Достоинства и недостатки реактивного двигателя: ИЗОБРЕТАТЕЛЬ — сайт журнала » Преимущества и недостатки реактивного двигателя

Содержание

ИЗОБРЕТАТЕЛЬ — сайт журнала » Преимущества и недостатки реактивного двигателя

Одним из существенных преимуществ ракеты является то, что в отличие от всех других транспортных средств она может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания топлива, содержащиеся в ней самой. В то время как обычные самолеты и даже самолеты с воздушно-реактивными двигателями могут летать только в пределах земной атмосферы, реактивный двигатель баллистической ракеты может работать и в без воздушном пространстве. Другое преимущество — возможность маневрирования корабля в космическом пространстве и торможения его, благодаря изменению направления выброса струи газа.
О недостатках. Если даже предположить мгновенное выброс газов из сопла ракеты и вычислять ее установившуюся скорость , то для достижения скорости ракеты, например, в 4 раза большей от скорости газа, который вырывается, топливная масса должна быть в 4 раза больше от массы оболочки, есть оболочка должна составлять пятую часть всей массы ракеты.

Не следует при этом забывать, что «полезной» части ракеты является именно ее оболочка.
Расчет скорости ракеты показывает, что для того, чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше от скорости газа, масса топлива на старте должно быть не в 4, а в несколько десятков раз больше массы оболочки. Если при этом дополнительно учесть, что во время запуска с Земли на ракету действуют и сила сопротивления воздуха, через которое она должна лететь, и сила тяжести, то можно сделать вывод, что отношение должно быть еще больше.
Другим недостатком реактивных двигателей является относительно малая скорость выброса газов из сопла ракеты, и, таким образом, относительно малая скорость оболочки. Ракеты, созданные сегодня на компьютерах c установленной windows, не позволяют достичь скорости даже 50 км / с. И если бы могли, то с такой скоростью поездки до ближайших звезд продолжались бы миллионы лет. Все это делает даже намек на использование ракет с реактивными двигателями для межзвездных перелетов, а тем более пилотируемых перелетов, бессмысленным занятием.
Для таких перелетов требуется принципиально иной тип двигателя, изобретение которого — дело далекого будущего. То есть, реактивные двигатели, такие, какие они есть на текущий момент, можно использовать для перелетов в пределах одной планеты и в пределах одной планетной системы. Когда будет найден двигатель для межзвездных перелетов, на космических кораблях будущего (а особенно на разведывательных лодочках) будут установлены реактивные двигатели — для перелетов на близкие расстояния и маневрирования.

Плюсы и минусы реактивного двигателя

1939 год, Германия — впервые в небо поднялся самолёт, работающий на реактивном двигателе. Он превосходил по скорости полета истребители того времени. Но потреблял больше топлива и требовал длинной взлетно-посадочной полосы. Несмотря на недостатки, это был прорыв в авиации.

Сейчас этот усовершенствованный движитель применяется для запуска ракет, космических аппаратов, гражданских и военных самолётов.

Рассмотрим его плюсы и минусы более подробно.

Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

  1. Топливо.
  2. Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
  3. Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Бывает двух типов:

  1. Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
  2. Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

  • Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
  • Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
  • Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
  • КПД достигает 47-60%
    . Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
  • Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
  • Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства.
    Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Недостатки реактивного двигателя

  • Создает сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создается шум до 120 децибел. Для человеческого уха это значение близко к болевому порогу. Если стоять на расстоянии 100 метров от места взлета космического корабля, можно получить контузию. Ведь уровень шума достигает 150 децибел. Ученым пока не удается подавить шум от реактивного движителя или решить эту проблему иным способом.
  • Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.
  • Ограниченный ресурс для космических полетов. Все виды топлива, которые применяют для ракет, выделяют ограниченное количество энергии. Этого недостаточно для совершения полетов в пределах Галактики и даже между планетами Солнечной системы. Перспективным направлением считается использование ядерной энергии.
  • Большой вес и размер летательных аппаратов
    . Перед учеными, изучающими космос, стоят колоссальные задачи. Одна из главных – создание летательного аппарата для межпланетных и межзвездных перелетов. Они научились выводить на земную орбиту ракеты, спутники, достигли Луны. Для дальних полетов использовать реактивный двигатель невыгодно и нецелесообразно. Ученые подчитали, что для полета ракеты на Марс, ее стартовый вес должен составлять – 30 000 тонн, а на Юпитер – 250 000 тонн. Соответственно, увеличатся и размеры летательных аппаратов.
  • Топливо расходуется быстро. Для длительного полета необходим большой объем энергоносителя. Емкости с горючим составляют значительную часть от массы самолёта или космического корабля.

Подведем итоги

Реактивный двигатель — это мощный механизм, без которого не может обойтись современные самолётостроение и ракетостроение. Он заставил летать самолёты в 1,5 раза быстрее и выше, чем поршневой мотор. Его сила тяги не зависит от наличия окружающей среды, точки опоры или иного тела.

Конструкция позволяет управлять ракетами в безвоздушном пространстве. Это делает его крайне необходимым для исследования космоса.

Чем выше его скорость летательного аппарата, тем большую полезную работу совершает двигатель. При меньшей скорости – полезная работа меньше.

Реактивный двигатель внедряют в автомобилестроении, строительстве поездов, для гоночных болидов, снегоуборочных машин, ледоколов. Компания «Rolls Royce» создала мотоцикл с газореактивным мотором.

Похожие записи

Преимущества и недостатки традиционного топлива для реактивных двигателей

Преимущества традиционного топлива для реактивных двигателей

У винтовых, турбовинтовых и реактивных двигателей в авиации есть лишь одно неоспоримое преимущество: сейчас им нет никаких альтернатив. Инженеры изучают возможность применения различных альтернативных источников энергии, даже водородной и атомной энергии, для создания новых типов двигателей самолетов, но на сегодняшний день ни1 одна из исследуемых технологий не готова к тому, чтобы стать серийной.

Недостатки традиционного топлива для реактивных двигателей

  • При сгорании авиационного топлива (даже при полном!) образуется С02.
  • Авиационное топливо может быть пожароопасным при неправильном хранении.
  • Бывали случаи, когда горючее авиационное топливо попадало в кабину самолета или протекало из топливных баков или трубок для подачи топлива и из-за этого возникали пожары или взрывы.
  • Выбросы соединений серы, содержащихся в некоторых видах авиационного топлива, могут вызывать «кислотные дожди».
  • Обычные авиационные двигатели шумят. В последние годы разработаны малошумящие реактивные двигатели, но если аэропорт расположен в черте города, шум все-таки будет создавать проблемы.
  • Самолет с реактивным двигателем может оставлять за собой инверсионный (конденсационный) след, который способен повлиять на естественную динамику верхних слоев атмосферы.
  • Некоторые химические компоненты авиационного топлива увеличивают риск возникновения онкологических заболеваний у человека и животных, если непосредственно воздействуют на них в течение определенного периода времени.
  • Авиационное топливо получается путем переработки сырой нефти и, естественно, попадает в зависимость от всех рыночных проблем, которые связаны с этим источником энергии.
  • Запасы нефти и, соответственно, поставки обычного авиационного топлива рано или поздно закончатся. Вопрос только в том, когда это произойдет.

Вопрос

Предположим, что наступил день, когда широкодоступный водород заменил природный газ для отопления домов, а также бензин или дизельное топливо для автомобилей, грузовиков, судов и тепловозов. Будет ли он пригоден и в качестве авиационного топлива?

Ответ

Да, но только если будет найден экономически эффективный и безопасный способ получения, транспортировки и хранения используемого водородного топлива в нужных количествах.

пять фактов о новом российском двигателе

На прошлой неделе на иркутский авиазавод были доставлены первые турбореактивные двигатели ПД-14 производства ОДК. Они будут впервые установлены на новейший российский лайнер МС-21. Ожидается, что самолет с двигателями ПД-14 поднимется в небо уже в этом году.

Испытания МС-21 с двигателями ПД-14 – знаковое событие для отечественного авиастроения. В чем же их уникальность и почему ПД-14 считают одним из самых прорывных проектов в гражданской авиации за последние десятилетия?

1/ Первый постсоветский авиадвигатель

ПД-14 – первый турбовентиляторный двигатель, созданный в современной России. Последней аналогичной разработкой был авиадвигатель четвертого поколения ПС-90А, выпущенный в СССР в конце 1980-х.

Идея создания двигателя нового поколения появилась в начале 2000-х годов. Российской двигателестроительной отрасли требовался проект, который стимулировал бы ее развитие и помог устранить накопившееся технологическое отставание от стран-лидеров.


Конечно, подобный глобальный проект не мог быть реализован одним конструкторским бюро или заводом. Изначально закладывалось участие практически всех отечественных двигателестроительных предприятий и профильных НИИ. В 2006 году было подписано соглашение о создании двигателя, который получил название ПД-14 (перспективный двигатель тягой 14 т). Головным разработчиком стало пермское конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель», а головным изготовителем «ОДК-Пермские моторы».

Первые наземные испытания ПД-14 прошли в 2012 году, первые летные – в 2015-м. В 2018 году Росавиация выдала двигателю сертификат типа, подтверждающий готовность изделия к серийному производству и эксплуатации.
 

2/ Новый двигатель для нового самолета

Первым самолетом, который ПД-14 поднимет в воздух, станет перспективный российский лайнер МС-21. Он относится к самому массовому сегменту пассажирских самолетов − ближне- и среднемагистральным узкофюзеляжным авиалайнерам. Как и новый двигатель, МС-21 является первым самолетом подобного типа, полностью разработанным и выпущенным в современной России.

МС-21 («Магистральный самолет XXI века») – самолет нового поколения, который объединяет в себе передовую аэродинамику, современную силовую установку и продвинутые системы управления, а также новые решения для комфорта пассажиров. МС-21 создавался для замены устаревшего Ту-154.


Работы над самолетом велись параллельно с разработкой двигателя. Недавно первые ПД-14 были переданы компании «Иркут» для установки на МС-21-300. На данный момент собрано четыре опытные машины. Пятый самолет, предназначенный для полетов с ПД-14, находится в сборке. Летные испытания двигателя в составе МС-21-300 должны пройти в 2020 году.

Вместе с такими перспективными моделями отечественного и совместного производства, как Ил-114, SSJ100 и CR929, самолет МС-21 обеспечит полноценное присутствие нашего авиапрома на мировом рынке гражданских лайнеров. По прогнозам экспертов, МС-21 может занять от 5 до 10% мирового рынка в своем сегменте.
 

3/ Один из немногих в мире

В мире существует всего четыре государства, способные по полному циклу создавать современные турбовентиляторные двигатели: Россия, США, Великобритания и Франция. И каждое из них строго охраняет результаты исследований и свои ноу-хау в двигателестроении. Например, Франция производит горячие части двигателей SaM‑146 только на своей территории.


Одним из показателей уровня двигателестроения в стране является собственное производство лопаток турбин для авиадвигателей. В нашей стране такое производство есть. А в декабре 2019 года на базе рыбинского предприятия «ОДК-Сатурн» открылся крупнейший в России центр по изготовлению лопаток турбин с годовой мощностью в 2 тыс. комплектов. 

Проект ПД-14, помимо создания самого двигателя, включает в себя важнейший элемент – обеспечение послепродажного обслуживания. Планируется большой объем работы по этому направлению: создание центра поддержки с круглосуточной работой 365 дней в году, открытие сети полевых представительств, станций обслуживания двигателей, обеспечение замены модулей в эксплуатации. Ожидается, что это все в совокупности должно увеличить зарубежные перспективы нового российского двигателя.
 

4/ Новые технологии и материалы

Разработка современного турбореактивного двигателя – более длительный процесс, чем разработка самого самолета. ПД-14 разрабатывался на основе проверенных временем конструкторских решений с применением современных технологий. При этом ставилось условие использовать только отечественные материалы. Конструкторами было разработано и внедрено 16 ключевых технологий, например, лопатки турбины из легчайшего интерметаллида титана или продвинутая система охлаждения, позволяющая турбине работать при температуре до 2000 °К.


При создании двигателя применяются новые российские сплавы титана и никеля. Конструкция мотогондолы на 65% состоит из отечественных полимерных композитов, благодаря чему достигается необходимый уровень шумоизоляции и снижается масса двигателя. Всего в двигателе задействовано около 20 новых российских материалов, при этом все они прошли сертификацию по международным нормам.  

Внедренные инновации позволили снизить расход топлива, сделав ПД-14 более экологичным и экономичным. Предполагается, что эксплуатационные расходы ПД-14 будут ниже на 14-17%, чем у существующих аналогичных двигателей, а стоимость жизненного цикла ниже на 15-20%.   
 

5/ Не один двигатель, а целое семейство

Перед конструкторами стояла задача разработать унифицированный газогенератор, ключевой элемент двигателя, на базе которого можно было бы производить установки различных мощностей для использования в авиации и на земле.


ПД-14 – это первый двигатель в будущем семействе, разработанный для авиалайнера МС-21-300. Среди его ближайших «родственников», планируемых к выпуску − модификации ПД-14А для самолета МС-21-200 и ПД-14М для самолета МС-21-400. Двигатель ПД-8 сможет устанавливаться на самолеты Ан-148, Sukhoi Superjet 100, Sukhoi Superjet 75, Ту-334, Бе-200. Для Ил-96 и Ту-204 можно будет использовать ПД-18 тягой 18-20 тонн.

Сфера применения двигателей семейства ПД не ограничится летательными аппаратами. Турбореактивные двигатели на базе единого газогенератора можно будет использовать в промышленных целях в составе электрогенераторных и газоперекачивающих установок. 

Синхронный электродвигатель принцип работы, недостатки и достоинства реактивного двигателя

Преимущества и недостатки реактивного двигателя

Одним из существенных преимуществ ракеты является то, что в отличие от всех других транспортных средств она может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания топлива, содержащиеся в ней самой. В то время как обычные самолеты и даже самолеты с воздушно-реактивными двигателями могут летать только в пределах земной атмосферы, реактивный двигатель баллистической ракеты может работать и в без воздушном пространстве. Другое преимущество — возможность маневрирования корабля в космическом пространстве и торможения его, благодаря изменению направления выброса струи газа.
О недостатках. Если даже предположить мгновенное выброс газов из сопла ракеты и вычислять ее установившуюся скорость , то для достижения скорости ракеты, например, в 4 раза большей от скорости газа, который вырывается, топливная масса должна быть в 4 раза больше от массы оболочки, есть оболочка должна составлять пятую часть всей массы ракеты. Не следует при этом забывать, что «полезной» части ракеты является именно ее оболочка.
Расчет скорости ракеты показывает, что для того, чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше от скорости газа, масса топлива на старте должно быть не в 4, а в несколько десятков раз больше массы оболочки. Если при этом дополнительно учесть, что во время запуска с Земли на ракету действуют и сила сопротивления воздуха, через которое она должна лететь, и сила тяжести, то можно сделать вывод, что отношение должно быть еще больше.
Другим недостатком реактивных двигателей является относительно малая скорость выброса газов из сопла ракеты, и, таким образом, относительно малая скорость оболочки. Ракеты, созданные сегодня на компьютерах c установленной windows, не позволяют достичь скорости даже 50 км / с. И если бы могли, то с такой скоростью поездки до ближайших звезд продолжались бы миллионы лет. Все это делает даже намек на использование ракет с реактивными двигателями для межзвездных перелетов, а тем более пилотируемых перелетов, бессмысленным занятием. Для таких перелетов требуется принципиально иной тип двигателя, изобретение которого — дело далекого будущего. То есть, реактивные двигатели, такие, какие они есть на текущий момент, можно использовать для перелетов в пределах одной планеты и в пределах одной планетной системы. Когда будет найден двигатель для межзвездных перелетов, на космических кораблях будущего (а особенно на разведывательных лодочках) будут установлены реактивные двигатели — для перелетов на близкие расстояния и маневрирования.

Гидравлическая система синхронного хода нескольких гидроцилиндров

Одним из распространенных способов синхронизации хода гидравлических цилиндров является так называемый «гидравлический боуденовский трос». Правда, применение боуденовского троса в гидравлических системах связано с определенными затратами.

Два гидроцилиндра одинаковых размеров со сплошными поршневыми штоками последовательно подключаются друг к другу. Благодаря этому второй цилиндр повторяет движение первого цилиндра, на который подается давление насоса. Поскольку обе последовательно включенные полости цилиндров столб жидкости только перемещают, ход цилиндров вследствие внутренних, а возможно и внешних утечек, без подпитки может измениться.

Во избежание нежелательных последствий такого изменения хода поршней полость «боуденовского троса» с помощью расположенного справа 4/3-распределителя 2 через каждый ход соединяется кратковременно с магистралью подачи насоса или бака.

Неравномерный ход поршня имеет следующие причины:

а) левый цилиндр первым возвращается в верхнее конечное положение и включает концевой выключатель 3.

Причина: недостаток жидкости между цилиндрами.

Способ устранения: с помощью левого концевика 3 включить магнит а гидравлического распределителя 2. Рабочая жидкость будет поступать в магистраль управления до тех пор, пока правый цилиндр также не включит концевой выключатель. Магнит а снова отключается.

б) Правый цилиндр первым возвращается в верхнее конечное положение и включает концевой выключатель 4.

Причина: избыток жидкости между цилиндрами.

Способ устранения: с помощью правого концевика 4 включить магнит b распределителя 2.

Этим открывается гидравлически деблокируемый обратный клапан 5 и жидкость стекает до тех пор, пока левый цилиндр также не займет конечное положение.

С помощью левого концевого выключателя 3 магнит b отключается. В этом случае синхронность хода поршня зависит не только от количества жидкости между цилиндрами, но и от точности исполнения обоих цилиндров.

Общеизвестен тот факт, что в технике невозможно изготовить две абсолютно одинаковые детали.

Поскольку подпиточный распределитель 2, как правило, имеет золотниковую конструкцию, возникает определенная утечка.

Поэтому необходимым условием надежной работы всей системы является установка седельного обратного клапана 5.

Регулирование синхронного ходе по принципу дозирования

На принципиальной схеме изображена система регулирования синхронного хода одного из валиков трехвалкового гибочного пресса. На схеме изображены два нижних валка, регулируемых в горизонтальном направлении. Верхний валик регулируется вертикально.

Регулирование синхронного хода осуществляется в обоих направлениях и обеспечивается за счет соединения клапана синхронного хода с подающим трубопроводом перед гидравлическими распределителями 8 и 9. а также путем соединения точек подключения А распределителей со сторонами поршневых штоков соответствующих цилиндров и точек подключения В со сторонами поршней других цилиндров. Обратные дроссельные клапаны 6 и 7 служат для декомпрессии рабочей жидкости при переключении из прессования на обратный ход.

Синхронный ход цилиндров в этой системе обеспечивается за счет того, что рабочая жидкость из опережающего цилиндра поступает во второй цилиндр определенными дозами.

Подача рабочей жидкости в цилиндры 12 и 13 осуществляется отдельно насосами 1 и 2. Таким образом, с самого начала обеспечивается некоторая предварительная дозировка.

Кроме того, в этом случае цилиндры не мешают друг другу.

Дозировка рабочей жидкости происходит через регулирующий клапан 14.

Регулирующий клапан компенсирует разность рабочей жидкости, которая может возникнуть:

  • из-за неодинаковой подачи насосов,
  • в результате сжатия рабочей жидкости,
  • вследствие неодинаковой утечки в приборах,
  • в результате люфтов подшипников машины.

Направление движения цилиндров определяется распределителями 8 и 9. Напорные клапаны 10 и 11 при выдвижении цилиндров выполняют функции клапанов противодавления.

Качество работы клапана синхронного хода в основном зависит от работы системы обнаружения ошибок.

Регулирующий клапан, как изображено на принципиальной схеме, включается с помощью балансира 15.

Устройство синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

  • В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
  • Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Авиационные газотурбинные двигатели / Хабр

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

  • турбореактивные двигатели (ТРД)
  • двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
  • Турбовинтовые двигатели (ТВД)
  • Турбовальные двигатели (ТВаД)

Притом, ТРД и ТРДД могут содержать в себе форсажную камеру, в таком случае они будут ТРДФ и ТРДДФ соответственно. В этой статье мы их рассматривать не будем.

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели


Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me. 262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.


Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

  • Входное устройство
  • Компрессор
  • Камеру сгорания
  • Турбину
  • Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.


Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу


Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.


Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель


ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.


Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу. Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.


ТРДД самолета Boeing 757-200. На переднем плане видно входное устройство и вентилятор

На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Тогда двигатель получается трехвальным. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)


Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели


Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.

Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.


Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.


Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.
Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.

Турбовальный двигатель


Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.


Схематичная конструкция турбовального двигателя


Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал

Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Спасибо за внимание.

Реактивные двигатели

: введение, история, эффективность, преимущества, недостатки и применение

В этой статье мы обсудим следующее: — 1. Введение в реактивные двигатели 2. История реактивных двигателей 3. Тепловой КПД 4. Тяговый КПД 5. Общий КПД 6. Удельный расход топлива (TSFC) 7. Улучшения цикла 8. Преимущества и недостатки реактивного движения над другими системами 9. Применение различных движителей.

Состав:

  1. Введение в реактивные двигатели
  2. История реактивных двигателей
  3. Тепловой КПД турбореактивного двигателя
  4. Пропульсивная эффективность реактивных двигателей
  5. Общий КПД движительной системы
  6. Удельный расход топлива (TSFC) реактивных двигателей
  7. Цикл усовершенствования реактивных двигателей
  8. Преимущества и недостатки реактивного движения над другими системами
  9. Применение различных пропульсивных двигателей

1.
Введение в реактивные двигатели:

Реактивный двигатель — это двигатель, который выпускает быстро движущуюся струю жидкости для создания тяги в соответствии с третьим законом движения Ньютона. Это широкое определение реактивных двигателей включает турбореактивные двигатели, турбовентиляторные двигатели, ракеты и прямоточные воздушно-реактивные двигатели, а также водометные двигатели, но в общем случае этот термин обычно относится к газотурбинным двигателям с циклом Брайтона, используемым для производства высокоскоростной струи выхлопных газов для специальных двигательных целей на иллюстрации. 1.

Принцип реактивного движения основан на втором и третьем законах движения Ньютона.Импульс передается массе жидкости таким образом, что реакция переданного импульса дает движущую силу. Это достигается путем расширения газа, находящегося под высоким давлением и температурой, через сопло, так что газ с заметно увеличенной скоростью в виде струи выходит в атмосферу, а его реакция в противоположном направлении дает движущую силу.

Газовая турбина открытого цикла больше всего подходит для реактивного движения. Если рабочая жидкость расширяется в турбине так, что развиваемая мощность достаточна только для приведения в действие компрессора и вспомогательного оборудования, а остальное расширение достигается в сопле, которое размещается сразу после турбины.Этот агрегат будет выполнять роль водометной двигательной установки.

Газ из турбины при прохождении через сопло будет ускоряться и будет выходить в виде струи с огромной скоростью. Реакция этой струи толкает агрегат в прямом направлении (т. Е. В противоположном направлении от струи).

Реактивные двигатели классифицируются следующим образом:

1. Атмосферные реактивные двигатели.

2. Ракетные двигатели.

1.Атмосферные реактивные двигатели:

Атмосферным реактивным двигателям для сгорания топлива требуется кислород из атмосферного воздуха. В результате их производительность в значительной степени зависит от поступательной скорости двигателя, а также от атмосферного давления и температуры.

2. Ракетные двигатели:

Ракетный двигатель имеет собственный окислитель для сгорания топлива и, следовательно, не зависит от атмосферного воздуха. Это требует максимального удельного расхода топлива среди всех типов силовых установок.

Атмосферные реактивные двигатели далее классифицируются следующим образом:

(a) Системы устойчивого сгорания (непрерывный поток воздуха) :

(i) Турбореактивный

(ii) Турбореактивный двигатель с дожигателем (также известный как турбореактивный двигатель с дожиганием выхлопной трубы и турбореактивный двигатель с подогревателем).

(iii) Турбовинтовой (также известный как винтовой двигатель)

(iv) Струйный насос (также известный как атодиды и трубка Лорина)

(b) Система прерывистого сгорания — прерывистый поток воздуха :

(i) Импульсная струя (также известная как аэропульс, резоджет, трубка Шмидта и прерывистая струя). Турбореактивный двигатель, турбореактивный двигатель с дожигателем и турбовинтовой двигатель — все это модифицированные формы простой газовой турбины открытого цикла. ПВРД и импульсная струя являются атомодинами (аэротермодинамическими каналами), т. Е. Прямоточными реактивными двигателями без компрессора и турбинных колес.

Ракетные двигатели далее классифицируются как:

(i) Жидкостное и

(ii) Твердотопливный двигатель.

Ракетную двигательную установку следует рассматривать как источник энергии для достижения целей, достижимых другими методами.

Некоторые из ракетных приложений:

(а) Артиллерийские заградительные ракеты

(b) Противотанковые ракеты «Базкока»

(c) Все типы управляемых ракет

(d) Ракеты, запускаемые с самолетов

(e) Реактивный взлет для самолетов

(f) Двигатели для высокоскоростных управляемых ракет большой дальности и беспилотных самолетов

(g) Трансзвуковые самолеты, такие как D-558.


2.История

реактивных двигателей:

С момента появления авиации в начале 1900-х годов скорость и продолжительность полета двигателей с двигателем определялись мощностью и эффективностью их силовых установок — сначала поршневых двигателей, а теперь и мощных реактивных двигателей.

Реактивные двигатели являются наиболее широко используемой силовой установкой на коммерческих и военных самолетах. Они генерируют энергию, когда смесь сжатого воздуха и топлива воспламеняется и образующиеся горячие газы выходят через выхлопное сопло.Реакция горячих расширяющихся газов, выходящих из выхлопного сопла, создает тягу в противоположном направлении и перемещает самолет вперед.

Большинство современных реактивных двигателей делятся на три категории — турбореактивные, двухконтурные и турбовинтовые. Турбореактивные двигатели включают в себя компрессор с приводом от турбины, который втягивает воздух в двигатель и сжимает его перед впрыском топлива в камеру сгорания и воспламенением.

Турбореактивные двухконтурные двигатели — это турбореактивные двигатели, в которых дополнительная мощность вырабатывается лопатками компрессора, выступающими за внешнюю часть корпуса главного двигателя.Турбовинтовые двигатели — это турбореактивные двигатели с пропеллерами, обеспечивающими дополнительную тягу.

Сегодняшние реактивные двигатели преуспели в том, чтобы летать быстрее скорости звука, наилучшим образом используя сложные системы впуска, которые сводят к минимуму сопротивление даже на гиперзвуковых скоростях, эффективные системы контроля топлива, недавно изобретенные материалы, которые могут выдерживать очень высокие температуры, вспомогательные силовые агрегаты, обеспечивающие запуск в наихудших условиях и сопло с регулируемой силой тяги, которое может направлять тягу в нужном направлении.

Здесь мы сосредоточимся на современных реактивных двигателях, которые используются в военных и гражданских целях, их основных компонентах и ​​системах.Сравнение типов помогает определить лучший движок для конкретного приложения и набора ситуаций. Он также специализируется на передовых конструкциях, таких как Ramjet, Scramjet и т. Д.

Реактивные двигатели датируются первым веком нашей эры, когда Герой Александрии изобрел эолипил. При этом использовалась мощность пара, направляемая через два сопла, чтобы сфера быстро вращалась вокруг своей оси. Насколько известно, он никогда не использовался для подачи механической энергии, и потенциальные практические применения изобретения Героя реактивного двигателя не были признаны.Это считалось просто диковинкой.

Реактивные двигатели буквально и образно взлетели с изобретением ракеты китайцами в 11 веке. Ракетный выхлоп первоначально использовался скромно для фейерверков, но постепенно стал использоваться для создания весьма устрашающего оружия; и там технология застопорилась на сотни лет.

Проблема заключалась в том, что ракеты слишком неэффективны, чтобы быть полезными для авиации общего назначения. Вместо этого к 1930-м годам поршневой двигатель во многих его различных формах (роторный и статический радиальный, с воздушным и жидкостным охлаждением рядный) был единственным типом силовой установки, доступным авиаконструкторам. Это было приемлемо, пока требовались только самолеты с низкими характеристиками, да и вообще все, что было в наличии.

Однако инженеры начали концептуально осознавать, что поршневой двигатель является самоограничивающимся с точки зрения максимальной производительности, которая может быть достигнута; предел был по существу одним из эффективности винта. Это, казалось, достигло пика, когда кончики лезвий приблизились к скорости звука. Если бы характеристики двигателя, а следовательно, и самолета, когда-либо превысили такой барьер, необходимо было бы найти способ радикально улучшить конструкцию поршневого двигателя или разработать совершенно новый тип силовой установки.

Это было мотивацией разработки газотурбинного двигателя, обычно называемого «реактивным» двигателем, который стал почти таким же революционным для авиации, как первый полет братьев Райт.

Самыми ранними попытками создания реактивных двигателей были гибридные конструкции, в которых сжатие обеспечивалось внешним источником энергии. В этой системе (названной Secondo Campini термоструйным двигателем) воздух сначала сжимается вентилятором, приводимым в действие обычным поршневым двигателем, затем он смешивается с топливом и сжигается для создания реактивной тяги.

Примерами этого типа конструкции были самолет Генри Коанды Coanda-1910 и гораздо более поздний Campini Caproni CC.2, а также японский двигатель Tsu-11, предназначенный для двигателей Ока-камикадзе в конце Второй мировой войны. Ни один из них не был полностью успешным, и CC.2 оказался медленнее, чем та же конструкция с традиционной комбинацией двигателя и пропеллера.

Ключом к практическому реактивному двигателю была газовая турбина, которая использовалась для извлечения энергии для привода компрессора из самого двигателя.Идея газовой турбины возникла не в 1930-х годах — патент на стационарную турбину был выдан Джону Барберу в Англии в 1791 году.

Первая газовая турбина, которая успешно работала автономно, была построена в 1903 году норвежским инженером Эгидиусом Эллингом. Первые патенты на реактивные двигатели были выданы в 1917 году. Ограничения в конструкции, практическом машиностроении и металлургии не позволили таким двигателям попасть в производство. Основными проблемами были безопасность, надежность, вес и, особенно, длительная работа.


3. Тепловой КПД турбореактивного двигателя:

Термический КПД определяется как отношение тягового усилия, развиваемого в выхлопном сопле, к теплу, выделяемому топливом. Это соотношение указывает на степень использования топлива для ускорения потока жидкости.


4. Тяговая эффективность

реактивных двигателей:

Эффективность тяги определяется как отношение полезной тяги или тяги к сумме тяги и неиспользованной кинетической энергии струи.Его обычно обозначают η p . Здесь кинетическая энергия струи относительно


5. Общая эффективность движительной системы :

Общая эффективность пропульсивной системы соответствует эффективности пропульсивной установки. Он указывает, в какой степени система использует подаваемую энергию. Кроме того, общий КПД определяется как отношение скорости выполнения полезной движущей работы и скорости подачи энергии в систему.Обозначается η 0 .


6. Удельный расход топлива (TSFC)

реактивных двигателей:

Подобно двигателям и турбинам, удельный расход топлива в реактивной двигательной установке определяется на основе создаваемой тяги.

Таким образом, удельный расход топлива (TSFC) определяется как количество топлива, необходимое для создания тяги в час. Вот тяга Ньютон. Следовательно,

Иногда удельный расход топлива зависит от тягового усилия.Затем определяется удельный расход топлива (TPSFC) как отношение количества топлива, потребляемого в час на единицу тягового усилия.

Характер кривых изменения тяги, мощности тяги, TSFC и TPSFC в зависимости от скорости полета или скорости полета показан на рис. 35.7.

На характеристики водометной двигательной установки в основном влияют два параметра:

1. Скорость движения самолета вперед и

2. Высота самолета.


7. Усовершенствования цикла

реактивных двигателей:

Увеличение общей степени сжатия в системе сжатия повышает температуру на входе в камеру сгорания. Следовательно, при фиксированном расходе топлива и воздушного потока происходит повышение температуры на входе в турбину. Хотя более высокий рост температуры в системе сжатия подразумевает больший перепад температуры в турбинной системе, это не влияет на температуру сопла, поскольку в систему добавляется такое же количество тепла.

Тем не менее, давление в сопле увеличивается, поскольку общая степень сжатия увеличивается быстрее, чем степень расширения турбины. Следовательно, чистая тяга увеличивается, а удельный расход топлива (расход топлива / чистая тяга) уменьшается.

Таким образом, турбореактивные двигатели можно сделать более экономичными за счет одновременного повышения общего перепада давления и температуры на входе в турбину. Однако требуются более качественные материалы турбины и / или улучшенное охлаждение лопатки / лопатки, чтобы справиться с повышением как температуры на входе в турбину, так и температуры нагнетания компрессора.Для увеличения последнего требуются более качественные компрессорные материалы.


8. Преимущества и недостатки реактивного движения над другими системами

:

Ниже приведены преимущества реактивного движения:

1. Низкая удельная масса:

Удельный вес реактивного движения составляет от четверти до половины поршневого двигателя.

2. Нет силы дисбаланса:

В нем нет частей, совершающих возвратно-поступательное движение, и поэтому в реактивной силовой установке отсутствуют неуравновешенные силы.Таким образом достигается большая надежность.

3. Малая фронтальная зона:

Фронтальная площадь реактивного движения составляет менее одной четвертой площади фронтальной части поршневых двигателей, что значительно снижает лобовое сопротивление и, следовательно, обеспечивает большую мощность, особенно при высоких нагрузках. Это также уменьшает проблему воздушного охлаждения.

4. Нет ограничений по выходной мощности:

По сравнению с поршневым двигателем, можно создать реактивную двигательную установку с значительно увеличенной выходной мощностью, поскольку мощность не ограничивается детонацией.Устройство может работать / работать в широком диапазоне концентраций смеси.

5. Высокая скорость:

Скорость водометного движения не ограничена винтом. Можно получить высокую скорость.

6. Ни смазки, ни радиаторов:

Реактивный двигатель не требует ни внутренней смазки, ни радиаторов, как этого требуют поршневые двигатели.

7. На высокой скорости более 900 км / ч и на высоте более 10 000 метров эффективность реактивного двигателя намного выше, чем у воздушного винта.

8. Сжигание и подача энергии непрерывны, в то время как пиковые и колебания давления не возникают.

9. Отсутствие потери потока на корабле, снижение лобового сопротивления и теплый сжатый воздух для обогрева кабины.

10. Устройство позволяет лучше расположить пилота, в то время как отсутствие гребного винта позволяет уменьшить размер шасси.

Недостатки:

Недостатками реактивного движения являются:

1.В частности, при низком давлении термический КПД ниже. На небольшой высоте и скорости до 150 м / с / 540 км / ч расход топлива в 2–3 раза больше, чем у поршневого двигателя.

2. Завод очень шумный, дорогие материалы и недолговечный.

3. Степень сжатия и давления не является постоянной, как в поршневом двигателе, но изменяется приблизительно пропорционально квадрату скорости.

4. При работе движителя возникают определенные трудности.


9. Применение различных пропульсивных двигателей

:

(a) Турбовинтовой:

Турбовинтовые реактивные двигатели используются на средних и дальних транспортных и бомбардировочных самолетах. Они летают с дозвуковой скоростью.

(б) Турбореактивный:

Турбореактивные двигатели в основном используются в вооруженных силах как истребители, бомбардировщики и на транспорте. Обычно они летают со сверхзвуковой скоростью, т.е.г. МИГС, Мираж, Кнат, Яугар и др. В гражданской авиации используется только турбореактивный двигатель «Конкорд».

(в) Турбореактивный двухконтурный двигатель:

Используется в основном для гражданской авиации. Летит с дозвуковой скоростью.

(d) Ramjet:

ПВРД используются при промахах, как беспилотные самолеты. Они летают со сверхзвуковой скоростью.

(e) Pulsejet:

Они используются для ракет, приложений и летают на сверхзвуковой скорости.


Турбовинтовой

против реактивного двигателя: узнайте их преимущества и недостатки

Одна из самых больших дискуссий, когда дело доходит до выбора самолета, — это выбор турбовинтового или реактивного двигателя. Легкие самолеты более распространены в частной авиации, но Forbes недавно сообщил, что чартерные перевозки турбовинтовых самолетов увеличились на 8% по сравнению с прошлым годом.

Некоторые пилоты стойко предпочитают один тип самолетов в то время как другие видят преимущества и недостатки каждого из них. Эти пилоты пришли к выводу, что лучший самолет — это тот, который подходит для того типа полета, который вы планируете совершить.

Как узнать, какой вариант лучше всего подходит для вас? Давайте рассмотрим три основных преимущества и недостатки турбовинтовых и реактивных двигателей, а затем поговорим о том, для каких полетов оптимизирован каждый тип самолета.

Преимущества турбовинтового двигателя

1. Более эффективный и экономичный для коротких расстояний

Турбовинтовой двигатель легче реактивного, что дает ему лучшие характеристики при взлете. Он работает более эффективно, обеспечивая при этом более высокую выходную мощность на единицу веса, чем реактивный самолет. Ожидайте оптимальной топливной экономичности при полете на малых высотах (в идеале ниже 25 000 футов).

2. Возможность взлета и посадки на короткие и небетонные взлетно-посадочные полосы

Если в ваши планы путешествия входят пункты назначения с более короткими и менее усовершенствованными взлетно-посадочными полосами, турбовинтовой самолет имеет явное преимущество перед самолетом.Турбовинтовые самолеты могут приземляться на взлетно-посадочные полосы длиной до 3200 футов по сравнению со средней реактивной длиной не менее 5000 футов. Турбовинтовые самолеты также могут справиться с травяными аэродромами, которых должны избегать самолеты. Это означает, что с турбовинтовым двигателем вы можете попасть в некоторые из самых труднодоступных аэропортов.

3. Снижение расходов на фрахт, страхование, эксплуатацию и техническое обслуживание

Общая стоимость турбовинтового самолета ниже, чем у самолета как для чартера, так и для владения. Меньшее количество движущихся частей в турбовинтовом двигателе делает его более надежным и менее вероятно требующим обширного обслуживания. Поскольку турбовинтовые двигатели сжигают меньше топлива в час, чем реактивные, их часовые эксплуатационные расходы ниже.

Турбовинтовой Недостатки

1. Более низкая крейсерская скорость

Поскольку турбовинтовые двигатели имеют более низкую максимальную эффективную крейсерскую скорость — в среднем до 300 узлов расчетной воздушной скорости (KIAS) в зависимости от самолета — ожидайте, что ваше общее время полета будет больше, чем на реактивном самолете. Хотя почасовая стоимость турбовинтового двигателя ниже, поскольку более низкая скорость увеличивает время полета, в какой-то момент с полетом на большее расстояние экономия затрат будет компенсирована.

2. Меньшая крейсерская высота

Турбовинтовые двигатели обычно имеют потолочную высоту 25 000–30 000 футов. Если вы столкнетесь с турбулентностью или неблагоприятными погодными условиями на этой высоте, турбовинтовой самолет не сможет избежать их, поднявшись на большую высоту, как реактивный самолет. Это может сделать поездку неровной и неудобной.

3. Меньший диапазон

Более низкая крейсерская скорость и меньшая крейсерская высота

Turboprops означают меньшую дальность полета, даже с учетом повышения эффективности.Это означает, что, хотя турбовинтовые самолеты отлично подходят для полетов на короткие и средние расстояния, они не предназначены для дальних перелетов. Ожидайте, что средняя дальность полета составит около 1000–1300 миль.

Преимущества Jet

1. Может летать на больших высотах

Средний легкий реактивный самолет будет курсировать на высоте 41 000 футов и способен развивать максимальную высоту 45 000 футов. Это значительно выше потолка турбовинтового самолета на высоте 30 000 футов и может означать разницу между плавным, комфортным полетом и полетом, омраченным повторяющимися участками турбулентности.

2. Быстрее и тише

Ожидайте, что вы прибудете в пункт назначения быстрее на реактивном самолете, чем на турбовинтовом. Легкие реактивные самолеты имеют среднюю крейсерскую скорость от 370 до 450 узлов. Конструкция реактивного двигателя также обеспечивает более тихую кабину, чем турбовинтовой.

3. Более длинный диапазон

Благодаря более высокой крейсерской скорости и способности летать на больших высотах, где их эффективность повышается, легкие реактивные самолеты способны преодолевать дальность полета от 1600 до более 2000 миль.Это делает их предпочтительным выбором для полетов на средние и дальние расстояния.

Jet Недостатки

1. Менее эффективен и менее рентабелен для коротких расстояний

Самолеты

наиболее эффективны при работе на более высоких скоростях и на больших высотах. Во время взлета, на более низких скоростях и на малых высотах турбовинтовые двигатели более эффективны. Это означает, что для коротких полетов с меньшим временем, проведенным на крейсерской высоте, реактивный самолет будет менее эффективным и будет стоить больше часа, чем турбовинтовой.

2. Требуются более длинные бетонные взлетно-посадочные полосы

Jets может хорошо справиться с полетами в стандартные аэропорты, но если вы хотите исследовать более удаленный район с короткой взлетно-посадочной полосой или неулучшенной взлетно-посадочной полосой, вам не повезет с самолетом. В среднем самолетам требуется взлетно-посадочная полоса с твердым покрытием длиной не менее 5000 футов. В отличие от этого, многие турбовинтовые двигатели могут приземлиться на траву высотой 3200 футов.

3. Стоимость аренды, страхования и обслуживания дороже

В 2016 году Ассоциация владельцев самолетов и пилотов (AOPA) опубликовала подробную разбивку почасовых эксплуатационных расходов как для реактивных, так и для турбовинтовых самолетов.В целом реактивные самолеты всегда были дороже, чем турбовинтовые. Дополнительные движущиеся части и относительная сложность реактивного двигателя по сравнению с турбовинтовым также увеличивают затраты на техническое обслуживание.

Turboprop vs Jet — Что выбрать?

Вооруженные знаниями о плюсах и минусах как турбовинтовых, так и реактивных двигателей, мы можем понять, почему опытные пилоты видят цель для каждого типа самолета.

Давайте подведем итоги обзором конкретных типов полетов, для которых лучше всего предназначен каждый самолет.

Для каких полетов лучше всего подходит турбовинтовой двигатель?

  • Полеты на короткие и средние расстояния
  • Рейсы, требующие посадки на короткую взлетно-посадочную полосу и / или взлетно-посадочную полосу
  • Самые дешевые рейсы

Для каких полетов лучше всего подходит реактивный самолет?

  • Полеты средней и большой дальности
  • Рейсы, для которых предпочтительно минимальное время полета
  • Рейсы, для которых снижение шума в салоне и турбулентность являются первоочередными задачами

← Предыдущий пост Следующее сообщение →

Объясните ТРД с аккуратной схемой.

В чем преимущества и недостатки турбореактивного двигателя?
написано 3,2 года назад пользователем Juilee • 6.0k

Принципиальная схема турбореактивного двигателя представлена ​​на рис. Выше.

Турбореактивный двигатель в основном состоит из таких компонентов, как диффузор, компрессор, камера сгорания, газовая турбина и комплект сопел.

Атмосферный воздух со скоростью самолета попадает в диффузор в точке а. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в энергию давления, и происходящее сжатие называется сжатием плунжера.

Воздух снова сжимается в компрессоре. Этот сжатый воздух затем проходит через камеры сгорания, где топливо сжигается при постоянном давлении. Во время этого процесса температура газов увеличивается.

Затем продукты сгорания расширяются по газовой турбине до давления, при котором турбина развивает мощность, способную приводить в действие компрессор и остальные вспомогательные устройства.

Давление газов на выходе из газовой турбины выше атмосферного.Таким образом, эти газы в конце концов расширяются в соплах до окружающего давления.

Скорость газов на выходе намного выше по сравнению со скоростью воздуха на входе. Таким образом, тяга, создаваемая за счет скорости изменения количества движения и ее реакции, создает необходимую движущую силу для приведения в движение реактивного двигателя в прямом направлении.

На более высоких скоростях турбореактивный двигатель имеет более высокую тяговую эффективность, что подходит для самолетов, движущихся со скоростью выше 800 км / ч.

Преимущество:

  1. Эти двигатели имеют простую конструкцию и низкое отношение массы к мощности.
  2. Скороподъемность выше.
  3. Меньшее количество сопрягаемых деталей, что снижает износ.
  4. Низкие эксплуатационные расходы и низкая стоимость
  5. Эти двигатели не имеют неуравновешенных сил и, следовательно, не подвержены вибрациям.
  6. Возможна работа на высокой скорости.
  7. Можно использовать низкосортное топливо.

Недостаток:

  1. На более низких скоростях эффективность снижается.
  2. Шумный
  3. На взлете и наборе высоты доступна малая тяга.

Спросите капитана: кормовые и крылатые двигатели

Джон Кокс, специально для США СЕГОДНЯ Опубликовано 15:00 ET 5 апреля 2015 г.

Подкрыльные двигатели обеспечивают более легкий доступ для обслуживания, но их размеры ограничены высотой шасси. (Фото: Getty Images / moodboard RF)

Вопрос: Каковы преимущества и недостатки реактивных двигателей на крыльях или в задней части фюзеляжа?

— Представлено читателем Дейвом, Голден, Колорадо.

Ответ: У каждого есть свои преимущества и недостатки. Подкрыльные двигатели обеспечивают более легкий доступ для обслуживания, но их размеры ограничены высотой шасси.

Для двигателей, установленных на корме, необходимо, чтобы горизонтальный стабилизатор находился над двигателями, что обычно приводит к Т-образному хвостовику. Необходимо учитывать некоторые особенности обращения с самолетами с T-образным хвостовым оперением во время сваливания. Кормовые двигатели переносят значительный вес на корму, вызывая проблемы с весом и балансировкой.Подкрыловые двигатели находятся недалеко от центра подъемной силы крыла.

Иногда крыло искажает воздушный поток в кормовые двигатели, вызывая остановку компрессора. Этого не происходит с двигателями, установленными ниже.

Одним из преимуществ двигателей, установленных на корме, является то, что они не создают такой асимметричной тяги, как двигатели, расположенные снизу, когда один из двигателей выходит из строя, поскольку они расположены намного ближе к центральной линии самолета. Двигатели, расположенные под крылом, при отказе двигателя создают значительный рыскание, в то время как двигатели, расположенные на корме, производят меньше. Уменьшение рыскания после отказа двигателя позволяет пилоту поддерживать надлежащий контроль направления.

В: Я сидел в заднем ряду на MD-80. Если бы не мои отличные наушники, шум был бы невыносимым! О чем думали конструкторы, ставя двигатели на МД-80?

— Аарон Ховард, Денвер

A: Любой из самолетов с кормовым двигателем шумит, когда вы сидите сзади. Инженеры-конструкторы внимательно изучают размещение двигателей.Они пытаются найти лучший компромисс. Один из недостатков размещения двигателей непосредственно на фюзеляже — шум.

Вопрос: Я летал на 737, и шум двигателей был невероятным, но на 717 с двигателями, прикрепленными к фюзеляжу, звук двигателя был значительно меньше. В чем причина такой разницы?

— Eric Schrade, Canton, Ga.

A: Двигатель 717 вырабатывает меньшую тягу, что делает его тише. Кроме того, выхлопная система, которая является самой шумной частью двигателя, находится в задней части самолета, что делает салон более тихим для большинства пассажиров. В самолетах с двигателями, установленными в корме, только пассажиры, сидящие очень близко, слышат значительный шум.

Джон Кокс — капитан авиакомпании в отставке с US Airways и руководит собственной консалтинговой компанией по безопасности полетов, Safety Operating Systems.

Прочтите или поделитесь этой историей: https://www.usatoday.com/story/travel/columnist/cox/2015/04/05/jet-engines/25244779/

Компрессоры с турбинным двигателем

| Aviation Pros

Один механик однажды сказал своему другу, не связанному с авиацией, что у газотурбинного двигателя есть четыре стадии работы — всасывание, сжатие, удар и удар.В этом простом объяснении за сжатие отвечает секция компрессора. Он обеспечивает необходимый объем высокотемпературного воздуха под высоким давлением в секцию сгорания для удовлетворения требований двигателя. Он также обеспечивает отвод воздуха для различных систем самолета. В этой статье, основанной на AC65-12A, будет кратко рассмотрена основная конструкция и работа типовых секций компрессора газотурбинного двигателя.

Типы компрессоров

Есть два основных типа компрессоров — осевые и центробежные.Разница между ними заключается в том, как воздух проходит через компрессор.

Осевой поток

В компрессоре с осевым потоком воздух сжимается, сохраняя первоначальное направление потока. От входа до выхода воздух проходит по осевому пути и сжимается в соотношении примерно 1,25: 1,

.

Осевой компрессор имеет два основных элемента — ротор и статор. Ротор имеет лопасти, закрепленные на шпинделе. Эти лопасти толкают воздух назад так же, как пропеллер.По сути, это небольшие крылья. Ротор вращается с высокой скоростью и прогоняет воздух через ряд ступеней. Создается воздушный поток с высокой скоростью.

После того, как воздух продвигается лопастями ротора, он проходит через лопатки статора. Лопатки статора закреплены и действуют как диффузоры на каждой ступени. Они частично преобразуют воздух с высокой скоростью в воздух высокого давления. Каждая пара ротор / статор представляет собой ступень компрессора.

Каждая последующая ступень компрессора сжимает воздух еще сильнее. Количество ступеней определяется требуемым количеством воздуха и общим повышением давления.Чем больше количество ступеней, тем выше степень сжатия.

Центробежный

В двигателе с центробежным потоком компрессор выполняет свою работу, собирая поступающий воздух и ускоряя его наружу за счет центробежного действия. Он в основном состоит из рабочего колеса (ротора), диффузора (статора) и коллектора компрессора. Двумя основными элементами являются крыльчатка и диффузор.

Функция крыльчатки заключается в подборе и ускорении потока воздуха наружу к диффузору.Это может быть однократная или двукратная запись. Оба аналогичны по конструкции крыльчатке нагнетателя поршневого двигателя. Двойное рабочее колесо аналогично двум рабочим колесам, расположенным вплотную друг к другу. Однако из-за гораздо более высоких требований к воздуху для горения в турбореактивных двигателях рабочие колеса больше, чем рабочие колеса нагнетателя.

Основными различиями между двумя типами рабочих колес являются размер и расположение каналов. Типы с двойным входом имеют меньший диаметр, но обычно работают с более высокой скоростью вращения, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток.Рабочее колесо с одинарным входом обеспечивает удобный подвод воздуховодов непосредственно к проушине рабочего колеса (лопатки индуктора) в отличие от более сложных воздуховодов, необходимых для доступа к задней стороне типа двойного входа. Хотя они немного более эффективны в приеме, крыльчатки с одним входом должны быть большого диаметра, чтобы подавать такое же количество воздуха, как и у крыльчаток с двойным входом. Конечно, это увеличивает общий диаметр двигателя.

Водоотводящая камера включена в воздуховод для двухходовых компрессорных двигателей.Эта камера необходима, потому что воздух должен входить в двигатель почти под прямым углом к ​​оси двигателя. Следовательно, для создания положительного потока воздух должен окружать компрессор двигателя под положительным давлением перед входом в компрессор.

Некоторые секции центробежного компрессора также включают в себя дверцы для забора дополнительного воздуха (заслонки для впуска воздуха) как часть водоотводящей камеры. Эти двери обеспечивают подачу воздуха в моторный отсек во время наземной эксплуатации, когда потребность двигателя в воздухе превышает поток воздуха через впускные каналы.Когда двигатель не работает, дверцы удерживаются закрытыми с помощью пружины. Во время работы двери автоматически открываются, когда давление в моторном отсеке падает ниже атмосферного. Во время взлета и полета давление набегающего воздуха в моторном отсеке помогает пружинам удерживать двери закрытыми.

Диффузор секции центробежного компрессора представляет собой кольцевую камеру, снабженную несколькими лопатками, которые образуют ряд расходящихся каналов в коллекторе. Лопатки диффузора направляют поток воздуха от рабочего колеса к коллектору под углом, предназначенным для удержания максимального количества энергии, обеспечиваемой рабочим колесом. Они также подают воздух в коллектор со скоростью и давлением, подходящими для использования в камерах сгорания.

Коллектор компрессора направляет воздушный поток из диффузора, который является неотъемлемой частью коллектора, в камеры сгорания. Коллектор имеет по одному выпускному отверстию для каждой камеры, так что воздух распределяется равномерно. Выходное колено компрессора прикреплено болтами к каждому из выходных отверстий. Эти отверстия для выпуска воздуха имеют форму каналов и известны под разными названиями, например, каналы для выпуска воздуха, выпускные колена или входные каналы для камеры сгорания.Эти воздуховоды выполняют очень важную часть процесса диффузии — они изменяют радиальное направление воздушного потока на осевое, где процесс диффузии завершается после поворота. Чтобы помочь локтям эффективно выполнять эту функцию, внутри локтей иногда устанавливают поворотные лопатки (каскадные лопатки). Эти лопатки уменьшают потери давления воздуха за счет гладкой поворотной поверхности.

Каждому типу компрессора присущи преимущества и недостатки.Зная это, некоторые современные производители двигателей используют преимущества каждого типа, используя их комбинацию в своей компрессорной секции. Вот некоторые из преимуществ и недостатков каждого типа компрессора.

Центробежный компрессор

Преимущества: Легкий вес. Повышение высокого давления на ступень. Простота изготовления (при этом низкая стоимость). Малый вес.

Недостатки: Большая передняя поверхность для заданного воздушного потока. Использование более двух ступеней нецелесообразно из-за потерь в очереди между ступенями.

Осевой компрессор

Преимущества: способность обрабатывать большие объемы воздушного потока и высокий коэффициент давления. Небольшая передняя поверхность для заданного воздушного потока. Прямоточный поток, обеспечивающий высокую эффективность гидроцилиндра.

Недостатки: Повышенная чувствительность к повреждению посторонними предметами. Дорого в производстве. Очень тяжелый по сравнению с центробежным компрессором с той же степенью сжатия.

Удаление воздуха

Сжатый высокотемпературный воздух, производимый компрессорной секцией, можно отводить и использовать для различных функций.Отводимый воздух можно отбирать из любой из ступеней давления компрессорной секции. Расположение отверстия для отвода воздуха зависит от давления или температуры, необходимых для конкретной работы. Отверстия для стравливания воздуха представляют собой небольшие отверстия в корпусе компрессора на соответствующей ступени компрессора. Таким образом, различные степени давления или температуры достигаются путем включения соответствующей ступени. Часто воздух удаляется из последней ступени, так как именно здесь давление и температура самые высокие.

Некоторые области применения для стравливания воздуха включают:

  • Герметизация, обогрев и охлаждение кабины
  • Противообледенительная
  • Пневматический пуск двигателей
  • Вспомогательные приводы
  • Управляюще-усилительные следящие устройства
  • Мощность для работающих инструментов

Иногда необходимо охладить отбираемый из двигателя воздух, как в случае наддува кабины. В этих случаях для охлаждения воздуха используется какой-либо холодильный агрегат или теплообменник.

Компрессоры двигателя обеспечивают сжатие, необходимое для поддержки систем сгорания газотурбинного двигателя и стравливания воздуха. Какой компрессор сжимает воздух в вашем двигателе?

В чем разница между турбинными двигателями?

Турбореактивный двигатель GEnx в настоящее время используется в самолетах Boeing 747-8 и Boeing 787 Dreamliner. В этом двигателе, который на 15% более экономичен по сравнению с двигателем GE CF6, используются лопасти вентилятора из углеродного волокна и корпус вентилятора для снижения веса. (Предоставлено GE Aviation)

Газовая турбина — одна из наиболее широко используемых форм силовых установок для современных авиационных двигателей.Сердцевина двигателя — компрессор, горелка и турбина — также известна как газогенератор, поскольку на выходе получается горячий выхлопной газ. Компрессор и турбина определяются как турбомашины, в которых энергия добавляется или извлекается из непрерывного потока за счет динамического и аэродинамического действия вращающихся лопастей.

Общие детали турбинного двигателя

Впуск

Впускное отверстие двигателя нагнетает в двигатель «свободный поток воздуха». Воздухозаборник предназначен для замедления поступающего воздуха и преобразования его кинетической энергии в статическое давление.

На этом разрезе типичного реактивного двигателя показаны сечения, разделенные на две части: холодную и горячую. Горячая секция — это когда горение происходит за счет добавления топлива в воздушный поток, поступающий от впуска холодной секции.

Дозвуковые воздухозаборники: Дозвуковые самолеты не превышают скорость звука. Повышение давления можно максимизировать, используя либо более длинный диффузор, либо больший угол расхождения диффузора (соотношение площадей диффузора).

Схема потока для дозвукового входа разделена на внешний (внешний / входной) и внутренний сегменты.Внешнее ускорение происходит при работе на низкой скорости с большой тягой (т. Е. В условиях взлета), что увеличивает скорость на входе и снижает давление на входе. Следовательно, зона входа спроектирована таким образом, чтобы минимизировать внешнее ускорение во время взлета, так что внешнее замедление происходит в крейсерских условиях. На типичном дозвуковом входе поверхность входа представляет собой непрерывную плавную кривую, имеющую некоторую толщину изнутри наружу. Впускная губа или выступ, самая верхняя часть впускного отверстия, относительно толстая.

Сверхзвуковые воздухозаборники: Сверхзвуковые самолеты по-прежнему должны замедлять поток до дозвуковых скоростей, прежде чем воздух достигнет компрессора. Когда воздушный поток достигает торца двигателя, имеет число Маха от 0,4 до 0,7. Диффузия потока от сверхзвукового к дозвуковому потоку, также известная как возврат плунжера, включает удары. Обычный воздухозаборник — это простейший сверхзвуковой диффузор. Амортизаторы с узкой входной кромкой используются для одиночного нормального скачка (90 ° перпендикулярно потоку) для значений Маха меньше 1. 6.

Наклонные впускные патрубки амортизаторов обеспечивают более высокий общий возврат давления. Сверхзвуковое замедление потока достигается серией косых скачков (под определенным углом к ​​потоку), за которыми следует слабый нормальный скачок. При косом скачке уплотнения сверхзвуковой поток превращается в себя; по мере увеличения количества косых скачков уплотнения ударные потери уменьшаются, особенно при высоких числах Маха.

Осесимметричный вход внешнего сжатия представляет собой диффузор конической формы, создающий конический удар. Из-за того, что поток через конус является трехмерным по своей природе, поле потока между скачком уплотнения и конусом больше не является однородным.Эффект приводит к более слабой ударной волне, чем для клина того же угла.

Компрессор

Компрессоры используются для повышения давления воздуха перед его поступлением в камеру сгорания.

Центробежные компрессоры: Эти компрессоры были реализованы в первых реактивных двигателях и до сих пор используются в турбореактивных и турбовальных двигателях. Они поворачивают воздушный поток перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо перемещает воздух, который собирается в улитке или улитке.Между рабочим колесом и улиткой может быть диффузор.

Осевые компрессоры: Вместо перпендикулярного потока в осевых компрессорах воздух проходит параллельно оси вращения. Компрессор состоит из нескольких рядов роторов и статоров; которые представляют собой серию воздушных фольг. Роторы соединены с центральным валом и вращаются с высокой скоростью, сообщая жидкости угловой момент. Статоры закреплены, которые соединяются с внешним кожухом, увеличивают давление, не позволяя потоку закручиваться по спирали вокруг оси, возвращая его к параллельной оси (действуя как диффузоры).Длина лопаток и площадь кольцевого пространства уменьшаются по всей длине компрессора, уменьшая проходное сечение. Это компенсирует увеличение плотности жидкости при ее сжатии.

Горелка

Горелка или камера сгорания расположена между компрессором и турбиной, как кольцевое пространство. Здесь топливо смешивается с воздухом под высоким давлением и сжигается, чтобы создать высокотемпературный выхлопной газ, который вращает силовую турбину и создает тягу. Некоторые из желаемых свойств горелок заключаются в достижении полного сгорания с минимальными выбросами выхлопных газов, низкой общей потере давления, низкой потере тепла через стены и эффективном охлаждении.Однако многие из этих свойств конкурируют друг с другом; следовательно, оптимальная конструкция горелки — это один из компромиссов.

• Канально-кольцевые камеры сгорания: Состоящие из ряда цилиндрических горелок, расположенных вокруг общего кольцевого пространства, камеры сгорания с кольцевым каналом работают независимо друг от друга. На входе в каждую камеру установлен диффузор, который может снизить скорость от типичного выхода компрессора (100-150 м / с) до средней скорости объемного потока (20-30 м / с) в зоне горения.Он подает воздух в зону горения в виде стабильного и однородного поля потока. Это более старый метод конструкции горелки.

• Кольцевые камеры сгорания: Более современная конструкция — кольцевые камеры сгорания. Это одинарная горелка с кольцевым поперечным сечением, которая подает газ на турбину. Сама зона горения занимает кольцевое пространство. Улучшенная зона горения обеспечивает однородность, простоту конструкции, уменьшенную линейную площадь поверхности и меньшую длину системы.

Турбина

Турбина похожа на компрессор тем, что состоит из нескольких рядов роторов и статоров.Ступень турбины начинается с ряда неподвижных лопаток, называемых направляющей лопаткой сопла, за которым следует ряд вращающихся лопаток. Турбина преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию за счет расширения через сопла, а затем в механическую энергию вращения во вращающемся роторе.

В потоке турбины преобладают благоприятные градиенты давления. Изменения давления могут быть довольно значительными, а пограничные слои в турбине менее подвержены срыву по сравнению с компрессором. Охлаждение турбин — серьезная проблема; таким образом, они предназначены для работы в высокотемпературных и агрессивных средах.

Сопло

Функция сопла заключается в преобразовании тепловой энергии в кинетическую энергию для получения высокой скорости выхлопа. Тяга сопла, или полная тяга, складывается из импульса и давления. Максимальная общая тяга — это когда форсунка полностью расширена или давление окружающей среды равно давлению выхлопных газов.

Дозвуковое сопло: Для ускорения дозвукового потока поперечное сечение воздуховода должно уменьшаться в направлении потока.Когда канал заканчивается с наименьшим поперечным сечением, в результате получается сужающееся сопло. Давление на выходе из сопла ниже атмосферного. В результате поток ускоряется или расширяется до атмосферного или местного давления на выходе. Чем выше летит самолет, тем больше увеличивается скорость в соответствии с более низким атмосферным давлением. Предел достигается, когда струя выходит со звуковой скоростью и сопло считается забитым. Как только состояние засорения реализуется, массовый расход через сопло достигает максимума, и условия остаются неизменными независимо от снижения давления окружающей среды.Следовательно, сужающееся сопло никогда не может создать сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковое сопло: Для высоких скоростей выхлопа, необходимых для сверхзвукового полета, используется сходящееся-расширяющееся (CD) сопло для создания сверхзвуковой скорости истечения. Конструкция сопла CD состоит из сужающегося канала, за которым следует расходящийся канал. Увеличение площади поперечного сечения сопла ЦД ускоряет сверхзвуковой поток. Сверхзвуковое сопло или сопло CD требует большой разницы давлений для ускорения газа до сверхзвуковой скорости в горловине и дальнейшего создания сверхзвукового потока в расширяющейся секции CD.Значительный перепад давления может быть создан за счет снижения противодавления или давления на выходе из окружающей среды ниже по потоку.

Регулируемые сопла позволяют сверхзвуковому летательному аппарату адаптироваться к изменяющимся условиям давления окружающей среды и настройкам мощности двигателя для сверхзвукового полета. Форсунки с адаптацией к высоте могут изменять форму угла кромки сопла для достижения оптимальной производительности.

Проблема возникает, когда сопло слишком или недостаточно расширено. В условиях недостаточного расширения давление падает на волнах расширения, и выхлопной шлейф расширяется за выходное отверстие сопла, снижая эффективность на больших высотах.Для чрезмерно расширенных сопел давление возрастает через наклонные ударные волны и смесь суб / сверхзвукового потока. Выхлопной шлейф зажимается высоким давлением окружающего воздуха, что снижает его эффективность на малых высотах. Чрезмерное расширение может привести к появлению в шлейфе областей со сложной волновой структурой, которые создают бело-желтое люминесцентное свечение, поскольку низкое давление выхлопных газов пытается соответствовать высокому окружающему давлению.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель — самый простой тип газовой турбины.Большое количество окружающего воздуха втягивается во впускное отверстие двигателя за счет компрессора. В задней части воздухозаборника воздух поступает в компрессор. Давление увеличивается, когда воздух проходит через ряды лопастей. На выходе из компрессорной секции давление воздуха выше, чем в набегающем потоке. В секции горелки топливо смешивается с воздухом и воспламеняется. Горячий выхлоп происходит в основном из окружающего воздуха и проходит через турбину, когда выходит из горелки. Турбина извлекает энергию из горячего воздушного потока, заставляя лопасти вращаться в потоке.В реактивном двигателе энергия, извлекаемая турбиной, вращает компрессор, связывая его и турбину с центральным валом. Остальная часть горячего выхлопа используется для создания тяги за счет увеличения его скорости через сопло. Поскольку скорость выхода больше, чем скорость набегающего потока, создается тяга. В поток добавляется очень мало топлива, поэтому массовый расход на выходе почти равен массовому расходу набегающего потока.

Турбовинтовой двигатель

В турбовинтовом двигателе горячий выхлоп используется для вращения гребного винта, а не для создания тяги на выходе из двигателя.

Две основные части турбовинтовой силовой установки — это основной двигатель и воздушный винт. Основной двигатель очень похож на турбореактивный, за исключением того, как он обрабатывает энергию выхлопных газов. Вместо того, чтобы расширять горячий выхлоп через сопло для создания тяги, турбовинтовой двигатель использует большую часть энергии выхлопа для вращения турбины. Дополнительная ступень турбины может быть соединена с приводным валом, который, в свою очередь, соединен с коробкой передач. Пропеллер соединяется с коробкой передач, которая производит большую часть тяги.

Тяга, создаваемая скоростью выхлопа, мала, потому что большая часть энергии выхлопа сердечника используется для вращения приводного вала. Турбовинтовые (и турбовентиляторные) двигатели обычно имеют двухконтактный двигатель, в котором отдельная турбина и вал приводят в действие вентилятор и коробку передач соответственно. Турбовинтовые самолеты используются только для низкоскоростных самолетов, таких как грузовые. По мере увеличения скорости воздушного судна пропеллеры становятся менее эффективными.

Турбореактивный двухконтурный двигатель

Пратт

Современные авиакомпании используют турбовентиляторные двигатели для движения своих самолетов по воздуху.Это связано с их высокой тягой и топливной экономичностью. Турбореактивный двухконтурный двигатель — это самая современная разновидность базовой газовой турбины. В турбовентиляторном двигателе два вентилятора окружают основной двигатель. Один вентилятор находится в передней части основного двигателя, а другой — в задней части. Вентилятор и турбина вентилятора соединены с дополнительным валом вентилятора. Вал вентилятора проходит через стержневой вал в двухзолотном двигателе. Для повышения эффективности некоторые двигатели имеют дополнительные золотники.

Турбореактивный двухконтурный вентилятор работает за счет захвата входящего воздуха на входе.Часть воздуха проходит через вентилятор в основной компрессор, а затем в горелку. Отвод тепла проходит через сердечник, турбины вентилятора и выходит из сопла. Этот процесс похож на турбореактивный. Остальной поступающий воздух перенаправляется вокруг двигателя после прохождения вентилятора. Воздух, проходящий через вентилятор, имеет немного более высокую скорость, чем набегающий поток.

Отношение воздуха, перенаправляемого вокруг двигателя, к воздуху, проходящему через сердечник, известно как коэффициент перепуска.Турбореактивные двигатели с малой степенью двухконтурности более экономичны, чем базовый турбореактивный двигатель. Турбореактивный двухконтурный двигатель создает большую тягу для почти равного количества топлива, используемого активной зоной, потому что расход топлива немного изменяется при добавлении вентилятора. В результате турбовентилятор отличается высокой топливной экономичностью.

Воздух, проходящий через сердечник, а также воздух, проходящий вокруг двигателя, составляют тягу. Из-за того, что входное отверстие закрывает передний вентилятор и имеет множество лопастей, он может эффективно работать на более высоких скоростях, чем простой пропеллер.

Турбореактивный двигатель дожигания

Это изображение показывает Пратт Форсажные камеры

используются в сверхзвуковых самолетах, таких как Concorde, и выключаются после достижения крейсерской скорости. Многие современные истребители используют турбовентиляторные двигатели с малой степенью двухконтурности, оснащенные форсажными камерами для эффективных крейсерских условий и создания высокой тяги для воздушных боев, а на турбореактивных самолетах — для полета на сверхзвуковых скоростях, преодолевая резкое увеличение лобового сопротивления, близкое к скорости звука. Форсажная камера впрыскивает топливо непосредственно в горячий выхлоп.Сопло базового турбореактивного двигателя удлиняется, а после сопла устанавливается кольцо пламегасителей. Дополнительное топливо впрыскивается через обручи в поток горячего выхлопа. Горящее топливо создает дополнительную тягу, но с неэффективной скоростью.

Горящее топливо предлагает простой механический способ увеличения тяги, но с неэффективной скоростью. Расчет тяги такой же, как у обычного турбореактивного двигателя, за исключением того, что значение тяги на выходе — это тяга на выходе из форсажной камеры.

Уравнения тяги:

F Turbojet или форсажный турбореактивный = á¹ e ∠™ V e á¹ FS ∠™ V 9018 9018 Турбовинтовой = á¹ FS ™ ( V Pe V FS ) + á e e ∠™ ( V e Pe )
F Турбореактивный двухконтактный двигатель = á¹ e ∠™ V e á¹ FS ∠™ V FS FS ∠™ á¹ c ∠™ V f

где:
á¹ FS = массовый расход набегающего потока воздуха
á¹ e = массовый расход воздуха на выходе из активной зоны
á¹ c = массовый расход горячего выхлопа, проходящего через сердечник
á¹ f = массовый расход потока вентилятора или байпаса
V f = скорость воздуха на выходе из вентилятора
V e = скорость воздуха на выходе из сердечника
V Pe = скорость воздуха на выходе из гребного винта
V FS = скорость свободного потока воздуха
Ve = скорость воздуха на выходе из активной зоны
барр. = коэффициент байпаса, равный ° f / ° c

Ищете запчасти? Зайдите в SourceESB.

Хороши ли лодки с водометным двигателем? Каковы плюсы и минусы реактивных приводов?

Наверное, у меня в голове есть 3 способа привести лодку в движение: с помощью обычного гребного винта, крыльчатки (или « реактивного двигателя ») и гребных винтов авиационного типа, которые обычно используются на воздушных лодках с плоским дном, используемых в болотах, где ниже ватерлинии движение нецелесообразно.

Для большинства из нас выбор сводится к гребным винтам или реактивным двигателям, при этом винты обычно управляют волнами в большинстве гаваней.

Но почему это так? Почему реактивные двигатели не пользуются такой же популярностью?

Говоря простым языком, реактивные двигатели — это здорово, но только в очень специфических обстоятельствах, как и воздушные лодки. Крыльчатка водомета, как правило, меньше по размеру, чем пропеллер, предназначенный для лодки того же размера, и, будучи полностью закрытой, она хорошо защищена от окружающей среды. Таким образом, водометные двигатели идеально подходят для судов с плоским дном (Jon Boats), используемых на мелководных каменистых реках или в приложениях, где личная безопасность вокруг опоры будет проблемой, например, когда водные лыжники заходят на корму и выходят из нее лодка.

Преимущества струйных приводов


Реактивные приводы

обладают множеством практических преимуществ по сравнению с кормовыми приводами с гребным винтом или подвесными моторами, в основном связанными с тем, что они более безопасны в условиях вероятности столкновения с посторонними предметами. Как упоминалось выше, они отлично работают на мелководье, но бортовые реактивные самолеты также могут использоваться на пляжах, учитывая отсутствие каких-либо выступающих частей, включая рули направления.

Доказано, что на очень высоких скоростях водометные двигатели более эффективны, чем винты, и, безусловно, они быстрее разгоняются.

Кроме того, если вам когда-нибудь понадобится быстро остановиться, теоретически водометный двигатель — лучшее средство для этого. Почему так? Что ж, ударив дефлекторную пластину над струей и немедленно изменив направление потока воды, вы получите гораздо более немедленный эффект, чем необходимость ждать, пока винт наберет скорость в обратном направлении.

Только держитесь крепче, если вы когда-нибудь сделаете это!

Недостатки струйных приводов


В то время как реактивные двигатели хорошо работают на скорости, когда дело доходит до медленного движения, они совсем не хороши.Причина этого в том, что эффективность управления направлением «струи» (потока воды, вытесняемой струей, обеспечивающей тягу) более или менее пропорциональна скорости.

Таким образом, более низкая скорость = худшее управление по направлению.

Реактивным катерам не жарко и при движении задним ходом; учитывая, что струя может быть направлена ​​только на корму, вы полагаетесь на перенаправление тяги в результате опускания пластины дефлектора над выхлопной струей. Это не так эффективно или эффективно, как простое изменение направления вращения на обычном гребном винте, и результаты могут быть вялыми, и их трудно контролировать.

Подвесные моторы и кормовой привод имеют явное преимущество в том, что их можно обрезать; то есть вы можете наклонить двигатель или опору, чтобы поднять или опустить нос лодки. Это позволяет вам адаптировать дифферент лодки к условиям или скорости, например, за счет обрезки носа, чтобы справиться с волнением на море или подняться на самолете с более высокой скоростью.

Стационарные водометные приводы лишены этой роскоши, и большинство подвесных водометных приводов обычно устанавливаются на транце так высоко, что обрезка неэффективна.Это делает управление самолетами гораздо менее комфортным в более сложных морских условиях.

Реактивные приводы

, безусловно, безопаснее реквизита с точки зрения посадки / высадки для водных лыжников и вейкбордистов, поскольку двигатель можно безопасно оставить работающим в любое время без риска серьезно травмировать кого-либо из-за поврежденного крыльчатки.

Однако фактические характеристики для любого, кого буксирует реактивный катер, далеки от идеала. Форсунки создают очень аэрированную «пузырящуюся» стирку, которая может легко сбить с пути лыжника / сноубордиста.

Что еще хуже, лодки с водометным двигателем на борту не имеют рулей или скегов, что делает их менее устойчивыми на воде и, следовательно, гораздо более вероятно, что они будут сбиты с курса из-за действий буксируемого человека, сильно тянущего за буксирный трос. . Если лодка теряет управление, вы можете представить, что происходит с человеком позади лодки.

В чем отличие Jet Drive от Prop Drive?


Основное различие между гребными винтами и форсунками заключается в выходной мощности.В этом отношении бортовые реактивные двигатели несколько более благоприятны, но, сравнивая аналогичные двигатели с подвесным двигателем с винтом и таким же подвесным двигателем с реактивным преобразователем, вы обычно обнаружите потерю мощности около 30% в реактивной версии, в основном потому, что Путь, по которому вода проходит от впуска к выпускному патрубку, несколько запутан, что приводит к неэффективной передаче энергии.

Внутренний или внешний водометный привод?


Как уже упоминалось выше, во многом так же, как и внутренние и поворотно-откидные приводы / гребные винты, водометные двигатели бывают двух разных видов: внутренние и внешние.

Подвесные водометные двигатели, будь то переделанные подвесные двигатели или готовые модели, являются наиболее популярным выбором, и действительно, если вы хотите поэкспериментировать с водометным двигателем, переход на нижний блок вашего подвесного двигателя быть самым простым и экономичным способом сделать это.

Насколько мне известно, Outboard Jets в Калифорнии — единственная компания, предлагающая модификации с подвесными двигателями. За пару тысяч долларов вы можете превратить свой стандартный подвесной двигатель в водометный двигатель.Это может быть особенно полезно, если вы планируете отправиться на лодке на более мелководную и скалистую территорию, но с целью переоборудования в более позднее время.

Подвесные форсунки выступают ниже нижней части транца, и поэтому они подвержены ударам на мелководье.

Самолеты с бортовым двигателем — это больше обязательство, и в случае модернизации потребуются обширные работы по резке и закрытию корпуса лодки.

Однако главным преимуществом является то, что водозаборник находится заподлицо с нижней частью корпуса, в то время как выпускной патрубок находится на задней части транца, и все это означает, что у лодки нет выступов под корпусом, что делает бортовые форсунки идеальным решением для лодки Jon с плоским дном на мелководье.

Техническое обслуживание по сравнению с двигателями с бортовым и подвесным винтами


Приводы

Jet обычно требуют обслуживания ежегодно или каждые 100 часов, в зависимости от инструкций производителя. Типичное сервисное обслуживание включает замену масла, замену масла и воздушного фильтра, смазку движущихся частей.

Если вы планируете обслуживание вместе с подготовкой двигателя к зиме, вам также необходимо долить антифриз (если ваш двигатель имеет закрытую систему охлаждения) и выполнить любые другие процедуры, указанные в инструкциях производителя.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.