 |
Авиационные двигатели их классификация и краткие характеристики
|
|
|
|
Авиационный двигатель – это тепловая машина, которая преобразует тепловую химическую энергию авиационного топлива в энергию отбрасываемой воздушной массы или истекающих реактивных газов.
И хотя, по большому счету, создание силы тяги в воздушном пространстве основано на эффекте реакции отбрасываемой (истекающей) воздушной массы и оно по сути своей является реактивным движением. Сегодняшние авиационные двигатели ГА подразделяются на два больших класса: - класс реактивных и класс винтовых авиационных двигателей.
Класс реактивных двигателей включает в себя:
- воздушно-реактивные двигатели (ВРД ), в которых для сгорания топлива используется кислород воздуха атмосферы. ВРД, имеющие газовую турбину, называются турбореактивными двигателями ТРД,
- ракетные двигатели (РД) – в которых для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.
Класс винтовых двигателей включает в себя:
- поршневые двигатели (ПД) это - бензиновые моторы внутреннего сгорания и дизельные двигатели, которые создают тягу за счет реакции отбрасывания воздушным винтом масс воздуха.
- турбовинтовые двигатели (ТВД) это -двигатели которые создают тягу за счет реакции отбрасываемой воздушным винтом воздушной массы (85-90 %) и истекающих из двигателя реактивных газов (15-10 %)
Так как в конструкциях ТРД, и ТВД имеют место газовые турбины, то эти двигатели объединяют в одну общую группу – газотурбинные двигатели.
Рассмотрим вкратце конструктивные особенности этих авиадвигателей, их достоинства и недостатки.
Поршневые бензиновые двигатели это - двигатели внутреннего сгорания, работающие по ”четырехтактному циклу Карно” (цикл впуска, цикл сжатия, цикл расширения, цикл выпуска), у которых основная часть процесса приготовления горючей смеси осуществляется карбюратором или впрыском топлива прямо в цилиндры, а поджиг ее осуществляется от искры.
|
|
|
Важным показателем авиационного поршневого двигателя является его минимальная удельная масса - это соотношение веса двигателя к развиваемой им максимальной мощности и она для современных двигателей составляет 0,4кг/кВт.
В поршневом двигателе возвратно-поступательное движение поршней посредством кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, крутящий момент которого напрямую или через понижающий редуктор передается на вал воздушного винта, заставляя его вращаться и создавать силу тяги.
Основными параметрами и показателями тяговых характеристик поршневого двигателя являются:
Индикаторная мощность – мощность развиваемая газами внутри цилиндра двигателя и передаваемая поршню за циклы сжатия и расширения. Она определяется как:
N i = pi Uh i n / 900 (л.с.)
где: - pi - среднее индикаторное давление (кг /см2) равное разности сред-
него давления расширения и среднего давления сжатия.
- Uh - рабочий объем цилиндра
- i - число цилиндров
- n - число оборотов коленчатого вала.
Мощность трения Nr – часть индикаторной мощности, затрачиваемая на механические потери и потери на привод в работу насосов. Для современных двигателей мощность трения составляет 10-15 %.
Так как с увеличением высоты полета плотность воздуха атмосферы и содержание кислорода в нем уменьшается, а для полного и устойчивого сгорания определенной массы топлива необходимо строго определенное количество воздуха, то для поддержания этого необходимого соотношения топливо/воздух применяются воздушные нагнетатели (турбокомпрессоры), позволяющие обеспечить подачу в двигатель необходимого количества воздуха, идущего на создание горючей смеси и тем самым повысить его высотность. Турбокомпрессоры приводятся в работу за счет отбора от двигателя части мощности, поэтому эффективная мощность двигателя с турбокомпрессором будет на 10-20% ниже, чем у двигателя без турбокомпрессора.
|
|
|
Эффективная мощность Nе – мощность, передаваемая от коленчатого вала к воздушному винту.
Nе = Ni - Nr – Nс
где: Nс - мощность, отбираемая для работы турбокомпрессора
Поскольку поршневые двигатели являются в большинстве своем высоко оборотистыми двигателями, а оптимальным числом оборотов для воздушного винта являются обороты до 2000-2500 1/мин, то для получения таких оборотов на двигателе устанавливается понижающий редуктор, с заданной степенью редуцирования.
Через величину крутящего момента на валу винта Мв, степень редуцирования
оборотов i р и обороты двигателя n эффективная мощность ПД может быть определена из зависимости
Nе = Мв n i р / 716,2
Наши представления о поршневых двигателях были бы не полными если бы мы оставили без внимания режимы их работы и значения мощности соответствующие этим режимам.
И так основными режимами работы поршневых авиационных двигателей считаются:
Взлетный режим это - форсированный режим работы двигателя, на котором производится взлет или интенсивный разгон самолета с целью сокращения длины разбега или быстрого увеличения скорости. Взлетному режиму соответствует взлетная мощность, которая составляет 110-120% номинальной мощности двигателя. Так как взлетный режим считается напряженным по прочностной нагрузке на двигатель, то время работы на нем ограничивается обычно до 5 мин.
Номинальный режим это - основной расчетный режим работы двигателя на номинальных оборотах винта и номинальном давлении наддува. Номинальному режиму соответствует эксплуатационная мощность, соответствующая 90% мощности развиваемой двигателем на земле, при номинальном числе оборотов и номинальном наддуве.
Крейсерский режим єто режим работы двигателя, при котором его мощность составляет 30-75% от номинальной и продолжительность его работы не ограничена.
Различают следующие крейсерские режимы:
|
|
|
Максимальный крейсерский режим, режим соответствующий скорости максимальной дальности полета, которая составляет 90% максимальной скорости полета на данной высоте.
Наивыгоднейший крейсерский режим – режим соответствующий минимальному километровому расходу топлива на данной высоте полета, при котором мощность двигателя равна 50-60% от номинальной.
Экономический крейсерский режим – режим соответствующий скорости максимальной продолжительности полета на данной высоте и минимальному часовому расходу топлива. Мощность при этом составляет 30-40% от номинальной.
Достоинством и преимуществом поршневых двигателей перед ГТД является их высокая приемистость – способность двигателя к его быстрому переходу от заданного установившегося режима на установившийся режим более высокой тяги или мощности.
Турбореактивные двигатели
Если поршневые двигатели являются тепловыми машинами с циклическим режимом работы то ТРД это - тепловые машины непрерывного действия создающие тягу за счет реакции истекающей реактивной воздушной струи.
Класс ТРД это – обширный класс авиационных двигателей, различающихся конструктивными особенностями.
При всем многообразии и конструктивных особенностях для всех ТРД присущи следующие одинаковые элементы и узлы: входное устройство, компрессор, диффузор, камера сгорания, сопловой аппарат, реактивная турбина и выходное устройство, состоящее из удлинительной трубы и реактивного сопла.
Кроме того, вращающаяся часть компрессора (ротор компрессора) и вращающееся рабочее колесо газовой турбины, жестко закрепленные на одном валу, вместе составляют рабочий узел – называемый ротором ГТД.
В зависимости от конструктивных особенностей и необходимой заданной степенью повышения давления, у ГТД может быть один или несколько роторов.
Входное устройство двигателя принимает набегающий воздушный поток, подводит его к компрессору, упорядочив структуру и увеличив скорость, повышает его абсолютное давление. Входные устройства дозвуковых самолетов как правило-нерегулируемые. У сверхзвуковых самолетов при полете на больших сверхзвуковых скоростях, на определенных режимах работы двигателя, приходится ограничивать приток воздуха к двигателю с целью недопущения его «закупорки» воздушным потоком. Для этих целей используют регулируемые входные устройства, в которых происходит автоматическое изменение проходного сечения с помощью центрального тела (конуса) у самолетов с кольцевым входным устройством или выдвижением регулировочных клиньев у самолетов с плоскими боковыми воздухозаборниками.
|
|
|
Компрессор двигателя является лопаточной машиной, предназначенной для повышения полного давления воздуха и подачу его в камеру сгорания.
По конструкции компрессора, ТРД бывают: с центробежным или осевым компрессором.
Степень повышения давления воздуха у центробежных компрессоров πк, невелика и составляет 4,2 – 4,5.
Осевые компрессоры позволяют создавать более высокие степени повышения давления πк, до 13-15 и более раз, при этом на одной ступени центробежного компрессора давление повышается всего лишь в 1,15 - 1,8 раза, т.е. на 15-80%..
Так, при средней степени повышения давления на ступени осевого компрессора равной 1,3, у 7-ступенчатого компрессора полная степень повышения давления состав - ляет π к = 1,37 = 6,3
С учетом того, что первоначально сжатие воздуха за счет скоростного напора происходит во входном устройстве, то степень повышения давления входного устройства и компрессора будет равна:
π = π к х π
Компрессоры современных ГТД обладают высокой производительностью и некоторые из них способны прокачивать через газовоздушный тракт двигателя 200 и более килограммов воздуха за сек.
В зависимости от конструкции двигателя, воздушный поток после компрессора может направляться целиком в двигатель, проходя через диффузор (у одноконтурных двигателей) или разделяется на две части, одна из которых поступает в двигатель через диффузор, а вторая часть обтекает двигатель снаружи, образуя второй контур (у двухконтурных двигателей).
Диффузор – конструктивная часть двигателя, в которой происходит подготовка и разделение воздушного потока перед его поступлением в камеру сгорания.
Камера сгорания представляет собою полый,конструктивный узел ГТД, в котором происходит испарение и смешивание авиационного топлива с воздухом, поступающим через диффузор от компрессора, а так же сгорание этой топливовоздушной смеси. В процессе горения принимает участие только 20-25 % (первичного) воздуха поступающего в камеру сгорания. Этот воздух, участвующий в процессе горения, для обеспечения устойчивого факела горения тормозится до скорости 15-25м/сек. Остальные 75-80% (вторичного) воздуха используются для охлаждения самой конструкции камеры сгорания и охлаждения газов получившихся в процессе горения. Полное сгорание авиационного топлива происходит при соотношении топлива и воздуха равном 1 кг топлива к 14,8 кг воздуха.
|
|
|
В результате горения топлива в камере сгорания температура газов возрастает (до 1500-1750 0 С), повышается их давление (в 4-6 раз) и возрастает скорость истечения (до 450-500 м/сек).
Поскольку разогретый до температуры 1500-17500С воздушный поток пропускать через сопловой аппарат и тем более вращающееся с высокими оборотами (12000-15000 1/мин) рабочее колесо турбины недопустимо, так как из-за высокого разогрева и больших динамических нагрузок эти агрегаты просто разрушатся, то он охлаждается до 800-900 0. вторичным воздухом, проходящим через камеру сгорания.
Сопловой аппарат – элемент конструкции двигателя, предназначенный для направления истекающих из камеры сгорания реактивных газов на лопатки рабочего колеса турбины под углом обеспечивающим, безсрывное обтекание лопаток турбины.
Реактивная турбина – основной рабочий элемент конструкции ГТД, который преобразует кинетическую энергию истекающих из камеры сгорания реактивных газов в механическую энергию необходимую для вращения ротора компрессора у ТРД или
энергию вращения ротора компрессора и воздушного винта у ТВД.
Причем у ТРД, для вращения ротора компрессора, отбирается минимально-необходимое количество энергии, истекающих из камеры сгорания газов. Остальная кинетическая энергия истекающих газов используется в качестве энергии реактивной струи выходящей из реактивного сопла.
На турбине ТВД, в отличие от ТРД, преобразуется в механическую работу для вращения компрессора и воздушных винтов, максимально-возможное количество кинетической энергии истекающих из камеры сгорания газов (85-90%), а оставшаяся меньшая часть(10-15%) создает силу реактивной тяги.
Выходное устройство – конструктивный узел ГТД в котором происходит расширение реактивных газов и увеличение их скорости.Одним из конструктивных элементов выходного устройства ТРД является удлинительная труба, которая служит для дополнительного разгона истекающих реактивных газов и для отвода их за пределы конструкции воздушного судна.
У двигателей, форсирование мощности которых достигается дополнительным сжиганием топлива за сопловым аппаратом и реактивной турбиной, функцию удлинительной трубы выполняет жаровая труба, которая по сути своей является форсажной камерой. Для работы форсажной камеры используется подводимое через специальный коллектор авиатопливо и вторичный воздух, который использовался для охлаждения конструкции двигателя и газов в камере сгорания и в горении не участвовал. Так как для полного и эффективного сгорания 1кг обычного авиационного топлива необходимо 14,8 кг воздуха, то максимальное разумное количество топлива, подаваемое в форсажную камеру должно быть в 14,8 раз меньше чем масса вторичного воздуха прошедшего через двигатель. Температура газов в форсажной камере может доходить до 1750-2500оС, что позволяет повысить их давление в камере и увеличить скорость истечения, тем самым резко увеличить тягу двигателя.
Реактивное сопло -оконечное устройство газоотводного тракта ГТД, которое служит для расширения газов в целях увеличения кинетической энергии газовой струи.
Реактивное сопло бывает нерегулируемым – с постоянным диаметром выходного сечения и регулируемым – с изменяемым диаметром выходного сечения.
Изменение диаметра выходного сечения реактивного сопла в полете позволяет создать оптимальные условия истекания реактивных газов и улучшить газодинамическую связь между всеми компонентами ГТД.
На некоторых типах ТРД, в конструкцию выходного устройства входит реверсивный механизм, с помощью которого газовый поток в выходном устройстве поворачивается в направлении близком к первоначальному, что создает отрицательную тягу, используемую для торможения самолета на пробеге.
Исходя из тех процессов, которые протекают в различных узлах реактивного двигателя можно сказать, что сила тяги ТРД представляет собой равнодействующую всех сил воздействующего воздушного и газового потоков на внешние и внутренниеповерхности двигателя. Это воздействие складывается из давления и трения.
. Величина тяги ТРД определяется по формуле:
P = [(G + Gт) c5 /g - G c0 /g ] + (p5 - ph) F5
где: - G – секундный весовой расход воздуха через двигатель;
- Gт секундный весовой расход топлива
- c5 и p5 –скорость и давление газа в сечении за реактивным соплом, где
воздушная струя имеет цилиндрическую форму и еще не успела перемешаться с воздухом атмосферы.
- c0 - скорость воздушного потока перед входом в двигатель.
- ph – атмосферное давление воздуха.
- F5 – площадь газовой струи в сечении 5-5.
Показателями основных параметров двигателя являются:
Удельная тяга Руд – тяга, получаемая с 1кг воздуха проходящего через двигатель за 1 сек. Она характеризует размеры и вес двигателя. Чем больше удельная тяга, тем меньше при данной общей тяге размеры и вес двигателя. Для современных ТРД Руд составляет 55-65 кг сек/ кг возд.
Тяговая мощность – показатель мощности двигателя в зависимости от скорости полета.
N= P c0 /75
Удельный расход топлива С уд – показатель экономичности двигателя, указывающий какое количество топлива надо израсходовать для того, чтобы получить 1кг тяги.
Чем меньше величина С уд тем экономичнее двигатель.
Кроме перечисленных выше параметров характеризующих ТРД еще есть такие показатели как: термический КПД; тяговый КПД; полный КПД; удельный вес двигателя, удельная лобовая тяга и другие.
Как у поршневых, так и у ТРД имеются характерные эксплуатационные режимы работы
Максимальный (взлетный) – соответствующий максимально допустимому числу оборотов и наибольшей тяге двигателя. Поскольку режим является напряженным, то время работы на нем ограничивается 5-10 минутами.
Номинальный – при работе на этом режиме обороты на 3-4% меньше максимальных, а тяга 10% меньше максимальной тяги. Время непрерывной работы на нем, как правило, ограничено.
Крейсерский (эксплуатационный) - соответствует числу оборотов на 10% меньше максимальных и тяге равной 75-80% от максимальной. Такой режим еще называют Максимально крейсерским или режимом максимальной дальности.
Если тяга составляет 50-60% от максимальной тяги, то такой режим называют Минимально крейсерским или режимом максимальной продолжительности.
Режим малого газа (оборотов холостого хода двигателя) – режим при котором двигатель имеет минимальное число оборотов, но работает устойчиво и при этом тяга его составляет только 3-5% от максимальной тяги. В некоторых случаях работа на этом режиме может ограничиваться по времени во избежание местного перегрева соплового аппарата или газовой турбины.
Турбовинтовые двигатели
Турбовинтовой двигатель (ТВД) это — газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает мощность большую, чем мощность, необходимая для вращения компрессора и передает эту избыточную мощность на воздушный винт.
Если в ТРД энергия газов, поступающих на колесо турбины используется не полностью, а только та ее часть, которая необходима для вращения компрессора, а остальная, большая часть, реализуется в виде энергии струи истекающих газов, то в ТВД энергия газов поступающих на колесо турбины большей частью используется для вращение компрессора и воздушного винта, а меньшая реализуется в виде реактивной струи.
Конструктивно ТВД имеет в основном те же узлы с теми же функциями, что у ТРД: входное устройство, компрессор, диффузор, камеру сгорания, сопловой аппарат, газовую турбину и удлинительную трубу для вывода газов за пределы конструкции ВС и реактивное сопло.
Форсажная камера у ТВД отсутствует. По большому счету и в реактивном сопле у ТВД нет необходимости, так как на газовой турбине реактивные газы почти полностью расширяются и почти полностью теряют всю свою кинетическую энергию.
Среди ТВД, используемых на самолетах и на вертолетах имеются, существенные конструктивные различия, связанные с отбором мощности от турбины и передачи ее на воздушный винт.
Самолетные ТВД это двигатели с жестким приводом редуктора, установленного на переднем продолжении вала ротора двигателя (перед компрессором), снижающем обороты до заданных и передающем крутящий момент на воздушный винт с изменяемым шагом
Вертолетные ТВД являются двигателями с так называемой “ свободной турбиной” (точнее говоря – с отдельной автономной турбиной воздушного винта), которая не связана с ротором двигателя, а является автономным узлом, использующим остаток энергии газов истекающих из камеры сгорания, после прохождения ими соплового аппарата и газовой турбины ротора двигателя. Между турбиной ротора двигателя и “свободной турбиной воздушного винта” существует только газодинамическая связь. “Свободная турбина” жестко сидит на валу, передающему крутящий момент на редуктор воздушного винта, находящемуся сзади двигателя.
Так как тяга ТВД состоит из тяги образуемой воздушными винтами и тяги от истекающих реактивных газов, то формула тяги ТВД будет иметь следующий вид:
Р = Рв+ Рр
Тяга, развиваемая воздушным винтом равна
Рв = 75 Ne ή в / Со
Где: Ne -эффективная мощность двигателя
ή в -КПД винта
Со -скорость полета
Реактивная тяга Рр = Gв (c 4 – c 0 ) /g
Gв –секундный расход топлива через двигатель
c 4 - скорость истечения газов через сечение выходного сопла
c 0 - скорость воздушного потока на входе в двигатель
Полная тяга ТВД равна:
Р = 75 Ne ή в / Со + Gв (c 4 – c 0 ) /g
Достоинством и преимуществом ТВД и двухконтурных ТРД над одноконтурными ТРД на относительно малых (до 1000- 1200км\час) скоростях полета являются:
- Высокая тяга, обусловленная тем, что отбрасываемый винтом ТВД воздушный поток имеет меньшую, чем реактивная струя ТРД скорость, но в него вовлекается большая масса воздуха. Так если уменьшить скорость отброса воздушного потока в два раза, то за счет одного и того же количества энергии можно увеличить его массу в четыре раза, что приведет к возрастанию тяги в два раз.
Это достоинство исчезает, по мере того как скорость полета приближается к скорости отбрасываемой винтом воздушной массы, в результате чего уменьшается КПД воздушного винта.
- Удельный расход топлива (количество топлива необходимое для создания 1кг тяги) на взлетном режиме у ТВД примерно в 4 раза меньше чем у ТРД. Кроме того, он уменьшается с увеличением высоты и скорости полета в большей мере, чем это происходит у одноконтурных ТРД.
|
|
|
