически, выведение движка на максимальную мощность для взлета известно как «взлет на полной тяге», объясняет он, но нет причин делать это, если в этом нет необходимости. «Вам просто нужно взлететь, а не насиловать двигатели», — добавляет он.

Доннеллан сравнивает это с вождением: при обычной езде вы не кладете педаль газа в пол, если в этом нет необходимости. Он говорит, что для типичных взлетов, когда соблюдается правильная развесовка самолета (так называемые «взлеты с пониженными номинальными характеристиками»), движкам Boeing 777x и близко не придется выходить на максимальную тягу.


Испытательный стенд с GE9X.

Для сравнения, тяга первой ступени ракета-носителя «Союз-2» на уровне моря составляет «всего лишь» 85.6 тонн. Тяга каждого движка последней модификации известного четырехмоторного Boeing 747-8 составляет около 30 тонн, то есть нужно три таких движка, чтобы потягаться с двумя GE9X.

Вентилятор диаметром 3.5 метра

Именно такие размеры имеет нагнетающий воздух вентилятор в передней части двигателя, если считать расстояние между краями диаметрально противоположенных лопастей. Если вы встанете на краю гондолы, то даже вытянув вверх руку вы не сможете коснуться кончиками пальцев ее верхнего края.

Этот «крутилятор» — звезда шоу, когда дело доходит до создания тяги. «Поскольку 777x оказался достаточно большим, нам нужен был двигатель, который обеспечивал бы уровень тяги, который требовал авиаконструктор», — говорит Доннеллан, имея в виду компанию Boeing, «и при этом был очень эффективным. Чтобы добиться этого с турбовентиляторным двигателем нам пришлось сделать вентилятор большого размера».

16 полутораметровых лопастей


Именно такое количество специально изогнутых лопастей из углеродного волокна используется в вентиляторе движка GE9X. У его предшественников, GE90 и GENX, было 22 и 18 лопастей соответственно. Однако меньше в данном случае не значит хуже: новые лопасти могут производить больше подъемной силы благодаря изменениям в дизайне. «У них более широкая хорда — от передней до задней кромки», — говорит Доннеллан. «Лопасти более скручены в нужных областях, чтобы генерировать дополнительную подъемную силу, когда она вам нужна», — добавляет он. Он также отмечает, что лопасти нового вентилятора похожи на крылья, вращающиеся в двигателях.

Печка на 2400 градусов


Схема GE9X.

Разумеется, при работе внутренности реактивного движка сильно нагреваются. Внутренние компоненты турбовентиляторного двигателя сложны, но нам достаточно знать, что в него входит турбина низкого давления, турбина высокого давления, камера сгорания и компрессор. Воздух в компрессоре, как понятно из названия, сжимается. «То, что мы пытаемся сделать — это сжать нагнетаемый воздух до минимально возможного объема, который мы только можем создать», — говорит Доннеллан. «В дальнейшем мы помещаем этот максимально сжатый воздух в камеру сгорания».

На этом моменте в нашем уравнение появляется еще один компонент — топливо. «Мы поджигаем топливо в камере сгорания, в результате чего сжатый воздух очень быстро и сильно расширяется и проходит через турбину высокого давления, заставляя ее вращаться». В результате вырабатывается энергия, часть которой затем тратится на питание турбины низкого давления, которая приводит в действие вентилятор спереди.

Самая горячая часть двигателя — турбина высокого давления. «Она находится прямо за камерой сгорания», — говорит Доннеллан. Температуры там такие же, как у лавы в жерле вулкана, и достигают 2400 градусов. Чтобы движок не разрушился от такого нагрева, для создания турбины используются керамические матричные композитные материалы. «Они могут выдерживать гораздо более высокие температуры, чем существующие на текущий момент металлические сплавы», — добавляет Доннеллан.

4 метра в диаметре и почти 10 тонн веса


Наглядное сравнение человека и движка GE9X.

Разумеется, в рабочем турбореактивном двигателе вентилятор не крутится снаружи, как пропеллер. Он заключен в специальную рамку. По-научному этот округлый «футляр» называется передним корпусом вентилятора. Одна из целей этого корпуса состоит в том, чтобы он «окутывал» кончики лопастей вентилятора, дабы те могли засасывать воздух только спереди для обеспечивания максимальной эффективности.

Кроме того, в случае повреждения двигателя в целях безопасности нужно, чтобы обломки оставались внутри него, а не выбрасывались наружу, что потенциально может привести к повреждению крыла или фюзеляжа. По оценкам Доннеллана, корпус вентилятора увеличивает размер двигателя примерно на 15-20 сантиметров, а если учесть дополнительный внешний обтекаемый каркас, называемый гондолой, то, как сообщается, весь двигатель приобретает размер более 4 метров в поперечнике. Это примерно длина достаточно просторной четырехместной Toyota Corolla.

Ну и под конец — вес этого гиганта составляет без малого 10 тонн, так что увезти его сможет не каждый КамАЗ. Хотя такая цифра не кажется чрезмерной, если учесть мощность движка и то, что он создан из тяжелых стойких высокотемпературных сплавов с относительно небольшим количеством пластика и композитных материалов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector