ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Для перемещения ЛА в пространстве ему, согласно второму закону Ньютона, нужно сообщить импульс силы

,

где M_ЛА - масса ЛА;

V_t - скорость ЛА по истечении времени t ;

V - начальная скорость ЛА;

P - сила, действующая на ЛА.

Сила P может быть внешней по отношению к ЛА или же ее можно создать специальным устройством, находящимся на ЛА. Такое устройство называют силовой установкой (СУ), а создаваемую ею силу - тягой.

Все СУ ЛА являются реактивными, так как тяга создается в результате реакции отбрасываемой массы вещества, называемого рабочим телом.

В общем случае СУ состоит из источника энергии, преобразователя энергии, источника рабочего тела и ускорителя рабочего тела (рис. 1) [7].

Сочетание преобразователя энергии и ускорителя рабочего тела называется двигателем.

Современные авиационные СУ обычно используют химическую энергию, запас которой находится на борту ЛА в виде топлива*. Вместо химической энергии в СУ может быть использована энергия других видов (например, ядерная).

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 ракетного двигателя), или сложным (например, в газотурбинной установке сначала химическая энергия преобразуется в тепловую энергию газового потока, затем - в энергию вращения ротора и кинетическую энергию газового потока).

Вещество, с помощью которого осуществляется рабочий цикл двигателя, называют рабочим телом.

Если в преобразователе и ускорителе используют одно рабочее тело, то такую СУ называют установкой с прямой реакцией (например, СУ с турбореактивным, прямоточным или ракетным двигателями).

Если же в этих устройствах используются разные рабочие тела, то такую СУ называют установкой с непрямой реакцией (например, СУ с поршневым двигателем, где для организации рабочего процесса в цилиндрах используется только часть воздуха, отбрасываемого воздушным винтом). Существуют СУ с двумя видами реакции (например, установки с турбовинтовым или турбореактивным двухконтурным двигателями).

Рабочим телом могут быть продукты сгорания или разложения топлива и специальные вещества, запасенные на борту ЛА или забираемые из окружающей среды. Установку, у которой все необходимые для работы вещества запасены на ЛА, называют ракетной. При частичном заборе этих веществ из атмосферы установку называют атмосферной (например, СУ с поршневым или воздушно-реактивным двигателями). Использование в химической реакции горения кислорода, входящего в состав воздуха, позволяет в атмосферных СУ уменьшить массу топлива, запасаемого на борту ЛА. Такие СУ могут обеспечить полет только авиационных ЛА (самолетов и вертолетов), поэтому их чаще всего называют авиационными.

Для получения большой силы реакции при малом расходе рабочего тела необходимо увеличивать скорость его отбрасывания. Для этого используется ускоритель рабочего тела (движитель). Для ускорения рабочего тела могут использоваться механические, струйные устройства (воздушный винт, сопло), электрическое или магнитное поля, в которых разгоняются частицы рабочего тела.

В авиационных двигателях используют винтовые и струйные движители.

В двигателях прямой реакции функции преобразователя энергии и движителя выполняют одни и те же элементы.

Тягойназывается реактивная сила, которая развивается движителем в результате его взаимодействия с рабочим телом [4]. Тяга возникает вследствие того, что движитель отбрасывает рабочее тело в сторону, противоположную полету, действуя на него с определенной силой. С такой же силой, но противоположно направленной, рабочее тело воздействует на движитель, образуя реактивную силу (тягу).

Тяга является результирующей всех сил, возникающих при обтекании внутренних и наружных поверхностей движителя воздушным и газовым потоками.

Поток, обтекающий движитель снаружи, оказывает его движению аэродинамическое сопротивление X_внеш. Тяга движителя при этом уменьшается на величину этого внешнего сопротивления.

Оставшаяся ее часть, называемая эффективной тягой, используется для перемещения летательного аппарата в пространстве.

Эффективная тяга равна сумме проекций на направление полета сил давления и трения, приложенных к движителю.

Для определения ее величины необходимо знать распределение нормальных и касательных напряжений на внешней и внутренней поверхностях. Интегрируя напряжения по площади указанных поверхностей, можно получить равнодействующую этих сил - полную аэродинамическую силу и ее составляющие.

Такой путь определения эффективной тяги сложен и неудобен. Более просто ее величину можно вычислить, применив к газовому потоку теорему Эйлера об изменении количества движения.

В результате получена зависимость для определения эффективной тяги

P_эф = G_в (c_с - V) + F_с (p_с – p_н ) – X_внеш,

где X_внеш= (p_н - p_н¢)(F₁ – F_с) – G_в¢ (V¢ -V) - внешнее сопротивление движителя.

Первые два слагаемых этого уравнения называют внутренней тягой движителя (или просто тягой двигателя):

P = G_в (c_с - V) + F_с (p_с – p_н).

Величина внутренней тяги P определяется термодинамическими процессами, протекающими в двигателе. При этом, если имеет место полное расширение газа в реактивном сопле, статическая составляющая внутренней тяги F_с (p_с – p_н) становится равной нулю, и внутренняя тяга в этом случае равна ее динамической составляющей

P = G_в (c_с - V).

Эффективная тяга, таким образом, равна

P_эф = P – X_внеш.

Внешнее сопротивление движителя складывается из внешних сопротивлений входного устройства, гондолы и выходного устройства силовой установки ЛА. Величина внешнего сопротивления зависит от скорости и высоты полета, размеров и формы СУ, от места ее установки на самолете и других факторов.

В авиационных СУ непрямой реакции в качестве движителя используется воздушный винт. Он преобразует механическую энергию своего вращения в кинетическую энергию отбрасываемого потока газа.

Поперечное сечение лопасти винта несимметрично хорде его профиля (рис. 3) (хордой называют прямую линию АВ, соединяющую входную и выходную кромки профиля). При вращении лопасти скорость обтекания выпуклой поверхности потоком газа больше, чем вогнутой. В результате этого давление газа на вогнутой поверхности больше, чем на выпуклой. Следовательно, на лопасть винта действует аэродинамическая сила P_л, которую можно разложить на силу аэродинамического сопротивления X_л и на силу Y_л . Сумма сил Y_л всех лопастей составит тягу винта.

СУ, создающая тягу для перемещения ЛА, может включать в свой состав один или несколько двигателей (одинаковых или разных), один или несколько движителей, а также системы их обслуживания.

Двигатели преобразуют запас химической энергии топлива в кинетическую энергию газов и (или) механическую энергию вращающегося вала, а движители используют полученную энергию для создания тяги.

Классификация авиационных (атмосферных) двигателей, использующих химическое топливо, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Классификация авиационных двигателей, использующих химическое топливо

Наиболее распространенный представитель двигателей непрямой реакции - поршневой двигатель (ПД), хотя для привода винта могут

использоваться и другие типы двигателей: паровая машина, роторно - поршневой двигатель (РПД), электродвигатель, турбина.

Поршневой двигатель, принцип работы которого известен из курса физики, длительное время был единственным авиационным двигателем. Однако в послевоенное время, когда потребовалось значительное увеличение скорости полета, он начал постепенно вытесняться воздушно-реактивными двигателями (ВРД), которые при больших мощностях имеют меньший вес и габариты, хотя по экономичности уступают поршневым. В настоящее время ПД применяются на легких самолетах (учебно-тренировочных, спортивных) и вертолетах при небольших скоростях (до 500 км/ч) и высоте до 10 км. При бóльших скоростях полета КПД винта резко уменьшается.

Класс ВРД включает в себя двигатели прямой и комбинированной реакции. Для создания тяги в них используется реакция отбрасываемых газов. Двигатели комбинированной реакции, кроме того, используют дополнительные движители: воздушный винт, вентилятор или винтовентилятор.

Среди ВРД простейшую схему имеет прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) (рис. 5,а). Сжатие воздуха осуществляется во входном устройстве 1 (в струйном компрессоре) в результате торможения набегающего потока. В камере сгорания 2 увеличивается температура воздуха вследствие сжигания топлива. При этом уменьшается плотность газа и увеличивается скорость потока. Затем газ расширяется и ускоряется в реактивном сопле 3. Характер изменения основных параметров газового потока вдоль проточной части ПВРД показан на рис. 5,б. Поскольку сжатие воздуха происходит вследствие преобразования скоростного напора, ПВРД может работать только в движении и эффективен лишь при сравнительно больших сверхзвуковых скоростях полета.

Рис.5. Схема сверхзвукового ПВРД (СПВРД) (а) и характер изменения параметров потока вдоль его проточной части (б): 1 – входное устройство; 2 – камера сгорания; 3 – реактивное сопло

Основные недостатки ПВРД - отсутствие стартовой тяги и низкая экономичность при малых скоростях полета, а достоинства - конструктивная простота и низкая стоимость. При полете с большой скоростью (превышающей скорость звука в несколько раз) ПВРД может быть экономичнее других двигателей. Сверх- и гиперзвуковой варианты ПВРД обозначают, соответственно, СПВРД и ГПВРД.

Для более эффективного сжатия воздуха при низких скоростях полета в ВРД используются лопаточные компрессоры. Во вращение компрессор приводят при помощи газовой турбины, и все двигатели с этими элементами называют газотурбинными (ГТД).

В турбореактивном двигателе (ТРД), схема которого представлена на рис. 6,а, сжатие воздуха осуществляется последовательно во входном устройстве 1 (при торможении набегающего потока, как в ПВРД) и в компрессоре 2 путем преобразования механической энергии, подводимой к нему через вал 4. В камере сгорания 3 в сжатом воздухе сжигается топливо. Образующийся газ расширяется сначала в турбине 5, в которой некоторая доля его энергии преобразуется в механическую энергию вращения вала 4, а затем в реактивном сопле 6, где оставшаяся энергия газа расходуется на увеличение скорости. Энергия турбины используется для привода во вращение компрессора и вспомогательных агрегатов, обеспечивающих работу СУ (топливных и масляных насосов, электрогенераторов и др.). Совокупность компрессора, камеры сгорания и турбины называют газогенератором. Он является обязательным устройством любого ГТД.

Рис. 6. Схема ТРД (а) и характер изменения параметров потока вдоль его проточной части (б): 1 – входное устройство; 2 - компрессор; 3 – камера сгорания; 4 - вал; 5 - турбина; 6 – реактивное сопло

На рис. 6,б представлены зависимости, показывающие изменение параметров газового потока вдоль проточной части ТРД. Характерные сечения ГТД обозначают следующим образом:

Н - сечение невозмущенного воздушного потока (обычно располагается на некотором расстоянии перед входом в двигатель);

0 - вход в двигатель (во входное устройство);

В - выход из воздухозаборника (вход в компрессор);

К - выход из компрессора (вход в камеру сгорания);

Г - выход из камеры сгорания (вход в турбину);

Т - выход из турбины;

С - выход из реактивного сопла.

Параметрам газового потока в этих сечениях присваиваются соответствующие индексы (например, p_г , T_г , c_г - соответственно давление, температура и осевая скорость газа на выходе из камеры сгорания или на входе в турбину).

Рис. 7. Схема ТРДФ: 1 - входное устройство; 2 – компрессор; 3 - камера сгорания; 4 – вал; 5 – турбина; 6 – форсажная камера сгорания; 7 – реактивное сопло

Для кратковременного повышения тяги перед реактивным соплом устанавливают форсажную камеру сгорания 6 (рис. 7). В продуктах сгорания имеется значительная доля кислорода. При подаче дополнительного расхода топлива в форсажную камеру происходит его горение, увеличивается температура и скорость истечения газа из сопла. Такие двигатели называют ТРД c форсажной камерой сгорания (ТРДФ). Их используют для полетов со сверхзвуковыми скоростями (M < 3,5).

В ТРД турбина отбирает у газового потока часть энергии, необходимую для привода компрессора и вспомогательных агрегатов. Важно, чтобы максимальная доля энергии использовалась для разгона газа в реактивном сопле и получения наибольшей тяги. Однако существует и другой способ повышения тяги. Он реализуется в двигателях комбинированной реакции.

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД), схема которого изображена на рис. 8,а, за турбиной газогенератора 7, вращающей компрессор 3, установлена турбина 8, которая преобразует дополнительную долю энергии газового потока в энергию вращающегося вала 5. Этот вал вращает вентилятор 2, представляющий собой компрессор, часть воздуха за которым подается не в газогенератор, а в реактивное сопло 9, отдельное или общее. Таким образом, у ТРДД имеется дополнительная проточная часть, состоящая из входного устройства 1, вентилятора 2 и реактивного сопла 9, называемая наружным контуром. Проточную часть, включающую газогенератор, называют внутренним контуром, а весь двигатель - двухконтурным.

Отбор энергии газа дополнительной турбиной 8 снижает тягу внутреннего контура. Однако вентилятор создает в наружном контуре дополнительный расход рабочего тела и суммарно ТРДД выигрывает в экономичности по сравнению с ТРД на небольших (дозвуковых) скоростях полета.

В настоящее время ТРДД широко используются в авиации. В зависимости от соотношения расходов рабочего тела через наружный и внутренний контуры (от степени двухконтурности) в широком диапазоне варьируются эксплуатационные характеристики и области использования ТРДД. При увеличении степени двухконтурности улучшается экономичность ТРДД, но одновременно снижается оптимальная скорость полета. Для повышения скорости в конструкцию ТРДД может быть включена форсажная камера сгорания 10 (рис. 8,б). Такой двигатель называют ТРДД c форсажной камерой сгорания или ТРДДФ.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) тяга в основном создается в результате отбрасывания массы воздуха воздушным винтом 7 (рис. 9,а). Доля тяги, создаваемой за счет истечения газов из сопла, не превышает 10...15%. Максимальный КПД винта реализуется при частоте вращения, значительно меньшей, чем оптимальная частота вращения турбины. Поэтому привод винта осуществляется через редуктор 8.

а б

Рис. 8. Схемы ТРДД (а) и ТРДДФ (б): 1 - входное устройство; 2 - вентилятор (компрессор низкого давления) (КНД); 3 - компрессор высокого давления (КВД); 4 - камера сгорания; 5 - вал НД; 6 - вал ВД; 7 - турбина газогенератора (ВД); 8 - турбина вентилятора (НД); 9 - реактивное сопло; 10 - форсажная камера сгорания; 11 - смеситель потоков наружного и внутреннего контуров

В конце 80-х годов появился движитель - винтовентилятор. Винтовентилятор - это воздушный винт нового поколения уменьшенного диаметра с большим числом широких, тонких саблевидных лопастей.

а б в

Рис. 9. Схемы ТВД (а), ТВВД (б) и ТВаД со свободной турбиной (в): 1 - входное устройство; 2 – компрессор; 3 - камера сгорания; 4 – вал; 5 – турбина; 5¢ - свободная турбина; 6 - реактивное сопло; 6¢ - выхлопная труба; 7 - воздушный винт; 7¢ – винтовентилятор; 8 – редуктор; 9 - выходной вал свободной турбины

По сравнению с обычным винтом, винтовентилятор имеет более высокий КПД на больших дозвуковых скоростях [1]. ВРД с таким винтом называют турбовинтовентиляторным двигателем (ТВВД) (рис.9,б). ТВВД может иметь винтовентилятор в кольцевом корпусе (капоте). В таком случае его схема аналогична схеме ТРДД (см. рис. 8,а). Возможен привод винтовентилятора через редуктор или непосредственно от турбины. На рис. 9,б представлена схема ТВВД с толкающим винтовентилятором 7', приводимым во вращение от турбины 5'.

В вертолетных, стационарных и вспомогательных силовых установках используются турбовальные двигатели (ТВаД). Схема ТВаД представлена на рис. 9,в. В этих двигателях сила реакции выходной струи газов не используется, а максимальная доля энергии газов преобразуется турбиной в механическую энергию вращающегося вала и выводится к потребителям за пределы двигателя. Чаще всего турбину 5', передающую вращение потребителям, выполняют свободной, т.е. механически не связаной с газогенератором.

Каждый из описанных выше двигателей имеет свое назначение и экономичен в определенной области использования, характеризуемой высотой и скоростью полета (рис.10).

Рис. 10. Области применения различных типов ВРД: 1- ПД и ТВаД; 2 – ТВД и ТВВД; 3 - ТРДД; 4 - ТРД; 5 – ТРДФ и ТРДДФ; 6 - ПВРД (СПВРД); 7 - ГПВРД и ракетные двигатели

Лекция 2