Aklaypart.ru

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

Винтовая характеристика авиационного двигателя

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовые двигатели на первый взгляд внешне напоминают поршневые моторы по общей черте и тех и других — воздушному винту. Но на этом сходство прекращается, далее наступает путь конструктивно совершенно иной машины, с иным принципом работы, с иными характеристиками и режимами работы, с иными возможностями.

Турбовинтовые двигатели (ТВД) – это разновидность газотурбинных двигателей, которые нашли широкое применение в авиации. Сами по себе газотурбинные двигатели (ГТД) были разработаны в качестве универсального преобразователя энергии, которые в итоге стали использовать в авиастроении. Газотурбинный двигатель представляет собой тепловую машину, в которой при сгорании топлива расширенные газы вращают турбину, создавая крутящий момент, а к валу турбины можно подключать необходимые агрегаты. В случае с ТВД к валу подключается воздушный винт.

Турбовинтовые двигатели – это своеобразная «помесь» поршневых моторов с турбореактивными. Поршневые двигатели были первыми силовыми установками, которыми снабжались самолеты. Они представляли собой цилиндры, расположенные в виде звезды, в центре которой располагался вал, вращающий воздушный винт. Но из-за своего большого веса и ограничений по скорости от них со временем отказались, отдав предпочтение турбореактивным двигателям. Правда, ТРД тоже оказались далеко не идеальными. При возможности развивать сверхзвуковую скорость они довольно «прожорливые», что повышает затраты на топливо при их эксплуатации, а их использование на пассажирских и грузовых самолетах делает перелеты слишком дорогими. Именно этот недостаток реактивных двигателей и было возложено устранить их турбовинтовым сородичам, которые на сегодняшний день успешно используются в авиации. Взяв за основу строение и принцип работы ТРД и умело совместив его с работой воздушного винта от поршневых моторов, они смогли соединить в себе небольшие габариты и малый вес, экономный расход топлива и высокий КПД.

Hawker Beechcraft King Air 350

Впервые в Советском Союзе ТВД сконструировали и испытали еще в 30-х годах, а в 50-е началось их серийное производство. Диапазон их мощностей был в пределах 1880-11000 кВт. Турбовинтовые двигатели долгое время успешно использовались в гражданской и военной авиации, отличаясь надежностью и долговечностью. Примером может служить заслуженный «ветеран» отечественного авиастроения АИ-20, которым оснащались ИЛ-18, АН-8, АН-32, АН-12, БЕ-12, ИЛ-38. Но со временем стало понятно, что увеличивать их мощность можно только до определенного предела, а использовать их на сверхзвуковых скоростях не получится, так что сфера их использования резко сократилась. Сейчас ТВД в основном используются в гражданской авиации на самолетах с низкой скоростью, тогда как сверхзвуковые самолеты оснащены турбореактивными двигателями. ТВД устанавливаются на АН-24, АН-32, ИЛ-18, ТУ-114.

Принцип работы ТВД

Строение двигателя является очень простым, в нем нет никаких сложных схем. В нем находиться воздушный винт с редуктором, компрессор, камера сгорания топлива, турбина и сопла (выходное устройство). С помощью компрессора происходит нагнетания и сжатие воздуха, после этого он отправляет этот воздух в камеру сгорание, куда подается топливо. Горючая смесь образуется во время смешивания сжатого воздуха и топливом.

После воспламенения смесь оставляет после себя газ с большим энергичным потенциалом. После газ начинает расширяться и выходит на лопасть турбины, тем самым начинает ее вращать. Вследствие этого начинается и вращение воздушного винта с компрессором, их вращение начинается за счет работы лопастей.

Не использованный газ выходит в сопло, и с помощью него образуется реактивная тяга. Величина тяги может доходить до 10 процентов тяги самого мотора. Из-за незначительно тяги ТВД не является реактивным двигателем. Если обратить внимание на строение и принцип работы двигателя, то его можно сравнить с турбореактивным двигателям. Но есть одна особенность в реактивном двигателе, остатки энергии не выходят в виде воздуха через сопло, они до конца расходиться на работу винта.

Читать еще:  Фиат кубо какие двигатели

Существует две разновидности двигателя, в первом случае в двигателе находиться один рабочий вал, а во втором установлено два вала. В одновальном двигателе все расположено на единственном валу, в то время как на двухвальном ТВД, на одном валу расположена турбина с компрессором, а на втором находиться винт и редуктор, также они никак не связанны друг с другом.

Если в мотор двухвального типа, то его структура выглядит примерно так: в нем находиться две турбины, которые связанны между собой с помощью газодинамики. Одна турбина служит для работы компрессора, а другая в то время отвечает за работу самого винта. ТВД двухвального типа используют намного чаще, чем другой вариант двигателя, так как его характеристики намного лучше, чем у одновального типа. Но двигатель второго типа выглядит намного сложнее, чем другой тип двигателя. Также двухвальный ТВД способен начать выработку энергии до начала запуска самого винта.

Подробности

Типы современных авиационных двигателей

Все атмосферные авиационные двигатели делятся на реактивные и винтовые.

Реактивные двигатели подразделяются на:

с форсажем ТРДФ

двухконтурные ТРД (ТРДД),

с форсажем ТРДДФ

прямоточные ВРД (ПВРД)

пульсирующие ВРД (ПВРД)

Винтовые двигатели подразделяются на:

Турбовинтовые: авиационные газотурбинные (ГТД) и турбовальные (вертолётные ГТД)

Турбореактивные двигатели (ТРД)

Массовое применение двигателей этого типа началось в конце второй мировой войны.

ТРД были основными двигателями до шестидесятых годов прошлого века. Затем их начали постепенно вытеснять ТРДД.

Конструктивно TРД состоит из:

Входного устройства двигателя

Служит для забора атмосферного воздуха.

Служит для сжатия воздуха, с целью повышения его давления.

Кроме того, в компрессоре увеличивается и температура воздуха.

Служит для смешивания топлива и сжатого воздуха и сжигания топливно-воздушной смеси (ТВС). В процессе сгорания ТВС температура в камере сгорания может повышаться до 2000 градусов.

Служит для преобразования энергии газов, выходящих из камеры сгорания на огромных скоростях. Турбина и компрессор находится на одном валу, то есть жестко связаны между собой.

Служит для преобразования потенциальной энергии газа в кинетическую. Расширяющийся в сопле газ образуют мощную струю, которая вытекая из него, придает движение самолету.

Принцип работы обычного ТРД

Входное устройство забирает атмосферный воздух, где он слегка сжимается и продаётся в компрессор. Компрессор имеет много ступеней. На каждой ступени расположены титановые лопатки. Они проталкивают воздух по ступеням компрессора. При этом он сильно сжимается и нагревается. Затем сильно сжатый и горячий воздух поступает в камеру сгорания. Туда же подводится топливо.

Полученная ТВС воспламеняется. Это приводит к получению рабочего тела в виде горячего газа, который подаётся на турбину. Часть энергии рабочего тела при этом используется для вращения компрессора (они находятся на одном валу). На это тратится до 80% мощности газа. Оставшаяся часть рабочего тела попадает в сопло, превращается в реактивную струю, а затем с большой силой выбрасывается в атмосферу. Таким образом, происходит полный цикл работы двигателя. Он называется термодинамическим циклом или циклом Брайтона.

В некоторых TРД конструкцией предусмотрено два вала. В таких двигателях имеется компрессор низкого давления и компрессор высокого давления. Соответственно имеется турбина низкого давления и турбина высокого давления. Такие двигатели более эффективны.

Читать еще:  Шум двигателя газель как дизель

Радиальный авиационный поршневой двигатель

В настоящее время радиальные поршневые моторы опять стали востребованы в авиации. Они активно применяются в спортивных моделях самолетов, либо в изготовленных по персональным заказам. Все они малых размеров. Устройство авиационного поршневого двигателя радиального вида, в отличие от иных моторов, заключается в том, что его цилиндры расположены вокруг коленвала через равные углы, как радиальные лучи (звездочки). Это и дало ему название — звездообразный. Такие моторы оборудуются выхлопной системой, которая расходится радиальными лучами. Более того, двигатель этого типа может иметь несколько звезд — отсеков. Это возможно вследствие того, что коленвал увеличивают в длину. Как правило, радиальные двигатели изготавливают с нечетным количеством цилиндров. Это позволяет подавать искру в цилиндр через один. Но делают и радиальные моторы с четным числом цилиндров, однако их количество должно быть больше двух.

Самым большим недостатком двигателей радиального типа является возможность проникновения масла к нижним цилиндрам мотора, когда самолет находится на стоянке. Эта проблема достаточно часто приводит к возникновению мгновенного гидроудара, что влечет поломку всего кривошипно-шатунного механизма. Для недопущения таких проблем перед пуском мотора требуется постоянная проверка состояния нижних цилиндров на предмет отсутствия проникновения к ним масла.

К достоинствам двигателей радиального типа относят их малые габариты, простоту эксплуатации и приличную мощность. Обычно их устанавливают на самолеты спортивных моделей.

Ракетные авиа двигатели

Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.

Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.

Перспективные разработки

Авиаконструкторы стараются избавиться от недостатков винтовых самолетов. Среди наиболее перспективных разработок выделяют:

  • турбовентиляторный двигатель;
  • саблевидные лопасти;
  • разработка сверхзвуковых воздушных изделий.

Разработка турбовентиляторного двигателя — реализованный проект, который позволил получить высококачественные двигатели. Многие турбовентиляторные двигатели сейчас используются на пассажирских авиалайнерах. Эти двигатели отличает повышенная экономичность, что является существенным фактором в пассажироперевозках.

Для решения проблемы эффекта запирания крутящий момент двигателя разделяется между двумя соосными винтовыми изделиями. Таким образом достигается более высокая скорость при полете. Наиболее успешным самолетом, который использует данный метод, считается Ту-95. Стоит отметить, что для решения проблемы реактивных моментов на вертолете также используются соосные лопасти несущих винтов.

Создание усовершенствованных винтомоторных установок ведется до сих пор, однако составить конкуренцию турбовентиляторным или реактивным вариантам они не могут. Несмотря на это, винтовые судна обладают некоторыми особенностями, которые позволяют использовать их для решения узкоспециализированных задач.

Читать еще:  Характеристики двигателя f9q 762

Битвы за тишину

General Electric расконсервировала испытательные стенды, на которых тестировались GE-36. К делу вновь подключилась NASA (обеспечивая 50% финансирования), и было объявлено о том, что новый прототип двигателя с открытым вентилятором (по мотивам GE-36) пройдет испытания в аэродинамической трубе. В проекте (а конкретно в разработке лопастей биротационного винта) принимает участие французская промышленная группа SAFRAN в лице двигателе-строительного подразделения Snecma). GE и SAFRAN давно сотрудничают в рамках совместного предприятия CFM. Кстати, сообщалось и о том, что Snecma привлекала в качестве партнера по разработке перспективных двигателей для гражданской авиации российских ученых из Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).

О собственном проекте винтовентиляторного двигателя с открытым биротативным вентилятором (open rotor) объявила и корпорация Rolls Royce.

Можно было бы с уверенностью говорить о возрождении винтовой авиации, если бы не одно «но»: за прошедшие десятилетия требования к уровню шума для гражданских авиадвигателей только ужесточились. Смогут ли винтовентиляторные двигатели вписаться в эти жесткие стандарты?

И представители партнерства NASA-GE-SAFRAN, и конкуренты из Rolls Royce в один голос заявляют, что оптимизация шумовых характеристик новых двигателей для них первостепенная задача. Технологические тонкости этих изысканий пока публике не предъявлены, но общее направление более-менее ясно. Шум винта находится в прямой зависимости от скорости вращения пропеллера, а также длины и ширины лопастей. Значит, лопасти следует сделать короче и тоньше. При высокой эффективности биротативного винта с большим количеством саблевидных лопастей он может обеспечивать достаточную тягу, имея меньшую скорость вращения. Применение редуктора позволит лопастям не раскручиваться до сверхзвуковых скоростей, что значительно уменьшит шум.

Конечно, неверно было бы сказать, что гранды мирового авиапрома связывают будущее авиации исключительно с винтовентиляторными двигателями. Существуют и альтернативные конструкции, также направленные на повышение топливной эффективности при снижении шумовых характеристик. Корпорация Pratt&Whitney, в 1980-х конкурировавшая с GE в области двигателей с открытым толкающим ротором, сегодня двигает на рынок несколько иной перспективный продукт. Он называется PurePower PW1000G и по сути является турбовентиляторным двигателем классической схемы, где вентилятор заключен в кольцевом обтекателе. При этом с целью повышения степени двухконтурности диаметр вентилятора существенно увеличен. Но, как известно, при увеличении длины лопаток вентилятора растет линейная скорость на их концах, что делает двигатель слишком шумным. Решить эту проблему за счет снижения скорости вращения вала турбины низкого давления (именно он вращает вентилятор) нельзя, так как это скажется на термоэффективности двигателя и приведет к снижению КПД. Выход был найден в планетарном редукторе, поставленном между валом турбины и вентилятором. В итоге вентилятор вращается медленнее и по уровню шума вписывается в современный стандарт (20 дБ).

Еще одна из существующих концепций повышения степени двухконтурности двигателя предусматривает установку внутри кольцевого обтекателя аналога биротативного пропеллера.

Победит ли какая-то из ныне конкурирующих конструкций или им уготовано мирное сосуществование — очевидно, что в основе их всегда будет оставаться компромисс между топливоэффективностью и уровнем шума. А цены на нефть, как всегда, сыграют здесь не последнюю роль.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector