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

Что такое двухконтурный турбореактивный двигатель

Авиационные двигатели

Содержание

  • 1 Классификация авиационных двигателей
  • 2 Поршневые двигатели (ПД)
  • 3 Газотурбинные двигатели (ГТД)
    • 3.1 Одновальные и многовальные двигатели
    • 3.2 Турбореактивный двигатель (ТРД)
      • 3.2.1 Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ)
    • 3.3 Двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД)
      • 3.3.1 Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ)
      • 3.3.2 Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)
      • 3.3.3 ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель
    • 3.4 Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД)
    • 3.5 Турбовинтовой двигатель (ТВД)
      • 3.5.1 Турбовальный двигатель (ТВГТД)
  • 4 См. также
  • 5 Источники
  • 6 Ссылки

Классификация авиационных двигателей

К авиационным двигателям относятся все типы тепловых машин, используемых как движители для летательных аппаратов авиационного типа, т. е. аппаратов, использующих аэродинамическое качество для перемещения, маневра и т. п. в пределах атмосферы (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты классов «В-В», «В-3», «3-В», «3-3», авиакосмические системы и др.). Отсюда вытекает большое разнообразие применяемых двигателей — от поршневых до ракетных.

Авиационные двигатели (рис.1) делятся на три обширных класса:

  • поршневые (ПД);
  • воздушно-реактивные (ВРД включая ГТД);
  • ракетные (РД или РкД).

Более детальной классификации подлежат два последних класса, в особенности класс ВРД.

По принципу сжатия воздуха ВРД делятся на:

  • компрессорные, т. е. включающие компрессор для механического сжатия воздуха;
  • бескомпрессорные:
    • прямоточные ВРД (СПВРД) со сжатием воздуха только от скоростного напора;
    • пульсирующие ВРД (ПуВРД) с дополнительным сжатием воздуха в специальных газодинамических устройствах периодического действия.

Класс ракетных двигателей ЖРД также относится к компрессорному типу тепловых машин, так как в этих двигателях сжатие рабочего тела (топлива) осуществляется в жидком состоянии в турбонасосных агрегатах.

Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) не имеет специального устройства для сжатия рабочего тела. Оно осуществляется при начале горения топлива в полузамкнутом пространстве камеры сгорания, где располагается заряд топлива.

По принципу действия существует такое деление: ПД и ПуВРД работают по циклу периодического действия, тогда как в ВРД, ГТД и РкД осуществляется цикл непрерывного действия. Это дает им преимущества по относительным показателям мощности, тяги, массе и др., что и определило, в частности, целесообразность их использования в авиации.

По принципу создания реактивной тяги ВРД делятся на:

  • двигатели прямой реакции;
  • двигатели непрямой реакции.

Двигатели первого типа создают тяговое усилие (тягу Р) непосредственно — это все ракетные двигатели (РкД), турбореактивные без форсажа и с форсажными камерами (ТРД и ТРДФ), турбореактивные двухконтурные (ТРДД и ТРДДФ), прямоточные сверхзвуковые и гиперзвуковые (СПВРД и ГПВРД), пульсирующие (ПуВРД) и многочисленные комбинированные двигатели.

Газотурбинные двигатели непрямой реакции (ГТД) передают вырабатываемую ими мощность специальному движителю (винту, винтовентилятору, несущему винту вертолета и т. п.), который и создает тяговое усилие, используя тот же воздушно-реактивный принцип (турбовинтовые, турбовинтовентиляторные, турбовальные двигатели — ТВД, ТВВД, ТВГТД). В этом смысле класс ВРД объединяет все двигатели, создающие тягу по воздушно-реактивному принципу.

На основе рассмотренных типов двигателей простых схем рассматривается ряд комбинированных двигателей, соединяющих особенности и преимущества двигателей различных типов, например, классы:

  • турбопрямоточных двигателейТРДП (ТРД или ТРДД + СПВРД);
  • ракетно-прямоточныхРПД (ЖРД или РДТТ + СПВРД или ГПВРД);
  • ракетно-турбинныхРТД (ТРД + ЖРД);

и многие другие комбинации двигателей более сложных схем.

АЛ-31: технический бестселлер XX века

Истребитель Су-27 с двигателями Архипа Люльки. Фото: Александр Бельтюков / wikimedia.org

22 апреля 1941 года конструктор Архип Люлька получил авторское свидетельство на первый разработанный в СССР двухконтурный турбореактивный двигатель. Но сам двигатель был создан значительно позднее. Только в середине 1970-х годов Люлька наконец подошел к реализации своего давнего изобретения – он начал строить уникальный двухконтурный двигатель АЛ-31. Сейчас по схеме Люльки создается абсолютное большинство турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) в мире.

О турбореактивных двигателях и возможностях, которые они открыли в авиации, а также о «вечном» АЛ-31 – в нашем материале.

Первый реактивный

Как часто бывает с выдающимися изобретениями, двухконтурный турбореактивный двигатель Архипа Михайловича опередил время. Разработав его схему еще в конце 1930-х годов, конструктор смог заглянуть в будущее. Ведь в 1941 году, когда он получил патент на свое изобретение, даже одноконтурные ТРД ставились авиастроителями под сомнение, и впереди был многолетний путь по созданию первого реактивного авиадвигателя. Это достижение не зафиксировано в своде патентов, но оно также бесспорно принадлежит Архипу Люльке.

В 1937 году 29-летний сотрудник Харьковского авиационного института Архип Люлька вместе с группой энтузиастов начинает заниматься до той поры неизведанной темой – реактивным газотурбинным двигателем, который сначала называли ракетным. Первые встречи проходили на кухне в коммунальной квартире конструктора. Затем Люлька везет свой смелый проект в Москву, где получает одобрение крупного специалиста по газовым турбинам, профессора МВТУ им. Баумана Владимира Уварова и поддержку наркомата авиапромышленности.


А.М. Люлька с группой работников КБ и завода у макета первого отечественного ТРД ТР-1

Начинается работа над первым реактивным. Люльку назначают техническим руководителем проекта ТРД, переводят из Харькова в Ленинград и выделяют средства на опытный образец. Параллельно на волне интереса к ТРД Архип Михайлович добивается закрытия бесперспективного направления авиационных паровых установок, чтобы направить все силы на новый двигатель.

Читать еще:  Что такое двигатель сди

К устройству первого ТРД можно было применить поговорку «все гениальное – просто». Воздух засасывался в двигатель осевым компрессором, уставленным рядами лопаток, и перед камерой сгорания сильно уплотнялся. В камере за счет сгорания топлива воздух подогревался, и расширенный газ на огромной скорости подавался на лопатки турбины, которая, в свою очередь, вращала компрессор. Далее раскаленный газ вылетал наружу через сопло, а самолет двигался вперед. Скорость самолета зависела от массы и скорости выходящих газов. Неожиданной особенностью ТРД оказалось то, что этот тип двигателя эффективнее работал как раз на больших скоростях, для которых он и предназначался.

«Инженера Люльку разыскать. Срочно»

Осенью 1940 года молодая и дружная команда Люльки закончила проект двигателя, получившего название РД-1. Но война смешала все планы. В августе 1941 года КБ эвакуируется на Урал, работы по двигателю закрываются. Люлька считал это решение ошибочным, писал письма руководству, ведь двигатель был готов в металле на 70% и требовался фронту. Но враг подступал к Ленинграду, и конструктору перед эвакуацией пришлось спрятать большую часть наработок на территории Кировского завода.

А когда в 1942 году стало известно, что немцы ведут работы по реактивным самолетам, о Люльке и его «ракетном» двигателе вспомнили. По требованию высшего руководства его разыскали в эвакуации на Урале, где Люлька занимался танковыми двигателями, и доставили в Москву. Вместе с отрядом саперов он лично вернулся в осажденный Ленинград и по Дороге жизни вывез драгоценные чертежи и детали РД-1.

Уже осенью 1942 года в ЦК партии был представлен проект реактивного самолета авиаконструктора Михаила Гудкова с двигателем Архипа Люльки РД-1. Однако отечественные специалисты не были готовы принять машину. Проект данного самолета не был воплощен, но старт работам в области турбореактивного двигателестроения в стране был официально дан.

После команда Люльки вошла в новый НИИ авиапромышленности, где продолжила заниматься реактивным двигателем, теперь уже в модификации С-18. В 1944 году начинается производство опытной партии. В это время в руки двигателестроителей попадают немецкие реактивные двигатели ЮМО, которые, несмотря на высокое качество, проигрывали двигателю Люльки по тяге, расходу топлива и весу. Принимается решение по установке нового двигателя на самолеты Су-11 и Ил-22.

Весна 1947 года принесла Архипу Михайловичу заслуженные плоды. 3 марта Сталин поздравил Люльку и коллектив с завершением госиспытаний первого отечественного реактивного двигателя. А 28 мая состоялся первый полет истребителя Су-11 с двигателем Люльки. Это был триумф конструктора и начало долгой дружбы с Павлом Осиповичем Сухим, практически все последующие самолеты которого оснащались двигателями АЛ.

Возвращение к двухконтурной схеме

Впоследствии под руководством Архипа Люльки был создан целый ряд удачных реактивных двигателей, которыми оснащались самолеты Сухого, Туполева, Ильюшина, Бериева. По решению руководства страны двигатели, созданные в ОКБ А.М. Люльки, стали именоваться инициалами конструктора – АЛ – Архип Люлька.

Только спустя более 30 лет после получения патента Архип Михайлович смог вернуться к одному из своих первых проектов – двухконтурному турбореактивному двигателю. Такие двигатели, построенные по схеме Люльки, уже разрабатывались и в СССР, и за рубежом. Но ОКБ Люльки до этого момента продолжало заниматься одноконтурным направлением, так как оно обладало большим запасом для развития.


Двигатель АЛ-31Ф М2. Фото: wikimedia.org

Суть изобретения Архипа Михайловича заключалась в том, что он предложил добавить в двигатель еще один воздушный контур. По нему часть воздушного потока проходит без нагрева и выбрасывается наружу без сгорания вместе с горячими газами. Использование второго контура позволило снизить потребление топлива двигателем. На дозвуковой скорости ТРДД обеспечивал экономный режим, а в случае форсажа самолет мог достигать сверхзвуковых скоростей. Сейчас по этой схеме строится абсолютное большинство турбореактивных двигателей в мире.

Современные двигатели отличаются степенью двухконтурности, то есть соотношением объема воздуха, проходящего через внешний контур, и объема воздуха, проходящего через внутренний контур. В военных самолетах применяются двигатели с низкой степенью двухконтурности, так как им важна большая тяга, а расход топлива второстепенен. Для гражданских самолетов характерны силовые установки с высокой степенью двухконтурности, где основная тяга создается за счет внешнего контура. Такие двигатели более экономны.

Работы по двигателю начались в 1972 году и продолжались 13 лет до момента окончания государственных испытаний. Сам Архип Люлька не дожил до завершения работ над АЛ-31Ф, уйдя из жизни в 1984 году.

Лучший двигатель для лучшего самолета

Базовый двигатель АЛ-31Ф предназначался для истребителя Су-27 и стал основой целого семейства модификаций. Он заслуженно признан вершиной творчества Архипа Михайловича. С помощью АЛ-31Ф на истребителе было поставлено 30 мировых рекордов. А в июне 1989 года в Ле Бурже на самолете Су-27 с двигателями АЛ-31Ф показана совершенно новая фигура высшего пилотажа – «Кобра Пугачева».

Читать еще:  Что такое механический кпд двигателя

Истребитель Су-27, 1992 год. Фото: wikimedia.org

При выполнении фигуры самолет за считаные секунды резко поднимается из горизонтального положения в вертикальное, напоминая кобру перед броском, и возвращается обратно. В бою этот трюк может пригодиться, когда нужно уйти от преследования, резко затормозив машину и дав противнику пролететь мимо. При этом Су-27 не теряет управляемости.

Двигатель АЛ-31Ф и сегодня остается одним из лучших в мире для самолетов фронтовой авиации. Он устанавливается на истребители Су-27 и его модификации, палубные истребители Су-33, фронтовые бомбардировщики Су-34.

ОКБ имени А.Люльки – филиал ОДК-УМПО – продолжило работы по созданию глубокомодернизированной версии АЛ-31Ф. На истребителе пятого поколения Су-57 были установлены двигатели первого этапа – АЛ-41Ф-1. В рамках программы Су-57 разрабатывается перспективный двигатель пятого поколения. Первый полет истребителя пятого поколения с новой силовой установкой состоялся 5 декабря 2017 года. Вероятно, что в дальнейшем этот двигатель может по традиции получить индекс АЛ – Архип Люлька.

Что такое двухконтурный турбореактивный двигатель

Аэрокосмический научный журнал. 2016; 2: 13-21

Методика выбора оптимальной степени повышения давления в вентиляторе по эффективным параметрам силовой установки

Аннотация

В настоящее время основную долю мирового рынка авиационной промышленности занимают гражданские самолеты. Для средне — и дальнемагистральных самолетов наибольше распространение получили двухконтурные турбореактивные двигатели с раздельным истечением потоков. При этом основным критерием оценки двигателя является его экономичность. В данной работе представлены результаты исследования взаимного влияния степени повышения давления в вентиляторе и степени двухконтурности на эффективный удельный расход топлива. Была показана рациональность повышения степени двухконтурности с целью уменьшения удельного расхода топлива, а также рассмотрены основные особенности двигателей со сверхвысокими степенями двухконтурности. Степень повышения давления в вентиляторе и степень двухконтурности являются наиболее актуальными к рассмотрению параметрами рабочего процесса, т.к. являются по большей части конструктивными на заданном уровне технического совершенства. В работе приведена зависимость коэффициента сопротивления мотогондолы двигателя от степени двухконтурности. Для расчета были приняты прогнозируемые параметры перспективных двухконтурных турбореактивных двигателей, ориентированных на использование в силовой установке среднемагистрального самолета в классе 180 мест. По этим данным в системе Mathcad был произведен расчет цикла двигателя. При этом варьировались степень повышения давления в вентиляторе и степень двухконтурности. Температура газа в камере сгорания, суммарная степень повышения давления в компрессоре и тяга двигателя оставались постоянными. Также неизменными принимались коэффициенты сохранения полного давления, КПД узлов, величина отбора воздуха на охлаждение. В результате расчета были получены оптимальные параметры, соответствующие минимуму эффективного удельного расхода топлива. Были даны рекомендации по корректировке оптимальных параметров, в зависимости от рассматриваемых внешних факторов, таких как масса двигателя и потребный запас топлива. Полученные данные могут использоваться для предварительной оценки параметров перспективных двухконтурных турбореактивных двигателей со сверхвысокими степенями двухконтурности.

1. Колпаков С.К., Сухарев А.А. Проблемы и перспективы развития отечественной авиационной промышленности. МАЦ: веб-сайт. Режим доступа: http://www.iacenter.ru/publication-files/132/111.pdf (дата обращения 19.02.2016).

2. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М., Котовский В.Н., Полев А.С. Теория авиационных двигателей / под ред. Нечаева Ю.Н. Ч2. М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. 448 с.

3. Шульгин В.А., Гайсинский С.Я. Двухконтурные турбореактивные двигатели малошумных самолетов. М.: Машиностроение, 1984. 168 с.

4. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С. Предварительное исследование характеристик гибридных турбореактивных двухконтурных двигателей различных схем для ближне- и среднемагистральных самолетов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. С. 1-17. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/381537.html (дата обращения 19.02.2016).

5. Эзрохи Ю.А., Каленский С.М., Полев А.С., Дрыгин А.С., Рябов П.А. Сравнительный анализ параметров и характеристик различных схем силовой установки с дополнительным выносным винтовентилятором // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 12. С. 541-556. DOI: 10.7463/1212.0511469

6. Бурцев С.А., Самойлов М.Ю., Симаков М.В. Анализ экологических аспектов применения перспективных схем силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов // Безопасность в техносфере. 2015. Т. 4, № 2. С. 67-72. DOI: 10.12737/11335

7. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей. Под ред. д-ра техн. наук, проф. Шляхтенко С.М., д-ра техн. наук, проф. Сосунова В.А. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

8. Михальцев В.Е., Моляков В.Д. Расчет параметров цикла при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок / под ред. Суровцева И.Г. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 58 с.

Aerospace Scientific Journal. 2016; 2: 13-21

Technique for Selecting Optimum Fan Compression Ratio based on the Effective Power Plant Parameters

Abstract

Nowadays, civilian aircrafts occupy the major share of global aviation industry market. As to medium and long — haul aircrafts, turbofans with separate exhaust streams are widely used. Here, fuel efficiency is the main criterion of this engine. The paper presents the research results of the mutual influence of fan pressure ratio and bypass ratio on the effective specific fuel consumption. Shows the increasing bypass ratio to be a rational step for reducing the fuel consumption. Also considers the basic features of engines with a high bypass ratio. Among the other working process parameters, fan pressure ratio and bypass ratio are the most relevant for consideration as they are the most structural variables at a given level of technical excellence. The paper presents the dependence of the nacelle drag coefficient on the engine bypass ratio. For computation were adopted the projected parameters of prospective turbofans to be used in the power plant of the 180-seat medium-haul aircraft. Computation of the engine cycle was performed in Mathcad using these data, with fan pressure ratio and bypass ratio being varied. The combustion chamber gas temperature, the overall pressure ratio and engine thrust remained constant. Pressure loss coefficients, the efficiency of the engine components and the amount of air taken for cooling also remained constant. The optimal parameters corresponding to the minimum effective specific fuel consumption were found as the result of computation. The paper gives recommendations for adjusting optimal parameters, depending on the considered external factors, such as weight of engine and required fuel reserve. The obtained data can be used to estimate parameters of future turbofan engines with high bypass ratio.

Читать еще:  Subaru forester работа двигателя

Турбореактивный одноконтурный двигатель (трд)

Основными элементами такого двигателя являются следующие (рис. 1.1):

Компрессор. Повышает давление воздуха, поступающего из входного устройства, и проталкивает его далее по тракту двигателя. Давление повышается в компрессоре в 8. 10 раз и более.

Камера сгорания. В ней воздух смешивается с топливом, смесь воспламеняется, сгорает и на выходе из нее температура газадостигает в ТРД 1100. 1300 о С (1400. 1600 К).

Рис. 1.1. Схема одноконтурного турбореактивного двигателя (ТРД)

Рис. 1.2. Схема одноконтурного

с форсажем (ТРДФ)

Турбина. Предназначена для вращения ротора компрессора, установленного с ней на одном валу. Горячие газы, выходящие из камеры сгорания, обладают гораздо большим запасом энергии, чем сравнительно холодный воздух за компрессором. При расширении в турбине он способен в большой мере отдавать эту энергию. Поэтому давление газа понижается в турбине в значительно меньшей мере, чем оно повышалось в компрессоре. В результате за турбиной давление существенно превышает атмосферное давление.

Реактивное сопло. В нем за счет падения давления до атмосферного происходит значительное ускорение выходящего из турбины потока газа и выбрасывание реактивной струи с большой скоростью в направлении, противоположном направлению полета. В результате выбрасывания этой струи на двигатель действует сила отдачи, направленная по полету, т.е. сила тяги.

В рабочем процессе двигателя участвует также входное устройство (воздухозаборник). Он служит для забора воздуха из атмосферы и подвода его к двигателю ( в полете в нем может происходить также повышение давления воздуха). Воздухозаборник может быть рассчитан как на дозвуковые, так и на сверхзвуковые скорости полета. Так как в большинстве случаев воздухозаборник является частью конструкции самолета, он обычно не показывается на схемах двигателей.

Турбореактивный двигатель с форсажом (трдф)

Его схема отличается от схемы ТРД тем, что за турбиной установлена форсажная камера (рис. 1.2). В ней за счет дополнительного сжигания топлива температура газа повышается примерно до 2000 К. Это позволяет увеличить скорость реактивной струи на 30-40 % при незначительном увеличении массы двигателя, так как форсажная камера представляет собой тонкостенный канал. Поэтому тяга увеличивается, но при значительном ухудшении экономичности.

На сверхзвуковых скоростях полета включение форсажной камеры дает весьма большой прирост тяги. Поэтому такие двигатели применяются на самолетах, рассчитанных на сверхзвуковые скорости полета: МиГ-21, МиГ-23, МиГ-27, Су-17, Су-24, Ту-144 и др.

Двухконтурный турбореактивный двигатель без смешения потоков (трдд)

Это основной тип двигателей, применяемых в настоящее время на многих пассажирских лайнерах, транспортных и военно-транспортных самолетах. Первое авторское свидетельство на ТРДД было получено будущим академиком Архипом Михайловичем Люлька еще в 30-х годах ХХ века.

Рис. 1.3. Схема двухконтурного турбореактивного двигателя без смешения потоков (ТРДД)

Рис. 1.4. Схема двухконтурного

турбореактивного двигателя со

смешением потоков (ТРДДсм)

Поступающий в двигатель воздух разделяется на 2 части (рис. 1.3). Одна часть поступает за компрессором, как и в ТРД, в камеру сгорания, в турбину и сопло. Это – так называемый внутреннийконтур. Вторая же часть, пройдя только несколько первых ступеней компрессора, поступает далее внаружныйконтур, канал которого заканчивается вторым соплом (кольцевым). При том же расходе топлива, как в ТРД, тяга двигателя получается большей за счет увеличения отбрасываемой соплами массы воздуха и газа. Это делает такой двигатель значительно более экономичным, чем ТРД (на дозвуковых скоростях полёта). По такой схеме выполнены, например, двигатели Д-18Т, установленные на самолете Ан-124 «Руслан», а также проектируемый двигатель ПД-14.

Группу первых степеней компрессора, нагнетающих воздух и во внутренний и во внешний контур, часто называют вентилятором.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector