Принцип работы двигателя самолета: изучаем со всех сторон

Путешествуя на самолетах, вы задумывались когда-нибудь о том, как работает двигатель реактивного самолета? О реактивной тяге, которая приводит его в действие, знали еще в Античные времена. Применить же ее на практике смогли только в начале прошлого века, в результате гонки вооружений между Англией и Германией.

Принцип работы двигателя реактивного самолета довольно прост, но имеет некоторые нюансы, которые строго соблюдаются при их производстве. Чтобы самолет смог надежно держаться в воздухе, они должны работать идеально. Ведь от этого зависят жизни и безопасность всех, кто находится на борту самолета.

Авиационные газотурбинные двигатели.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы реактивного двигателя

За работу двигателя отвечает реактивная тяга. Для создания реактивной тяги необходима определенная жидкость, которая подается из задней части двигателя и по ходу ее продвижения увеличивается ее скорость движения вперед. Работу тяги отлично объясняет один из законов Ньютона, звучит он так «Любое действия вызывает равное противодействие».

Вместо жидкости в ТРД используется горючая смесь (газы и воздух со сгоревшими частичками топлива). Благодаря этой смеси самолет толкает вперед и позволяет ему лететь дальше.

Разработки таких двигателей начались в тридцатых годах. Первыми кто начал разрабатывать двигатели такого типа стали немцы и англичане. Но в гонке вооружений одержали победу ученные из Германии, так как они выпустили самый первый в мире самолет с ТРД под названием «Ласточка», данный самолет впервые взлетел в небеса над Люфтваффом. Спустя некоторое время появился и Английский самолет «Глостерский метеор»

Также сверхзвуковые двигатели принято считать турбореактивными, но они отличаются более совершенными модификациями, в отличие от ТРД.

Устройство двигателя имеет четыре главные детали, а именно:

• Компрессор.
• Камера горения.
• Турбина.
• Выхлоп.

Компрессор

В компрессоре находиться несколько турбин, с помощью которых происходит засасывание и сжатие воздуха. Во время сжатия воздуха, его давление и температура начинает нагнетаться и расти.

Камера горения

После того как воздух проходит турбину и его сжимает до необходимых размеров. Часть сжатого воздуха поступает в камеру горения, где воздух начинает смешиваться с топливом, после чего его поджигают. Благодаря этому увеличивается тепловая энергия воздуха. После смесь выходит из камеры с большой скорости и расширяется.

Турбина

После выхода эта смесь снова попадает в турбину, с помощью высокой энергии газа лопасти в турбине начинают свое вращение. Турбина тесно связанна с компрессором, который находиться в начале двигателя. Благодаря этому турбина начинает свою работу. Остатки воздуха выходят в выхлоп. В момент выхода смеси температура достигает рекордных размеров. Но она продолжает повышать свою температуру с помощью эффекта Дросселирования. После того как температура воздуха доходит до своего пика, она начинает идти на спад и выходит из турбины.

Особенности конструкции турбореактивного двигателя

ТРД состоит из следующих элементов:

• входного устройства;
• компрессора;
• камеры сгорания;
• турбины;
• сопла.

Во время полета набегающий поток воздуха тормозится во входном устройстве: его скорость превращается в давление. Далее струя воздуха поступает в компрессор, который еще больше увеличивает степень ее сжатия. В камере сгорания происходит нагревание при сжигании топлива. Из нее предельно разогретый и сжатый поток направляется в турбину. Там газы совершают работу, вращая лопатки, которая передается компрессору и другим вспомогательным агрегатам.

Конструкция турбореактивного двигателя

При выходе из турбины ТРД газ имеет давление, значительно превосходящее атмосферное. Благодаря этому достигается высокая скорость его истечения из выходного сопла, что создает реактивную тягу.

В 60-е и 70-е годы прошлого столетия ТРД широко применялись на различных типах гражданских и военных самолетов. Позже им на смену пришли двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), имеющие лучший КПД, особенно при полетах на дозвуковых скоростях. По существу, сегодня они являются основными моторами современной авиации. Каков же принцип работы ВРД подобного типа?

Внутренний (первый) контур любого ТРДД представляет собой, по сути, обычный турбореактивный двигатель. Воздух, пройдя воздухозаборник, попадает в низконапорный компрессор, называемый еще вентилятором. После этого он разделяется на два потока: один, из которых попадает во внутренний контур, где проходит обычный для ТРД цикл, описанный выше. Второй входит в наружный контур, минуя турбину и камеру сгорания, и попадает в сопло, где смешивается с потоком, выходящим из первого контура. Такой тип двигателя называется ТРДД со смешением потоков.

Благодаря наличию внешнего контура общая скорость истечения газа из сопла уменьшается, что повышает тяговый КПД. Важнейшей характеристикой любого ТРДД является степень его двухконтурности – это отношение расхода воздуха через внутренний и внешний контур. Двигатели с большой степенью двухконтурности (выше 2) называются турбовентиляторными. Главным недостатком моторов этого типа является их значительные размеры и масса, а достоинством – высокая экономичность. Турбовентиляторными двигателями оснащается большинство коммерческих авиалайнеров и транспортных самолетов.

Существует несколько способов повышения эффективности работы ТРД и ТРДД:

• форсажная камера;
• регулируемое сопло;
• управление вектором тяги.

Любой ТРД имеет резерв мощности: избыток кислорода в камере сгорания. Однако использовать его напрямую – через увеличение впрыска топлива – нельзя: более высокую температуру не выдерживают детали двигателя. Конструкторы выбрали другой путь, и он оказался правильным: между турбиной и соплом сжигается дополнительное топливо, что увеличивает температуру рабочего тела и значительно повышает тягу (до 1,5 раза). Форсажные камеры в основном устанавливаются на боевых самолетах.

Конструкция турбовентиляторного двигателя. Именно таким мотором оснащаются современные пассажирские лайнеры

Регулируемое сопло состоит из подвижных продольных элементов, управляя положением которых, можно изменять геометрию самой узкой части выходного отверстия двигателя. Это позволяет оптимизировать работу мотора на разных его режимах.

Управление вектором тяги производится с помощью специальных отклоняемых сопел, которые позволяют изменять поток рабочего тела относительно оси двигателя. Такая конструкция несколько усложняет управление самолетом, но существенно увеличивает его маневренность и взлетно-посадочные характеристики.

Как работает турбореактивный двигатель?

Реактивные двигатели применяются повсеместно, а турбореактивные устанавливаются больших пассажирских лайнерах. Отличие их в том, что первый несет с собой запас топлива и окислителя, а конструкция обеспечивает их подачу из баков.

Турбореактивный двигатель самолета несет с собой лишь топливо, а окислитель — воздух — нагнетается турбиной из атмосферы. В остальном принцип его работы совпадает с тем же, что и у реактивного.

Одна из самых важных деталей у них — это лопасть турбины. От нее зависит мощность двигателя.

Схема турбореактивного двигателя.

Именно они вырабатывают тяговые усилия, необходимые для ускорения самолета. Каждый из лопастей производит в 10 раз больше энергии, чем самый обычный, автомобильный двигатель. Они устанавливаются позади камеры сгорания, в той части двигателя, где самое высокое давление, а температура доходит до 1400 градусов по Цельсию.

В процессе производства лопастей они проходят через процесс монокристаллизации, что придает им твердости и прочности.

Перед тем, как установить на самолет, каждый двигатель проверяется на полное тяговое усилие. Он должен пройти сертификацию Европейского совета по безопасности и компанией, которая его произвела. Одной из самых крупных фирм по их производству является Роллс-Ройс.

Устройство реактивного двигателя

С первого взгляда кажется устройство конструкции реактивной установки достаточно простым, однако характеристики использования топлива и его сгорания требуют применения высокопрочных материалов.

На рисунке 4 изображено устройство реактивного двигателя.

Рисунок 4 — Устройство реактивного двигателя

Из рисунка 4 видно, что на входе в аппарат установлен вентилятор всасывающий воздух в двигатель. Вентилятор состоит из мощных и объемных по размеру лопастей, которые, как правило, изготавливаются из титана. Далее вслед за вентилятором установлен многоступенчатый турбокомпрессор для подачи воздуха непосредственно в камеру, где происходит сгорание рабочего тела.

После воспламенения и сгорания поток реактивных газов направляется на рабочие лопатки турбоагрегата, чем и приводят его во вращение. На валу турбины горячей ступени имеется жесткая связь с компрессором, который вращается от работы турбины.

Отработанный газовый вихрь через сопла набирает реактивную скорость и покидает полость аппарата. Для предотвращения перегрева и расплавки на сопла подводится охлаждающий воздух от турбокомпрессора по специальным каналам в корпусе двигателя.

Применение

Сфера применения двухконтурных турбореактивных двигателей очень широкая. Они смогли охватить практически всю авиацию, потеснив собой ТРД и ТВД. Главный недостаток реактивных моторов – их неэкономичность – удалось частично победить, так что сейчас большинство гражданских и практически все военные самолеты оснащены ТРДД. Для военной авиации, где важны компактность, мощность и легкость моторов, используются ТРДД с малой степенью двухконтурности (к<1) и форсажными камерами. На пассажирских и грузовых самолетах устанавливаются ТРДД  со степенью двухконтурности к>2, что позволяет сэкономить немало топлива на дозвуковых скоростях и снизить стоимость перелетов.

Двухконтурные турбореактивные двигатели с малой степенью двухконтурности на военном самолете.

СУ-35 с установленными на нем 2мя двигателями АЛ-41Ф1С

Преимущества и недостатки

Двухконтурные турбореактивные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с ТРД в виде значительного сокращения расхода топлива без потерь мощности. Но при этом их конструкция более сложная, а вес намного больше. Понятно, что чем больше значение степени двухконтурности, тем экономичнее мотор, но это значение можно увеличить только одним способом – за счет увеличения диаметра второго контура, что даст возможность пропустить через него больше воздуха. Это и есть основным недостатком ТРДД. Достаточно посмотреть на некоторые ТВРД, устанавливаемые на крупные гражданские самолеты, чтобы понять, как они утяжеляют общую конструкцию. Диаметр их второго контура может достигать нескольких метров, а в целях экономии материалов и снижения их массы он выполняются более коротким, чем первый контур. Еще один минус крупных конструкций – высокое лобовое сопротивление во время полета, что в некоторой степени снижает скорость полета. Использование ТРДД в целях экономии топлива оправдано на дозвуковых скоростях, при преодолении звукового барьера реактивная тяга второго контура становится малоэффективной.

Различные конструкции и использование дополнительных конструктивных элементов в каждом отдельном случае позволяет получить нужный вариант ТРДД. Если важна экономия, устанавливаются турбовентиляторные двигатели с большим диаметром и высокой степенью двухконтурности. Если нужен компактный и мощный мотор, используются обычные ТРДД с форсажной камерой или без нее. Главное здесь найти компромисс и понять, какие приоритеты должны быть у конкретной модели. Военные истребители и бомбардировщики не могут оснащаться двигателями с трехметровым диаметром, да им это и не нужно, ведь в их случае приоритетны не столько экономия, сколько скорость и маневренность. Здесь же чаще используются и ТРДД с форсажными камерами (ТРДДФ) для увеличения тяги на сверхзвуковых скоростях или при запуске. А для гражданской авиации, где сами самолеты имеют большие размеры, вполне приемлемы крупные и тяжелые моторы с высокой степенью двухконтурности.

Как производят реактивные двигатели для моделей самолетов?

Их производство для моделей самолетов занимает около 6 часов. Сначала вытачивается базовая пластина из алюминия, к которой крепятся все остальные детали. По размеру она совпадает с хоккейной шайбой.

К ней прикрепляют цилиндр, поэтому получается что-то вроде консервной банки. Это будущий двигатель внутреннего сгорания. Далее устанавливается система подачи топлива. Чтобы его закрепить, в основную пластину вкручиваются шурупы, предварительно опущенные в специальный герметик.

Двигатель для модели самолета.

Каналы стартера крепятся с другой стороны камеры, чтобы перенаправлять выбросы газа в турбинное колесо. В отверстие сбоку от камеры сгорания устанавливается спираль накаливания. Она поджигает топливо внутри двигателя.

Потом ставят турбину и центральную ось цилиндра. На нее ставят колесо компрессора, которое нагнетает воздух в камеру сгорания. Его проверяют с помощью компьютера, прежде чем закрепить пусковую установку.

Готовый двигатель еще раз проверяют на мощность. Его звук немногим отличается от звука двигателя самолета. Он, конечно, меньшей силы, но полностью напоминает его, придавая больше схожести модели.

Разновидности реактивных двигателей

Существует несколько реактивных двигателей отличающихся по своему принципу работы и подобию. Так, принцип работы ядерного двигателя, в основу которого положена синтезная реакция разложения химического элемента, к примеру — урана.

Данный элемент помещается в реактор. Туда же подводится при помощи турбонасосов рабочее вещество. Распылительными форсунками производится его рассеивание по рабочей камере, в которой происходит контакт с химическим ураном. В результате выделяется энергия большой силы, которая и является движущей.

Не смотря на всю конфиденциальность и секретность информации о ядерном вооружении стран во всем мире, самую большую опасность представляет крылатая ракета, работающая на ядерном топливе.

Системы противовоздушной обороны настолько совершенны, что обмануть простыми полетами и маневрами уже не так-то просто. В этом случае и выступает на передний план ядерный двигатель. Увы, принцип работы ядерного двигателя для крылатой ракеты недоступен и, вряд ли, когда-нибудь будет раскрыт для общественности.

, для нас это очень важно:

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели

ПВРД – самый простой тип реактивного двигателя по своему устройству. В нем вообще нет движущихся частей. Повышенное давление, необходимое для работы, достигается за счет торможения встречного потока воздуха. Любой ПВРД состоит из трех компонентов:

• диффузора;
• камеры сгорания;
• сопла.

В диффузоре уменьшается скорость потока воздуха и повышается его давление, затем в камере сгорания он нагревается за счет окисления топлива, после чего происходит расширение рабочего тела в сопле и возникает реактивная тяга. Существуют три вида ПВРД:

• дозвуковые;
• сверхзвуковые;
• гиперзвуковые.

Дозвуковые ПВРД имеют очень низкий термический КПД, поэтому серийно в настоящее время не используются.

На сверхзвуковой скорости прямоточный двигатель весьма эффективен, при скорости в 3 Маха степень повышения давления вполне сравнимо с аналогичным показателем ТРД.

Гиперзвуковой прямоточный реактивный двигатель (ГПВРД) предназначен для полетов на скоростях выше 5 Махов. Сегодня созданием подобных силовых установок занимаются во многих странах мира, но они все еще остаются на уровне единичных прототипов.

Гиперзвуковые летательные аппараты будущего, скорее всего, будут оснащаться ПРВД

Прямоточный реактивный двигатель неработоспособен на земле и малоэффективен на низких скоростях полета. Поэтому его нередко используют с различными разгонными устройствами: пороховыми ускорителями или же запуск ЛА с ПРВД производится с самолетов-носителей. Подобные ограничения определяют область возможного применения летательных аппаратов с ПВРД: обычно это боевые системы одноразового использования. Примером могут служить крылатые ракеты «Оникс» и «Брамос».

Отдельно следует упомянуть о ядерных прямоточных двигателях, разработка которых велась в 60-е и 70-е годы. Воздух в таких силовых установках нагревался за счет тепла работающего ядерного реактора, размещенного в камере сгорания. Американцы даже сумели построить подобное устройство и провели его огневые испытания. Однако дальше этого дело не пошло, и проект был закрыт.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели

ПуВРД – это один из первых типов реактивных моторов, использование которых началось еще во время Второй мировой войны. Гитлеровцы устанавливали их на крылатые ракеты Фау-1, применявшиеся для обстрелов Британии.

У пульсирующего реактивного двигателя тяга образуется не постоянно, а в виде серии импульсов, следующих с определенной частотой. Он состоит из диффузора, камеры сгорания и цилиндрического сопла. Между камерой сгорания и диффузором установлен специальный клапан. Цикл работы ПуВРД выглядит следующим образом:

1. Клапан открыт, и воздух свободно поступает в камеру сгорания. Одновременно происходит впрыск топлива;
2. Топливно-воздушная смесь поджигается – давление резко повышается и закрывает клапан. Рабочее тело истекает из сопла, образуя реактивную тягу;
3. Давление в камере сгорания падает, клапан в диффузоре под напором входящего воздуха открывается. Цикл начинается сначала.

Пульсирующий характер работы ПуВРД делает его менее эффективным по сравнению с двигателями с постоянным процессом горения. Такие моторы шумны и неэкономичны, зато очень просты и дешево стоят. В настоящее время ПуВРД используются мало: их устанавливают на БПЛА, летающие мишени, также они нашли свое применение в авиамоделировании.

Самый известный случай использования ПуВРД — немецкая крылатая ракета Фау-1

Не будет преувеличением сказать, что создание реактивного двигателя подарило человечеству небо. Благодаря этому устройству самолет превратился из орудия войны в массовый вид транспорта, которым ежегодно пользуются сотни миллионов человек. Однако история реактивного двигателя отнюдь не закончена. Техника и технологии не стоят на месте. Возможно, уже в ближайшие годы появятся новые типы реактивных двигателей, которые позволят нам летать с гиперзвуковой скоростью и наконец-то достигнуть других планет.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...