Mio-tech-service.ru

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

Что такое трд двигатель

Обзор немецких реактивных двигателей

Обзор немецких реактивных двигателей

Фирма, наименование и обозначение двигателя Тип двигателя Тип компрессора Кол-во ступеней компрессора Тип камеры сгорания Кол-во ступеней турбины Тяга двигателя, кг или мощн., л.с. Удельный расход топлива, кгкг*час или кг/л.с.*час Длина двигателя, мм Максимальный диаметр двигат. мм Удельн. тяга, кг/кг или мощн., л.с./кг Год постр. (прибл.) Примечание BMW 109-003-A0 ТРД О 7 К 1 800 1,47 3500 700 1,07 1940 Находился в массовом производстве 109-003-А1 ТРД О 7 К 1 800 1,47 — — 1,31 — — 109-003-А2 ТРД О 7 К 1 800 1,47 — — 1,31 — — 109-003-С ТРД О 7 К — 900 1,27 — — — — С компрессором фирмы «Броун-Бовери» 109-003-D ТРД О 11 К 2 1100 1,10 3150 690 1,69 1944 Спроектирован, но не построен 109-003-Е! ТРД О 7 К 1 800 1.47 — — — — Последующий серийный образец 109-003-Е2 ТРД О 7 К 1 800 1,47 — — — — 109-003-R ТРД О 8 К 1 1880 1,47 — — — — Двигатель 003-А с ЖРД BMW 109-718 109-018 ТРД О 12 К 3 3400 1,10 4010 1270 1,37 1941 Постройка двигателя не закончена 109-018R ТРД О 12 К 3 4500 — — — — — Двигатель 018 с ЖРД BMW 109-718 109-028 ТВД О 12 К 4 7900 — 5080 1270 1,03 1941 Проект Брамо 109-002 ДТРД О — — — — — . — — — 1942 Проект Даймлер-Бенц 109-007 ДТРД О + О 3+9 Т 1 610 0,81 4650 840 0,69 1943 Проект. Работы прекращены 109-021 ТВД О+ОЦ+О 1+1+3 К 2 6400 — — 1080 4,95 — Двигатель получен от фирмы «Хейнкель-Хирт» Хейнкель-Хирт HeS1 ТРД Ц 1 К 1 250 — — — — 1937 Экспериментальный двигатель HeS3B ТРД О + Ц 1+1 К 1 500 — — 930 1,38 1938 Первый немецкий двигатель, испытанный в полете 27 августа 1939 года HeS6 ТРД О + Ц 1 + 1 К 1 590 — — 930 1,41 1938 Развитие двигателя HeS3 HeS8A 109-001 ТРД О + Ц 1+1 К 1 590 — 1670 775 1,55 1938 Предназначался для установки на самолете Не-280 HeS8A-V15 ТРД О+Ц+О 1+1+1 К 1 + — — — — — HeS9 ТРД О+ОЦ+О 1+1+2 К 1 + — — — — Опытный образец для разработки ТВД HeS10 ДТРД О+О+Ц 1+1+1 К 1 895 — 1640 1,79 1939 Развитие двигателя HeS8 HeS11-VI ТРД О+ОЦ+О 1 + 1+3 К 2 1120 — — 1941 Экспериментальный двигатель HeS11-V5 ТРД О+ОЦ+О. 1+1+3 К 1 — — — 1944 Турбина с воздушным охлаждением HeS11-V6 ТРД О+ОЦ+О 1+1+3 К 2 1300 1,32 — — 1944 Первая серия, примененная для полетов HeS11-109-011-AO ТРД О+ОЦ+О 1+1+3 К 2 1300 1,31 3460 1080 1,37 1945 Первый двигатель серийного производства 109-021 ТРД О+ОЦ+О 1 + 1+3 К 2 6400 1080 4,95 Турбовинтовой вариант двигателя 109-011 HeS30-109-006 ТРД О 5 Т 1 860 620 2,22 1942 Работы над двигателем были прекращены HeS40-109-006 ТРД О 5 — 1 — — — 19 ч 1 Сгорание смеси при постоянном объеме Юнкерс-Юмо 109-004A ТРД О 8 Т 1 840 1,40 3800 760 0,99 1940 Первый полет на самолете Bf-1 Ю в 1940 году 109-004-B0 ТРД О 8 Т 1 840 3800 800 1,18 1943 Проводились эксперименты с вариантом, имеющим систему дожигания 109-004-B1 ТРД О 8 Т 1 900 1,40 — 1,20 1943 109-004-D ТРД О — Т — 1050 — — — 1945 109-004-H ТРД О 11 Т 2 1820 1,20 4000 865 1,60 — Модификация 109-004-G ТРД О 11 Т — 1700 т — — — — Модификация 012 ТРД О 11 Т 2 2720 1,20 4500 1070 1,37 — Построен не был 022 ТРД О 11 Т 3 6000+ — 5600 1090 — — Турбовинтовой вариант двигателя 012 Порше 109-005 ТРД — — . — — 5000 — — — — Для однократного применения на управляемых снарядах

Условные обозначения: ТРД — турбореактивный двигатель; ДТРД — двухконтурный турбореактивный двигатель; ТВД — турбовинтовой двигатель; О — осевой компрессор; Ц — центральный компрессор; ОЦ — компрессор смешанного типа; К — кольцевая камера сгорания; Т — трубчатые камеры сгорания; знак «+» после цифры, показывающей мощность турбовинтового двигателя Jumo 022 означает, что приведена только мощность двигателя на валу, без учета реактивной тяги.

Готовый к летным испытаниям макет самолета Ва-349А. Снимок сделан в помещении заводского цеха в феврале 1945 года.

Один из экземпляров самолета «Наттер», захваченный американскими войсками в апреле 1945 года на заводе в Вальдзее. Самолет находится на транспортной тележке, в правом нижнем углу снимка виден стартовый пороховой двигатель «Шмиддинг».

Опытный экземпляр самолета-снаряда FZG 76 на транспортной тележке. Снимок сделан на полигоне в Пенемюнде.

Невооруженный вариант «морской» (противокорабельной) версии пилотируемого самолета-снаряда «Райхенберг IV».

Ме-262А из состава KG(J) 51, снимок сделан в 1944 году.

Ме-262А из состава KG(J) 51, снимок сделан в январе 1945 года.

Реактивный истребитель Ме-262А. Обратите внимание на полное отсутствие окраски самолета.

«Мессершмитт» Ме-262А-1 из состава III/EJG 2, Германия, май 1945 года

Самолеты проходившие испытания в СССР после войны

«Мессершмитт» Me 163В

Общие сведения

Но в конце второй мировой войны к авиационным двигателям стали предъявляться совсем другие требования. Существенно возросла роль авиации, как в вооружённых силах, так и в народном хозяйстве.

Для того чтобы авиация могла выполнять все возложенные на неё задачи, требовались новые авиационные двигатели. Началось бурное развитие различных типов авиационных двигателей. Тем не менее, поршневые авиационные двигатели до сих пор успешно эксплуатируются на многих типах летательных аппаратов.

Но на подавляющей части авиационного парка сегодня используются газотурбинные типы силовой установки. Давайте их рассмотрим.

Авиация Воздушно-реактивный двигатель — Турбореактивный двигатель

Принцип действия и устройство ТРД

В турбореактивном двигателе сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним, и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счёт торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счёт совершаемой компрессором механической работы.

Степень повышения давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40. Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными. Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своей турбиной. При этом вал 1-го каскада компрессора, вращаемого последней турбиной, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада. Каскады двигателя также именуют роторами низкого и высокого давления.

Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.

Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.

Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.

Благодаря компрессору ТРД может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.

Читать еще:  Двигатель 4hg1 сколько масла

При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.

Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещён в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:

  • Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведёт к уменьшению работы, производимой им при расширении.

Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.

  • Турбина поглощает часть энергии рабочего тела перед поступлением его в сопло.

В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что) ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями 2,5—3М. На этих и более высоких скоростях полёта торможение встречного потока воздуха создаёт степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и ещё большее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полёта агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создаёт дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Форсажная камера

Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолётов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.

Гибридный ТРД / ПВРД

В 60-х годах XX века в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До скорости М=2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М=3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.

Регулируемые сопла

ТРД самолётов летающих на сверхзвуковых скоростях оборудуются так называемыми регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях.

Область применения ТРД

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытеснеными более экономичными двухконтурными ТРД.

    Образцы летательных аппаратов, оборудованных ТРД

Пламенный мотор

Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, а также сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.

История

Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.


Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки

Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.

В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.

Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).

Принцип работы

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по принципу обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.

При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.

Читать еще:  Глубокий чип тюнинг двигателя

Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.

После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.

Поколения турбореактивных двигателей

Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.

К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15 и на самолеты ИЛ-28, ТУ-14.


Истребитель МИГ-15

ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.

Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.

Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.

Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.

События, связанные с этим

Объем реализации продукции ОДК вырос за год на 15-17%

[править] 1950-е годы

1956 год — Разработка двухконтурного двигателя ВК-3 для высотного сверхзвукового истребителя И-ЗУ. [7]

1957 год — Разработка двигателя с охлаждаемыми лопатками турбины ВК-13. [8]

[править] 1970-е годы

Базовый двигатель Д-30КП пермской разработки строился в Рыбинске с 1972 года. [9]

1975 год — Разработка двигателя ТР3-117 для установки на беспилотные самолеты-разведчики ОКБ Туполева «Рейс» («Рейс-Д»). [10]

Двигатель Д-30КУ был признан лучшим в своём классе на Парижской авиационной выставке в 1975 году. [11]

[править] 1980-е годы

1981 год — Разработка двигателя РД-33. [12]

Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой РД-33 прошёл государственные испытания в 1985 году.

[править] 2000-е годы

С 2002 года «Мотор Сич» и его российские партнёры выпускали двигатели АИ-222-25 в рамках кооперации, примерно в пропорции 50/50 (причем на Украине делалась более сложная «горячая часть»). [13]

Двигатель ПС-90А-76 сертифицирован в декабре 2003 года. [14]

2005 год — Запуск серийного производства двигателя РД-33 (3 серия). [15]

2007 год — Запуск в серийное производство двигателя РД-93. [16]

2008 год — Запуск в серийное производство двигателя РД-33МК. [17]

[править] 2011 год

С 2011 года «УМПО» серийно строит двигатели АЛ-41Ф-1С («117С»), являющиеся глубоким развитием базового АЛ-31Ф (АЛ-31ФП) со значительно повышенными характеристиками. [18]

В 2011 году Китай приобрёл у России 150 двигателей АЛ-31Ф (используются на истребителях Су-27 и на китайских J-11) и 123 двигателя АЛ-31ФН (для оснащения китайских самолетов J-10). [19]

[править] 2012 год

В 2012 году Пекин и Москва подписали крупный контракт на поставку 140 авиадвигателей АЛ-31Ф. [20]

18.12.2012 — ГСИ двигателя РД-33МК, подтверждающие соответствие изделия требованиям российских вооруженных сил. [21]

[править] 2013 год

В мае 2013 года, в связи с тяжелым финансовым положением ММП им. В. В. Чернышева, было принято решение об организации серийного производства двигателей РД-33МК на УМПО в кооперации с другими предприятиями ОДК (НПЦ газотурбостроения «Салют», ЦТК «Лопатки ГТД» и др.). В 2013 году в Уфу был передан полный комплект рабочей конструкторской документации на двигатель РД-33МК. [22]

[править] 2014 год

В 2014 году Россия заключила контракт на поставку в Китай до конца 2016 года 100 двигателей РД-93, их техническое обслуживание и ремонт. [23]

В апреле 2014 года конструкторской документации на двигатель АЛ-31ФН серии 3 присвоена литера О1 — это значит, что он готов к серийному производству и поставкам. [24]

[править] 2015 год

К 2015 году производство двигателя АИ-222-25 было полностью локализовано в России. [25]

«Пермские моторы» отчитались о выпуске в 2015 году 23 новых двигателей семейства ПС-90А (в 2014 г. — 21) и трех первых для завода двигателей ПД-14. Помимо поставок новых двигателей «Пермские моторы» в 2015 году провели ремонт 20 ранее выпущенных ПС-90А, а также 24 двигателей Д-30 для самолетов Ту-134, эксплуатируемых госзаказчиками. [26]

НПО «Сатурн» в 2015 году завершило выполнение заключенного в конце 2011 г. крупного экспортного контракта на поставку 184 двигателей Д-30КП-2 в Китай. [27]

[править] 2016 год

В 2016 году начал осваиваться ремонт турбореактивных двигателей украинского производства Д-18Т для тяжелых военно-транспортных самолётов Ан-124 на мощностях АО «Уральский завод гражданской авиации». [28]

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин — turbojet engine ) — воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания.

В 1909 г. русский инженер Н. В. Герасимов представил схему первого в мире газотурбинного двигателя, используемого для создания реактивной тяги (турбореактивного газотурбинного двигателя) и получил патент на основной прообраз современного турбореактивного двигателя (ТРД). [1] [2] [3]

Патент на использование газовой турбины для движения самолёта был подан в 1921 году французским инженером Максимом Гийомом [fr] .

Первый работающий образец турбореактивного двигателя продемонстрировал английский лётчик и конструктор Фрэнк Уиттл 12 апреля 1937 в рамках экспериментальной серии Power Jets WU [en] .

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии направляется в сужающее сопло, образуя реактивную тягу, которая является основной движущей силой. [4]

Ключевые характеристики ТРД следующие:

  1. Создаваемая двигателем тяга.
  2. Удельный расход топлива (масса топлива, потребляемая за единицу времени для создания единицы тяги/мощности)
  3. Расход воздуха (масса воздуха, проходящего через каждое из сечений двигателя за единицу времени)
  4. Степень повышения полного давления в компрессоре
  5. Температура газа на выходе из камеры сгорания.
  6. Масса и габариты.

Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90).

Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными (НК-22) или трехкаскадными (НК-25). Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своим каскадом турбины. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последним (самым низкооборотным) каскадом турбины, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (каскада высокого давления для двухкаскадного двигателя, каскада среднего давления для трехкаскадного). Каскады двигателя также именуют роторами низкого, среднего и высокого давления.

Читать еще:  Бмв тюнинг двигателя м60

Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.

Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.

Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.

Благодаря компрессору ТРД (в отличие от ПВРД) может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.

При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве (так же, как в ПВРД) и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.

Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещён в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:

  • Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведёт к уменьшению работы, производимой им при расширении.

Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.

  • Турбина поглощает часть энергии рабочего тела перед поступлением его в сопло.

В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды, [5]

P = G ⋅ ( c − v ) , (1)

где P — сила тяги,
G — секундный расход массы рабочего тела через двигатель,
c — скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя),
v — скорость полёта,
ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями M = 2,5 — 3 (M — число Маха). На этих и более высоких скоростях полёта торможение встречного потока воздуха создаёт степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и ещё бо́льшее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полёта (при M > 3) агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создаёт дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Форсажная камера

Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. В форсажной камере применяется стабилизатор, функция которого состоит в снижении скорости за ним до околонулевых значений, что обеспечивает стабильное горение топливной смеси. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолётов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.

Гибридный ТРД / ПВРД

В 1960-х годах в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До числа Маха М = 2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М = 3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.

Гибридный ТРД / РД

Двигатели этого типа при полете в атмосфере в качестве окислителя используют кислород из атмосферного воздуха, а при полете за пределами атмосферы в качестве окислителя используют жидкий кислород из топливных баков. Двигатели такого типа планировалось использовать в проекте HOTOL и намечено в проекте Skylon [6] .

Регулируемые сопла

ТРД, скорость истечения реактивной струи в которых может быть как дозвуковой, так и сверхзвуковой на различных режимах работы двигателей, оборудуются регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического (самого узкого) и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях и режимах работы двигателя.[1] (недоступная ссылка)

Область применения

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).

Модификации и след в истории

У Ан-72 есть множество различных модификаций. Это и самолеты, предназначенные для патрулирования прибрежных границ моряками и пограничниками (Ан-72 П), и воздушные суда для ведения радиоэлектронной разведки в военное время (Ан-72 Р), и для проведения поисково-спасательных операций в распоряжении МЧС (Ан-72ПС), и транспортные воздушные суда, адаптированные для международных перевозок (Ан-72 В).

«Чебурашке-угольщику» принадлежат два мировых рекорда. В 1983 году максимальной высота полета составила 13 410 м для самолетов данной категории. А спустя 2 года был установлен скоростной рекорд на 2000 километровом отрезке пути (681,8 км/ч).

Этот самолет тепло приняли летчики, как гражданской, так и военной авиации. Воздушным судном легко управлять, его системы и агрегаты работают бесперебойно и надежно, как швейцарские часы.

Ан-72 активно используют в различных родах авиаций иностранных государств, несмотря на то, что самолеты, выпущенные с заводских конвейеров больше 30 лет назад в скором времени выработают свой летный ресурс. Эти факты показывают нам, что наш «Чебурашка» — совсем не сказочный персонаж.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector