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

Что такое крутящий момент авиационного двигателя

Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя

Полный текст:

  • Статья
  • Об авторе
  • Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Калиниченко А.И. Воздушная система запуска малоразмерного газотурбинного двигателя. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):61-66. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-61-66

For citation:

Kalinichenko A.I. Air starting system of small-size gas turbine engine. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):61-66. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-61-66

В настоящее время перспективным БЛА не­обходим компактный малой массы газотур­бинный двигатель, способный к быстрому запуску и развитию высокой удельной тяги в широком диапазоне условий эксплуатации. Масса и размеры системы запуска могут со­ставлять значительную часть двигателя, в осо­бенности если требуется ускоренный многоразовый запуск.

Основными требованиями, предъявляе­мыми к системе запуска ГТД БЛА, являются:

  • мгновенный или ускоренный запуск до максимального режима;
  • надежность запуска в различных ус­ловиях;
  • малая масса;
  • компактность;
  • удобство обслуживания;
  • безопасность применения;
  • низкая стоимость.

Существующие маршевые ГТД, имею­щие одноразовый ускоренный запуск, обору­дованы пиротехнической системой запуска, соответствующей большей части предъявляе­мых требований за исключением требований по безопасности, возможности многократного использования системы и ГТД на БЛА, а также низкой себестоимости.

В АО «Омское мотостроительное кон­структорское бюро» (АО «ОМКБ») в качестве альтернативного варианта, соответствующего указанным требованиям, разработана система воздушного запуска с непосредственной подачей сжатого воздуха на рабочие лопатки турбины.

Задача усложнена тем обстоятельством, что исходя из особенностей применения ГТД на БЛА масса системы запуска должна быть минимальной. Это накладывает ограничения на допустимый объем баллона для сжатого воздуха.

При проведении работ были поставлены следующие задачи:

  • установить зависимость оборотов рас­крутки ротора от объема баллона и давления воздуха;
  • рассчитать минимальную частоту рас­крутки ротора, при которой осуществляется надежный и безопасный запуск изделия;
  • определить мощности турбины и ком­прессора на различных частотах вращения при их совместной работе без подачи топлива в камеру сгорания (на режимах так называемой холодной прокрутки);
  • вычислить мощность, подводимую к ротору от пускового устройства.

Для отработки технических решений была изготовлена установка, позволяющая ис­пользовать металлокомпозитные баллоны типа БК-2-300С различной емкости.

В данной работе были последовательно использованы баллоны емкостью 0,007, 0,004, 0,003 и 0,002 м 3 . Воздушная система испыта­тельного стенда позволяла заряжать баллоны воздухом с давлением до 24,5 МПа. Работа по проверке запусков от воздушной систе­мы проводилась на газогенераторе двигателя ТРДД-50БЭ

Программа работ была построена таким образом, что перед каждым запуском двигателя проводилась холодная прокрутка (ХП) ротора (результаты ХП двигателя показаны на рис. 1). Полученные материалы показывают ожидае­мую качественную зависимость оборотов мак­симальной раскрутки ротора от емкости балло­на и давления содержащегося в нем воздуха.

Для количественной оценки максималь­ной частоты вращения в зависимости от объ­ема баллона (рис. 2) рассмотрено влияние объема баллона на максимальные обороты раскрутки ротора при фиксированном давлении в нем 19,6 МПа. Полученная зависимость была аппроксимирована уравнением

nmax19,6 = — 0,3401V 2 + 5,934V + 9,2326. (1)

Рис. 2. Зависимость максимальных оборотов рас­крутки от объема баллона

Для оценки влияния давления в баллоне на максимальные обороты раскрутки ротора на рис. 3 приведены указанные величины в от­носительных единицах. Здесь по оси абсцисс отложено относительное давление в баллоне ротн = рбал /19,6, по оси ординат — отношение частоты вращения при заданном давлении к частоте вращения при давлении в баллоне Рбал = 19,6 МПа. По данным рис. 3 все экспериментальные точки достаточно плотно ложат­ся на линию, описываемую уравнением

Рис. 3. Зависимость частоты вращения от давления воздуха

Приведенные материалы позволяют про­гнозировать максимальную частоту раскрутки ротора при произвольных значениях объема баллона и начальном давлении воздуха.

Например, если объем баллона равен 0,0045 м 3 , а давление воздуха в нем равно 17,6 МПа, расчет по формуле (1) и (2) показы­вает, что относительная частота вращения составит nотн = 0,914.

Выборка материалов по удачным запу­скам газогенератора от баллонов емкостью 0,007, 0,004 и 0,003 м 3 приведена в табл. 1, в нее также включены данные по одному удачному запуску от баллона емкостью 0,002 м 3 .

Экспериментальные и расчетные значения параметров, при которых обеспечивается надежный запуск

Поршневой авиационный двигатель.

Работа радиального поршневого двигателя.

Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель. Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь :-)). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.

Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут. Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель?

Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).

Как всегда :-)… В принципиальном плане ничего сложного ( ТРД значительно сложнее :-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания ( ДВС ), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель . В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много :-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.

Читать еще:  Двигатель 615 мерседес дизель характеристики

Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.

Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.

Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)

Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.

Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные ( звездообразные ). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине :-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.

Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.

Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.

Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».

Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.

Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).

В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые :-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт . Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве :-). Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом :-).

Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.

СУ-26 с двигателем М-14П.

Принцип работы винта – это достаточно серьезный ( и не менее интересный :-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».

Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России :-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолеты ЯК-55 и СУ-26.

Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max

Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.

Существует практика применения дизельных двигателей ( как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.

Читать еще:  Что означает кубики в двигателе

Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов :-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…

Превращение самого мощного в мире реактивного двигателя в 65-мегаваттную газотурбинную установку

Турбина самого крупного среди существующих в мире турбовентиляторных авиадвигателей – GE90-115B – стала «сердцем» новейшей газотурбинной установки (ГТУ) LM9000. Авиационный «предок» машины развивает тягу более 58 тонн и занесен в Книгу рекордов Гиннеса, как самый мощный авиадвигатель. Мощность ГТУ LM9000 подстать родителю-рекордсмену — 65 МВт. В варианте газотурбинной электростанции данной мощности достаточно, чтобы обеспечить электричеством более 6500 частных домов. Время выхода ГТУ на полную мощность составляет всего 10 минут. «Мы взяли лучшие технологии GE и создали самую большую и самую мощную ГТУ авиационного типа из когда-либо существовавших,» – рассказал технический директор проекта, GE Oil & Gas, Маурицио Циофини.
Идея использовать реактивные двигатели в качестве наземных приводных ГТУ не нова и давно применяется на практике. Отсюда в названии таких машин и появилось словосочетание «авиационного типа»: оно отсылает нас к истокам проекта, вобравшего в себя лучшие технологии и опыт специалистов по аэрокосмическим системам GE Aviation.

Создание этой машины – яркий пример использования уникального ресурса, который в GE называют GE Store. Он позволяет бизнесам компании по всему миру обмениваться технологиями, опытом и профессиональными знаниями. Сегодня ГТУ авиационного типа служат источником энергии не только для социальных городских объектов и заводов, но и для нефтяных платформ и судов.

Изображение наверху страницы:

На фото представлен GE90 – самый мощный турбовентиляторный двигатель в мире – в момент, когда Boeing 747 разгоняет турбины перед взлетом на испытательном авиационном полигоне GE в Викторвилле (штат Калифорния, пустыня Мохаве). Воздушный поток, создаваемый двигателем, настолько сильный, что способен вырвать куски грунта позади взлетной полосы и поднять их в воздух. GIF—анимация из архива GE Aviation.

Фото здесь и далее:

На фото представлены ключевые компоненты турбореактивных двигателей, используемых в конструкции LM9000. Некоторые детали турбины будут произведены при помощи 3D-печати. Мощность ГТУ составляет 65 МВт.

Славные предки LM9000

Первое поколение турбин авиационного типа – LM100 – инженеры GE создали на основе вертолетного двигателя в конце 50-х годов прошлого века. Следующая установка, LM1500, уже содержала в себе компоненты первого сверхзвукового двигателя от GE – J79 – и производила более 10 МВт энергии. GE Power продолжила совершенствовать конструкцию турбины уже на основе двигателя CF6, который был установлен на самолет президента США и другие лайнеры Boeing 747s. Турбовентиляторный агрегат GE F404 также оказал влияние на развитие авиатурбинных технологий: он использовался в военных самолетах F/A-18 Hornet и F-117 Nighthawk. Энергоустановки на основе этих двигателей производят электричество в самых отдаленных уголках мира, а также работают на самом быстром в мире пассажирском пароме.

Больше мощности, больше эффективности, меньше недостатков

LM9000 поднимает отрасль на новый технический уровень. Команда GE Oil & Gas разработала данную ГТУ, прежде всего, в качестве механического привода компрессоров для заводов по сжижения природного газа (СПГ). Она также может применяться в составе газотурбинной электростанции (ГТЭС). «Завод по производству СПГ похож на гигантский холодильник, только вместо производства льда и охлаждения продуктов, он переводит природный газ в жидкое состояние, охлаждая его до -160 градусов по Цельсию,» – отметил Тайо Монтгомери, инженер по работе с клиентами GE Oil & Gas. Он также отметил, что LM9000 обладает достаточной мощностью, позволяющей операторам завода СПГ возобновить производство без сброса хладагента со всего оборудования, установленного на предприятии. «Установка имеет такую мощность и крутящий момент, что вы можете просто запустить рабочий процесс, встать и уйти,» — говорит Монтгомери.

Двигатели GE90, послужившие основной для новой установки, наработали 41 млн. летных часов с момента ввода в эксплуатацию в 90-х годах прошлого века. По данным GE, они продемонстрировали впечатляющие показатели вероятности вылета по расписанию — 99,98%. Кроме того, они просты в обслуживании. «Капитальный ремонт газовых турбин на заводах СПГ предыдущего поколения, может продолжаться в течение 24 дней, – рассказал Монтгомери, – А мы можем провести полную замену всех комплектующих LM9000 за 24 часа».

Команда инженеров внесла и другие усовершенствования в конструкцию и функционал машины, чтобы LM9000 максимально соответствовала потребностям промышленного применения. Они адаптировали турбину для работы на природном газе, в то время как двигатель, послуживший ее основой, проектировался для работы на авиационном топливе. Установка также будет иметь инновационную камеру сгорания, созданную при помощи технологии 3D-печати. Благодаря ее внутреннему устройству турбина выделяет меньше вредных выбросов и отвечает современным международным стандартам по экологической безопасности.

Напрасно любители техники будут искать «под капотом» установки мультипликатор. ГТУ имеет в своей конструкции «свободную силовую турбину», что позволяет установке работать максимально эффективно в широком диапазоне мощности и частоты вращения. «LM9000 обеспечивает самый высокий коэффициент готовности в сочетании с низкой стоимостью эксплуатации на СПГ-предприятиях,»– говорит Притэм Баласубраманьям, менеджер продукта LM9000, GE Oil & Gas. Он также отметил и другие преимущества новой ГТУ: LM9000 производит на 20% больше мощности, сохраняет работоспособность при увеличении межремонтных интервалов на 50% и в выхлопе ГТУ содержится на 40% меньше оксидов азота, по сравнению с существующими аналогами. По словам Притэма, такая комбинация преимуществ позволила бы заводам СПГ снизить производственные издержки на 20%.

Читать еще:  Виды двигателей типа а с характеристиками

Ввод первой установки в эксплуатацию запланирован на первую половину 2019 года.

Поршневой двигатель самолета.

История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации. Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.

Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.

Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.

И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.

Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.

Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров — скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения, в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.

V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector