Avtoargon.ru

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

Прямоточный реактивный двигатель

Прямоточный реактивный двигатель. пврд.

Реактивный двигатель – устройство, создающее требуемую для перемещения силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию горючего в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Классы реактивных двигателей:

Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:

  • Воздушно-реактивные – тепловые двигатели, применяющие энергию окисления воздуха, приобретаемого из воздуха. В этих двигателях рабочее тело представлено смесью продуктов горения с остальными элементами отобранного воздуха.
  • Ракетные – двигатели, каковые на борту содержат все нужные компоненты и могут трудиться кроме того в безвоздушном пространстве.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства увеличение давления образуется методом торможения встречного воздушного потока.

Рабочий процесс ПВРД возможно коротко обрисовать следующим образом:

  • Во входное устройство двигателя поступает воздушное пространство со скоростью полета, кинетическая его энергия преобразуется во внутреннюю, давление и температура окружающей среды увеличиваются. На входе в камеру сгорания и на всей протяженности проточной части отмечается большое давление.
  • Нагревание сжатого воздуха в камере сгорания происходит методом окисления подаваемого воздуха, наряду с этим внутренняя энергия рабочего тела возрастает.
  • Потом поток сужается в сопле, рабочее тело достигает звуковой скорости, а снова при расширении – сверхзвуковой. Благодаря тому, что рабочее тело движется со скоростью, превышающей скорость встречного потока, в создается реактивная тяга.

pВ конструктивном замысле ПВРД есть предельно несложным устройством. В составе двигателя имеется камера сгорания, вовнутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздушное пространство – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое есть суживающейся-расширяющимся.

Развитие разработки смесевого жёсткого горючего повлекло за собой применение этого горючего в ПВРД. В камере сгорания находится топливная шашка с центральным продольным каналом. Проходя по каналу, рабочее тело неспешно окисляет поверхность горючего и нагревается само.

Использование жёсткого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная совокупность делается ненужной.

Смесевое горючее по собственному составу в ПВРД отличается от используемого в РДТТ. В случае если в ракетном двигателе солидную часть состава горючего занимает окислитель, то в ПВРД он употребляется в маленьких пропорциях для активирования процесса горения.

Наполнитель смесевого горючего ПВРД в основном складывается из мелкодисперсного порошка бериллия, магния либо алюминия. Их теплота окисления значительно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. Как пример твердотопливного ПВРД возможно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».

Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:

  • Чем больше показатель скорости полета, тем громадным будет расход воздуха, проходящего через тракт двигателя, соответственно, большее количество кислорода будет попадать в камеру сгорания, что увеличивает расход горючего, тепловую и механическую мощность мотора.
  • Чем больше расход воздуха через тракт двигателя, тем выше будет создаваемая мотором тяга. Но существует некоторый предел, расход воздуха через тракт мотора не имеет возможности возрастать неограниченно.
  • При возрастании скорости полета возрастает уровень давления в камере сгорания. Благодаря этого возрастает термический КПД двигателя.
  • Чем больше отличие между скоростью полета прохождения и скоростью аппарата реактивной струи, тем больше тяга двигателя.

Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета возможно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет возрастать вместе с ростом скорости полета. В то время, когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором отмечается оптимальная скорость полета.

В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:

  • дозвуковые;
  • сверхзвуковые;
  • гиперзвуковые.

Любая из групп имеет собственные отличительные изюминки конструкции.

Эта несколько двигателей предназначена для обеспечения полетов на скоростях, равных от 0,5 до 1,0 числа Маха. торможение и Сжатие воздуха в таких двигателях происходит в диффузоре – расширяющемся канале устройства на входе потока.

Эти двигатели имеют очень низкую эффективность. При полетах на скорости М= 0,5 уровень повышения давления в них равен 1,186, почему совершенный термический КПД для них – всего 4,76%, а вдруг еще и учитывать утраты в настоящем двигателе, эта величина будет приближаться к нулю. Это значит, что при полетах на скоростях M

Но кроме того на предельной скорости для дозвукового диапазона при М=1 уровень повышения давления равен 1,89, а совершенный термический коэффициент – всего 16, 7%. Эти показатели в 1,5 раза меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания, и в 2 раза меньше, нежели у газотурбинных двигателей. Газотурбинные и поршневые двигатели к тому же действенны для применения при работе в стационарном положении.

Исходя из этого прямоточные дозвуковые двигатели в сравнении с другими авиационными двигателями были неконкурентоспособными и на данный момент серийно не выпускаются.

Сверхзвуковые ПВРД вычислены на осуществление полетов в диапазоне скоростей 1 M 5.

Торможение газового сверхзвукового потока постоянно выполняется разрывно, наряду с этим образуется ударная волна, которая именуется скачком уплотнения. На дистанции ударной волны процесс сжатия газа не есть изоэнтропийным. Следовательно, наблюдаются утраты механической энергии, уровень повышения давления в нем меньший, нежели в изоэнтропийном ходе.

Чем замечательнее будет скачок уплотнения, тем больше изменится скорость потока на фронте, соответственно, больше утраты давления, время от времени достигающие 50%.

Чтобы минимизировать утраты давления, организуется сжатие не в одном, а нескольких скачках уплотнения с меньшей интенсивностью. По окончании каждого из таких скачков отмечается понижение скорости потока, которая остается сверхзвуковой. Это достигается, в случае если фронт скачков расположен под углом к направлению скорости потока.

Параметры потока в промежутках между скачками остаются постоянными.

В последнем скачке скорость достигает дозвукового показателя, сжатия воздуха и дальнейшие процессы торможения происходят непрерывно в канале диффузора.

В случае если входное устройство мотора находится в области невозмущенного потока (к примеру, впереди летательного аппарата на носовом окончании либо на достаточном отдалении от фюзеляжа на крыльевой консоли), оно выполняется асимметричным и комплектуется центральным телом – острым долгим «конусом», выходящим из обечайки. Центральное тело предназначено для во встречном воздушном потоке косых скачков уплотнения, каковые снабжают торможение и сжатие воздуха до момента его поступления в особый канал входного устройства. Представленные входные устройства стали называться устройств конического течения, воздушное пространство в них циркулирует, образуя коническую форму.

Центральное коническое тело возможно оснащено механическим приводом, что разрешает ему двигаться на протяжении оси двигателя и оптимизировать торможение потока воздуха на различных скоростях полета. Эти входные устройства именуются регулируемыми.

При фиксации двигателя под крылом либо снизу фюзеляжа, другими словами в области аэродинамического влияния элементов конструкции самолета, применяют входные устройства плоской формы двухмерного течения. Они не оснащаются центральным телом и имеют поперечное прямоугольное сечение.

Их еще именуют устройствами смешанного либо внутреннего сжатия, потому, что внешнее сжатие тут имеет место лишь при скачках уплотнения, образующихся у передней кромки крыла либо носового окончания летательного аппарата. Входные регулируемые устройства прямоугольного сечения способны поменять положение клиньев в канала.

В сверхзвуковом скоростном диапазоне ПВРД более действен, нежели в дозвуковом. К примеру, на скорости полета М=3 степень повышения давления образовывает 36,7, что приближается к показателю турбореактивных двигателей, а расчетный совершенный КПД достигает 64,3 %. На практике эти показатели меньшие, но на скоростях в диапазоне М=3-5 СПВРД по эффективности превосходят все существующие типы ВРД.

При температуре невозмущенного воздушного потока 273°K и скорости самолета М=5 температура рабочего заторможенного тела равна 1638°К, при скорости М=6 — 2238°К, а в настоящем полете с учетом действия силы и скачков уплотнения трения делается еще выше.

Предстоящее нагревание рабочего тела есть проблематичным из-за термической неустойчивости конструкционных материалов, входящих в состав двигателя. Исходя из этого предельной для СПВРД считается скорость, равная М=5.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

К категории гиперзвуковых ПВРД относится ПВРД, что трудится на скоростях более 5М. По состоянию на начало XXI века существование для того чтобы двигателя было лишь гипотетическим: не собрано ни единого примера, что бы прошел летные опробования и подтвердил актуальность и целесообразность его серийного выпуска.

На входе в устройство ГПВРД торможение воздуха выполняется лишь частично, и в течении остального такта перемещение рабочего тела есть сверхзвуковым. Большинство кинетической исходной энергии потока наряду с этим сохраняется, по окончании сжатия температура довольно низкая, что разрешает высвободить рабочему телу большое количество тепла. По окончании входного устройства проточная часть двигателя по всей собственной длине расширяется.

За счет сгорания горючего в сверхзвуковом потоке происходит нагрев рабочего тела, оно расширяется и ускоряется.

Данный тип двигателя рекомендован с целью проведения полетов в разреженной стратосфере. Теоретически таковой двигатель возможно применять на многоразовых носителях космических аппаратов.

Важной проблемой конструирования ГПВРД есть организация сгорания горючего в сверхзвуковом потоке.

В различных государствах начаты пара программ по созданию ГПВРД, все они находятся на стадии теоретических изысканий и предпроектных лабораторных изучений.

Где используются ПВРД

ПВРД не работает при нулевой скорости и низких скоростях полета. Летательный аппарат с таким двигателем требует установки на нем запасных приводов, в роли которых может выступать твердотопливный ракетный ускоритель либо самолет-носитель, с которого производится запуск аппарата с ПВРД.

Читать еще:  Датчик холостого хода на 409 двигатель уаз патриот

По причине неэффективности ПВРД на малых скоростях его фактически неуместно применять на пилотируемых самолетах. Такие двигатели предпочтительно применять для беспилотных, крылатых, боевых ракет одноразового применения благодаря надежности, дешевизне и простоте. ПВРД кроме этого используют в летающих мишенях.

Борьбу по чертям ПВРД образовывает лишь ракетный двигатель.

Во время холодной войны между США и СССР создавались проекты прямоточных воздушных реактивных двигателей с ядерным реактором.

В таких агрегатах в качестве источника энергии выступала не химическая реакция сжигания горючего, а тепло, которое производил ядерный реактор, установленный вместо камеры сгорания. В таком ПВРД воздушное пространство, поступающий через входное устройство, попадает в активную область реактора, охлаждает конструкцию и сам нагревается до 3000 К. Потом происходит его истекание из сопла двигателя со скоростью, приближенной к скорости идеальных ракетных двигателей.

Ядерные ПВРД предназначались для установки в межконтинентальных крылатых ракетах, несущих ядерный заряд. Конструкторы в обеих государствах создали малогабаритные ядерные реакторы, каковые поместились в габариты крылатой ракеты.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века в рамках программ изучения ядерных ПВРД Tory и Pluto совершили стационарные огневые опробования ядерного ПВРД Tory-IIC. Программа опробований была закрыта в июле 1964 г., летные опробования двигателя не проводили. Предположительной обстоятельством сворачивания программы имело возможность послужить совершенствование комплектации баллистических ракет ракетными химическими двигателями, каковые разрешали реализовать боевые задачи без привлечения ядерных ПВРД.

Термодинамика потока и воздушно-реактивный двигатель.

Увлекательные записи:
  • Крушение самолета в горах. самолет упал в горах. 1995 год.
  • Самолет сухого кр-860. фото. история. характеристики.
  • Туполев ту-114. фото и видео, история и характеристики ту-114.
Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны:

Реактивный двигатель самолета — двигатель, создающий нужную для перемещения силу тяги при помощи преобразования внутренней энергии горючего в…

Известны следующие главные типы реактивных двигателей: ракетные, пороховой, жидкостной ракетный; воздушно-реактивные двигатели, прямоточный…

Реактивный двигатель – силовой агрегат, что формирует требуемое для полета самолета тяговое упрочнение посредством изменения внутренней энергии горючего…

Этот материал был переведен глубокоуважаемым сотрудником NF и мало доработан мной. Перевод был выполнен в апреле 2016 года. Желаю выразить громадную…

Тяга – сила, выработанная двигателем. Она толкает самолет через воздушный поток. Единственное, что противостоит тяге – лобовое сопротивление. В…

Самолеты должны быть более действенными — это основополагающая задача, в то время, когда дело доходит до проектирования реактивных двигателей. Но, при…

Что такое рабочее тело реактивного двигателя

Реакт и вный дв и гатель, двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в Р. д. могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р. д. (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.

Для создания реактивной тяги, используемой Р. д., необходимы: источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из Р. д.; сам Р. д. — преобразователь энергии. Исходная энергия запасается на борту летательного или др. аппарата, оснащенного Р. д. (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в Р. д. может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере Р. д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных Р. д. в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскалённые газы — продукты сгорания химического топлива. При работе Р. д. 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 Р. д. 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 Р. д. окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса — воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). 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. Т. о., аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела черпает из окружающей среды. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащенного РД. Отсутствие движителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентов рабочего тела на борту аппарата делают РД единственно пригодным для работы в космосе. Существуют также комбинированные ракетные двигатели, представляющие собой как бы сочетание обоих основных типов.

Принцип реактивного движения известен очень давно. Родоначальником Р. д. можно считать шар Герона. Твёрдотопливные ракетные двигатели пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые. В 1903 К. Э. Циолковский в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе. Первые советские жидкостные ракетные двигатели — ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930—31 в Газодинамической лаборатории (ГДЛ). В 1926 Р. Годдард произвёл запуск ракеты на жидком топливе. Впервые электротермический РД был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929—33. В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова. Первая схема турбореактивного двигателя была предложена русским инженером Н. Герасимовым в 1909.

В 1939 на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Испытаниям созданного двигателя помешала Великая Отечественная война 1941—45. В 1941 впервые был установлен на самолёт и испытан турбореактивный двигатель конструкции Ф. Уиттла (Великобритания). Большое значение для создания Р. д. имели теоретические работы русских учёных С. С. Неждановского, И. В. Мещерского, Н. Е. Жуковского, труды французского учёного Р. Эно-Пельтри, немецкого учёного Г. Оберта. Важным вкладом в создание ВРД была работа советского учёного Б. С. Стечкина «Теория воздушно-реактивного двигателя», опубликованная в 1929.

Р. д. имеют различное назначение и область их применения постоянно расширяется. Наиболее широко Р. д. используются на летательных аппаратах различных типов. Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны для полётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью. Во время 2-й мировой войны 1939—45 этими двигателями были оснащены самолёты-снаряды ФАУ-1.

РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах. Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.

Основные характеристики Р. д.: реактивная тяга, удельный импульс — отношение тяги двигателя к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 сек, или идентичная характеристика — удельный расход топлива (количество топлива, расходуемого за 1 сек на 1 н развиваемой Р. д. тяги), удельная масса двигателя (масса Р. д. в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги). Для многих типов Р. д. важными характеристиками являются габариты и ресурс.

Тяга — сила, с которой Р. д. воздействует на аппарат, оснащенный этим Р. д., — определяется по формуле

где m — массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 сек; Wc — скорость рабочего тела в сечении сопла; Fc площадь выходного сечения сопла; pc давление газов в сечении сопла; pn давление окружающей среды (обычно атмосферное давление). Как видно из формулы, тяга Р. д. зависит от давления окружающей среды. Она больше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е. изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата, оснащенного Р. д., над уровнем моря, если речь идёт о полёте в атмосфере Земли. Удельный импульс Р. д. прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость же истечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела и уменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения). Тяга существующих Р. д. колеблется в очень широких пределах — от долей гс у электрических до сотен тс у жидкостных и твёрдотопливных ракетных двигателей. Р. д. малой тяги применяются главным образом в системах стабилизации и управления летательных аппаратов. В космосе, где силы тяготения ощущаются слабо и практически нет среды, сопротивление которой приходилось бы преодолевать, они могут использоваться и для разгона. РД с максимальной тягой необходимы для запуска ракет на большие дальность и высоту и особенно для вывода летательных аппаратов в космос, т. е. для разгона их до первой космической скорости. Такие двигатели потребляют очень большое количество топлива; они работают обычно очень короткое время, разгоняя ракеты до заданной скорости. Максимальная тяга ВРД достигает 28 тс (1974). Эти Р. д., использующие в качестве основного компонента рабочего тела окружающий воздух, значительно экономичнее. ВРД могут работать непрерывно в течение многих часов, что делает их удобными для использования в авиации. Историю и перспективы развития отдельных видов Р. д. и лит. см. в статьях об этих двигателях.

Читать еще:  405 двигатель инжектор работает с перебоями

Принцип работы реактивного двигателя. Описание и устройство

Реактивное движение – это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя. Принцип работы его основан именно на этой силе. Как же действует такой двигатель? Попробуем разобраться.

Исторические факты

Идею использования реактивной тяги, которая позволила бы преодолеть силу притяжения Земли, выдвинул в 1903 году феномен российской науки – Циолковский. Он опубликовал целое исследование на данную тему, но оно не было воспринято серьезно. Константин Эдуардович, пережив смену политического строя, потратил годы трудов, чтобы доказать всем свою правоту.

Сегодня очень много слухов о том, что первым в данном вопросе был революционер Кибальчич. Но завещание этого человека к моменту публикации трудов Циолковского было погребено вместе с Кибальчичем. Кроме того, это был не полноценный труд, а лишь эскизы и наброски – революционер не смог подвести надежную базу под теоретические выкладки в своих работах.

Как действует реактивная сила?

Чтобы понять принцип работы реактивного двигателя, нужно понимать, как действует эта сила.

Итак, представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Это наглядный пример действия реактивной силы. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

А теперь представим процесс зажигания горючей смеси: он проходит постепенно и непрерывно. Именно так выглядит принцип работы прямоточного реактивного двигателя. Подобным образом работает ракета с твердотопливным реактивным двигателем – это наиболее простая из его вариаций. С ней знакомы даже начинающие ракетомоделисты.

В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели, принцип работы которых был уже более совершенен, требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах, запускающих ракеты, выводящие шаттлы на орбиту, сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Принцип действия РД

Теперь стоит разобраться с принципом работы реактивного двигателя. Для этого можно рассмотреть классику – жидкостные двигатели, которые практически не изменились со времен Циолковского. В этих агрегатах применяется топливо и окислитель.

В качестве последнего используется жидкий кислород либо же азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. Современные жидкостные двигатели криогенного типа потребляют жидкий водород. Он при окислении кислородом увеличивает удельный импульс (на целых 30 процентов). Идея о том, что можно использовать водород, также родилась в голове Циолковского. Однако на тот момент по причине чрезвычайной взрывоопасности пришлось искать другое горючее.

Принцип работы состоит в следующем. Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления. Окислитель подается в камеру сгорания. Топливная смесь по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее, подогретое стенками, попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя, которая формируется при помощи сопла, вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.

Кратко принцип работы реактивного двигателя можно сравнить с паяльной лампой. Однако последняя устроена значительно проще. В схеме ее работы нет различных вспомогательных систем двигателя. А это компрессоры, нужные для создания давления впрыска, турбины, клапана, а также прочие элементы, без которых реактивный двигатель просто невозможен.

Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего (расход топлива составляет примерно 1000 грамм на 200 килограммов груза), их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций, а также других аппаратов космического назначения.

Устройство

Устроен типичный реактивный двигатель следующим образом. Основные его узлы — это:

— камера для сгорания;

Рассмотрим данные элементы более подробно. Компрессор представляет собой несколько турбин. Их задача – всасывать и сжимать воздух по мере того, как он проходит через лопасти. В процессе сжатия повышается температура и давление воздуха. Часть такого сжатого воздуха подается в камеру сгорания. В ней воздух смешивается с топливом и происходит воспламенение. Этот процесс еще больше увеличивает тепловую энергию.

Смесь выходит из камеры сгорания на высокой скорости, а затем расширяется. Далее она следует еще через одну турбину, лопасти которой вращаются за счет воздействия газов. Эта турбина, соединяясь с компрессором, находящимся в передней части агрегата, и приводит его в движение. Воздух, нагретый до высоких температур, выходит через выпускную систему. Температура, уже достаточно высокая, продолжает расти за счет эффекта дросселирования. Затем воздух выходит окончательно.

Мотор самолета

В самолетах также используются эти двигатели. Так, например, в огромных пассажирских лайнерах устанавливают турбореактивные агрегаты. Они отличаются от обычных наличием двух баков. В одном находится горючее, а в другом – окислитель. В то время как турбореактивный мотор несет только топливо, а в качестве окислителя используется воздух, нагнетаемый из атмосферы.

Турбореактивный мотор

Принцип работы реактивного двигателя самолета основан на той же реактивной силе и тех же законах физики. Самая важная часть – это лопасти турбины. От размеров лопасти зависит итоговая мощность.

Именно благодаря турбинам вырабатывается тяга, которая нужная для ускорения самолетов. Каждая из лопастей в десять раз мощнее обыкновенного автомобильного ДВС. Турбины установлены после камеры сгорания там, где наиболее высокое давление. А температура здесь может достигать полутора тысяч градусов.

Двухконтурный РД

Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными. Например, значительно меньший расход топлива при той же мощности.

Но сам двигатель имеет более сложную конструкцию и больший вес.

Да и принцип работы двухконтурного реактивного двигателя немного другой. Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй – к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления. В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем посредством компрессора высокого давления подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины, подающие, в свою очередь, вращательное движение на компрессор высокого давления. Затем газы проходят через турбину низкого давления. Последняя приводит в действие вентилятор и, наконец, газы попадают наружу, создавая тягу.

Синхронные РД

Это электрические моторы. Принцип работы синхронного реактивного двигателя аналогичен работе шагового агрегата. Переменный ток подается на статор и создает магнитное поле вокруг ротора. Последний вращается за счет того, что пытается минимизировать магнитное сопротивление. Эти моторы не имеют отношения к освоению космоса и запуску шаттлов.

Основы термодинамического расчёта реактивных и ракетных двигателей

В современной авиации большое распространение получили реактивные двигатели вследствие их большой удельной мощности, возможности преодоления звукового барьера и независимости их работы (в случае ракетных двигателей) от окружающей среды.

Реактивные двигатели предназначены для получения тяги, т.е. реактивной силы, поэтому они применяются только на транспортных установках, в основном в авиации и в космонавтике.

Существует много типов реактивных двигателей, отличающихся как по принципу работы, так и по устройству, а именно:

– прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);

– компрессорные воздушно-реактивные двигатели (турбореактивные двигатели);

– ракетные двигатели (РД твёрдотопливные или жидкостные).

Все перечисленные реактивные двигатели работают по циклу, совпадающему с циклом ГТУ p=const с несущественными отличиями, связанными в основном с их конструктивными особенностями и с применяемым топливом.

Читать еще:  Греется двигатель печка дует холодным воздухом лада калина

Сила тяги реактивного двигателя создаётся за счёт реакции вытекающего с большой скоростью потока газов из сопла, причём, чем больше скорость истечения (относительно двигателя), тем больше реактивная тяга:

где G – массовый расход газа (продуктов сгорания).

Рассмотрим схему прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), предназначенного для сверхзвуковых полётов (рис. II.18).

То, что двигатель предназначен для сверхзвуковых полётов, явствует из конфигурации диффузора: при сверхзвуковом потоке в начальной сужающейся части и далее в расширяющейся части происходит торможение потока и повышение давления. На этом же рисунке приведены качественные зависимости скорости и давления рабочего тела (атмосферного воздуха или продуктов сгорания) по ходу его течения.

Термический КПД двигателя определяется известной формулой

где – степень повышения давления в диффузоре.

При скоростях 600…800 км/час КПД прямоточного двигателя не превышает 2…4 %, зато при больших (сверхзвуковых) скоростях его экономичность значительно повышается. Главным преимуществом ПВРД является отсутствие движущихся деталей, что делает его чрезвычайно простым в изготовлении и надёжным. Одним из существенных недостатков ПВРД является то, что он может работать, только имея уже начальную скорость, т.е. для его запуска нужен дополнительный двигатель. По этой причине ПВРД используются в основном на крылатых ракетах типа «воздух–земля» или «воздух–воздух».

От этого недостатка избавлен турбореактивный двигатель, в котором поступающий воздух сжимается не только за счёт скоростного напора, но и при помощи осевого компрессора, приводимого в движение турбиной, установленной на одной с ним оси (рис. II.19). Диаграмма T – s цикла турбореактивного двигателя (без учёта потерь) приведена на рис. II.20. Сжатие в этом двигателе происходит в два этапа: сначала воздух сжимается в диффузоре в процессе 1–2′ и затем в компрессоре в процессе 2’–2. Аналогичным образом после камеры сгорания продукты сгорания сначала расширяются в сопловых аппаратах турбины, а затем они расширяются в выходном сопле двигателя (соответственно процессы 3–4′ и 4’–4).

Ввиду наличия компрессора термический КПД турбореактивного двигателя выше, чем у ПВРД; наиболее экономичен такой двигатель при скоростях полёта 1000…1500 км/час. Другим преимуществом турбореактивного двигателя является возможность его запуска без предварительного разгона. Турбореактивные двигатели нашли широкое применение в военной и гражданской авиации. Ракетный двигатель отличается от воздушно-реактивного двигателя тем, что для его работы не требуется атмосферный воздух как в качестве окислителя, так и в качестве рабочего тела. В самой ракете имеются запасы топлива (твёрдого или жидкого) и окислителя. По этой причине летательный аппарат с ракетным двигателем может летать и за пределами атмосферы. Реактивную тягу создают вытекающие с большой скоростью из ракетного сопла продукты сгорания. Термодинамический расчёт ракетного двигателя практически совпадает с расчётом обычного

Р13Циклы паросиловых установок6 часов
Р13.Т1Цикл Карно. Цикл Ренкина1.0 час

Современная крупномасштабная электроэнергетика, теплоснабжение жилых и производственных помещений, крупный морской надводный и подводный транспорт в большинстве своём используют в двигателях в качестве рабочего тела и теплоносителя воду, что объясняется широкой её распространённостью, сравнительной дешевизной, нетоксичностью и малой химической агрессивностью по отношению к конструкционным материалам.

Ввиду того, что используемая в качестве рабочего тела вода в тепловых двигателях может испытывать фазовые переходы «кипение–конденсация», в области влажного пара оказывается достаточно просто технически осуществить цикл Карно, обеспечив процессы изобарно–изотермического подвода и отвода тепла и адиабатические процессы сжатия и расширения. Принципиальная схема такой установки, изображённая на рис. III.1, ничем не отличается от схемы ГТУ за исключением того, что подвод теплоты к воде может быть осуществлён только извне в устройстве, называемом парогенератором (котельной установкой, котлом, ядерным реактором, испарителем и т.д.).

Оставляя на дальнейшее подробный расчёт циклов паросиловых установок, произведём расчёт термического КПД цикла Карно, изображённого на рис. III.1, с водяным паром в качестве рабочего тела. Теплота в этом цикле, как легко видеть, подводится в процессе 4–1 испарения воды (кипения) в барабане парового котла (парогенератора), а отводится в процессе 2–3 в конденсаторе. Поскольку эти процессы являются изобарными (и в то же время изотермическими), то удельные количества подведённой и отведённой теплоты в цикле будут равны соответственно

Тогда термический КПД цикла будет

Несмотря на то, что термический КПД цикла Карно максимален по отношению к термическому КПД любого другого цикла, работающего в том же интервале температур, двигатель, работающий по циклу Карно на влажном водяном паре, обладает двумя существенными недостатками, сводящими практически на нет главное достоинство цикла Карно. Во-первых, цикл Карно легко осуществим лишь в области влажного пара, т.е. температура подвода тепла не может превышать критическую температуру, значение которой для воды составляет 374 о С (647 К), температура же отвода тепла охлаждающей воде в конденсаторе составляет примерно 300 К. Таким образом, термический КПД цикла Карно будет порядка 50%, что на первый взгляд может показаться достаточно высоким. Следует, однако, иметь в виду, что термический КПД характеризует только термодинамическую эффективность цикла тепловой машины. Эффективность же всей установки окажется существенно ниже ввиду наличия неизбежных необратимых потерь практически во всех её узлах и будет лежать в пределах 10…15%, что для современной энергетики недопустимо.

Второй существенный недостаток паросиловой установки, работающей по циклу Карно, связан с необходимостью использования компрессора, сжимающего сильно влажный водяной пар до состояния кипящей воды (процесс 3–4 на рис. III.1). Эти весьма напряжённые условия работы компрессора будут приводить к быстрому его выходу из строя.

Второго недостатка лишена паросиловая установка, работающая по так называемому циклу Ренкина (W. J. M. Rankin, Шотландия, 1820–1872), в котором влажный водяной пар конденсируется до состояния кипящей воды и затем этот конденсат насосом подаётся в паровой котёл (см. рис. III.2).

Вода при этом становится недогретой до температуры насыщения при давлении в парогенераторе, поэтому установка, работающая по циклу Ренкина, нуждается в дополнительном агрегате – экономайзере, где питательная вода изобарно подогревается до температуры кипения (процесс 4–(′)) и лишь затем попадает в барабан котла, где она испаряется, и далее пар направляется в турбину. Расчёт термического КПД идеального (без потерь) цикла Ренкина весьма прост и определяется той же формулой , где, однако, нельзя уже использовать справедливое только для цикла Карно отношение абсолютных температур отвода и подвода тепла, т.е. для цикла Ренкина имеем

Следует отметить, что простота формулы кажущаяся. Дело в том, что при расчёте цикла Ренкина обычно заданы параметры острого пара и давление в конденсаторе. При этом известно также: . Численные же значения энтальпий и энтропий аналитически в инженерных расчётах найдены быть не могут, так как термическое и калорические уравнения состояния для воды и водяного пара в областях, близких к двухфазным состояниям, сложны и чрезвычайно громоздки и требуют для расчёта использования мощной вычислительной техники. В практических расчётах используются либо графическое, либо табличное представление уравнений состояния для воды (и других рабочих тел), полученные либо на основе экспериментальных исследований, либо с привлечением методов квантовой статистики. В частности, для расчёта процессов воды и водяного пара весьма широко используется диаграмма «энтальпия – энтропия», предложенная в 1904 г. немецким инженером Р. Молье. Подробное описание этой диаграммы можно найти в многочисленной литературе, посвящённой изучению циклов паросиловых установок.

Результаты численных расчётов некоторых величин, характеризующих цикл Карно и цикл Ренкина (без учёта потерь) на влажном водяном паре, полученных при помощи подробных таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара, представлены графически в масштабе на рис. III.3…III.6. Результаты расчёта в численном представлении приведены в табл. III.1.

По поводу представленных графически расчётов можно сделать следующие замечания и выводы.

1. При термодинамическом расчёте цикла Ренкина с большой степенью точности можно пренебречь процессом сжатия питательной воды в насосе, поэтому всюду в дальнейшем точки 3 и 4 в цикле Ренкина на диаграмме T–s будем считать совпадающими. Следует иметь в виду, что эти точки практически совпадают только в диаграммах T–s и h–s, в диаграмме же p–v эти точки значительно отстоят друг от друга по оси давлений, так как давления в этих состояниях отличаются в тысячи раз (p3

2. Удельная работа цикла Карно существенно меньше удельной работы цикла Ренкина, что связано с большими затратами вырабатываемой турбиной мощности на сжатие влажного пара в компрессоре машины Карно.

3. Удельная работа циклов Карно и Ренкина достигает максимума при некоторых средних давлениях острого пара. Это объясняется уменьшением удельной теплоты парообразования с увеличением давления.

4. Среднеинтегральная температура подвода тепла в цикле Ренкина на влажном паре T1m достигает максимума при давлениях острого пара вблизи 150 бар, что также объясняется уменьшением удельной теплоты парообразования с увеличением давления.

5. Степень сухости пара низкого давления на последних ступенях турбины (x2) при давлениях острого пара выше 50 бар довольно низка (меньше 70%), что существенно снижает срок службы рабочих лопаток паровой турбины.

Дата добавления: 2015-12-22 ; просмотров: 2167 ;

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector