ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕДВИГАТЕЛИ

1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Для перемещения летательного аппарата в пространстве ему необходимо сообщить импульс силы Р×t, где Р - сила; t - время ее действия на летательный аппарат (ЛА).

Силы (тяга двигателя) определяется по выражению

P = G (c — v),

где, G – это расход воздуха через двигатель (кг/с), c— скорость истечения газовоздушной струи из двигателя (м/с), v – скорость полета (м/с). Из этого выражения видно, что чем больше скорость реактивной струи, тем выше тяга двигателя.

Эту силу, называемую силой тяги, создает силовая установка (СУ), установленная на летательном аппарате.

В общем, случае силовая установка состоит из источника энергии, преобразователя энергии, рабочего тела и ускорителя рабочего тела (Рис.6. 1).

Сочетание преобразователяэнергии и ускорителя рабочего теланазывают двигателем.

Двигатели ЛА cчитаются реактивными, если сила тяги создается в результате реакции отбрасываемой массы рабочего тела.

В двигателе может использоваться химическая, ядерная и лучистая энергия. Источником химической ядерной энергии являются вещества, запасенные не только на борту ЛА, но и частично забираемые из окружающей среды. Эти вещества называются топливом.

Лучистая энергия поступает в двигатель посредством электромагнитных излучений (энергия солнца, микроволновых излучений, передаваемых с земли).

Рис. 6.1 Силовая установка

В преобразователе исходный вид энергии превращается в энергию, удобную для передачи рабочему телу. Преобразователь может быть простым, если преобразование осуществляется один раз (например, камера сгорания РД), или сложным, если преобразование происходит несколько раз (например, газотурбинная установка, в которой химическая энергия последовательно преобразуется в тепловую энергию газа, в энергию вращения ротора, в потенциальную энергию сжатого воздуха).

Рабочим телом называют вещество, с помощью которого осуществляется рабочий цикл двигателя (т.е. преобразование энергии и ускорение рабочего тела).

Если в преобразователе и ускорителе используется одно рабочее тело, то такой двигатель называется двигателем прямой реакции. Если же в них используются разные рабочие тела, то двигатель называется двигателем непрямой реакции.

Рабочим телом могут быть продукты сгорания или разложения топлива и специальные вещества, запасенные на борту ЛА или забираемые из окружающей среды.

Ускоритель рабочего тела (движитель) служит для увеличения силы тяги. Ускоритель может представлять собой механическое устройство (сопло, воздушный винт), или силовое поле (электромагнитное или электростатическое), в котором разгоняются частицы рабочего тела.

Если все необходимые для работы двигателя вещества запасены на борту ЛА, то такой двигатель называется ракетным. Очевидно, что ракетный двигатель может обеспечить полет ЛА и вне атмосферы. Поэтому он используется на ракетах- носителях и космических ЛА (иногда ракетные двигатели устанавливаются на самолетах в качестве ускорителей, а также на экспериментальных самолетах с большими скоростями полета - в качестве основных). Если же рабочим телом является окружающая среда (в частности атмосфера планеты), то такой двигатель называется атмосферным. Поскольку он может обеспечивать полет только авиационных ЛА, его чаще всего называют авиационным. Классификация авиационных двигателей представлена на рис.6.2.

Рассмотрим классификацию авиационных двигателей (Рис.6.2).

Рис.6.2 Классификация авиационных двигателей

Авиационные двигатели подразделяются на поршневые и воздушно- реактивные ( ВРД).

Поршневой двигатель (ПД), принцип которого известен из курса физики, длительное время был единственным АД.

Однако пришло время, когда потребовалось значительное увеличение скорости полета, ПД начали постепенно вытесняться ВРД, которые при больших мощностях имеют меньший вес и габариты, хотя и худшую экономичность работы (большой расход топлива на единицу произведенной работы) по сравнению с поршневыми. В настоящее время ПД применяются лишь на легкомоторных ЛА (учебно-тренировочных, спортивных, сельскохозяйственных, административных) и вертолетах.

ВРД представляют собой двигатель внутреннего сгорания, в котором химическая энергия топлива в камере сгорания превращается в тепловую, а затем, в ускорителе - в кинетическую энергию массы отбрасываемого рабочего тела. В настоящее время в ВРД используется химическое топливо (ядерные ВРД пока находятся в состоянии разработки), одним из компонентов которого (окислителем) является кислород воздуха, а вторым (горючим)- керосин (по сложившейся терминологии топливом ВРД называют одно горючее). Для того, чтобы горение топливо в камере было более полным, воздух перед поступлением в нее необходимо сжать, до необходимого давления. Это сжатие происходит путем преобразования скоростного напора набегающего потока в статическое давление, осуществляемое во входном устройстве двигателя при полете ЛА (бескомпрессорные ВРД) и, кроме того, в компрессоре, путем передачи воздуху дополнительной механической энергии (компрессорные ВРД).

Наиболее простыми по конструкции являются бескомпрессорные ВРД - прямоточный и пульсирующий.

Прямоточный ВРД (ПВРД) состоит (рис. 6. 3) из центрального тела 1, входного устройства 2, трубопровода с форсунками 3, стабилизаторами пламени 4, камеры сгорания 6, сопла 7. Поток, набегающего со скоростью С_о воздуха сжимается во входном устройстве и поступает через турбулизирующую решетку в камеру сгорания, где в него через форсунки 3 впрыскивается керосин. Начальное воспламенение керосино- воздушной смеси осуществляется воспламенителем с электроискровой свечой. Для поддержания устойчивого горения за форсунками установлены стабилизаторы пламени 4, а теплозащита корпуса камеры осуществляется холодным воздухом, который проходит в зазор между экраном 5и корпусом. Продукты сгорания топлива, разгоняются в сопле до большой скорости. В двигателе реализуется термодинамический цикл при P=Сonst. Поскольку сжатие воздуха происходит только вследствие преобразования скоростного напора, ПВРД может работать эффективно лишь при больших скоростях полета (М=2,5). Поэтому старт ЛА обеспечивается стартовым двигателем (например, РДТТ).

 

Рис. 6. 3Прямоточный ВРД

В пульсирующем ВРД (ПуВРД ) после входного устройства установлена клапанная решетка 10с лепестковыми клапанами (Рис. 6.3). При подаче топлива через форсунки 6 воспламененное запальником 8 горение в камере сгорания происходит при постоянном объеме (цикл v = сonst), т.к. камера сгорания «заперта» клапанами и столбом холодного воздуха в трубе 9. При увеличении давления газы выталкивают воздух из трубы и вытекают сами.

 

Рис. 6.4 Схема пульсирующего ВРД

Вследствие инерции газового потока давление в камере в конце цикла становится меньше давления окружающего воздуха, клапаны открываются камера сгорания заполняется воздухом и цикл повторяется. ПуВРД обеспечивают стартовую тягу, но они имеют низкую экономичность работы и в настоящее время не используются. Пример: Впервые ПуВРД был установлен на самолете – снаряде (ФАУ– 2), с помощью которого немцы бомбили Лондон в конце Второй мировой войны.

 

Рис. 6. 5 Схема ТРД

 

 

В компрессорных (газотурбинных) двигателях (Рис. 6. 5) после входного устройства 1устанавливается компрессор 2 для дополнительного сжатия воздуха, а после камеры сгорания 3 - турбина 4, вращающая компрессор.

Комбинация компрессора, камеры сгорания и турбины называется турбокомпрессорной.

В турбине используется только часть энергии газов, остальная энергия расходуется на ускорение рабочего тела в сопле 5, а также бесполезно теряется при рассеянии газов в атмосфере. ВРД выполненный по такой схеме называется

турбореактивным (ТРД).

В турбовинтовом (ТВД) тяга в основном создается вследствие отбрасывания массы воздуха воздушным винтом 8 (Рис. 6. 6).

Рис.6.6 Схема турбовинтового двигателя:1- воздушный винт; 2- редуктор; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – выхлопное сопло

Сила тяги, создаваемая соплом, здесь составляет всего несколько процентов. При этом винт может вращаться той же турбиной 4, что и компрессор, или отдельной («свободной») турбиной 6. Поскольку оптимальный КПД винта реализуется при оборотах, значительно меньших, чем обороты турбины, то передача вращения на винт производится через редуктор оборотов 7.

Двухконтурный ТРД (ТРДД) является как бы комбинацией ТР; и ТВД. В ТРДД (Рис. 6.7) кроме внутреннего контура, представляющего обычный или двух каскадный ТРД (первый каскад- компрессор низкого давления 9 с турбиной 7, второй каскад- компрессор высокого давления 2 с турбиной 4), имеется еще внешний контур 8 по которому вентилятором 10 прогоняется холодный воздух. Сила тяги в этом случае создается при истечении рабочего тела из обоих контуров.

Рис.6.7 Схема двухконтурного турбореактивного двигателя

 

Кроме двигателей данных выше типов иногда применяются комбинированные двигатели: ракетно-прямоточные, ракетно-турбинные, турбо- прямоточные.

Основные параметры ВРД

Глава2

Основные параметры ВРД

Двигатели характеризуются некоторыми количественными показателями (параметрами). Параметры могут быть абсолютными, относительными,, (удельными) и безразмерными (КПД).

Абсолютные, параметры пригодны для сравнения однотипных двигателей, а относительные и безразмерные позволяют сравнивать между собой двигатели различных типов.

Для определения параметров двигателя необходимо знать изменение параметров состояния рабочегс тела (параметров процесса) в характерных поперечных сечениях газовоздушного трактг двигателя. К этим параметрам относятся давление Р, температура Т и скорость С рабочего тела. Сечения выбираются на входе в основные элементы двигателя или на выходе из них исоответственно нумеруются (рис. 5):

0 - на входе в двигатель (во входное устройство);

1 - на входе в компрессор;

2 - на входе в камеру сгорания;

3 - на входе в турбину;

4 - на входе в сопло;

5 - на выходе из сопла.

 

Параметрам рабочего процесса в том или ином сечении присваивается соответствующий индекс (например, P₂, Т₂ и С₂ - давление, температура и скорость воздуха за компрессором).

Абсолютные параметры

К абсолютным параметрам относится сила тяги, расход воздуха, расход топлива, время работы двигателя на различных режимах, масса конструкции, габариты двигателя.

Сила тяги представляет собой равнодействующую всех осевых сил, которые возникают при обтекании внутренних и наружных поверхностей двигателя воздушным и газовым потоками.

Вычис­ление этих сил занимает много времени и поэтому силу тяги (мощность) определяют косвенно по изме­рению количества движения массы рабочего тела. Измеряется сила тяги в кН (ТРД) или в кВт (ТВД).

При установившемся полете сила тяги Р двигателя равна силе аэродинамического со­противления R ЛА. Воздух, поступающий в двигатель со скоростью полета V = С₀ (скорость полета не всегда равна скорости на входе в воздухозаборник), после выхода из двигателя будет иметь скорость С₅. Если пренебречь расходом топлива (он составляет всего 0,03 - 0,05 от массового расхода воздуха G в), то кинетическая энергия рабочего тела увеличивается на величину

G в (С₅ ² - С₀ ²) / 2.

Если принять, что давление рабочего тела на срезе сопла Р₅ равно давлению окружаю­щей среды Р₀ (так называемый расчетный режим работы сопла), то кинетическая энергия, приобретенная рабочим телом двигателя, затрачивается частично на совершение полезной (тяговой) работы РС₀ и частично теряется с выходящей из сопла струей, имеющей относи­тельную скорость (С₅- С₀). Составив уравнение баланса энергии

G в (С₅² - С₀² ) / 2 = Р С₀ + G (С₅ - С₀ ) ²/ 2

и преобразовав его, получим формулу силы тяги при работе сопла на расчетном режиме:

Р = G в (С₅ - С₀ ) (1)

Если сопло работает на нерасчетном режиме (Р₅ = Р₀), то в выражение добавятся члены, учи­тывающие возникновение статической составляющей силы тяги и оно примет вид:

Р = Gв (С₅ - С₀ ) + Р₅ f₅ - P₀ f₀ (1´)

где f ₀, f ₅- соответственно площади поперечного сечения газовоздушного тракта на входе и выходе из двигателя.

В паспорте двигателя и в техническом описании указываются также и другие абсолютные параметры, и допуски на них..

2. 3.Удельные параметры

К основным удельным параметрам относятся удельная сила тяги, удельный расход топли-ва, удельный вес двигателя и удельная лобовая сила.

Удельной силой тяги (удельной тягой) называется сила тяги двигателя, отнесенная к расходу воздуха. На расчетном режиме работы сопла она равна

Р_УД = Р / G = (С₅ - С₀ ) (2)

При увеличении удельной тяги уменьшается расход воздуха через двигатель, его радиаль­ный размер и вес.

Удельным расходом топлива (горючего) называется отношение часового расхода топлива к тяге, развиваемой ТРД (ТРДД, ПВРД)

С_уд=G_тч / Р (3)

или к эквивалентной мощности Nэ, развиваемой ТВД

C_э = G_тч / N_э (3´)
Поскольку для ТРД Nэ = Р Со, то для них

С_э = С_уд / С₀ (3")

 

Удельный расход характеризует экономичность процессов, сопровождающих преобразование энергии топлива в тягу или мощность двигателя.

Удельным весом двигателя называется отношение веса двигателя к максимальной силе тяги ТРД Gуд = Gдв / Рmах или

Gуд = Gдв / Nmах к максимальной мощности двигателя ТВД.

Чем меньше удельный вес двигателя, тем совершеннее его конструкция.

Удельной лобовой тягой называется отношение максимальной силы тяги к площади наибольшего поперечного сечения(миделя) двигателя

Р_уд = Р_max / f_лоб.

Чем больше Р_уд , тем меньше аэродинамическое сопротивление мотогондолы двигателя.

В таблице 1 приведены величины основных удельных параметров различных типов двигателей:

Таблица 1

Тип двигателя	Величины удельных параметров
ТРД ТРД Д ПВРД ТВД	Руд,м/c Cуд , кг/Н Gуд , кг/Н Pлоб, Н/м   500-700 0,07-0,09 0,04-0,02 50 000-200000 400-600 0,055-0,07 0,025-0,02 50 000-100000 500-1600 0,07-0,15 0,06-0,01 50 000 -200000 500-1600 0,02-0,03 0,04-0,02 150000-300000