Как работает двигатель самолета
Перейти к содержимому

Как работает двигатель самолета

  • автор:

Принцип работы и устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Гюйгенс ван ЗейлихемГюйгенс ван Зейлихем

Наибольшего успеха на этом поприще добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, который в 1687 году первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. Согласно замыслу, в двигателе создавалась камера внутреннего сгорания, в которой должен был сжигаться порох, а выделенная в результате горения энергия, преобразовываться в силу, приводящую определенный элемент в движение. Порох являлся первым прототипом современного топлива.

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Явление отдачи

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

  • закон сохранения импульса;
  • третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Устройство реактивного двигателя

  • компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
  • камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
  • турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
  • сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Устройство реактивного двигателя

Реактивные двигатели в самолете

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Me-262

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

Реактивный двигатель ракеты

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Как работает двигатель самолета: из чего он состоит и как устроен

Конструктивные особенности летательных аппаратов, применяемых в авиационной сфере сегодня, обеспечивают оптимальные условия для стабильных и безопасных полетов на высокой скорости. Прародитель реактивных и турбореактивных силовых установок — коловратный движок с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, который был изобретен еще в XVIII веке. Конфигурации систем, в основе которых лежит схожий принцип, позволяют максимально эффективно использовать входящие воздушные потоки, необходимые для вращения турбин. За счет чего запускаются и на чем работают двигатели, которые установлены на современных пассажирских самолетах, из чего они состоят и как устроены, какие бывают виды с точки зрения функциональных и технических характеристик? Давайте разбираться.

Общее представление

dvigatel.jpg

Силовая установка — обобщающее понятие, используемое для обозначения сложных устройств, благодаря которым летательные аппараты могут не только подниматься в воздух, но и преодолевать огромные расстояния с минимальными временными затратами. У планеров, летающих только за счет аэродинамической подъемной силы, подобные системы изначально не предусмотрены, тогда как для условных авиалайнеров их наличие является необходимым фактором. Если говорить о том, как делают двигатели, какая мощность, сила тяги, предельная высота и масса будут у самолета — нельзя не отметить, что стоимость разработки и изготовления может составлять до половины от общей цены создания очередного лайнера. В том числе ввиду того что на сегодняшний день технологии и компетенции в области гражданского двигателестроения имеются у относительно небольшого числа стран.

Конструктивные особенности

Конфигурация силовых установок, в которых внутренняя температура во время эксплуатации может превышать пороговые значения в две тысячи градусов Цельсия, отличается особой сложностью. В первую очередь из-за необходимости использования при создании деталей материалов, устойчивых к возгоранию и экстремальному термическому воздействию. Вопросам, связанным с изготовлением турбореактивных моделей, посвящена отдельная научная область.

Конструкция ТРД предусматривает наличие нескольких элементов, каждый из которых выполняет заданный функционал. Для полноценного функционирования системы нужны вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло.

Вращающиеся многолопастные модули особой формы втягивают воздушные потоки с максимально возможной скоростью и эффективностью, выдерживая повышенные нагрузки, благодаря выбору титана в качестве основного материала. Задача вентиляционного элемента — не только обеспечивать подачу, но и прокачивать воздух между деталями и оболочкой, создавая эффект охлаждения и препятствуя разрушительному воздействию экстремальных температур от сгорающего топлива.

Рядом с вентилятором расположен высокомощный компрессор, благодаря которому возникает возможность перенаправить массу, находящуюся под давлением, внутрь камеры сгорания. Результатом становится образование обогащенной смеси, при поджигании нагревающей все вокруг до 1500-2000 градусов. В данном случае достаточным сопротивлением к термическому воздействию обладает керамика, чаще всего выступающая материалом изготовления основного преобразующего модуля.

Дальнейшее направление работы двигателя самолета — турбина. Специальное устройство, конфигурация которого предусматривает использование многочисленных элементов в виде лопатки, принимает на себя давление, нагнетаемое потоком, за счет чего возникает вращение вала с установленным вентилятором. Фактически речь идет о замкнутой системе, где для полноценного функционирования достаточно только воздуха и топлива.

Завершающей фазой первого цикла становится поступление смеси в сопло, где формируется реактивная струя: разрушению корпуса и плавлению манжеты препятствует параллельное нагнетание холодной воздушной массы. Оптимальным вариантом считается подвижная модификация, способная не только расширять и сжимать выходное отверстие, но и корректировать угол, задавая таким образом нужное направление и повышая общие характеристики маневренности.

Базовые принципы

Итак, еще раз кратко о том, как выглядит и работает двигатель самолета, и что служит рабочим телом в конструкции. Движение обеспечивается за счет формируемой силовой установкой турбореактивной тяги, мощность которой позволяет легко поднять и разогнать до нужной скорости массивное строение. Отдача струи газа, вылетающей из сопла, фактически толкает летательный аппарат в нужном направлении, используя воздух в качестве основания.

fadec.jpg

Для большинства систем, используемых в современной авиации, характерно наличие компьютерного модуля Full Authority Digital Engine Control System, сокращенно — FADEC. Функциональной задачей устройства выступает анализ ключевых параметров, характеризующих рабочее состояние, условия внешней среды и поступающие от органов управления сигналы, а также контроль за приводами, так или иначе, способными оказать влияние на силовую установку.

Цифровой блок охватывает буквально все аспекты работы, полностью отвечая за эксплуатационные циклы — схема не предусматривает интеграции резервного контура или дополнительных тяг для регулировки газа. Помимо входящей информации, относящейся к управленческому процессу, система также:

Анализирует данные о воздушной скорости, давлении и температуре.

Контролирует показатели датчиков обжатия шасси для оценки возможности задействования реверса.

Вносит корректировки исходя из объема поступающего воздуха, и выполняет иные задачи.

Какие двигатели ставят на современные самолеты

Существует несколько вариантов, различающихся между собой конструктивными и эксплуатационными особенностями.

classic.jpgКлассические

Работают в соответствии с вышеописанным принципом. Подходят для использования на судах разных модификаций и активно применяются в гражданской авиации.

Турбовинтовые

turbo.jpg

Выполняют основную функцию немного иначе. Конструкция не предполагает механической связи газовой турбины и трансмиссии, поэтому движение летательного аппарата обеспечивается реактивной тягой лишь отчасти. Основной объем энергии, вырабатываемой в результате горения топливной смеси, силовая установка направляет через редуктор на привод винта, что делает конфигурацию более экономичной, но ограничивает верхний потенциал скоростных характеристик.

Турбовентиляторные

turboventi.jpg

Говоря о том, на каких типах двигателей летают самолеты, нельзя не упомянуть и о комбинированных системах, объединяющих в себе отдельные элементы турбореактивных и турбовинтовых устройств. Отличительная особенность — увеличенные габариты лопастей вентилятора, который, как и винтовая часть, работает на дозвуковых скоростях. Снижение интенсивности воздушного потока обеспечивается обтекателем, внутри которого размещается лопастная конструкция. Подобные модификации экономичнее в плане расхода топлива, а также демонстрируют повышенный КПД, что делает целесообразной их применение на пассажирских авиалайнерах и грузовых судах с увеличенной вместительностью.

Прямоточные

pryamotochnye.jpg

Воздушно-реактивные установки не предусматривают наличия в конфигурации подвижных элементов. Втягивание воздуха происходит естественным путем за счет размещения возле входного отверстия элемента, снижающего уровень аэродинамического сопротивления — обтекателя. С момента поступления потока процесс становится аналогичным классической схеме.

Характеристики мощности

Разобравшись в том, что такое тяга, и какие модели двигателей стоят на самолетах сегодня, можно отметить, что некоторые из этих летательных аппаратов оснащаются турбовинтовыми установками. Их конфигурация заметно проще, чем у турбореактивных, из-за чего возникает логичный вопрос — для чего вообще нужны более сложные модификации? Ответ очевиден: мощностные показатели, демонстрируемые ТРД, в десятки раз выше, аналогичных результатов, достигаемых винтовыми конструкциями. Увеличенная сила способствует повышению предельно допустимой массы и скорости. Единственным ограничением в данном случае остается температура газов за камерой сгорания, поднять которую пока что не позволяют свойства материалов, доступных для изготовления конструкционных деталей.

Как заводят двигатель самолета

cabine.jpg

В процессе запуска необходимо решить три основных задачи: придать достаточную скорость вращения турбине высокого давления, обеспечить подачу топлива и создать искру для его возгорания.

Раскрутка турбинной части до интенсивности в районе 50% от предельных оборотов позволяет устройству продолжить работу самостоятельно. Первоначальный импульс может быть обеспечен электрическим стартером либо направленным воздушным потоком, генерируемым пневматикой, которая, в свою очередь, берет воздух под повышенным давлением из вспомогательной силовой установки или иного источника.

Стандартный алгоритм действий предусматривает следующую последовательность:

Перевод в положение «ON» переключателя и тумблера.

Автоматическое открытие FADEC кранов пневматической и топливной систем.

Запуск турбины и подача искры на свечи зажигания.

Старт второго двигателя после выхода на нужные обороты.

Отключение стартового модуля ввиду выполнения им основной задачи.

В отдельных ситуациях может возникнуть потребность в создании эффекта вращения без перехода в активную рабочую фазу. Подобная практика, к примеру, актуальна при проведении диагностических процедур, а также во время промывки внутренней конфигурации керосином после продолжительной консервации. Для этого используется отдельное положение переключателя — CRANK, при котором общий цикл остается неизменным, но отсутствует искра на свечах зажигания.

Как осуществляется управление

Вне зависимости от того, какое максимальное количество двигателей в гондолах крепится к крыльям самолета — это, как правило, зависит от типа конфигурации и целевых задач конкретной модели — для каждого из них должен присутствовать свой управляющий рычаг. Принцип взаимодействия максимально упрощен: отталкивая рукоятку в направлении от себя, пилот увеличивает скорость вращения и мощность реактивной тяги, притягивая — заставляет силовую установку работать медленнее. Учитывая отсутствие прямой связи с топливным дросселем, потенциальный риск чрезмерной или недостаточной подачи горючей смеси исключается полностью — сжечь или заглушить двигатель вручную не получится. Кроме того, за рабочим состоянием и предельными температурами во время полета следит FADEC.

В сегменте «малого газа» размещается упор, поэтому для разблокировки режима реверса потребуется вытянуть специальную скобу. Реверсное функционирование предполагает использование вспомогательных створок, которые отводят поток в обратном направлении и тем самым помогают самолету постепенно замедлиться и остановиться.

Любопытно, что при продолжительном использовании возможно даже движение воздушного судна на ВПП задом — однако в этом случае возникает риск попадания внутрь силовых установок, висящих под крыльями, различного мусора, что обусловливает отрицательные рекомендации. Также стоит отметить работу FADEC, который проводит автоматический анализ положения рычагов, и в режиме реального времени сопоставляет результаты с параметрами датчиков обжатия шасси. Благодаря этому, случайный запуск реверса во время нахождения судна в воздухе в принципе невозможен.

Конфигурация предусматривает наличие особого аварийного режима, для включения которого необходимо приложить к рычагам определенное усилие и перевести их дальше базового взлетного положения. Применение допускается в случае отказа одного из двигателей на взлете и обусловливается необходимостью компенсации потерянного ресурса для набора приемлемой и безопасной высоты.

Индикаторы и сигнальные модули

panel.jpg

Сведения о показателях текущей работы отображаются на фронтальной панели в центральной части дисплея, а также на отдельной странице, где представлен расширенный набор характеристик. В перечень данных, которые выводятся на постоянной основе, входят:

Уровень оборотов вентилятора, определяющий мощность тяги.

Температура образующихся выхлопных газов, служащая ограничителем топливной подачи для автоматической системы, предупреждающей плавление деталей турбины.

Заданное значение интенсивности вращения — промежуток разгона от малого газа до режима взлета составляет несколько десятков секунд, что обусловливает разницу между фактическими и целевыми показателями.

Характеристики рабочего состояния независимых турбинных установок высокого давления, важные с точки зрения процедуры запуска.

Текущее потребление топлива, выбранная программа работы двигателя, а также признаки включения реверса.

На отдельной странице также могут быть отражены вспомогательные данные, характеризующие состояние масла, уровень вибраций, расход горючего с момента последнего запуска, показатели давления в пневматической системе и т. д.

Нелокализованный разлет осколков

К числу факторов, оказывающих заметное влияние на выбор конструкции при создании специализированного бортового оборудования для воздушных судов, в том числе относят данное явление, возникающее в случае взрыва силовой установки. Считается, что в подобной ситуации осколки компрессорных и турбинных лопаток будут иметь запас энергии, достаточный для разрушения любых механических преград, в том числе — деталей и элементов, обеспечивающих функционирование всей системы.

Безопасное завершение полета при возникновении нелокализованного разлета окажется возможным при условии наличия резервных проводов, расположенных на расстоянии, исключающем одновременное повреждение осколками основного и запасного каналов. Практика показывает, что современные технологии и материалы, используемые в авиационной промышленности, сводят к минимуму вероятность подобных инцидентов — однако консервативный подход требует учета в архитектуре противодействия любым потенциальным рискам.

Подведем итоги

Современные технологии позволяют создавать мощные силовые установки, обеспечивающие максимальную эффективность эксплуатации воздушных судов. Чтобы понять, как перезапустить двигатель самолета или как называется тот или иной модуль, необходимо уделить время изучению особенностей наиболее распространенных конфигураций.

Глава 14 основы устройства силовых установок летательных аппаратов

Двигатели с агрегатами и системами, обеспечивающими их работоспособность (системы регулирования подачи топлива, запуска, управления и контроля работы, смазки, противопожарной защиты двигателя), воздухозаборники и выхлопные устройства (сопла), топливная система ЛА составляют его силовую установку.В зависимости от назначения и потребных ЛТХ самолета масса силовой установки составляет 8-22% взлетной массы самолета. Двигатель, преобразующий химическую энергию находящегося на борту ЛА топлива в тепловую и механическую, можно считатьпервичным источником энергии, основная часть которой расходуется на создание силы тяги и весьма значительная часть — на работу различных бортовых систем (см. главу 15). Двигатель должен обеспечивать потребные взлетно-посадочные и маневренные характеристики ЛА, необходимую дальность полета, скороподъемность и высоту полета. В широком диапазоне высот и скоростей полета двигатель должен экономно расходовать топливо, надежно, устойчиво работать, быть безопасным в пожарном отношении, иметь достаточно большой ресурс работы без ремонта. Все эти сложные и противоречивые требования приводят к созданию различных типов двигателей (работающих по различным газодинамическим схемам).

14.1. Двигатели, применяемые на летательных аппаратах

По способу создания силы тяги двигатели, применяемые на ЛА, подразделяются на винтовые и реактивные. Винтовые двигатели создают потребную для полета ЛА силу тяги за счет движителя — воздушного винта (см. раздел 7.4.1). Создание поршневого двигателя (ПД) внутреннего сгорания, который был использован для привода воздушного винта, обусловило начальный этап развития авиации, а непрерывное совершенствование винтомоторной силовой установки с ПД обеспечивало высокую эффективность авиационной техники при непрерывно возрастающих потребных скоростях и высотах полета. Мощность Ne, передаваемая коленчатым валом поршневого двигателя валу воздушного винта, практически не зависит от скорости полета. Однако мощность, передаваемая винтом летательному аппарату и определяющая силу тяги, — так называемая тяговая мощность Nт = Nehв зависит от эффективности работы винта (КПД винта ηв). Воздушный винт работает с высокой эффективностью до скоростей полета, соответствующих числу М = 0,50,6, при увеличении скорости полета явления сжимаемости воздуха на концах лопастей винта приводят к значительной потере его эффективности. Поэтому в связи с увеличением потребной скорости и высоты полета уже в начале 50-х годов проектировщики ПД подошли к барьеру по тяговой мощности, т.е. практически исчерпали все возможности совершенствования этого типа двигателей, и дальнейшее повышение скорости и высоты полета ЛА за счет повышения мощности и высотности (обеспечения необходимой мощности с ростом высоты полета) ПД стало уже невозможным, поскольку это приводило к недопустимому увеличению массы и габаритов ПД. В настоящее время ПД широко применяются в легких и нескоростных самолетах и вертолетах, однако развитие авиакосмической техники с начала 50-х годов характеризуется широким применением реактивных двигателей, тяговая мощность которых не уменьшается с увеличением скорости полета. Реактивные двигатели, создающие тягу за счет прямой реакции струи выхлопных газов, подразделяются на ракетные (РД) и воздушно-реактивные (ВРД). Ракетные двигатели (ЖРД и РДТТ) выделяются из всего семейства двигателей, используемых на ЛА, уникальными свойствами: практически неизменной тяговой мощностью в широком диапазоне скоростей; возможностью работы на больших высотах полета, включая безвоздушное космическое пространство, причем с увеличением высоты полета тяга ракетных двигателей растет; относительной (по сравнению с другими типами двигателей) простотой конструкции; исключительной возможностью получения больших мощностей в одном агрегате при сравнительно малой его массе и габаритных размерах. Все это делает РД незаменимыми для ЛА, предназначенных для полета в космическом пространстве. Однако большие расходы топлива, практическая невозможность регулирования тяги по произвольному закону в широких диапазонах, невозможность снабжения бортовых систем ЛА энергией от маршевых двигателей, что требует наличия на борту ЛА дополнительных источников энергопитания, необходимость иметь на борту ЛА запас не только горючего, но и окислителя, что существенно снижает весовую отдачу ЛА с ракетным двигателем, практически исключают возможность использования РД в силовых установках многоразовых транспортных ЛА, совершающих полеты в пределах атмосферы. РД иногда применяются на высокоскоростных маневренных самолетах в качестве дополнительной силовой установки, позволяющей кратковременно увеличить скорость или высоту полета, и в качестве стартовых ускорителей, существенно сокращающих потребную для взлета длину ВПП. Воздушно-реактивные двигатели используют в качестве горючего керосин, находящийся в топливных баках ЛА, а в качестве окислителя — кислород воздуха. Наибольшее распространение в авиации получил турбореактивный двигатель (ТРД) (рис. 14.1), являющийся базой для создания целого семейства двигателей, объединяемых под общим названием газотурбинных двигателей (ГТД).

Рис. 14.1. К объяснению принципа работы ТРД

Pдв = mсек(WсV) + ƒс(pс p0),

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

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.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

  • забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
  • сжатие – 2 (компрессор)
  • смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
  • выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
  • Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

  • турбореактивные
  • турбовинтовые
  • турбовентиляторные
  • турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

  • по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
  • по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
  • по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
  • по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
  • по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *