Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолета

Что служит рабочим телом в реактивном двигателе самолета

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы:

· источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи;

· рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя;

· сам реактивный двигатель — преобразователь энергии.

Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы — продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса — воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных типов.

Воздушно-реактивные двигатели. Все ВРД — тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несет на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела черпает из окружающей среды.

ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.

Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжатого воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без применения компрессора; сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.

Прямоточные ВРД для повышения давления воздуха в камере сгорания используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им положительные особенности: простота конструкции, легкость, а также возрастание реактивной тяги пропорционально квадрату скорости полета. Поэтому они особенно выгодны при больших сверхзвуковых скоростях полета. Недостаток – ничтожная тяга при малой скорости полета, поэтому прямоточные ВРД могут применяться на самолетах только в сочетании с другими двигателями, обеспечивающими необходимую тягу при взлете и на малых скоростях полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).

Пульсирующий ВРД отличается от прямоточного тем, что воздух поступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Давление в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конструкция его проста. Основной недостаток – большой расход топлива. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.

Компрессорные ВРД имеют центробежный или осевой компрессор, приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные) и мотокомпрессорные.

Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они пригодны для полетов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов.

Рис.11. Схема устройства турбореактивного двигателя

На рисунке 11 показана схема уст­ройства одного из типов реактивных двигателей, устанав­ливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилинд­рический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).

Воздух входит в переднее отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламе­няется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую ком­прессор, а затем вырываются через сопло из заднего от­верстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Реактивные двигатели

Развитие авиации сводится в основном к увеличению скорости, высоты, грузоподъёмности, дальности, надёжности полёта самолётов, что в значительной степени зависит от возможностей совершенствования двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания с винтами-пропеллерами уже не обеспечивают увеличения скорости и высоты полёта самолётов. Причина этого заключается в следующем.

В самолёте с воздушным винтом последний, вращаясь, отбрасывает воздух, заставляя его двигаться ускоренно. По третьему закону Ньютона, отбрасываемая масса воздуха действует на винт, толкает его вперёд, создавая этим тягу, движущую весь самолёт. Тяга получается, таким образом, как результат ответного воздействия (реакции) воздуха, отбрасываемого винтом. Винт служит посредником, который за счёт энергии топлива совершает работу по передвижению самолёта.

Читать еще:  Что случиться если не прогревать двигатель

Как показала практика, сила тяги винта уменьшается с увеличением скорости. Дело в том, что с увеличением скорости увеличивается сопротивление воздуха вращению винта: при скоростях, близких к скорости звука в воздухе (порядка 1200 км/ч), это сопротивление становится огромным. В результате большая часть полезной работы двигателя идёт на преодоление сопротивления воздуха; коэффициент полезного действия двигателя уменьшается в десятки раз. Для увеличения скорости самолёта приходится резко увеличивать мощность двигателя, а это неизбежно приводит к увеличению веса самолёта. Например, увеличение скорости полёта самолётов на 150–200 км/ч было достигнуто за счёт удвоения веса самолёта. Конечно, это экономически невыгодно. Мощность двигателя с винтом-пропеллером резко уменьшается также с увеличением высоты полёта. На большой высоте, где воздух сильно разрежён, воздушный винт вообще перестаёт двигать самолёт. Таким образом, самолёты с воздушными винтами-пропеллерами, приводимыми во вращение двигателями внутреннего сгорания, не могут обеспечить полётов на больших высотах с большими скоростями.

Свободными от указанных недостатков оказались реактивные двигатели, которые в настоящее время все более и более широко внедряются в авиацию, обусловливая ее дальнейшее развитие.

В реактивных двигателях винт отсутствует. В этих двигателях энергия топлива непосредственно преобразуется в механическую энергию движущегося реактивного аппарата. Телами, взаимодействующими между собой, в них являются не винт и воздух, а струя газа, вытекающая из двигателя, и сам двигатель.

Струя газа, двигаясь с ускорением, создаёт реактивную тягу, действующую на двигатель в направлении, противоположном движению струи, – в направлении полёта.

Чтобы газовая струя получила в двигателе ускорение, необходимо иметь давление газа в двигателе большее, чем давление окружающей среды. Под действием разности давлений газовая струя будет непрерывно вытекать из двигателя, и создавать реактивную тягу. Этого можно добиться путем непрерывного сжигания топлива в двигателе.

Реактивная тяга возникает при взаимодействии двигателя и струи, образующейся в самом двигателе, независимо от окружающей среды. Следовательно, если только обеспечить сгорание топлива в реактивном двигателе, он будет работать в высоких, разрежённых слоях атмосферы и даже в безвоздушном пространстве, т. е. там, где винтомоторная установка работать не может.

Разрешено частичное копирование статей с обязательной ссылкой на источник

Принцип работы двигателя самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

  • вентилятор;
  • компрессор;
  • камера сгорания;
  • турбина;
  • сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

  • классические;
  • турбовинтовые;
  • турбовентиляторные;
  • прямоточные.
Читать еще:  Что произойдет с двигателем если нет давления

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Как известно, развитие авиации все время шло по пути увеличения ско­ростей. В течение некоторого промежутка времени авиация перешагнула звуковой барьер, т. е. самолеты стали летать со сверхзвуковой скоростью. Однако такие скорости достичь с винтовым движителем было невозможно. Для увеличения скорости полета требуется увеличение силы тяги, которая зависит от мощности установленного двигателя. При этом не вся мощность газотурбинного двигателя используется винтом полезно, т. е. на создание тяги. Часть мощности двигателя теряется винтом на завихрение воздуха, закрутку отбрасываемой струи (рис. 15.43) и т. д. Оказалось, с ростом ско­рости полета эти потери увеличиваются из-за сжимаемости воздуха. Винт осложняет задачу двигателя —с ростом скорости его мощность должна увеличиваться еще быстрее. Необходимо было отказаться от винта, чтобы достичь больших скоростей. Но, отбросив винт, нельзя было получить тяговое усилие, движущее самолет. Это заставило ученых и инженеров искать новые схемы движителей, способных обеспечить сверхзвуковые скорости полета. Таким движителем смог стать реактивный двигатель.

С помощью такого двигателя создается реактивная сила тяги, движу­щая самолет.

Рис. 15.43. Действие воздушно­го потока за вращающимся воз­душным винтом

Рассмотрим принцип возникновения реактивной силы. Пусть ракета (рис. 15.44) летит со скоростью V в результате истечения газов из его сопла. За бесконечно малый промежуток времени Dt из сопла истекает бесконечно малая масса газа Dm. До истечения масса газа Dm движется с той же скоростью, что и ракета. Эта масса газа относительно корпуса ракеты не движется (Со = 0). В конце бесконечно малого промежутка вре­
мени скорость истечения бесконечно малой массы газа Dm относительно Ракеты равна с. Следовательно, импульс массы Dm за бесконечно малый промежуток времени Dt изменяется на бесконечно малую величину:

DP = Dm • с. (15.167)

Как известно из курса теоретической механики, изменение импульса те­ла за некоторый промежуток времени равно импульсу силы, действующей на тело в течение этого же промежутка времени. Тогда можно записать:

DP = Fdt. (15.168)

Объединяя выражения (15.167) и (15.168), получим:

Fdt = Dm — с. (15.169)

Выражение (15.169) представим в виде:

Величину dm/dt называют секундным расходом массы.

Сила F приложена к элементарной массе Dm со стороны ракеты и действует в отрицательном направлении оси х системы координат, дви­жущейся вместе с ракетой. Так как сила F действует в отрицательном Направлении оси ж, то выражение (15.170) следует записать со знаком «минус»:

В соответствии с третьим законом механики Ньютона, со стороны элементарной массы Dm на ракету будет действовать такая же по величине сила Я, но противоположно направленная (R = F). Силу R называют Реактивной силой, так как она обусловлена реакцией струи газа.

В соответствии со вторым законом механики Ньютона запишем:

R = та = т —. (15.172)

Так как R = F, то, объединив выражения (15.171) и (15.172), получим:

DV dm _

После преобразований выражение (15.173) примет вид:

Проинтегрируем выражение (15.174):

J dV = J-c^+C) V = —clnra + C. (15.175)

Определим постоянную интегрирования С. Пусть в начальный момент времени TQ масса ракеты была равна М, а скорость полета VQ. Тогда для момента времени TQ выражение (15.175) будет иметь вид:

Читать еще:  Большие обороты двигателя на рено логане до 6000

VQ = —clnM + C; (15.176)

C = VQ + cnM. (15.177)

Подставим выражение (15.177) в выражение (15.175):

V = —Clnra + VQ + clnM = clnM С In Га + VQ =

= c(ln M — In га) + V0 = cln — + VQ. (15.178)

Возможны два случая полета ракеты:

1. Масса ракеты в полете не изменяется (М = га = idem) или изменяется незначительно (М « га «Idem). Это возможно в том случае, если отток массы ракеты компенсируется ее притоком. Тогда выражение (15.178) будет иметь вид:

Подставим в выражение (15.179) выражение (15.176):

F = — clnM + C. (15.180)

Таким образом, выражение (15.180) показывает, что при неизменной массе скорость полета ракеты V будет постоянной и равной начальной скорости (V = VQ). Она зависит только от относительной скорости с истечения газов из ее сопла.

2. Масса ракеты в полете уменьшается из-за частичного ее расхода в виде истекающих из сопла газов (М 1 в выражении (15.178) с течением времени будет увеличиваться до некоторого предельного значения. В этом случае будет увеличиваться величина in М/га. Скорость полета ракеты V будет непрерывно увели­чиваться за счет убыли ее массы.

Первый случай характерен для реактивной авиации, в которой запас топлива в общей массе самолета незначителен (за исключением некоторых случаев). Поэтому скорость полета реактивного самолета определяется в основном скоростью истечения газов из сопла его двигателя.

Второй случай характерен для полета ракет, в которых запас топлива на борту составляет относительно большую величину. Пусть ракета в начальный момент времени имеет массу М. Масса топлива в общей массе ракеты равна гат. Тогда при полной выработке топлива масса ракеты станет равной М—гат. Тогда максимальная скорость ракеты в конце полной выработки топлива будет равна:

Vmax = cln —— + VQ = C]nr + VQ. (15.181)

Пусть движение ракеты начинается из состояния покоя (VQ = 0). Тогда выражение (15.181) примет вид:

Vmax = Cln Г. (15.182)

Выражение (15.182) представляет одну из основных формул реактив­ного движения. Она показывает, что при отсутствии гравитационного поля и сопротивления воздуха максимальная скорость полета ракеты, начинающей свое движение из состояния покоя, зависит только от скорости с истечения газов из сопла и отношения масс г. Когда г > е = 2.718 (ос­нование натурального логарифма), максимальная скорость полета ракеты Vmax будет больше скорости с отбрасываемых газов.

Заметим, что формула (15.182) позволяет определить теоретическое значение максимальной скорости, так как она получена без учета влияния на ракету сопротивления воздуха и гравитационного поля (силы тяжести).

При выводе формулы (15.182) не делалось никаких предположений относительно величины тяги и величины ускорения. При движении ракеты в пространстве без тяготения и при отсутствии сопротивления среды тяга реактивного двигателя и ускорение ракеты могут быть большими или малыми, переменными или постоянными: на величине максимальной скорости полета это никак не сказывается. Кроме того, при выводе фор­мулы (15.182) не делалось никаких предположений относительно приро­ды отбрасываемых масс. Важна лишь скорость с, с какой они отбрасы­ваются.

Однако на практике движущееся под действием реактивной силы тело может испытывать противодействие со стороны окружающей среды. Так при полете на реактивный самолет действует сила аэродинамического сопротивления. В этом случае для достижения некоторой скорости полета реактивная сила двигателя должна превышать силу аэродинамического полета. В дальнейшем для обеспечения равномерного полета необходимо, чтобы реактивная сила двигателя была равна силе аэродинамического сопротивления.

Полету ракеты при вертикальном старте препятствует не только сила аэродинамического сопротивления окружающей среды, но и сила тяжести, действующая на нее в поле притяжения Земли.

Принципиально реактивный двигатель может быть проще даже порш­невого двигателя. Чтобы лучше понять положительные и отрицательные стороны того или иного реактивного двигателя, будем последовательно приближаться к его рациональной конструкции на основе анализа его возможных конструктивных схем.

На рис. 15.45 показана условная схема простейшего реактивного двига­теля. Этот двигатель представляет собой тело переменного сечения. Если это тело перемещается в воздушном пространстве, то в него с некоторой скоростью будет поступать воздух. Входная часть тела представляет рас­ширяющийся канал (диффузор), в котором дозвуковой поток тормозится. Таким образом, при движении воздух в диффузоре будет тормозиться (снижается его скорость), а давление увеличиваться. За расширяющимся каналом расположен сужающийся канал (сопло). В этом канале сжа­тый в диффузоре воздух будет расширяться до прежнего давления, вы­брасываясь из сопла. Учитывая неразрывность газового потока, можно утверждать, что секундный расход воздуха на выходе из двигателя равен секундному расходу воздуха на входе в него. При выбросе воздуха из сопла создается реактивная сила тяги.

Описанный выше двигатель представляет собой некоторую идеализа­цию. Первоначально двигатель с помощью постороннего источника энергии необходимо разогнать до требуемой скорости. В дальнейшем за счет реак­тивной силы, создаваемой истекающим из сопла воздухом, двигатель дол­жен самостоятельно поддерживать эту скорость движения. Это возможно

Рис. 15.45. Схема простейшего воздушно-реактивного двигателя

С-ЬДавл

В расчетах в зависимость (15.212) вводят поправочный коэффициент учитывающий неполное выделение тепловой энергии в результате сгорания топлива в камере сгорания:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector