Как работает авиационный двигатель
Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры карбюраторные двигатели , либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. Такие авиамоторы применяются для самолетов малой и средней дальности, которые летают на высоте м. Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.
Далее воздух приходит в камеру сгорания, смешивается там с топливом, и эта смесь воспламеняется. Это приводит к сильному возрастанию температуры при, можно сказать, постоянном давлении. Другая часть энергии непосредственно расходуется на движение самолета. Пройдя турбину, газ превращается в реактивную струю в выходном сопле и вырывается из него в атмосферу.
Если говорить простыми словами, то эта реактивная струя дополнительно «толкает» воздушное судно вперед.
Затем горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть его энергии расходуется на вращение турбиной компрессора — чтобы тот мог выполнять свою функцию. Одновременно со сжатием поступающего воздуха на лопатках компрессора образуется разность давлений потока, которая суммируется с тягой двигателя. Появившись в середине XX столетия, газотурбинные авиамоторы тоже прошли определенную эволюцию.
На сегодняшний день выделяют несколько типов:. Турбореактивные с одним контуром:. В то время он был самым мощным в мире. Такие двигатели использовались до х годов, сейчас их уже не выпускают. Турбина вырабатывает мощность, передаваемую воздушному винту. Винт отбрасывает атмосферный воздух назад.
Образуется тяга — так же, как и в поршневых авиационных двигателях. Экономичность турбовинтовых двигателей очень высока, но, как и у поршневых, есть ограничение по скорости полета.
Такие авиамоторы применяются для самолетов малой и средней дальности, которые летают на высоте м. Турбореактивные двухконтурные:. Такие моторы обладают меньшим удельным расходом топлива, большей тягой и меньшим уровнем шума. Сегодня это один из основных видов, применяемых в современной пассажирской и транспортной авиации. В нашей стране пионером такого типа стал двигатель ДП конструкции П. Новикова — будущие инженеры.
Двухконтурный турбореактивный двигатель АИ в разрезе. Гигант НКУ ставился на Ту Трехвальный двигатель Д Новикова Искандар Давыдов. Даже Китая в этом списке нет. Сейчас внимание всей отрасли направлено на испытания современного ПД Это полностью отечественный двигатель, который устанавливается на среднемагистральные самолеты МС». Ленинградская наука сказала свое слово и в развитии турбореактивных двигателей.
В году в нашем городе было открыто Высшее авиационное училище гражданского воздушного флота. С первых же дней кафедра авиадвигателей под руководством инженера Петра Сергеевича Лабазина впервые в СССР начала научные исследования в области реверсирования тяги двигателей гражданских самолётов и разработку реверсивных устройств.
Напомним, что реверс важен для торможения самолета на взлетно-посадочной полосе. Но рев реактивных двигателей мешал жителям окрестных домов, поэтому в — годах работы проводились уже на мотороиспытательной станции МИС в Авиагородке.
В здании установили аэродинамическую трубу, в которой и тестировали оборудование. За ходом экспериментов лично наблюдал Главный маршал авиации Александр Александрович Новиков, возглавлявший в тот период вуз.
Здание, где проходили исследования, стало первым лабораторным корпусом современного Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. Высшее учебное заведение готовит не только пилотов и авиадиспетчеров, но и авиаинженеров — специалистов, которые организуют процедуру технического обслуживания и ремонта воздушных судов. Новикова — компрессор двигателя ГТД Модель позволяет заглянуть внутрь важной части мотора.
Он позволяет изучить и закрепить теоретические знания по устройству и конструкции основных систем самолета, а также отрабатывать навыки по наземному обслуживанию. В эру цифровых технологий без IT не обойтись — тем более при создании авиационного двигателя. В году ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого представили очень интересную и перспективную разработку — первый в России цифровой двойник авиационного двигателя. Цифровой двойник используют на всех стадиях жизни мотора, но особенно он важен при разработке.
Обычно разработка и доводка двигателя занимает лет, только потом он может быть передан в эксплуатацию. Применение цифрового двойника способно сократить этот срок до 5 лет — сегодня есть такой запрос двигателестроительной отрасли. Важно и то, что цифровой двойник вместе с другими инструментами помогает спрогнозировать, что будет с мотором через лет эксплуатации. Разработка Политеха универсальна, ее можно применять для любых типов двигателей.
Это современный газотурбинный турбовинтовой авиамотор, обладающий повышенной мощностью на взлетном режиме л.
Двигатель управляется инновационной электронной системой и работает в тандеме с новым воздушным винтом АВ, имеющим повышенную тягу 4 тонны. В декабре года двигатель получил сертификат типа Федерального агентства воздушного транспорта РФ. Силовая установка предназначена для регионального пассажирского самолета Ил Воздушное судно очень ждут российские авиакомпании: оно будет перевозить пассажиров между городами нашей страны.
Сам борт сейчас проходит испытания, в году первые два авиалайнера планируется передать заказчику. Сначала была создана собственная цифровая платформа, затем на ней разместили комплекс взаимоувязанных компьютерных моделей, который позволяет описывать все процессы, происходящие в авиационном двигателе».
Тестирование в цифровой среде, на виртуальных стендах, серьезно сокращает сроки. Мы можем гораздо раньше проверять все гипотезы, которые возникают в процессе разработки, и сразу отсекаем нежизнеспособные конструктивные решения. Рынку нужно, чтобы продукт появился как можно раньше». Турбовинтовой двигатель ТВСТ Как мы уже отмечали в начале текста, инженерная мысль не останавливается никогда.
Ученые разрабатывают новые типы двигателей, о которых вы тоже наверняка слышали. Говорят, что на смену реактивным двигателям внутреннего сгорания в авиации придут электрические. Так ли это?
По словам Андрея Удодова , электродвигатели применяются в авиационной отрасли давно: они генерируют мощности для разных систем на борту. Привлекательной выглядит и идея создания электрической силовой установки, которая бы обеспечивала сам полет: в мире, в том числе и в России, ведется много разработок. Главным преимуществом таких машин будет экологичность: электрические двигатели не вырабатывают углекислый газ и не выпускают в атмосферу различные токсичные вещества, они менее шумные.
В общем, есть много причин, чтобы их применять. Энтузиазм конструкторов подогревают успехи в создании постоянных магнитов на базе редкоземельных металлов и в первую очередь — на базе химического элемента неодима. Сила «неодимового» магнита на порядок выше, чем у магнитов предыдущего поколения при практически той же массе.
Есть разные варианты конструктивного решения. Гибридная силовая установка, состоящая из обычного газотурбинного мотора с электрическим генератором. Газотурбинный «движок» в этой схеме не основной: он лишь обеспечивает выработку генератором электроэнергии, которая распределяется по электрическим двигателям, питает их.
Классический вариант: аккумуляторные батареи в объеме, достаточном для выполнения полета. От них питается электрический двигатель. Топливные ячейки: по сути, это «одноразовые» аккумуляторные батареи, которые нужно будет пополнять.
Они могут работать на водороде и других химических элементах. Директор Научно-образовательного центра «Авиационные двигатели и энергетические установки» Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Андрей Удодов: «Здесь принципиальный вопрос в удельной энергоемкости источника энергии.
На данный момент авиационный керосин позволяет обеспечить более длительный полет, чем аналогичная масса аккумуляторной батареи или топливной ячейки. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до градусов Цельсия.
В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура.
Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом.
В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки , и участвует непосредственно в окислении сгорании топлива формировании топливо-воздушной смеси.
Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур.
При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы , постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива керосина , газа , поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала.
Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предотвращения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия.
А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора. Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными НК или трехкаскадными НК Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своим каскадом турбины.
При этом вал 1-го каскада компрессора низкого давления , вращаемого последним самым низкооборотным каскадом турбины, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада каскада высокого давления для двухкаскадного двигателя, каскада среднего давления для трёхкаскадного.
Каскады двигателя также именуют роторами низкого, среднего и высокого давления. Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока. Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси.
Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.
Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.
Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.
Благодаря компрессору ТРД в отличие от ПВРД может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.
При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве так же, как в ПВРД и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.
Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:. В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД на расчётном режиме, когда давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды, [5].
Таковым является ТРД с одним контуром — то есть, с одной проточной частью. Первый поток — поток внутреннего контура — сжимается в нескольких ступенях компрессора, поступает в камеру сгорания, проходит через турбину и выходит через сопло. Второй поток — поток наружного контура — также сжимается ступенями компрессора, но далее направляется к соплу в обход камеры сгорания. Оба потока обычно смешиваются за турбиной в так называемой « камере смешения » [10] до сопла и выходят через единое сопло общей реактивной струёй.
Наличие двух проточных частей контуров , двух и более валов, двух турбокомпрессоров, камеры смешения — всё приводит к усложнению ТРД, увеличению его продольного и поперечного габаритов, а также увеличению массы. Но в результате повышается КПД двигателя на дозвуковых скоростях и снижается шум, создаваемый реактивной струёй. Повышение КПД достигается за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения газов из сопла и скоростью самолёта за счёт увеличения расхода воздуха в обход внутреннего контура.
Применение второго контура в двигателях для военной сверхзвуковой авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги.
Важным параметром любого ТРДД является степень двухконтурности — отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу через внутренний. Этот параметр определяется на стадии конструирования и во многом зависит от назначения двигателя области применения и скоростях эксплуатации. При этом, с ростом степени двухконтурности, одновременно возрастает доля мощности, необходимая для привода компрессора-вентилятора.
ТРДД, подобно ТРД, могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами для сверхзвуковых военных самолётов.
Советский учёный и конструктор А. Люлька с года исследовал этот принцип и представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя авторское свидетельство 22 апреля года. Первые образцы ТРД с форсажными камерами созданы в Rolls-Royce во второй половине х годов, а Conway стал первым серийным. Поршневой двигатель имеет достаточно простые конструкцию и принцип действия, именно благодаря этому они все еще имеют спрос, несмотря на невысокий коэффициент полезного действия.
Еще одним недостатком поршневых двигателей является быстрый износ рабочих деталей. Однако появляются новые способы снижения износа, позволяющие значительно повысить ресурс поршневых агрегатов. Для увеличения срока службы и надежности работы поршневых двигателей самолетов малой авиации используют современные смазочные материалы, которые повышают эксплуатационные характеристики моторов.
MODENGY — покрытие на основе авиационного особо термостойкого класса полимеров с выдающимся комплексом триботехнических и физико-механических характеристик. Создание твердого смазочного слоя на поверхности деталей снижает трение даже при высоких усилиях на боковые поверхности поршня при движении и перекладке, предотвращает образование задиров и других повреждений, повышает ресурс работы авиационных моторов в целом.
Реактивные авиационные двигатели являются одними из самых распространенных силовых установок, используемых в авиаконструкторском деле. Данный вид агрегатов сочетает в себе непосредственно сам мотор и устройство, преобразующее его энергию в перемещение самолета только за счет взаимодействия с рабочей средой без контакта с иными телами. Рабочей средой является смесь атмосферного воздуха и продуктов горения топлива.
Нагреваясь, среда расширяется и создает реактивную тягу. По способу нагнетания воздуха перед камерой сгорания авиадвигатели делятся на бескомпрессорные, в которых давление среды повышается исключительно за счет высокой скорости потока, и компрессорные, использующие специальные устройства для сжатия воздуха.
