Если горит двигатель, главное — не спешить его тушить…

История развития авиадвигателей

Первый самолет, который запустили братья Райт, имел двигатель с 4-мя цилиндрами. Конечно же, это значительно более простая конструкция, чем те, которые используются сейчас. И, как отмечают эксперты, без эволюции самолетного двигателя было бы невозможно развитие авиаотрасли вообще – примитивные первые моторы просто бы не потянули огромные и мощные машины, летающие сегодня.

Первый авиационный двигатель создал Джон Стрингфеллоу – он считается изобретателем специального двигателя на пару, предназначенный для неуправляемой модели. Но, как показала практика, паровые двигатели не подошли для авиации – они оказались чрезмерно тяжелыми.

C 1903 года началась, как назвали ее эксперты и аналитики, настоящая война моторов. Чарльз Тэйлор поставил на лайнер братьев Райт двигатель, так называемой рядной конструкции – в нем цилиндры находятся один за другим. Есть здесь аналогия с простым автомотором.

Однако практически сразу же был создан другой мотор – звездообразный с радиальным расположением цилиндров. Такие варианты широко применялись до самого появления реактивных двигателей.

Цилиндры в ряд не давали двигателю необходимой мощности, которая требовалась для самолетов. В 1906 году появился двигатель, где цилиндры разместились под прямым углом друг к другу. Также такой вариант мотора имел впрыск. Далее промышленность развивалась, прием достаточно активно. Вследствие этого авиаотрасль имеет современные и мощные моторы.

Воздушный старт: как изобретали новый способ запуска ракет с самолетов

Произошло событие, достаточно редкое для нашей страны. Выдан патент на запуск ракет с самолетов с использованием вертикальных пусковых установок. Его получили разработчики из Машиностроительного КБ «Факел» имени академика Грушина и НПП «Радар ммс». Сообщение об этом содержится на сайте Федерального института промышленной собственности (ФИПС). У наших инженеров немало прорывных изобретений. Но патентуются они очень редко.

В описании изобретения говорится, что способ вертикального воздушного запуска ракет включает вертикальный старт из пускового контейнера, размещенного на воздушном носителе. Таким образом можно будет запускать управляемые ракеты, противоракеты и баллистические ракеты.

Такой старт иногда называют «минометным». Особенность в том, что маршевый двигатель ракеты включается не в пусковой установке, а позже, когда ракета отойдет на безопасное расстояние от самолета. Первоначальный старт ракеты и выталкивание ее из пусковой установки осуществляется, например, с помощью пневмобаллона или порохового аккумулятора давления.

Все прекрасно, но радоваться особенно нечему. Получен бумажный патент на то, что отечественные «Илоны Маски» пытались практически реализовать еще в начале этого века, то есть почти двадцать лет назад. Это был проект «Воздушный старт». И о нем стоит вспомнить.

В давнем проекте, кстати, активно поддержанном существовавшим тогда Российским авиационно-космическим агентством, предусматривалось осуществлять пуски ракеты-носителя со спутниками на борту с высоты 10-11 км с воздушной стартовой платформы, В качестве самолета-носителя предполагалось использовать модификацию самого тяжелого в мире серийного транспортного самолета Ан-124-100 «Руслан».

Для реализации проекта у ВВС был приобретен Ан-124-100, находившийся в убитом состоянии. Только для очистки фюзеляжа от птичьего помета потребовалось несколько большегрузных самосвалов. Частная компания, которая взяла самолет, обязалась за свой счет восстановить огромный лайнер до рабочего состояния, а потом на его базе провести весь комплекс экспериментально-испытательных работ для реализации воздушного старта. Для этого требовались деньги. Их стали зарабатывать на перевозках крупногабаритных грузов. Одновременно шли детальные расчеты по перспективной ракете и работа по привлечению инвесторов.

В промежуточном итоге была создана ракета-носитель «Полет», в которой предполагалось использовать экологически безопасные компоненты ракетного топлива «жидкий кислород + керосин».

Эту ракету как раз и предполагалось сбрасывать с «Руслана» в контейнере, из которого она стартовала бы «по-минометному». Одна из сложнейших задач — одномоментно десантировать груз массой, сопоставимой с самолетом. Ее решили. Было доказано, что вполне возможно и безопасно при определенном режиме полета десантировать в зоне пуска ракету-носитель массой 100 тонн и более в пределах грузоподъемности самолета-носителя Ан-124-100.

Было доказано, что ракета-носитель «Полет», запускаемая в режиме воздушного старта, способна выводить спутники массой до 3,5 тонны на низкие полярные орбиты, до 4,5 тонны на низкие экваториальные орбиты, до 0,85 тонны на орбиты навигационных систем «ГЛОНАСС» и «Galileo», до 0,8 тонны на геостационарную орбиту.

При оснащении геостационарных спутников апогейной двигательной установкой, обеспечивающей переход спутника с геопереходной орбиты на геостационарную, ракета-носитель «Полет» позволяла выводить на геостационарную орбиту спутники массой до 1 тонны. К Луне и на отлетные траектории система «Воздушный старт» должна была запускать космические аппараты массой 1…1,2 тонны.

Стоит повторить, что все это было детально просчитано и частично испытано почти двадцать лет назад. Об этом даже сам Илон Маск сегодня не мечтает.

Естественно, российский проект вызвал интерес за рубежом. Поскольку выгоднее всего ракеты по технологии воздушного старта было пускать с экватора, Индонезия даже предложила использовать для этих целей один из своих экваториальных островов. С условием, что она войдет в проект.

Настоящий космопорт предполагалось построить на аэродроме Frans Kaisiepo (о. Биак). Работы должны были идти при совместном российско-индонезийском финансировании. Было даже подписано межгосударственное соглашение.

Но тут тогдашнее руководство ВВС вспомнило, что полностью восстановленный за счет частного инвестора Ан-124-100 формально остается в их собственности. Как так? Самолет летает, кому-то прибыль приносит, а главком ВВС в стороне. Тот главком даже не вспомнил про проект «Воздушный старт», который в своей реализации вышел на финишную прямую. Зато приложил максимум усилий, чтобы забрать «Руслан» и фактически уничтожить один из самых перспективных космических проектов России. Финансировало его, стоит повторить, частное лицо. Российский Илон Маск не состоялся — ВВС не позволили, точнее — их главком, фамилию которого вспоминать не имеет смысла.

Хочется верить в то, что запатентовавшие свое изобретение Машиностроительное КБ «Факел» и НПП «Радар ммс» смогут довести бумажный документ до «железа». С другой стороны, есть вопрос.

На ряд технических и технологических решений по проекту «Воздушный старт», разработанных в эскизном проекте и подтвержденных моделированием, было получено 24 патента в шести странах мира, владеющих ракетными технологиями (США, Украина, Франция, Германия, Великобритания, Россия). Неужели авторы того проекта не стали патентовать одно из главных своих достижений — технологию «минометного» старта?

Как устроен двигатель

Сам по себе двигатель довольно сложен по конструкции. Учитывать тут надо огромное количество деталей и нюансов. Так, например, важно помнить, что при разгоне двигателя температура воздуха в нем повышается до 1000 градусов. При этом он не должен деформироваться, загораться и т.д.

Для изготовления авиационного двигателя берут только самые современные и безопасные материалы. Главное условие, предъявляемое к ним – они должны быть негорючими.

Авиационный двигатель включает в себя такие элементы, как:

• Вентилятор
• Компрессор
• Камера сгорания
• Сопло
• Турбина

Перед турбиной стоит вентилятор, который позволяет затягивать воздух во время полета снаружи. У авиавентиляторов много лопастей, которые имеют определенную форму. И их размер, а также форма имеют крайне важное значение, т.к. именно за счет этого обеспечивается оптимальное заглатывание воздуха.

Вентилятор также решает и такую задачу, как прокачка воздушных масс в пространстве между элементами двигателя и его оболочкой. Это способствует охлаждению системы.

Здесь же находится и компрессор, обладающий высокой мощностью, – он способствует транспортировке воздуха в камеру сгорания. Все происходит под давлением достаточно высокого уровня. Именно в камере начинается смешение воздушных масс и топлива. Такая смесь поджигается, начинается нагрев как самой смеси, так и всех элементов, которые находятся рядом. Чаще всего камеру делают из керамических составляющих – обусловлено такое состояние тем, что температура здесь доходить до 2 тысяч гр., а керамическая чаша устойчива к таким нагревам.

Смесь после прохождения всех этих этапов попадает в турбину. Она по своему внешнему виду напоминает довольно большое число лопаток. Они влияют на давление проходящего смесевого потока, вследствие чего и начинает приходить в свое движение турбина двигателя. После этого она начинает вращать вал, где стоит еще один необходимый элемент — вентилятор.

Двигатель по сути своей представляет систему достаточно замкнутую – для нее требуется только, чтобы подавался воздух и было топливо в наличии.

Движение смеси продолжается, и она переходит в сопло. И на этом заканчивается первый этап рабочего состояния двигателя. Начинает создаваться струя, которую называют реактивной. Вентилятор начинает гонять воздух, который еще холодный, через сопло, за счет чего он не разрушается от слишком высокой температуры смеси.

Сегодня, как отмечают эксперты, самыми лучшими считаются подвижные сопла – они могут расширяться и сжиматься. Кроме того, такие варианты могут регулировать угол, что помогает дать правильное направление воздуху. Самолет за счет этого приобретает наибольшую маневренность.

Система запуска авиационных двигателей и ВСУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………….………..3

Глава 1 Система запуска двигателя и вспомогательной силовой установки.

1. Система запуска двигателя…………………….……………………..…..6
2. Агрегаты системы запуска и их размещение………………………….10
3. Система запуска вспомогательной силовой установкой
4. Электрические схемы запуска авиационных двигателей и ВСУ

Расчеты

Регламент технического обслуживания

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Система запуска авиационного двигателя и ВСУ, как следует из названия, предназначена для запуска двигателя самолёта и вспомогательной силовой установки. Система обеспечивает вращение двигателя со скоростью, при которой происходит его запуск.

На современных самолётах наибольшее распространение получила стартерная система запуска. Система запуска двигателя входит в состав электрооборудования самолёта. Питание системы осуществляется постоянным током от аэродромного источника питания и от бортовой сети.

Запуск двигателя представляет собой процесс перевода его из нерабочего состояния на режим малого газа. Продолжительность запуска составляет 30—120 сек. Для снижения продолжительности необходимо располагать достаточно мощными пусковыми устройствами, а это усложняет конструкцию и увеличивает вес силовой установки.

Запуск двигателя включает раскрутку ротора двигателя, подачу топлива в камеру сгорания, воспламенение его и вывод двигателя на режим малого газа. Для запуска нужны пусковое устройство — стартер, источники энергии для питания стартера, пусковые топливные магистрали, агрегаты зажигания и управления. Комплекс этих устройств и агрегатов называется системой запуска.

К системам запуска предъявляются следующие основные требования:

1. Двигатель должен надежно запускаться на земле и в полете без дополнительной регулировки перед запуском элементов автоматики и топливо регулирующей аппаратуры. Необходимо исключить возможность возникновения очагов пламени, могущих вызвать пожар на самолете.
2. Запуск двигателя на земле должен надежно обеспечиваться как от бортовых, так и от аэродромных средств при значениях температуры наружного воздуха от минус 50° С до плюс 45° С. При отрицательных температурах наружного воздуха допускается использование средств, облегчающих запуск, без увеличения времени подготовки к запуску (например, применение предварительного подогрева масла). Использование аэродромных средств, облегчающих запуск двигателя, но требующих увеличения времени подготовки к запуску (подогрев двигателя и системы запуска), при разработке систем запуска допускается для ТРД при температуре наружного воздуха ниже минус 400С, для ТВД — ниже минус 25° С.
3. Безотказный запуск двигателя в полете в случае преднамеренной или самопроизвольной остановки его в результате помпажа, срыва пламени или других ненормальностей в работе, не вызвавших поломки его узлов и деталей.
4. Запуск двигателя должен быть автоматизированным и удовлетворять следующим условиям:
5. — система запуска включается путем нажатия на пусковую кнопку;
6. — процесс запуска до выхода двигателя на заданный режим

происходит автоматически, без выполнения дополнительных ручных операций после нажатия на пусковую кнопку и установки РУД в положение, соответствующее запуску;

• — автоматика системы запуска обеспечивает устойчивую работу двигателя в процессе запуска и выход на режим малого газа за установленное время;

• — система запуска двигателя на земле и в полете автоматически отключается и подготавливается к следующему запуску;

• — на многодвигательных летательных аппаратах система запуска обеспечивает возможность запуска одного из двигателей, а также запуск последующих с использованием энергии ранее запущенных.

1. Система запуска двигателей от бортовых источников питания должна быть автономной и обеспечивать без промежуточной до зарядки или дозаправки бортовых средств последовательные запуски, число которых должно быть на единицу больше числа двигателей на летательном аппарате.
2. Система запуска двигателя должна обеспечивать: быстрое прекращение процесса запуска, переключение питания пускового устройства с бортовых-источников на аэродромные (и наоборот) без необходимости регулировки системы, запуск на топливе, постоянно питающем двигатель.

Агрегаты, входящие в систему электрооборудования двигателя, обеспечивают выполнение следующих процессов, связанных с эксплуатацией двигателя:

• Автоматический запуск двигателя на земле.
• Ложный запуск двигателя на земле.
• Холодную прокрутку двигателя.
• Запуск двигателя в полете.

Питание бортсети самолета постоянным током от стартер- генераторов на работающих двигателях.

В электрооборудование двигателя входят следующие агрегаты, установленные на двигатели:

• Стартер-генератор СТГ-18ТМ;
• Две пусковые катушки

1.1 Система запуска двигателя

Для запуска двигателя АИ-24 необходимо вначале сообщить его компрессору некоторую скорость вращения, при которой в камерах сгорания двигателя создаются определенные расход и давление воздуха. При этом турбина начинает развивать мощность, достаточную для вращения компрессора. Дальнейшее нарастание скорости вращения турбины произойдет только в том случае, если мощность турбины будет превосходить мощность, необходимую для вращения компрессора. Нарастание скорости вращения должно происходить достаточно интенсивно, иначе количество воздуха, подаваемого компрессором в камеры сгорания, будет недостаточным, что приведет к недопустимому повышению температуры газов (более 750°С), опасному для камер сгорания и турбины.

В связи с тем что мощность, развиваемая турбиной в начале ее работы, не обеспечивает требуемой большой скорости нарастания числа оборотов компрессора, необходимо и после начала работы турбины сообщать валу турбины дополнительного ускорение за счет внешнего источника энергии, вплоть до достижения им скорости холостого хода.

На рисунке 1 изображена зависимость момента статического сопротивления двигателя Мст от скорости вращения его вала. (Величина момента статического сопротивления определяется в основном конструкцией компрессора и его необходимо преодолевать при запуске). В пределах нарастания скорости вращения от 0 до n1 (n1 = 1500 об/мин) турбина не работает, и статический момент возрастает пропорционально квадрату скорости вращения. При скорости вращения n1 в работу вступает турбина, и при n2 развиваемый ею вращающий момент становится равным моменту сопротивления. Скорость вращения n2 (n2 ≈ 6000 об/мин) является скоростью холостого хода. При дальнейшем увеличении скорости вращения вращающий момент турбины становится больше момента сопротивления.

Таким образом, для запуска двигателя необходим внешний источник энергии, который должен сообщать компрессору скорость вращения, достаточную для вступления турбины в работу, и поддерживать работу турбины вплоть до достижения ею режима холостого хода.

Роль такого внешнего источника энергии на двигателе АИ-24 выполняет стартер-генератор СТГ- 18ТМ, который во время запуска работает в режиме стартера, а после запуска двигателя начинает работать в режиме генератора электрической энергии. За счет такого комплексного использования СТГ-18ТМ достигается значительная экономия в весе, так как отпадает необходимость в специальном приводе, который используется только на земле и является бесполезным грузом в полете.

Мощность Pn1 которую должен развивать стартер-генератор в стартерном режиме при скорости n1 равна:

P n1, =1,027n1 (Мст max+Mдин) — ∆P n1,

где Mдин — динамический момент, необходимый для создания требуемого ускорения;

∆P n1 — мощность потерь в системе.

Однако естественная характеристика стартер-генератора, работающего в стартерном режиме как обычный электромотор с параллельным возбуждением, не позволяет получить от него необходимую мощность во всем диапазоне скорости вращения турбины. Поэтому требуемое изменения скорости вращения ротора необходимо достигать путем изменения

условий работы стартер — генератора во время

запуска.

Электромагнитный вращающий момент Мэ, развеиваемый стартер-генератором в стартерном режиме, равен:

Мэ = ся Iя Фя,

где ся — постоянная, определяемая конструктивными параметрами стартер-генератора;

Iя – ток якоря;

Фя — электромагнитный поток, проходящий через якорь.

Скоростная характеристика стартер-генератор а имеет следующее выражение:

где скорость вращения вала стартер-генератора;

сопротивление якоря;

дополнительное сопротивление в цепи якоря;

напряжение на клеммах стартер-генератора.

Из сравнения двух последних выражений видно, что электромагнитный вращающий момент обратно пропорционален скорости вращения вала стартер-генератора:

.

В начале запуска, когда ротор двигателя, имеющий большой момент инерции, вращается с малой скоростью, стартер-генератор работает на естественной характеристике и при этом имеет достаточный вращающий момент. Как видно из выражения для скоростной характеристики, увеличения скорости вращения стартер-генератора можно достичь путем повышения напряжения (например, удвоением напряжения за счет переключения источников питания с параллельного на последовательное).

При дальнейшем увеличении скорости вращения стартер-генератора и, следовательно, ротора двигателя, а также после вступления в работу турбины момент сопротивления снижается, но при этом снижается и вращающий момент стартер-генератора. Для того чтобы развиваемый стартер-генератором вращающий момент на этом этапе запуска превышал момент сопротивления, требуется изменение закона падения вращающего момента при увеличении скорости вращения, имеющегося при работе на естественной характеристике. С этой целью на последнем этапе запуска в цепь возбуждения стартер-генератора вводится дополнительное сопротивление, которое снижает ток, а следовательно, и поток возбуждения, и повышается тем самым скорость вращения ротора двигателя.

На рисунке 1.1 показаны графики необходимых крутящих моментов на валу ротора двигателя АИ-24 для его запуска при различных температурах окружающего воздуха.

После запуска двигателя стартер-генератор автоматически переводится на генераторный режим работы. При скорости вращения двигателя 5000—7350 об/мин с помощью выключателя ВС-1А,

расположенного на двигателе, происходит автоматическое отклонение стартер-генератора.

Запуск каждого двигателя на самолете осуществляется одним стартер-генератором СТГ-18ТМ, питание которого может осуществляться как от генератора ГС-24А, так и от аэродромных источников питания. В дальнейшем рассмотрим агрегаты системы запуска и их размещение.

1.2 АГРЕГАТЫ СИСТЕМЫ ЗАПУСКА И ИХ РАЗМЕЩЕНИЕ

В запуске двигателей приманена система питания и запуска СПЗ-27, общая схема размещения электроагрегатов которой приведена на рисунке 1.3.

В состав системы запуска входят следующие агрегаты:

• панель пуска стартер-генератор а ПСГ-1А;
• автоматическая панель запуска АПД-27;
• автоматическая панель запуска газотурбинной установки ПТ-
• 16А;
• пускорегулирующая коробка ПРК-8А;
• стартер-генератор СТГ-18ТМ;
• генератор газотурбинной установки ГС-24А;
• коммутационная, светосигнальная и защитная аппаратура;
• электроизмерительные приборы (амперметр АЗ и вольтметр М-
• 4200).

Для обеспечения запуска газотурбинной установки и двигателя используются следующие агрегаты, установленные на каждом двигателе:

• пневмоэлектрический выключатель стартера ВС-1А;
• две катушки зажигания 1КНО-11;
• две свечи зажигания СПН-4-з;
• электромагнитный клапан пускового топлива;
• электромагнитный клапан останова;

На газотурбинной установке:

• две свечи зажигания СПН-4нз;
• две катушки зажигания 1КНО-11;
• выключатель ЦД-ЗА-40;
• три электромагнитных клапана пускового топлива;
• маслоконтактор.

Рисунок 1.3 Размещение электроагрегатов системы запуска СПЗ-27:

1, 9, 12, 24 — свечи СПН-4-з; 2 — генератор ГС-24А; 3 — топливный перекрывной электромагнитный кран; 4 — автоматическая панель запуска газотурбинной установки ПТ-16А; 5 — пневмоэлектрический выключатель ВС-1А; 6, 13, 23, 28 —катушки зажигания 1КНО-11; 7, 21 — электромагнитный клапан останова (на АДТ); 8, 22 —электромагнитный клапан пускового топлива; 10— РК контакторов запуска; // —панель пуска стартер-генератора ПСГ-1А; 14 — автоматическая панель запуска двигателей АПД-27; 15, 20 — стартер-генераторы СТГ-18ТМ; 16 — щиток с приборами контроля работы газотурбинной установки; 17, 18 — амперметр и вольтметр контроля запуска двигателей; 19 — щиток запуска двигателей иТГ-16; 25, 26 — средний силовой шпангоут.

Какие варианты двигателей есть

Эксперты уверяют, что сегодня есть несколько вариантов двигателей:

1. Классика
2. Турбовинтовые
3. Турбовентиляторные
4. Прямоточные

Первые варианты функционируют по стандартному варианту. Такие варианты хорошо подходят для воздушных судов самых разных модификаций. Варианты с турбовинтовым устройством будут работать по несколько иным принципам. В таких конструкциях газовая турбина не связана с трансмиссией. Подобные варианты конструкций двигают лайнер лишь частично с использованием реактивной тяги. Для создания основной части энергии используется редуктор. Винтовые установки более экономичные, но при этом они не дают самолету развить необходимую скорость. Поэтому их зачастую ставят только на малоскоростных лайнерах.

Турбовентиляторные варианты – комбинированные варианты, в которых есть детали и нюансы от турбовинтовых и турбовентиляторных. У них большие лопасти вентилятора. Скорость вращения может снижаться за счет применения обтекателя, где и стоит вентилятор. Подобные варианты считаются экономичными, т.к. меньше расходуют топливо. КПД же у них существенно выше, чем у других. Поэтому подобные варианты двигателей зачастую устанавливают на крупных самолетах.

Прямоточные варианты не работают с подвижными элементами. Втягивание воздуха в такие происходит естественно за счет применения обтекателя, который стоит на входе.

Как работает реактивный двигатель?

Его приводит в действие реактивная тяга. Для этого нужна какая-то жидкость, выталкиваемая из задней части системы и придающая ей движение вперед. Здесь работает третий закон Ньютона, который гласит: “Любое действие вызывает равное противодействие”.

У реактивного двигателя вместо жидкости применяется воздух. Он создает силу, обеспечивающую движение.

В нем используются горячие газы и смесь воздуха со сгораемым топливом. Эта смесь выходит из него с высокой скоростью и толкает самолет вперед, давая ему лететь.

Если говорить об устройстве двигателя реактивного самолета, то оно представляет из себя соединение четырех самых важных деталей:

• компрессора;
• камеры горения;
• турбины;
• выхлопа.

Компрессор состоит из нескольких турбин, которые засасывают воздух и сжимают его по мере прохождения через расположенные под углом лопасти. При сжатии температура и давление воздуха повышаются. Часть сжатого воздуха попадает в камеру горения, где смешивается с топливом и поджигается. Это увеличивает тепловую энергию воздуха.

Реактивный двигатель.

Горячая смесь на высокой скорости выходит из камеры и расширяется. Там она проходит через еще одну турбину с лопастями, которые вращаются, благодаря энергии газа.

Турбина соединена с компрессором в передней части двигателя, и таким образом приводит его в движение. Горячий воздух выходит через выхлоп. К этому моменту температура смеси очень высока. И еще увеличивается, благодаря эффекту Дросселирования. После этого воздух выходит из него.

Разработка самолетов с реактивным двигателем началась в 30х годах прошлого века. Англичане и немцы начали разрабатывать подобные модели. В этой гонке победили немецкие ученые. Поэтому первым самолетом с реактивным двигателем стала “Ласточка” в Люфтваффе. “Глостерский метеор” поднялся в воздух немного позднее. О первых самолетах с такими двигателями подробно рассказано в этой статье.

Двигатель сверхзвукового самолета — тоже реактивный, но уже в совершенно другой модификации.