Производство авиационных двигателей на ПАО «ОДК-УМПО»

Именно благодаря использованию авиа двигателей, прогресс развития современной авиации продолжает развиваться. Первые самолёты которые не были оснащены двигателями практически не получили своего практического применения, так как не могли перевозить более одного человека, да и значительные расстояния преодолеваемые такими воздушными судами большими никак не назовёшь.

Все авиа двигатели принято разделять на 9 основных категорий.

1. Паровые авиа двигатели;
2. Поршневые авиа двигатели;
3. Атомные авиа двигатели;
4. Ракетные авиа двигатели;
5. Реактивные авиа двигатели;
6. Газотурбинные авиа двигатели;
7. Турбовинтовые авиа двигатели;
8. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;
9. Турбовентиляторные авиа двигатели.

Общее описание устройства

В настоящее время такие агрегаты бывают двух типов. Первый вид – это поршневые или же двигатели внутреннего сгорания. Второй вид – воздушно-реактивные моторы. Кроме того, в качестве вертолетного двигателя может выступать еще и ракетный. Однако он обычно применяется не в качестве основного, а кратковременно включается в работу машины, когда необходима дополнительная мощность, к примеру, во время посадки или же взлета техники.

Раньше довольно часто использовались турбовинтовые двигатели для установки на вертолеты. У них была одновальная схема, однако они достаточно сильно стали вытесняться другими типами оборудования. Особенно сильно это стало заметно на многодвигательных вертолетах. На такой технике наиболее широкое распространение получили двухвальные турбовинтовые вертолетные двигатели с так называемой свободной турбиной.

Поршневые двигатели сейчас устанавливают только на спортивные самолеты или на персональные самолеты малых размеров. Причин для такого низкого процента использования предостаточно. Первая и, наверное, самая главная из них заключается в том, что единица мощности на единицу массы поршневого двигателя гораздо меньше, чем, к примеру, в тех же газотурбинных двигателях. Также поршневые двигатели не могут соперничать в скорости с другими авиационными двигателями. Ну и, конечно же – это низкий КПД, который в самом лучшем случае не будет превышать 30%.

Современные поршневые двигатели различают по расположению цилиндров относительно коленвала. Согласно этой квалификации существует немалое количество различных поршневых двигателей. Из них получили наиболее широкое распространение такие виды:

• с V-образным расположеним;
• со звездообразным расположением (радиальный двигатель);
• с рядным расположением (оппозитный двигатель).

Двухвальные агрегаты

Отличительная черта таких устройств была в том, что у турбокомпрессора отсутствовала прямая механическая связь с несущим винтом. Применение двухвальных турбовинтовых агрегатов считалось довольно эффективным, так как они позволяли наиболее полно использовать силовое устройство вертолета. Все дело в том, что в таком случае частота вращения несущего винта техники не зависела от частоты вращения турбокомпрессора, это в свою очередь позволяло подбирать оптимальную частоту под каждый режим полета отдельно. Если говорить другими словами, то двухвальный турбовинтовой вертолетный двигатель обеспечивал эффективную и надежную работу силовой установки.

Поршневой двигатель самолета.

История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации. Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.

Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.

Но вернемся к поршневым двигателям. Как же они устроены? На схеме продемонстрировано устройство цилиндра четырехтактного бензинового двигателя воздушного охлаждения: 1 – впускной патрубок (подача топливно-воздушной смеси в цилиндр), 2 – стенка цилиндра (в данном случае ребристая с внешней стороны, для повышения охлаждаемой площади, поскольку цилиндр имеет воздушное охлаждение), 3 – поршень (возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов), 4, 5 – шатун и коленвал (преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент), 6 – свеча зажигания (дает искру, которая поджигает смесь), 7 – выхлопной патрубок (вывод отработанных газов), 8 – впускной и выпускной клапаны («открывают» цилиндр для входа смеси (впускной) и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения. Следует отметить, что изображен лишь пример конструкции, но ее вариации могут быть значительными, к примеру цилиндры дизельных двигателей не имеют свечей зажигания, а если двигатель жидкостного охлаждения – отсутствуют «ребра», но присутствуют каналы для прогона охлаждающей жидкости и т.д. По количеству тактов (действия, происходящие поочередно в цилиндре двигателя) различают 3 типа двигателя – двухтактный, четырехтактный и шеститактный. Наиболее широко используемым является четырехтактный двигатель, четыре его такта показаны на схеме.

Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.

И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.

Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.

Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров — скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения, в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.

V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.

Другие агрегаты

Реактивный привод винта

В вертолетах также используется реактивный привод винта. В таком случае окружное усилие будет прикладываться непосредственно к самим лопастям винта, не применяя при этом тяжелой и сложной механической трансмиссии, которая бы заставляла вращаться весь винт целиком. Чтобы создать такое окружное усилие, используются либо автономные реактивные двигатели, которые располагаются на лопастях несущего винта, либо прибегают к истечению газа (сжатому воздуху). В данном случае выходить газ будет через специальные сопловые отверстия, которые располагаются на конце каждой лопасти.

Что касается экономичной работы реактивного привода, то здесь она будет уступать механическому. Если выбирать наиболее экономичный вариант только среди реактивных устройств, то лучшим является турбореактивный двигатель, который располагается на лопастях винта. Однако конструктивно создать такое приспособление оказалось слишком трудно, именно поэтому широкого практического применения такие приборы не получили. Из-за этого заводы вертолетных двигателей не стали заниматься его массовым производством.

Авиационные двигатели их классификация и краткие характеристики

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 10

Авиационный двигатель – это тепловая машина, которая преобразует тепловую химическую энергию авиационного топлива в энергию отбрасываемой воздушной массы или истекающих реактивных газов.

И хотя, по большому счету, создание силы тяги в воздушном пространстве основано на эффекте реакции отбрасываемой (истекающей) воздушной массы и оно по сути своей является реактивным движением. Сегодняшние авиационные двигатели ГА подразделяются на два больших класса: — класс реактивных и класс винтовых авиационных двигателей.

Класс реактивных двигателей включает в себя:

— воздушно-реактивные двигатели (ВРД),

в которых для сгорания топлива используется кислород воздуха атмосферы. ВРД, имеющие газовую турбину, называются
турбореактивными двигателями ТРД,
— ракетные двигатели (РД ) – в которых для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Класс винтовых двигателей включает в себя:

— поршневые двигатели (ПД

)
это — бензиновые моторы внутреннего сгорания и дизельные двигатели, которые создают тягу за счет реакции отбрасывания воздушным винтом масс воздуха.
— турбовинтовые двигатели (ТВД

) это —
двигатели которые создают тягу за счет реакции отбрасываемой воздушным винтом воздушной массы (85-90 %) и истекающих из двигателя реактивных газов (15-10 %)
Так как в конструкциях ТРД, и ТВД имеют место газовые турбины, то эти двигатели объединяют в одну общую группу – газотурбинные двигатели.

Рассмотрим вкратце конструктивные особенности этих авиадвигателей, их достоинства и недостатки.

Поршневые бензиновые двигателиэто — двигатели внутреннего сгорания, работающие по ”четырехтактному циклу Карно” (цикл впуска, цикл сжатия, цикл расширения, цикл выпуска), у которых основная часть процесса приготовления горючей смеси осуществляется карбюратором или впрыском топлива прямо в цилиндры, а поджиг ее осуществляется от искры.

Важным показателем авиационного поршневого двигателя является его минимальная удельная масса— это соотношение веса двигателя к развиваемой им максимальной мощности и она для современных двигателей составляет 0,4кг/кВт.

В поршневом двигателе возвратно-поступательное движение поршней посредством кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, крутящий момент которого напрямую или через понижающий редуктор передается на вал воздушного винта, заставляя его вращаться и создавать силу тяги.

Основными параметрами и показателями тяговых характеристик поршневого двигателя являются:

Индикаторная мощность – мощность развиваемая газами внутри цилиндра двигателя и передаваемая поршню за циклы сжатия и расширения.

Она определяется как
:
N i = pi Uh i n / 900 ( л.с.)

где: — pi

— среднее индикаторное давление ( кг /см2) равное разности сред-

него давления расширения и среднего давления сжатия.

— Uh

— рабочий объем цилиндра

— i —

число цилиндров

— n

— число оборотов коленчатого вала.

Мощность трения Nr –часть индикаторной мощности, затрачиваемая на механические потери и потери на привод в работу насосов.

Для современных двигателей мощность трения составляет 10-15 %.

Так как с увеличением высоты полета плотность воздуха атмосферы и содержание кислорода в нем уменьшается, а для полного и устойчивого сгорания определенной массы топлива необходимо строго определенное количество воздуха, то для поддержания этого необходимого соотношения топливо/воздух применяются воздушные нагнетатели (турбокомпрессоры), позволяющие обеспечить подачу в двигатель необходимого количества воздуха, идущего на создание горючей смеси и тем самым повысить его высотность. Турбокомпрессоры приводятся в работу за счет отбора от двигателя части мощности, поэтому эффективная мощность двигателя с турбокомпрессором будет на 10-20% ниже, чем у двигателя без турбокомпрессора.

Эффективная мощность Nе – мощность, передаваемая от коленчатого вала к воздушному винту.

Nе = Ni — Nr – Nс

где: Nс— мощность, отбираемая для работы турбокомпрессора

Поскольку поршневые двигатели являются в большинстве своем высоко оборотистыми двигателями, а оптимальным числом оборотов для воздушного винта являются обороты до 2000-2500 1/мин, то для получения таких оборотов на двигателе устанавливается понижающий редуктор, с заданной степенью редуцирования.

Через величину крутящего момента на валу винта Мв, степень редуцирования

оборотов i р и обороты двигателя n эффективная мощность ПДможет быть определена из зависимости

Nе = Мв n i р

/
716,2
Наши представления о поршневых двигателях были бы не полными если бы мы оставили без внимания режимы их работы и значения мощности соответствующие этим режимам.

И так основными режимами работы поршневых авиационных двигателей считаются:

Взлетный режим это — форсированный режим работы двигателя, на котором производится взлет или интенсивный разгон самолета с целью сокращения длины разбега или быстрого увеличения скорости. Взлетному режиму соответствует взлетная мощность,которая составляет 110-120% номинальной мощности двигателя. Так как взлетный режим считается напряженным по прочностной нагрузке на двигатель, то время работы на нем ограничивается обычно до 5 мин.

Номинальный режим это — основной расчетный режим работы двигателя на номинальных оборотах винта и номинальном давлении наддува. Номинальному режиму соответствует эксплуатационная мощность, соответствующая 90% мощности развиваемой двигателем на земле, при номинальном числе оборотов и номинальном наддуве.

Крейсерский режим єто режим работы двигателя, при котором его мощность составляет 30-75% от номинальной и продолжительность его работы не ограничена.

Различают следующие крейсерские режимы:

Максимальный крейсерский режим, режим соответствующий скорости максимальной дальности полета, которая составляет 90% максимальной скорости полета на данной высоте.

Наивыгоднейший крейсерский режим – режим соответствующий минимальному километровому расходу топлива на данной высоте полета, при котором мощность двигателя равна 50-60% от номинальной.

Экономический крейсерский режим – режим соответствующий скорости максимальной продолжительности полета на данной высоте и минимальному часовому расходу топлива. Мощность при этом составляет 30-40% от номинальной.

Достоинством и преимуществом поршневых двигателей перед ГТД является их высокая приемистость – способность двигателя к его быстрому переходу от заданного установившегося режима на установившийся режим более высокой тяги или мощности.

Турбореактивные двигатели

Если поршневые двигатели являются тепловыми машинами с циклическим режимом работы то ТРД это — тепловые машины непрерывного действия создающие тягу за счет реакции истекающей реактивной воздушной струи.

Класс ТРД это – обширный класс авиационных двигателей, различающихся конструктивными особенностями.

При всем многообразии и конструктивных особенностях для всех ТРД присущи следующие одинаковые элементы и узлы: входное устройство, компрессор, диффузор, камера сгорания, сопловой аппарат, реактивная турбина и выходное устройство, состоящее из удлинительной трубы и реактивного сопла.

Кроме того, вращающаяся часть компрессора (ротор компрессора) и вращающееся рабочее колесо газовой турбины, жестко закрепленные на одном валу, вместе составляют рабочий узел – называемый ротором ГТД.

В зависимости от конструктивных особенностей и необходимой заданной степенью повышения давления, у ГТД может быть один или несколько роторов.

Входное устройство двигателя принимает набегающий воздушный поток, подводит его к компрессору, упорядочив структуру и увеличив скорость, повышает его абсолютное давление. Входные устройства дозвуковых самолетов как правило-нерегулируемые. У сверхзвуковых самолетов при полете на больших сверхзвуковых скоростях, на определенных режимах работы двигателя, приходится ограничивать приток воздуха к двигателю с целью недопущения его «закупорки» воздушным потоком. Для этих целей используют регулируемые входные устройства, в которых происходит автоматическое изменение проходного сечения с помощью центрального тела (конуса) у самолетов с кольцевым входным устройством или выдвижением регулировочных клиньев у самолетов с плоскими боковыми воздухозаборниками.

Компрессор двигателя является лопаточной машиной, предназначенной для повышения полного давления воздуха и подачу его в камеру сгорания.

По конструкции компрессора, ТРД бывают: с центробежным или осевым компрессором.

Степень повышения давления воздуха у центробежных компрессоров πк, невелика и составляет 4,2 – 4,5 .

Осевые компрессоры позволяют создавать более высокие степени повышения давления πк, до 13-15 и более раз, при этом на одной ступени центробежного компрессора давление повышается всего лишь в 1,15 — 1,8 раза, т.е. на 15-80%..

Так, при средней степени повышения давления на ступени осевого компрессора равной 1,3, у 7-ступенчатого компрессора полная степень повышения давления состав — ляет π к = 1,37 = 6,3

С учетом того, что первоначально сжатие воздуха за счет скоростного напора происходит во входном устройстве, то степень повышения давления входного устройства и компрессора будет равна:

π = π к х π

Компрессоры современных ГТД обладают высокой производительностью и некоторые из них способны прокачивать через газовоздушный тракт двигателя 200 и более килограммов воздуха за сек.

В зависимости от конструкции двигателя, воздушный поток после компрессора может направляться целиком в двигатель, проходя через диффузор (у одноконтурных двигателей) или разделяется на две части, одна из которых поступает в двигатель через диффузор, а вторая часть обтекает двигатель снаружи, образуя второй контур (у двухконтурных двигателей).

Диффузор – конструктивная часть двигателя, в которой происходит подготовка и разделение воздушного потока перед его поступлением в камеру сгорания.

Камера сгорания представляет собою полый,конструктивный узел ГТД, в котором происходит испарение и смешивание авиационного топлива с воздухом, поступающим через диффузор от компрессора, а так же сгорание этой топливовоздушной смеси. В процессе горения принимает участие только 20-25 % (первичного) воздуха поступающего в камеру сгорания. Этот воздух, участвующий в процессе горения, для обеспечения устойчивого факела горения тормозится до скорости 15-25м/сек. Остальные 75-80% (вторичного) воздуха используются для охлаждения самой конструкции камеры сгорания и охлаждения газов получившихся в процессе горения. Полное сгорание авиационного топлива происходит при соотношении топлива и воздуха равном 1 кг топлива к 14,8 кг воздуха.

В результате горения топлива в камере сгорания температура газов возрастает (до 1500-1750 0 С), повышается их давление (в 4-6 раз) и возрастает скорость истечения (до 450-500 м/сек).

Поскольку разогретый до температуры 1500-17500С воздушный поток пропускать через сопловой аппарат и тем более вращающееся с высокими оборотами (12000-15000 1/мин) рабочее колесо турбины недопустимо, так как из-за высокого разогрева и больших динамических нагрузок эти агрегаты просто разрушатся, то он охлаждается до 800-900 0. вторичным воздухом, проходящим через камеру сгорания.

Сопловой аппарат – элемент конструкции двигателя, предназначенный для направления истекающих из камеры сгорания реактивных газов на лопатки рабочего колеса турбины под углом обеспечивающим, безсрывное обтекание лопаток турбины.

Реактивная турбина – основной рабочий элемент конструкции ГТД, который преобразует кинетическую энергию истекающих из камеры сгорания реактивных газов в механическую энергию необходимую для вращения ротора компрессора у ТРД или

энергию вращения ротора компрессора и воздушного винта у ТВД.

Причем у ТРД, для вращения ротора компрессора, отбирается минимально-необходимое количество энергии, истекающих из камеры сгорания газов. Остальная кинетическая энергия истекающих газов используется в качестве энергии реактивной струи выходящей из реактивного сопла.

На турбине ТВД, в отличие от ТРД, преобразуется в механическую работу для вращения компрессора и воздушных винтов, максимально-возможное количество кинетической энергии истекающих из камеры сгорания газов (85-90%), а оставшаяся меньшая часть(10-15%) создает силу реактивной тяги.

Выходное устройство – конструктивный узел ГТД в котором происходит расширение реактивных газов и увеличение их скорости.Одним из конструктивных элементов выходного устройства ТРД является удлинительная труба, которая служит для дополнительного разгона истекающих реактивных газов и для отвода их за пределы конструкции воздушного судна.

У двигателей, форсирование мощности которых достигается дополнительным сжиганием топлива за сопловым аппаратом и реактивной турбиной, функцию удлинительной трубы выполняет жаровая труба, которая по сути своей является форсажной камерой. Для работы форсажной камеры используется подводимое через специальный коллектор авиатопливо и вторичный воздух, который использовался для охлаждения конструкции двигателя и газов в камере сгорания и в горении не участвовал. Так как для полного и эффективного сгорания 1кг обычного авиационного топлива необходимо 14,8 кг воздуха, то максимальное разумное количество топлива, подаваемое в форсажную камеру должно быть в 14,8 раз меньше чем масса вторичного воздуха прошедшего через двигатель. Температура газов в форсажной камере может доходить до 1750-2500оС, что позволяет повысить их давление в камере и увеличить скорость истечения, тем самым резко увеличить тягу двигателя.

Реактивное сопло -оконечное устройство газоотводного тракта ГТД , которое служит для расширения газов в целях увеличения кинетической энергии газовой струи.

Реактивное сопло бывает нерегулируемым – с постоянным диаметром выходного сечения и регулируемым – с изменяемым диаметром выходного сечения.

Изменение диаметра выходного сечения реактивного сопла в полете позволяет создать оптимальные условия истекания реактивных газов и улучшить газодинамическую связь между всеми компонентами ГТД.

На некоторых типах ТРД, в конструкцию выходного устройства входит реверсивный механизм, с помощью которого газовый поток в выходном устройстве поворачивается в направлении близком к первоначальному, что создает отрицательную тягу, используемую для торможения самолета на пробеге.

Исходя из тех процессов, которые протекают в различных узлах реактивного двигателя можно сказать, что сила тяги ТРД представляет собой равнодействующую всех сил воздействующего воздушного и газового потоков на внешние и внутренниеповерхности двигателя. Это воздействие складывается из давления и трения.

. Величина тяги ТРД определяется по формуле:

P = [( G + Gт) c5 /g — G c0 /g ] + ( p5 — ph ) F5

где: — G – секундный весовой расход воздуха через двигатель;

— Gт секундный весовой расход топлива

— c5 и p5 –скорость и давление газа в сечении за реактивным соплом, где

воздушная струя имеет цилиндрическую форму и еще не успела перемешаться с воздухом атмосферы.

— c0 —скорость воздушного потока перед входом в двигатель.

— ph – атмосферное давление воздуха.

— F5 – площадь газовой струи в сечении 5-5.

Показателями основных параметров двигателя являются:

Удельная тяга Руд – тяга, получаемая с 1кг воздуха проходящего через двигатель за 1 сек. Она характеризует размеры и вес двигателя. Чем больше удельная тяга, тем меньше при данной общей тяге размеры и вес двигателя. Для современных ТРД Руд составляет 55-65 кг сек/ кг возд.

Тяговая мощность – показатель мощности двигателя в зависимости от скорости полета.

N= P c0 /75

Удельный расход топлива Суд – показатель экономичности двигателя, указывающий какое количество топлива надо израсходовать для того, чтобы получить 1кг тяги.

Чем меньше величина Суд тем экономичнее двигатель.

Кроме перечисленных выше параметров характеризующих ТРД еще есть такие показатели как: термический КПД; тяговый КПД; полный КПД; удельный вес двигателя, удельная лобовая тяга и другие.

Как у поршневых, так и у ТРД имеются характерные эксплуатационные режимы работы

Максимальный (взлетный) – соответствующий максимально допустимому числу оборотов и наибольшей тяге двигателя. Поскольку режим является напряженным, то время работы на нем ограничивается 5-10 минутами.

Номинальный – при работе на этом режиме обороты на 3-4% меньше максимальных, а тяга 10% меньше максимальной тяги. Время непрерывной работы на нем, как правило, ограничено.

Крейсерский (эксплуатационный) — соответствует числу оборотов на 10% меньше максимальных и тяге равной 75-80% от максимальной. Такой режим еще называют Максимально крейсерским или режимом максимальной дальности.

Если тяга составляет 50-60% от максимальной тяги, то такой режим называют Минимально крейсерским или режимом максимальной продолжительности.

Режим малого газа (оборотов холостого хода двигателя) – режим при котором двигатель имеет минимальное число оборотов, но работает устойчиво и при этом тяга его составляет только 3-5% от максимальной тяги. В некоторых случаях работа на этом режиме может ограничиваться по времени во избежание местного перегрева соплового аппарата или газовой турбины.

Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель (ТВД) это — газотурбинный двигатель, у которого турбина развивает мощность большую, чем мощность, необходимая для вращения компрессора и передает эту избыточную мощность на воздушный винт.

Если в ТРД энергия газов, поступающих на колесо турбины используется не полностью, а только та ее часть, которая необходима для вращения компрессора, а остальная, большая часть, реализуется в виде энергии струи истекающих газов, то в ТВД энергия газов поступающих на колесо турбины большей частью используется для вращение компрессора и воздушного винта, а меньшая реализуется в виде реактивной струи.

Конструктивно ТВД имеет в основном те же узлы с теми же функциями, что у ТРД: входное устройство, компрессор, диффузор, камеру сгорания, сопловой аппарат, газовую турбину и удлинительную трубу для вывода газов за пределы конструкции ВС и реактивное сопло.

Форсажная камера у ТВД отсутствует. По большому счету и в реактивном сопле у ТВД нет необходимости, так как на газовой турбине реактивные газы почти полностью расширяются и почти полностью теряют всю свою кинетическую энергию.

Среди ТВД, используемых на самолетах и на вертолетах имеются, существенные конструктивные различия, связанные с отбором мощности от турбины и передачи ее на воздушный винт.

Самолетные ТВД это двигатели с жестким приводом редуктора, установленного на переднем продолжении вала ротора двигателя (перед компрессором), снижающем обороты до заданных и передающем крутящий момент на воздушный винт с изменяемым шагом

Вертолетные ТВД являются двигателями с так называемой “ свободной турбиной” (точнее говоря – с отдельной автономной турбиной воздушного винта), которая не связана с ротором двигателя, а является автономным узлом, использующим остаток энергии газов истекающих из камеры сгорания, после прохождения ими соплового аппарата и газовой турбины ротора двигателя. Между турбиной ротора двигателя и “свободной турбиной воздушного винта” существует только газодинамическая связь. “Свободная турбина” жестко сидит на валу, передающему крутящий момент на редуктор воздушного винта, находящемуся сзади двигателя.

Так как тяга ТВД состоит из тяги образуемой воздушными винтами и тяги от истекающих реактивных газов, то формула тяги ТВД будет иметь следующий вид:

Р = Рв+ Рр

Тяга, развиваемая воздушным винтом равна

Рв = 75 Ne ή в / Со

Где: Ne -эффективная мощность двигателя

ή в -КПД винта

Со —скорость полета

Реактивная тяга Рр = Gв (c 4– c0) /g

Gв –секундный расход топлива через двигатель

c 4 — скорость истечения газов через сечение выходного сопла

c0 — скорость воздушного потока на входе в двигатель

Полная тяга ТВД равна:

Р= 75 Ne ή в / Со + Gв ( c 4– c0) /g

Достоинством и преимуществом ТВД и двухконтурных ТРД над одноконтурными ТРД на относительно малых (до 1000- 1200км\час) скоростях полета являются:

— Высокая тяга, обусловленная тем, что отбрасываемый винтом ТВД воздушный поток имеет меньшую, чем реактивная струя ТРД скорость, но в него вовлекается большая масса воздуха. Так если уменьшить скорость отброса воздушного потока в два раза, то за счет одного и того же количества энергии можно увеличить его массу в четыре раза, что приведет к возрастанию тяги в два раз.

Это достоинство исчезает, по мере того как скорость полета приближается к скорости отбрасываемой винтом воздушной массы, в результате чего уменьшается КПД воздушного винта.

— Удельный расход топлива (количество топлива необходимое для создания 1кг тяги) на взлетном режиме у ТВД примерно в 4 раза меньше чем у ТРД. Кроме того, он уменьшается с увеличением высоты и скорости полета в большей мере, чем это происходит у одноконтурных ТРД.

⇐ Предыдущая10

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Первые модели турбовальных устройств

Первые турбовальные двигатели были созданы еще в 60–70 гг. Необходимо упомянуть, что в то время такое оборудование полностью отвечало всем запросам не только гражданской авиации, но и военной. Такие агрегаты были способны обеспечить паритет, а в некоторых случаях и превосходство над изобретениями конкурентов. Наиболее массовое производство вертолетных двигателей турбовального типа обеспечивалось за счет сборки модели ТВ3-117. Стоит отметить, что этот аппарат имел несколько разных модификаций.

Кроме него, хорошее распространение получила также модель Д-136. До выхода этих двух моделей выпускались Д-25В и ТВ2-117, однако на тот момент они уже не могли оказать конкуренцию новым двигателям, а потому их производство прекратили. Однако справедливо будет сказать, что их было выпущено достаточно много, и они все еще установлены на тех видах воздушного транспорта, которые были выпущены достаточно давно.

Классификация поршневых авиадвигателей

Авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам.

В зависимости от рода применяемого топлива — на двигатели легкого или тяжелого топлива.

По способу смесеобразования — на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры).

В зависимости от способа воспламенения смеси — на двигатели с принудительным зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.

В зависимости от числа тактов — на двухтактные и четырехтактные.

В зависимости от способа охлаждения — на двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

По числу цилиндров — на четырехцилиндровые, пятицилиндровые, двенадцатицилиндровые и т. д.

В зависимости от расположения цилиндров — на рядные (с расположением цилиндров в ряд) и звездообразные (с расположением цилиндров по окружности).

Рядные двигатели, в свою очередь, подразделяются на однорядные, двухрядные V-образные, трехрядные W-образные, четырехрядные Н-образные или Х-образные. Звездообразные двигатели также бывают однорядные, двухрядные и многорядные.

По характеру изменения мощности в зависимости от изменения высоты двигатели подразделяются на высотные, то есть сохраняющие мощность с подъемом самолета на высоту, и невысотные, мощность которых падает с увеличением высоты полета.

По способу привода воздушного винта — на двигатели с прямой передачей на винт и редукторные двигатели.

Поршневые двигатели работают по циклу периодического действия.

Поршневые двигатели воздушного охлаждения имеют преимущества перед двигателями жидкостного охлаждения: меньшая масса, соответственно, большая удельная мощность и более простая, а значит, и более надежная конструкция, высокая эффективность охлаждения. Для лучшего обдува цилиндров воздухом их располагают в виде звезды. Каждый цилиндр отделен от остальных и доступен для ремонта и обслуживания.

В 1909 году Луисом и Лораном Сеген был создан ротативный двигатель «Гном», получивший широкое распространение и применение самолётах времён Первой мировой войны.

В этом звездообразном двигателе вокруг неподвижного коленчатого вала вращался блок цилиндров.

Преимущества ротативных авиадвигателей: в таких двигателях нет необходимости в установке противовесов. Цилиндры постоянно находятся в движении, что создает хорошее воздушное охлаждение. Можно отказаться от применения маховика, т. к. вращающиеся цилиндры и поршни создают вращающийся момент.

Недостатки: отнести плохое маневрирование самолёта, обусловленное гироскопическим эффектом, создаваемым большой вращающейся массой двигателя, а также плохую систему смазки, поскольку инерционные силы заставляют смазочное масло скапливаться на периферии двигателя. Масло приходилось смешивать с топливом для обеспечения надлежащего смазочного эффекта.

Такая конструкция была проще, но самолеты возвращались из полета покрытые толстым слоем касторового масла, которое во время работы такого двигателя разлеталось от вращающегося блока, щедро разбрасывая капли даже на лётчиков. К тому же на вращающиеся цилиндры действовали большие инерционные нагрузки.

Более поздние двигатели содержали привычный неподвижный блок цилиндров и вращающийся коленчатый вал. Но радиальное расположение имело и свои недостатки: высокое лобовое сопротивление и сложность обслуживания двигателя.

Основные типы поршневых двигателей

В истории авиации мотор никогда не был так популярен, как самолёт: широко известны, например, самолёты Первой мировой войны «Фоккер D-7», «СПАД 13», «Бристоль F.2B», но редко слышно о 185-сильном двигателе БМВ, 235-сильном «Испано-Сюиза», 275-сильном «Фалькон» («Роллс-Ройс»). Хотя без надёжного двигателя удачный самолёт не построишь — всё начиналось с мотора.

В 1918 году французский изобретатель Ратье предложил турбонагнетатель.

Градация оборудования

В середине 80-х годов возникла необходимость в унификации устройства вертолетного двигателя. Чтобы решить поставленную задачу, все турбовальные и турбовинтовые двигатели, имеющиеся на тот момент, было решено привести к общему типоразмерному ряду. Данное предложение было принято на правительственном уровне, а потому возникло деление на 4 категории.

Первая категория – это устройства мощностью 400 л. с., вторая – 800 л. с., третья – 1600 л. с. и четвертая – 3200 л. с. Помимо этого, было разрешено создание еще двух моделей вертолетного газотурбинного двигателя. Их мощность составляла 250 л. с. (0 категория) и 6000 л. с. (5 категория). Кроме этого, подразумевалось, что каждая категория этих устройств будет способна формировать мощность на 15–25 %.

Перспективные концепции авиационных двигателей

Некоторые черты прошлого или космического футуризма можно увидеть в перспективных проектах авиационных двигателей. Авиационная ядерная силовая установка (АЯСУ), в которой теплота генерируется в ядерном реакторе, подводится в авиационный газотурбинный двигатель (ТРДД, ТРД, ТВД) и преобразуется в тягу. В зависимости от способа подвода тепла различают АЯСУ «открытой» и «закрытой» схемы. В «открытой» схеме сжатый в компрессоре двигателя воздух нагревается непосредственно в соответствующих каналах ядерного реактора до высокой температуры и либо преобразуется в механический вращательный момент на турбине, либо поступает в сопловой аппарат, где и трансформирует потенциальную энергию газа в кинетическую энергию реактивной струи. В АЯСУ «закрытой» схемы тепловая энергия реактора подводится в теплообменник ГТД к воздуху теплоносителем, циркулирующим в замкнутом контуре или контурах. Теплоносителями первого контура выступают жидкие щелочные металлы (натрий, литий) или инертные газы (гелий). Масса реакторного блока «закрытого» типа составляет 25-30% от взлётной массы тяжёлого дозвукового самолёта, а «открытого» типа – 15–20%. Взлёт и посадка для безопасности осуществляются на обычном топливе (керосин), крейсерский полёт – на ядерном. Самолёты с такой силовой установкой получили название атомолёт. Ту-95 ЛАЛ, Ан 22ПЛО и Convair ND-36 – это атомолёты, которые, находясь на разных стадиях реализации, показали множество проблем создания таких двигателей. Самолёты летали, но обеспечение безопасности полёта стало критичным фактором в судьбе атомолётов в 1960–70-х гг.

В 2003 военно-исследовательская лаборатория ВВС США профинансировала разработку атомного двигателя для беспилотного самолёта-разведчика Global Hawk с целью увеличить продолжительность полёта до нескольких месяцев.

Авиационный электрический двигатель с начала 2000-х гг. доминирует в авиамоделизме и лежит в основе концепции электрического самолёта, т. е. самолёта, который приводится в движение электрическим двигателем, питающимся от солнечных батарей, топливных элементов, фотоэлементов, суперконденсаторов. В настоящее время электрические самолёты представлены преимущественно экспериментальными моделями, в число которых входят как пилотируемые, так и беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Электрические двигатели на воздушных судах применялись ещё в 19 в. Например, 8.10.1883 года французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полёт на дирижабле La France с использованием электрического двигателя Вернера фон Сименса, получавшего питание от батареи массой 435 кг.

Запуски электрических авиамоделей получили распространение с 1970-х гг. Первый официальный запуск датирован 1957, а уже в 1973 Фред Милишки и Хейно Брдишка на базе австрийского моторного планера Brditschka HB-3 создали вариант Militky MB-E1 с электрическим двигателем и Брдишка осуществил первый полёт электрического самолёта с человеком на борту, время полёта составило 14 мин. С середины 2000-х гг. электрические двигатели широко используются на БПЛА.

Очередной рубеж был преодолен 7.7.1981, когда Solar Challenger совершил перелёт через пролив Ла-Манш. Время полёта составило 5 ч 23 мин. Помимо прочего, электрические самолёты отличает низкий уровень шума, что может быть значимым преимуществом при выполнении разведывательных операций. Британский БПЛА QinetiQ Zephyr с питанием от солнечных батарей в 2010 установил на тот момент мировой рекорд длительности полёта для БПЛА, пробыв в воздухе две недели. 20.7.2012 Long-ESA установил рекорд скорости для самолётов с электродвигателем, разогнавшись во время испытания до 326 км/ч. Швейцарский самолёт Solar Impulse стал первым в мире пилотируемым самолётом, способным летать за счёт энергии Солнца достаточно долго. В 2015–16 на этом самолёте совершён кругосветный перелёт, начавшийся 9.3.2015 в Абу-Даби в 07 ч 12 мин по местному времени. Маршрут разбит на 12 участков с посадками в Маскате, Ахмадабаде, Варанаси, Мандалае, Чунцине, Нанкине, на Гавайях, в Финиксе и Нью-Йорке. Два самых длинных участка (из Китая на Гавайи и из Нью-Йорка в Европу или Северную Африку) потребовали около 120 ч непрерывного полёта. В июле 2020 стало известно, что из-за повреждения аккумуляторов от перегрева на пути из Японии на Гавайи самолёт прервал кругосветный перелёт. Миссия возобновилась 21 апреля 2020 года. 24.4.2016, совершив трёхсуточный перелёт с Гавайских островов, самолёт Solar Impulse 2, управляемый пилотом Бертраном Пиккаром, достиг западного побережья США. 12.5.2016 Solar Impulse 2 начал финальный этап своего кругосветного путешествия, вылетев из штата Аризона по направлению к городу Талса штата Оклахома. 26.7.2016 совершил посадку в Абу-Даби. Размах крыльев самолёта – 72 м, общая масса – 2300 кг. Реально самолёт способен подняться на 8500 м, а мощность его электродвигателей по совокупности составляет 70 л. с. (около 51,5 кВт).

Дальнейшее развитие

Для того чтобы полностью обеспечить развитие и строительство новых моделей, ЦИАМ провела достаточно обширную научно-исследовательскую работу. Это позволило получить научно-технический задел (НТЗ), по которому будет идти развитие данного направления.

В таком НТЗ указывалось, что принцип работы вертолетных двигателей будущих поколений должен строиться на простом принципе термодинамического цикла Брайтона. В этом случае развитие и строительство новых агрегатов будет перспективным. Что касается конструктивного исполнения новых моделей, то они должны быть с одновальным газогенератором, а силовая турбина с выводом вала мощности вперед через данный газогенератор. Кроме этого, в конструкцию должен входить и встроенный редуктор.

В соответствии со всеми требованиями научно-технического задела на Омском МКБ были начаты работы по изготовлению такой модели двигателя для вертолета, как ТВ ГДТ ТВ-0-100, мощность этого аппарата должна была составлять 720 л. с., а применять его было решено на такой машине, как Ка-126. Однако в 90-е годы все работы были остановлены, несмотря на то что в тот период устройство было достаточно совершенным, а также имело возможность форсировать мощность до таких показателей, как 800–850 л. с.

Испытание на прочность

Если продолжить разговор об испытаниях: вы испытываете на конструкционную прочность материалы, из которых делается двигатель ПД-14 для нашего новейшего МС-21. Какие экстремальные условия задаете?

Михаил Гордин: По максимуму. К примеру, рабочая температура никелевых суперсплавов может быть +1100°C и выше. Материал растягивают, сжимают и много чего с ним делают, пока образец не сломается. Проводятся кратковременные и длительные испытания, изучают образование и развитие трещин. Ломается все. Вопрос: как быстро и при каких нагрузках?

Двигатель — самое наукоемкое механическое устройство по плотности инноваций и высоких технологий на кубический сантиметр

Ответ важен еще и потому, что новые материалы, прошедшие квалификационные испытания при сертификации ПД-14, будут применяться и в других изделиях. За создание самих новых материалов отвечает Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ). Мы же занимаемся испытаниями образцов и конструктивно-подобных элементов для того, чтобы подтвердить характеристики материалов уже в готовых изделиях, а также «вооружить» конструкторов нормами прочности, которые они смогут использовать в будущих конструкциях.

Какие вообще новые материалы используются для перспективных российских двигателей?

Михаил Гордин: Для вала двигателя — высокопрочная сталь, которая может выдерживать высокие нагрузки. Для горячей части — лопаток, дисков — новые никелевые жаропрочные сплавы, теплозащитные покрытия. Для относительно холодных деталей компрессора, корпуса и т.д. — различные титановые сплавы. Применение новых материалов стало одним из условий создания перспективных двигателей. Все конструирование в авиации — это борьба с весом. Наша задача в том, чтобы самолет нес максимально полезную нагрузку. Поэтому мы максимально должны облегчить двигатель.

У стенда для испытаний двигателя-демонстратора перспективных электрических технологий. Фото: Александр Корольков/РГ

А насколько вес двигателя помогают снизить композиты?

Михаил Гордин: Это зависит от размерности двигателя. Для больших — до полутонны. Возьмем, к примеру, углепластиковую лопатку вентилятора. Она на 40% легче применяемой в настоящее время пустотелой титановой, по прочности — такая же. На углепластиковой лопатке используется передняя кромка из титана, которая помогает выдерживать ударные нагрузки. Углепластик и металл вместе — достаточно сложная конструкция, для создания которой необходим большой объем знаний. Но цель та же — снижение веса.

Все подобные научно-технические новации уже используется при создании двигателя?

Михаил Гордин: Конечно. Сейчас реализуется программа создания двигателя ПД-35. В ней определены 18 критических технологий, и одна из них — полимеркомпозитная лопатка вентилятора. Мы вместе с АО «ОДК-Авиадвигатель», головной организацией по разработке ПД-35, и ПАО «ОДК-Сатурн» активно работаем над этой технологией. У нас изготавливаются пока лопатки в размерности ПД-14. Потом мы будем проводить с ними различные испытания, чтобы выбрать конструктивно-технологическое решение для ПД-35.

ПД-14 делают конкретно под самолет МС-21?

Михаил Гордин: Этот двигатель делается под ближнесреднемагистральные самолеты — класс тяги примерно 14-15 тонн. МС-21 сейчас проходит летные испытания с американским двигателем. Но со следующего года на него начнут устанавливать отечественные ПД-14. Это первый с 1992 года (после ПС-90А) полностью российский турбовентиляторный двигатель для гражданской авиации.

Скажите, а сверхтяжелый двигатель ПД-35 для каких самолетов создается?

Михаил Гордин: Работы по программе перспективного двигателя большой тяги ПД-35 — это прежде всего наработка компетенций в новом для России сегменте гражданских реактивных двигателей большой тяги — от 24 до 50 тонн. До сертификации еще далеко, пока все на этапе научно-исследовательских работ. Мы в этой программе соисполнитель, головной исполнитель — АО «ОДК-Авиадвигатель». Разрабатывается демонстратор газогенератора и полимеркомпозитная вентиляторная лопатка. Потом будет двигатель-демонстратор размерностью примерно 35 тонн тяги. На основании этой работы уже можно будет заложить опытно-конструкторскую разработку для двигателя до 50 тонн. 35 тонн — это двигатель примерно для самолета типа Боинг-777.

Для широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета он подойдет?

Михаил Гордин: Двигатель большой тяги позволит уйти от четырехмоторной схемы на самолетах Ил-476, Ил-478, Ил-96-400, а также может стать базовым двигателем для перспективного авиационного комплекса военно-транспортной авиации.

Производство на ОАО «Рыбинские моторы»

В это же время на ОАО «Рыбинские моторы» занимались доводкой такой модели двигателя, как ТВ ГДТ РД-600В. Мощность устройства составляла 1300 л. с., а использовать его планировали для такого типа вертолета, как Ка-60. Газогенератор для такого агрегата был выполнен по достаточно компактной схеме, в которую входил четырехступенчатый центробежный компрессор. В нем были 3 осевых ступени и 1 центробежная. Частота вращения, которую обеспечивал такой агрегат, достигала 6000 об/мин. Отличным дополнением было и то, что такой двигатель дополнительно снабжался защитой от пыли и грязи, а также от попадания других посторонних предметов. Данный тип двигателя прошел множество разнообразных испытаний, а его окончательная сертификация была завершена в 2001 году.

Далее стоит отметить, что параллельно с доработкой этого мотора специалисты работали над созданием турбовинтового двигателя ТВД-1500Б, который планировалось применять на вертолетах модели Ан-38. Мощность данной модели всего на 100 л. с. выше и, таким образом, составляла 1400 л. с. Что касается газогенератора, то его схема и комплектация были такими же, как и на модели РД-600В. При их разработке, создании и комплектации планировалось, что они будут составлять базу для семейства таких двигателей, как турбовальные, турбовинтовые.

Двигатели с V-образным расположением цилиндров

Они являются самыми известными и применяемыми типами двигателей внутреннего сгорания в авиастроении и не только. Их название связано с характерным расположением цилиндров по отношению к коленвалу. При этом они имеют различный уровень наклона по отношению друг другу. Он может составлять от 10 до 120 градусов. Такие моторы работают по тем же принципам, как и иные двигатели внутреннего сгорания.

К достоинствам двигателей с V-образным расположением цилиндров относится относительная их компактность при сохранении мощностных показателей, а также возможность получать приличный крутящий момент. Конструкция позволяет достигать значительных ускорений вала вследствие того, что инерция, создаваемая при работе, значительно выше, чем у иных типов двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими типами, эти отличаются наименьшей высотой и длиной.

Моторы этого вида имеют высокую жесткость коленвала. Это обеспечивает большую конструктивную прочность, что увеличивает сроки службы всего двигателя. Рабочие частоты таких моторов отличаются большими диапазонами. Это позволяет быстро набирать обороты, а также устойчиво работать на предельных режимах.

К недостаткам поршневых авиационных двигателей с V-образным мотором относят сложность их конструкции. Вследствие этого они стоят значительно дороже других типов. Более того, они отличаются достаточно большой шириной двигателя. Также V-образные моторы характеризуются высоким уровнем вибрации, сложностями при балансировке. Это приводит к тому, что приходится специально утяжелять различные их части.

Мотоцикл с вертолетным двигателем

На сегодняшний день производство различного рода техники продвинулось достаточно широко. Это справедливо практически для всех отраслей, включая производство мотоциклов. Каждый производитель старался всегда сделать свою новую модель более уникальной и оригинальной, чем у конкурентов. Из-за такого стремления не так давно компания Marine Turbine Technologies выпустила первый мотоцикл, в конструкцию которого входил вертолетный двигатель. Естественно, что данное изменение сильно затронуло как конструктивную часть машины, так и ее технические характеристики.

Параметры техники

Естественно, что характеристики мотоцикла, который имеет в своем распоряжении двигатель от вертолета, обладает также уникальными техническими параметрами. Кроме того, что такое нововведение позволило разогнать мотоцикл до практически немыслимых 400 км/ч, есть и другие свойства, на которые также стоит обратить свое внимание.

Во-первых, объем топливного бака у такой модели составляет 34 литра. Во-вторых, вес техники достаточно сильно увеличился и составляет 208,7 кг. Мощность такого мотоцикла составляет 320 лошадиных сил. Максимальная возможная скорость, которую удалось развить на таком аппарате – 420 км/ч, а размер его колесных дисков составляет 17 дюймов. Последнее, о чем стоит сказать, так это о том, что работа вертолетного двигателя сильно сказалась и на процессе разгона, из-за чего техника достигает своего предела за считаные секунды.

Первое такое творение, которое компания Marine Turbine Technologies показала миру, называлось Y2K. Тут можно добавить, что точное время разгона до 100 км/ч занимает всего полторы секунды.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что отрасль по созданию вертолетных двигателей прошла достаточно долгий путь, а нынешнее развитие технологий позволило применять продукцию даже в такой технике, как мотоциклы.