Воздушно-реактивные двигатели прямой и непрямой реакции. Базовые и комбинированные двигатели. Состав авиационных силовых установок
Одним из основных компонентов летательного аппарата является его силовая установка. Авиационная силовая установка (АСУ) — энергетический компонент летательного аппарата (ЛА), предназначенный для реализации на данном ЛА располагаемой силы тяги и обеспечения надёжной работы двигателей на всех режимах полёта. АСУ объединяет собой: все установленные на данном ЛА авиационные двигатели (маршевые, подъёмные, комбинированные, вспомогательные ); системы крепления двигателей к конструкции ЛА; системы и устройства реализации силы тяги и регулирования её величины; системы обеспечения безотказной и безаварийной работы двигателей на всех режимах полёта.
В основе работы ПАД лежит работа четырёхтактного ПД, принцип которого был предложен во второй половине 1870-х Николаусом Отто. Процесс в нём совершается в течение четырех ходов поршня: I такт: впуск — поршень движется в цилиндре вниз, втягивая воздух и топливо через открытый впускной клапан. II такт: сжатие — впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень движется в цилиндре вверх, сжимая топливовоздушную смесь. III такт: рабочий ход (расширение) — когда поршень в такте сжатия приближается к верхней мертвой точке, система зажигания дает искру на свечах. При этом топливовоздушная смесь поджигается и в процессе сгорания быстро расширяется. Создаваемое расширением давление толкает поршень вниз, а поршень, двигаясь к нижней мертвой точке, вращает коленчатый вал, передающий усилие на воздушный винт. IV такт: выпуск — когда поршень достигает нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан. Затем поршень снова идет вверх, выталкивая продукты сгорания топливовоздушной смеси из цилиндра.
В ТРД (англоязычный термин — turbojet engine ) сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло, из которого происходит направленное истечение газа. В процессе перемещения рабочего тела вдоль оси двигателя меняется импульс газа, что ведет к образованию силы, которая воздействует на двигатель. В результате горения топлива температура рабочего тела может повышаться При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2500 градусов Цельсия.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания (ТРД) (рис. В.3) отличается от ТРД наличием между турбиной 6 и реактивным соплом 9 форсажной камеры сгорания 8, которая обеспечивает повышение температуры газа перед соплом и увеличение скорости истечения из него. Соответственно, возрастает и реактивная тяга. ТРДФ используются на самолетах с большой тяговооруженностью и большими мак симальными числами М полёта ( М п = 2,0...3,5), поэтому они оборудуются сверхзвуковым входным устройством и реактивным соплом с расширяющейся частью после критического сечения (сопло Лаваля)
Турбореактивные двухконтурные двигатели (Т Р ДД) отличаются тем, что у них воздух, поступающий через входное устройство, разделяется на два потока: внутренний, проходящий через т у рбокомпрессор, и внешний, проходящий через вентилятор, приводимый во вращение турбиной внутреннего контура. Истечение происходит либо через два независимых сопла, либо газовые потоки соединяются за т у рбиной и вытекают через одно общее сопло. В ТР ДД за счет обмена механической энергией между контура ми внесённая с топливом энергия подводится к массе возд у ха, проходящей через оба контура, поэтому уменьшается скорость истечения. Уменьшение потерь кинетической энергии, выходящей из двигателя газовой струи, приводит к улучшению экономичности ТРДД н а дозвуковых скоростях полета. Уменьшение скорости истечения газа из двигателя способствует также снижению уровня шума.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания ( ТРДДФ) (рис. В.3) отличается от ТРД Д наличием между турбиной 4 и реактивным соплом 6 форсажной камеры сгорания 5, которая обеспечивает повышение температуры газа перед соплом и увеличение скорости истечения из него. Соответственно, возрастает и реактивная тяга. ТРДФ используются на самолетах с большой тяговооруженностью и большими мак симальными числами М полёта ( М п = 2,0...3,5), поэтому они оборудуются сверхзвуковым входным устройством и реактивным соплом с расширяющейся частью после критического сечения (сопло Лаваля)
Турбовинтовой двигатель - тип газотурбинного двигателя, в котором основная часть энергии горячих газов используется для привода воздушного винта через понижающий частоту вращения редуктор, и лишь небольшая часть энергии преобразуется через реактивную тягу двигателя. Наличие понижающего редуктора обусловлено необходимостью преобразования мощности: турбина — высокооборотный агрегат с малым крутящим моментом, в то время как для вала воздушного винта требуются относительно малые обороты, но большой крутящий момент.
Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) – это двигатель, с высокой степенью двухконтурности (от 20 до 90) сочетает преимущества использования воздушного винта и вентилятора. Как известно, ТВД является наиболее экономичным типом моторов, использование которого позволяет значительно сократить расходы на топливо, но при этом он довольно шумный и не может развивать сверхзвуковые скорости. Тяга в ТВД образуется преимущественно за счет вращения лопастей воздушного винта, имеющего довольно большой диаметр, а реактивная ее составляющая не превышает 10-20%. В свою очередь, ТВРД представляет собой реактивный двухконтурный двигатель, конструкция и принцип работы которого позволяют уменьшить расход топлива в сравнении с обычными турбореактивными двигателями. Самолеты с ТВРД могут развивать сверхзвуковые скорости, а экономия топлива обеспечивается наличием второго контура – кольцевого канала, опоясывающего внутренний корпус. Вентилятор в таком двигателе не создает непосредственно тягу, как воздушный винт, а является, по сути, компрессором низкого давления, нагнетающим воздух в первый и второй контур.
После сжатия в компрессоре воздушный поток под давлением поступает в камеру сгорания, где находятся топливные форсунки и воспламенители. Сама камера сгорания может быть кольцевой или же состоять из нескольких отдельных жаровых труб. В ней воздух перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом, образуя топливный заряд, который воспламеняется и сгорает, образуя расширенные газы. Продукты горения в виде газов, находящихся под высоким давлением, выходят из камеры сгорания и попадают на лопасти турбины. Турбина, как и компрессор, имеет неподвижные и подвижные лопатки, только устанавливаются они наоборот: сначала газы проходят через неподвижные лопасти, выравнивая свое направление, а затем попадают на подвижные, отдавая им часть своей энергии. За счет воздействия газов на лопатки турбина вращается, приводя в движение компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Как и компрессор, турбина состоит из нескольких ступеней, но их количество не превышает 5-ти. В турбовинтовентиляторном двигателе кроме основной турбины есть еще одна, вращающая винтовентилятор, и эти турбины работают независимо одна от другой. Вал привода вентилятора обычно размещается внутри вала привода компрессора, при расположении винтовентилятора в передней части двигателя. Если винтовентилятор располагается в задней части ТВВД, то свободная турбина связана напрямую с винтами через корпус, что упрощает конструкцию. Турбина винтовентилятора размещена за основной турбиной и приводится в движение все теми же газами. После прохождения турбин отработанные газы, все еще имеющие высокую скорость и температуру, выходят наружу через сопло, образуя реактивную тягу. Сопло в самом простом исполнении – это сужающаяся труба, но в некоторых случаях можно регулировать ее сечение и даже направленность выхода реактивного потока. Принцип действия турбовинтовентиляторного двигателя (ТВВД)
