Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Глава 2 тяга, мощность и удельные парамеры авиационных двигателей

Глава 2 тяга, мощность и удельные парамеры авиационных двигателей

2.1. Двигатель и силовая установка

Следует различать понятия двигатель и силовая установка.

Двигателем принято называть устройство, участвующее в создании тяги (или мощности), необходимой для движения летательного аппарата. Двигатель является составной частью силовой установки, той ее частью, которая изготавливается и поставляется двигательным заводом.

Авиационной силовой установкой называют конструктивно объединенную совокупность двигателя с входным и выходным устройствами (с теми их элементами, которые изготавливаются на самолетостроительном заводе), встроенную в конструкцию планера (фюзеляжа или крыла) или скомпонованную в отдельных двигательных гондолах.

Силовая установка, помимо двигателя, входного и выходного устройств, включает в себя еще системы топливопитания, автоматического управления, обеспечивающие ее надежное функционирование, а также узлы крепления, необходимые для передачи усилий от двигателя к планеру. В теории авиационных двигателей эти системы и узлы не рассматриваются.

2.2. Тяга реактивного двигателя

Под тягой двигателя Р понимают тягу, которую развивала бы силовая установка, если бы её внешнее обтекание было идеальным (т.е. без трения, отрывов потока и скачков уплотнения). Б.С. Стечкин еще в 1929 г. показал, что в этом случае тяга реактивного двигателя равна

, (2.1)

где Gв и Gг  расходы воздуха на входе в двигатель и газа на выходе из сопла, V и сс – скорость полёта и скорость истечения газа в выходном сечении сопла (направленная параллельно вектору скорости V), а Fс и рс – площадь выходного сечения сопла и давление газа в этом сечении.

Эта формула получила наименование формулы Стечкина.

В формуле Стечкина в ряде случаев могут быть сделаны упрощения. Так, если пренебречь тем, что расходы воздуха на входе в двигатель и газа на выходе из негонесколько различны, получим.

. (2.2)

отличается от из-за подвода топлива и отборов воздуха на нужды летательного аппарата.

При полном расширении газа в сопле до атмосферного давления

(рс=рН) эта формула тяги приобретает еще более простой вид

. (2.3)

2.3. Эффективная тяга силовой установки

Под эффективной тягой силовой установки Рэф понимают тягу двигателя Р за вычетом всех внешних сопротивлений, создаваемых самой силовой установкой.

По физическому смыслу Рэф является равнодействующей всех сил давления и трения, действующих на элементы проточной части со стороны газового потока, протекающего через силовую установку изнутри, и внешнего потока воздуха, обтекающего силовую установку снаружи. Задача определения эффективной тяги сводится к нахождению векторной суммы всех указанных сил. Эти силы принято разделять на внутренние (Rвн) и наружные (Rнар).

Внутренние силы представляют собой сумму сил давления и трения, действующих на рабочие поверхности силовой установки, со стороны воздуха и газа, протекающих через силовую установку. Величина равнодействующей внутренних сил практически не зависит от способа установки двигателя на летательном аппарате.

Наружные силы представляют собой совокупность сил давления и трения, действующих на силовую установку со стороны обтекающего ее внешнего потока. Эти силы существенно зависят от способа размещения силовой установки на летательном аппарате.

Рассмотрим наиболее простой с точки зрения учета условий внешнего обтекания случай, когда силовая установка расположена в отдельной мотогондоле. Рассмотрим ее обтекание в полёте (рис. 2.1). При этом предположим, что векторы скорости полёта и скорости истечения газа из соплапараллельны оси двигателя.

Рис. 2.1. Схема обтекания двигательной гондолы

Сечения в невозмущенном потоке перед силовой установкой, на входе в воздухозаборник и на выходе из сопла двигателя обозначим Н-Н, вх-вх и с-с. Соответственно, площади этих нормальных сечений будут FН, Fвх и Fс. Наружную поверхность силовой установки здесь условно разделим на три части: лобовую часть вхМ, центральную часть Ми кормовую частьc.

Набегающий поток воздуха разделяется поверхностью тока Н-вх на внутренний, проходящий через двигатель, и внешний, обтекающий силовую установку снаружи.

Главной причиной возникновения внешнего сопротивления силовой установки является повышение давления на головном участке гондолы вх-М (р>pH) и наличие разрежения на ее кормовом участке -c (p 6 / 93 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

ОДК испытала демонстратор двигателя для перспективных орбитальных самолетов

Объединенная двигателестроительная корпорация Ростеха завершила первый этап испытаний демонстратора прямоточного пульсирующего детонационного двигателя, который в будущем сможет применяться в перспективных ракетно-космических системах, гиперзвуковых летательных аппаратах и орбитальных самолетах. Силовая установка на отдельных режимах работы продемонстрировала увеличение удельной тяги до 50% в сравнении с двигателями традиционных схем.

Читать еще:  Ваз 21074 инжектор как работают датчики двигателя

Пульсирующий детонационный двигатель — новый тип силовой установки для авиации. В нем реализуется более экономичный, в отличие от используемого в существующих газотурбинных двигателях, термодинамический цикл. В ОКБ им. А. Люльки (филиал ПАО «ОДК-УМПО») сформировано отдельное направление по разработке таких силовых установок.

«Первый этап испытаний демонстратора пульсирующего детонационного двигателя успешно завершен. Демонстратор выдал требуемые показатели. На отдельных режимах работы удельная тяга до 50% превысила показатели традиционных силовых установок. В перспективе это позволит в 1,3-1,5 раза увеличить максимальную дальность и массу полезной нагрузки летательных аппаратов. Разработка сможет применяться, например, на орбитальных самолетах, сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратах, перспективных ракетно-космических системах», — рассказали в авиационном кластере Ростеха.

Оснащенные пульсирующими детонационными двигателями летательные аппараты будут иметь лучшую динамику полета и маневренность. Этот тип двигателя сможет использоваться в развитие традиционных ракетных и воздушно-реактивных силовых установок или как дополнение к ним.

«Простота конструкции и относительно низкие требования к значениям величин газодинамических параметров позволяют применять при его создании технологии, отработанные на предыдущих поколениях двигателей. Это дает большое коммерческое и экономическое преимущество по сравнению с разрабатываемыми перспективными двигателями традиционных схем», — отметил генеральный конструктор-директор ОКБ имени А. Люльки Евгений Марчуков.

В 2016 году авторский коллектив проекта «Пульсирующий детонационный двигатель» стал победителем конкурса «Лучший инновационный проект по направлениям критических технологий в РФ» в Сколково. Макет пульсирующего детонационного двигателя впервые был представлен на Международном военно-техническом форуме «Армия-2017».

Как сообщалось ранее, в этом году Объединенная двигателестроительная корпорация Ростеха начнет серийное производство новейших отечественных двигателей ПД-14 для самолета МС-21, а также изготовит опытные образцов двигателя ВК-650В для легких вертолетов типа Ка-226Т.

АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (входит в Госкорпорацию Ростех) — интегрированная структура, специализирующаяся на разработке, серийном изготовлении и сервисном обслуживании двигателей для военной и гражданской авиации, космических программ и военно-морского флота, а также нефтегазовой промышленности и энергетики.

Госкорпорация Ростех — одна из крупнейших промышленных компаний России. Объединяет более 800 научных и производственных организаций в 60 регионах страны. Ключевые направления деятельности — авиастроение, радиоэлектроника, медицинские технологии, инновационные материалы и др. В портфель корпорации входят такие известные бренды, как АВТОВАЗ, КАМАЗ, ОАК, «Вертолеты России», ОДК, Уралвагонзавод, «Швабе», Концерн Калашников и др. Ростех активно участвует в реализации всех 12 национальных проектов. Компания является ключевым поставщиком технологий «Умного города», занимается цифровизацией государственного управления, промышленности, социальных отраслей, разрабатывает планы развития технологий беспроводной связи 5G, промышленного интернета вещей, больших данных и блокчейн-систем. Ростех выступает партнером ведущих мировых производителей, таких как Boeing, Airbus, Daimler, Pirelli, Renault и др. Продукция корпорации поставляется более чем в 100 стран мира. Почти треть выручки компании обеспечивает экспорт высокотехнологичной продукции.

Самолет на атомной тяге и другие шедевры GE Aviation. История реактивных двигателей

Когда Соединенные Штаты Америки вступили в Первую мировую войну, авиация находилась еще в отрочестве. Но уже тогда молодому авиационному ведомству армии США требовались такие самолеты, которые летали бы выше и не теряли бы при этом мощности.
У Сэнфорда Мосса — инженера компании GE и одного из ярчайших умов в отрасли паровых турбин — возникла на этот счет интересная идея. Он был первым в мире, кто додумался, как использовать горячий выхлопной газ для работы турбины, и он предположил, что этот принцип можно применить и к аэропланам.

Мосс и его бюро начали проектировать устройство под названием «турбокомпрессор», выхлопные газы которого использовались для работы небольшой турбины. Она, в свою очередь, увеличивала давление воздуха в цилиндрах и придавала двигателю больше энергии — особенно на больших высотах, где воздух более разрежен.

В 1918 году Мосс отвез это устройство на гору Пайкс-Пик в Колорадо (высота 4267 м, см. рис. выше) и доказал, что авиационный двигатель Liberty V-12 с компрессором работает на такой высоте гораздо лучше, чем обычный двигатель. Правительству это решение понравилось, и компания GE получила соответствующий заказ.

Мосс приспособил свой турбокомпрессор, который он испытывал на горе Пайкс-Пик, для установки на самолете.
Благодаря этому контракту GE вошла в сферу авиастроения, и с этого начался ее взлет. В 2013 году авиаподразделение компании получило $ 22 млрд. выручки с изготовления авиакомпонентов, авионики и, конечно же, собственно двигателей. Сейчас в мире эксплуатируется более 30 тыс. единиц авиатехники GE/ двигателей от GE — начиная от турбовинтовых самолетов сельхозавиации и самолетов местного сообщения до самых больших и самых мощных в мире реактивных двигателей самолетов «Боинг-777».

Читать еще:  Что означает если двигатель сапунит

Давайте, познакомимся с историей подразделения GE Aviation.

Первый авиационный турбокомпрессор: в 1921 году на биплане Ле Пера (см. выше), оборудованном турбокомпрессором Мосса, был поставлен мировой рекорд высоты — 12435 метров. В 1937 Говард Хьюз использовал это устройство для своего рекордного трансконтинентального перелета из Ньюарка (Нью-Джерси) в Лос-Анджелес, который длился 7 часов 28 минут и 25 секунд. Авиаподразделение GE изготавливало турбокомпрессоры в течение нескольких десятилетий. Более современные версии этой технологии использовались на американских бомбардировщиках В-17, В-24 и В-29 во время Второй мировой войны. Так как тогда GE еще не изготавливала двигатели полностью, она работала с поршневыми двигателями Pratt & Whitney и Curtiss-Wright.

Первый реактивный двигатель в США: осенью 1941 года засекреченная группа инженеров GE под названием «Хаш-хаш бойз» («Ребята Шшш!», на фото выше) использовала двигатель Фрэнка Уиттла для разработки первого американского реактивного двигателя. Прототип поднялся в воздух в 1942 году, а в 1944 году реактивный двигатель поступил в производство. Он использовался для самолета «Локхид Р-80 Шутинг Стар» — первого реактивного истребителя в арсенале ВВС США.

Первый коммерческий реактивный двигатель в США: в 1947 году двигатель J47, произведенный GE, стал первым реактивным двигателем, сертифицированным для коммерческой авиации в США. Компания произвела их более 35 000 единиц по цене $ 32 000 каждый. Они применялись для широкого круга задач. Один такой двигатель использовался в реактивном автомобиле «Спирит оф Америка», а два других приводили в движение реактивный поезд, который до сих пор считается самым быстрым в мире (см. выше).

Первые сверхзвуковые двигатели: в 1948 г. компания GE наняла немецкого пионера авиации Герхарда Ноймана, который незамедлительно приступил к работам по реактивному двигателю. Он создал революционную конструкцию, благодаря которой летчики могли поворачивать лопатки у статора двигателя (см. выше). При этом менялось внутреннее давление, и самолет мог лететь быстрее скорости звука. Когда в GE начали испытывать первый реактивный двигатель с поворотными лопатками Ноймана, инженеры даже подумали, что их приборы неисправны — такова была вырабатываемая мощность.

В 1960-е гг. самолеты «XB-70 Валькирия» с двигателем GE (см. выше) достигали скорости более чем 3 Маха — это в три раза больше скорости звука.

Два экспериментальных реактора для испытания реактивных атомных двигателей в Арко, штат Айдахо. Графические материалы предоставлены: Wtshymanski.
Атомный реактивный двигатель: в 1954 GE поставила атомный реактивный двигатель на испытательный стенд в Арко, штат Айдахо. Он проработал в безотказном режиме более 100 часов перед тем, как проект был отправлен в архив. Предполагалось, что в самолете будет использоваться тепло от атомного реактора — самолет с такими двигателями теоретически мог бы оставаться в воздухе и сутками, и неделями. Хотя ВВС США и приспособили бомбардировщик «В 36 Peacemaker» под установку атомного реактора, на практике эти двигатели никогда не использовались.

Первый турбовентиляторный двигатель с высокой степенью двухконтурности: в 1960-х гг. инженеры GE занялись разработкой нового мощного реактивного двигателя, который мог бы поднимать тяжелые грузы и переносить их на дальние расстояния, но при этом и мог более эффективно расходовать топливо. В итоге был создан двигатель TF39 (см. выше), обеспечивавший тягу в более чем 18 000 килограммов). Хотя он разрабатывался для военных задач, последующие версии этого двигателя (семейство CF 6) использовались и для пассажирских самолетов — «Боинг-747», «DC 10», «Локхид L1011» и «Эйрбас А-300». Двигатели типа CF-6 и сейчас используются для президентского борта № 1 США.

Первый турбовентилятор с открытым ротором: после нефтяного кризиса в 1970-е гг. GE и NASA разработали забавно выглядящий двигатель под названием «турбовентилятор с открытым ротором» (см. рис. выше, а также основной рисунок). Этот двигатель, названный GE36, стал своего рода гибридом между реактивным и винтовым двигателем. В этой экономичной машине впервые были использованы лопатки, изготовленные из легких и прочных углеродно-волоконных композитных материалов. GE до сих пор является единственной компанией-производителем реактивных двигателей, которая использует эти материалы для лопаток таких двигателей. В 1988 г. пассажирский лайнер «MD-80» с двигателем GE36 совершил полет из США в Англию на авиашоу в Фарнборо (смотрите архивную съемку демонстрационного полёта).

Читать еще:  402 двигатель работает на двух цилиндрах

Самый большой и самый мощный двигатель в мире: хотя турбовентилятор с открытым ротором и не стал популярным, технология производства углеродно волоконных лопаток позволила инженерам GE создать новую линию массивных турбовентиляторов с высокой степенью двухконтурности. К этому относится и двигатель GE90-115B (см. выше) (самый мощный в мире реактивный двигатель, с тягой более 52 000 килограммов), двигатель GEnx, а также GE9X — самый большой в мире двигатель с вентилятором диаметром 3,25 метра (этот двигатель до сих пор находится в разработке).

Первые двигатели с деталями, изготовленными на 3D-принтере, и из новых керамических материалов: реактивный двигатель LEAP — первый реактивный двигатель с топливными форсунками, выполненными на 3D-принтере, и с компонентами, изготовленными из прочных композитных материалов с керамической матрицей (КМКМ), которые весят гораздо меньше, чем материалы даже из высокосортных сплавов. Двигатель LEAP, который на 15% экономичнее сравнимых с ним двигателей GE, был разработан компанией CFM International — совместным предприятием GE Aviation и Snecma (Safran), Франция. CFM получила заказов и гарантий более чем на $100 млрд. США на более 7700 двигателей LEAP, даже если они и не будут введены в эксплуатацию до 2016 г.

Китайцы создали мощный плазменный реактивный двигатель из микроволновки, компрессора и батарейки

Из китайского Уханя приходят не только плохие новости. В этом городе расположено несколько крупнейших в стране исследовательских институтов, которые способны решать сложнейшие научные задачи. Новое открытие учёных из Института технических наук Уханьского университета намекает на возможный прорыв в разработке реактивных двигателей на плазменной тяге для электросамолётов.

Сам по себе плазменный двигатель не является чем-то новым. Такие двигатели активно используются в космических аппаратах. Тяга там небольшая, но достаточная для небольших корректировок орбиты. Солнца и электричества, которое оно вырабатывает в солнечных панелях спутников, в космосе в избытке. Но для Земной атмосферы космические двигатели не подходят по причине использования ксенона (ксеноновая плазма в атмосфере неэффективна). Учёные из Китая смогли воспользоваться для создания плазмы обычным воздухом, а это путь к работе плазменного двигателя в атмосфере и в авиацию на электрической тяге.

Схема опытной установки

Предложенный китайцами двигатель работает на основе ионизации воздуха. Воздух под давлением подаётся компрессором в кварцевую трубу, выход которой можно считать условным соплом реактивного двигателя. Где-то на середине трубы к ней приставлена сужающаяся (для увеличения напряжённости магнитного поля) горловина волновода. На другом конце волновода закреплён магнетрон мощностью 1 кВт с рабочей частотой 2,45 ГГц.

Зависимость длины плазменного факела от подаваемой на магнетрон мощности (линейная регулировка тяги)

Во время запуска двигателя на идущий под давлением в трубе воздух производится почти точечный микроволновый удар и дальнейшее воздействие. Сила микроволнового излучения такова, что происходит сильнейшая ионизация потока воздуха. Возникает факел из плазмы, который вырывается из трубки и создаёт тяговое давление. Интересно отметить, как китайцы измеряли давление плазменного факела. Для этого они положили на отверстие выхлопа полый стальной шар и заполняли его металлическими шариками для подбора точного веса. Данные измерений не самые точные, но примерно дают представление о возможностях двигательной установки.

Графики измерений (обратите внимание на отсутствие результатов на максимальных режимах)

Согласно измерениям и аппроксимации, удельная тяга лабораторного прототипа воздушно-реактивного микроволнового плазменного двигателя составила 28 Н/кВт. Это примерно столько же, сколько у современных керосиновых авиационных двигателей авиалайнеров. Если взять батарею электромобиля Tesla Model S мощностью 310 кВт, то тяга гипотетического плазменного двигателя может достигать 8500 Н. Для сравнения, винтовой электросамолёт Airbus E-Fan использует два электропривода мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Нетрудно посчитать, что эффективность электросамолёта Airbus E-Fan составляет 25 Н/кВт, что ниже, чем у китайской разработки.

Очевидно, учёным ещё предстоит усовершенствовать прототип воздушно-реактивного двигателя. Впрочем, данное исследование оставляет вопросы. Например, на показанном учёными графике линейной зависимости тяги от мощности микроволнового излучения и давления подаваемого воздуха нет показателей для крайних значений (статья). Учёным есть что скрывать? Но сама идея выглядит заманчивой, этого не отнять.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector