Меню

Устройство двигателя самолета: Турбовинтовой двигатель — принцип работы турбовинтового двигателя

Category: Разное

Содержание

Турбовинтовой двигатель — принцип работы турбовинтового двигателя

Внешне турбовинтовой двигатель самолета сильно похож на моторы поршневого типа. Но их сходства только визуальны, так как во всем остальном они совершенно отличаются. У данного двигателя совсем другие характеристики, тип и режим работы, также отличаются и их возможности.

ТВД – по сути, являться газотурбинным двигателем, который нашел большой спрос в авиастроении. Газотурбинный двигатель был создан для единственной цели, он должен был стать универсальным преобразователем энергии, благодаря этой особенности он стал использоваться в авиации.

ГТД является своего рода тепловой машиной. В момент сгорания топлива идет выброс газов, которые и вращают турбину, тем самым создают крутящий момент. Также есть возможность прикрепить к валу турбины необходимые дополнения. К ТВД отличным дополнением будет воздушный винт.

ТВД является некой смесью моторов поршневого типа с турбореактивным. Изначально самолеты были оснащены только поршневыми двигателями. Они выглядели как цилиндры и устанавливались в форме звезды, в центре этой звезды ставился вал, благодаря которому и и происходило вращение воздушного винта. Но из-за их низких характеристик и ограничения в скорости было принято решение об отказе от данного двигателя. На замену им как раз пришли турбовинтовые двигатели (ТВД).

Самый первый двигатель был создан в СССР, первые успешные испытания были проведены еще в 30-х годах, ТВД поступили на массовое производство спустя 20 лет. Его почти сразу же начали устанавливать в гражданские и военные самолеты. Что позволило улучшить преимущество в небе.

Принцип работы ТВД

Строение двигателя является очень простым, в нем нет никаких сложных схем. В нем находиться воздушный винт с редуктором, компрессор, камера сгорания топлива, турбина и сопла (выходное устройство). С помощью компрессора происходит нагнетания и сжатие воздуха, после этого он отправляет этот воздух в камеру сгорание, куда подается топливо. Горючая смесь образуется во время смешивания сжатого воздуха и топливом.

После воспламенения смесь оставляет после себя газ с большим энергичным потенциалом. После газ начинает расширяться и выходит на лопасть турбины, тем самым начинает ее вращать. Вследствие этого начинается и вращение воздушного винта с компрессором, их вращение начинается за счет работы лопастей.

Не использованный газ выходит в сопло, и с помощью него образуется реактивная тяга. Величина тяги может доходить до 10 процентов тяги самого мотора. Из-за незначительно тяги ТВД не является реактивным двигателем. Если обратить внимание на строение и принцип работы двигателя, то его можно сравнить с турбореактивным двигателям. Но есть одна особенность в реактивном двигателе, остатки энергии не выходят в виде воздуха через сопло, они до конца расходиться на работу винта.

Вал

Существует две разновидности двигателя, в первом случае в двигателе находиться один рабочий вал, а во втором установлено два вала. В одновальном двигателе все расположено на единственном валу, в то время как на двухвальном ТВД, на одном валу расположена турбина с компрессором, а на втором находиться винт и редуктор, также они никак не связанны друг с другом.

Если в мотор двухвального типа, то его структура выглядит примерно так: в нем находиться две турбины, которые связанны между собой с помощью газодинамики. Одна турбина служит для работы компрессора, а другая в то время отвечает за работу самого винта. ТВД двухвального типа используют намного чаще, чем другой вариант двигателя, так как его характеристики намного лучше, чем у одновального типа. Но двигатель второго типа выглядит намного сложнее, чем другой тип двигателя. Также двухвальный ТВД способен начать выработку энергии до начала запуска самого винта.

Компрессор

Компрессор у ТВД обладает ступенчатой конструкцией, количество ступени варьируется от 2 до 6. Благодаря такой системе двигатель лучше работает с перепадами температуры и давлением, благодаря этому пилот может с легкостью регулировать обороты двигателя. Такая конструкция позволяет не только лучше работать мотору, но и из-за ступенчатой системы появилась возможность облегчить вес мотора.

Эта особенность очень важна для авиации, так как вес самолета также снижается, а за счет этого есть возможность развивать необходимую скорость и совершать перелеты на более длинные дистанции, так как топливо затратность зависит от веса самолета. В составе компрессора находиться: рабочие колеса с лопатками и направляющий аппарат.

Существует несколько видов аппарата, первый это регулируемый, в направляющем аппарате установлены лопатки, с помощью которых его можно поворачивать вокруг оси. А второй вариант не имеет возможности регулирования.

Воздушный винт

Благодаря воздушному винту создается тяга, но у каждого винта есть свои ограничения в скорости. Самая идеальная скорость вращения винта является 750-1,5 тысячи оборотов в минуту, в данной частоте уровень коэффициента полезного действия винта самый большой, но если скорость заходит за эти пределы, КПД начинает значительно падать.

В тоже время винт начинает приносить не повышение скорости, а наоборот начинает работать как тормоз. Такую особенность еще называют как «эффект запирания».

Такой эффект происходит из-за того что одна часть лопастей начинает набирать завышенные обороты и тем самым превышает скорость звука, из-за чего двигатель начинает неправильно работать. Такой эффект сработает также если лопастям увеличить их в диаметре, так как чем лопасть длиннее, тем выше скорость потока на концах лопастей.

Турбина

Турбина в двигателе может разогнаться до 20 тысяч оборотов в минуту, но воздушный винт не сможет справиться с такой скоростью и просто выйдет из строя. Из-за этого турбину оснащают редуктором, который в свою очередь занижает вращение и увеличивает крутящий момент. Несмотря на строения и формы редуктором, задача у них остается одной и той же, уменьшение скорости и повышение крутящего момента.

Из-за этого ТВД не может раскрыть всего своего потенциала, эти недостатки сильно ударяют по военным самолетам, так как им очень важна скорость и маневренность. Авиаконструкторы и инженеры не оставляют надежны в разработке нового двигателя, который позволит избежать таких неудобств.

Турбовинтовой двигатель принцип работы

Двигатель турбовинтовой: устройство, схема, принцип работы

Двигатель турбовинтовой принадлежит к классу газотурбинных, которые разрабатывались как универсальные преобразователи энергии и стали широко использоваться в авиации. Они состоят из тепловой машины, где расширенные газы вращают турбину и образуют крутящий момент, а к ее валу прикрепляют другие агрегаты. Двигатель турбовинтовой снабжается воздушным винтом.

Он представляет собой нечто среднее между поршневыми и турбореактивными агрегатами.

Сначала в самолеты устанавливали поршневые двигатели, состоящие из цилиндров в форме звезды с расположенным внутри валом. Но из-за того, что они имели слишком большие габариты и вес, а также низкую возможность скорости, их перестали использовать, отдав предпочтение появившимся турбореактивным установкам. Но и эти двигатели не были лишены недостатков. Они могли развивать сверхзвуковую скорость, но потребляли очень много топлива. Поэтому их эксплуатация обходилась слишком дорого для пассажирских перевозок.

Двигатель турбовинтовой должен был справиться с подобным недостатком. И эта задача была решена. Конструкция и принцип работы были взяты из механизма турбореактивного мотора, а от поршневого — воздушные винты. Таким образом, стало возможным совмещение небольших габаритов, экономичности и высокого коэффициента полезного действия.

Устройство турбовинтового двигателя и принцип его работы

Конструкция мотора:

  • редуктор;
  • воздушный винт;
  • камера сгорания;
  • компрессор;
  • сопло.

Схема турбовинтового двигателя выглядит следующим образом: после нагнетания и сжатия компрессором воздух попадает в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо. Полученная смесь воспламеняется и создает газы, которые при расширении поступают в турбину и вращают ее, а она, в свою очередь, вращает компрессор и винт. Нерастраченная энергия выходит через сопло, создавая реактивную тягу. Так как величина ее не является существенной (всего десять процентов), не считается турбореактивным турбовинтовой двигатель.

Рабочий вал

Бывают двигатели с одним или двумя валами. В одновальном варианте на одном валу находятся и компрессор, и турбина, и винт. В двухвальном — на одном из них установлены турбина и компрессор, а на другом — винт через редуктор. Здесь же имеются две турбины, связанные друг с другом газодинамическим способом. Одна из них предназначена для винта, а другая — для компрессора. Такой вариант наиболее распространен, так как энергия может применяться без запуска винтов. А это особенно удобно, когда самолет находится на земле.

Компрессор

Эта деталь состоит из двух-шести ступеней, позволяющих воспринимать существенные перепады температуры и давления, а также снижать обороты. Благодаря такой конструкции получается понизить вес и габариты, что является очень важным для авиационных двигателей. В компрессор входят рабочие колеса и направляющий аппарат. На последнем может быть предусмотрена или не предусмотрена регуляция.

Воздушный винт

Благодаря этой детали образуется тяга, но скорость является ограниченной. Лучшим показателем считается уровень от 750 до 1500 оборотов в минуту, так как при увеличении коэффициент полезного действия начнет падать, и винт вместо разгона будет превращаться в тормоз. Явление называется «эффектом запирания». Оно вызвано лопастями винта, которые на высоких оборотах при вращении, превышающей скорость звука, начинают функционировать некорректно. Тот же самый эффект будет наблюдаться при увеличении их диаметра.

Турбина

Турбина способна развить скорость до двадцати тысяч оборотов в минуту, но винт не сможет ей соответствовать, поэтому здесь имеется понижающий редуктор, сокращающий скорость и увеличивающий крутящий момент.

Редукторы могут быть разными, но главная их задача вне зависимости от вида — снижать скорость и повышать момент.

Именно эта характеристика ограничивает использование турбовинтового двигателя в военных самолетах. 

Преимущества и недостатки

Преимуществами являются:

  • малый вес по сравнению с поршневыми агрегатами;
  • экономичность по сравнению с турбореактивными моторами (благодаря воздушному винту коэффициент полезного действия достигает восьмидесяти шести процентов).

Недостатки:

 — скоростной предел — 750км/ч, что мало для современной авиации;

— высокий шум, превышающий допустимые значения Международной организации гражданской авиации.

Сфера использования

Турбовинтовые двигатели используются в тех случаях, когда скорости полета самолета относительно невелики. На большом количестве современных транспортных самолетов применяются именно ТВД. Их преимущество прежде всего в экономичности. 

Для турбовинтовых двигателей сила тяги состоит из тяги воздушного винта и силы тяги, возникающей при истечении газа из сопла. В зависимости от скорости полета самолета изменяются доли двух составляющих тяги.

При малых скоростях (крейсерских для транспортных самолетов) доля тяги от воздушных винтов значительно превышает вторую составляющую.

В ТВД часто используется комбинация компрессоров.

Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя.

Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности».

Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.

Преимущества турбовентиляторного двигателя от турбореактивного таковы: во‑первых, если большая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во‑вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.

Туробореактивные двигатели ставят на самолеты с требованием значительной скорости и соответственно мощности.

Конструкция двухконтурных турбореактивных двигателей обеспечивает поступление воздуха в значительных количествах, что на высоких скоростях обеспечивает большую тягу. Второй контур, контур низкого давления, таким образом, дает дополнительную силу тяги. Соотношение двух составляющих общей тяги зависит от конструкции двигателей и режимов работы.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Основные части самолета. Устройство самолета

Изобретение самолета позволило не только осуществить древнейшую мечту человечества – покорить небо, но и создать самый быстрый вид транспорта. В отличие от воздушных шаров и дирижаблей, самолеты мало зависят от капризов погоды, способны преодолевать большие расстояния на высокой скорости. Составные части самолета состоят из следующих конструктивных групп: крыла, фюзеляжа, оперения, взлетно-посадочных устройств, силовой установки, управляющих систем, различного оборудования.

Принцип действия

Самолет – летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха, оборудованный силовой установкой. При помощи этой важнейшей части самолета создается необходимая для осуществления полета тяга – действующая (движущая) сила, которую развивает на земле или в полете мотор (воздушный винт или реактивный двигатель). Если винт расположен перед двигателем, он называется тянущим, а если сзади – толкающим. Таким образом, двигатель создает поступательное движение самолета относительно окружающей среды (воздуха). Соответственно, относительно воздуха движется и крыло, которое создает подъемную силу в результате этого поступательного движения. Поэтому аппарат может держаться в воздухе только при наличии определенной скорости полета.

Как называются части самолета

Корпус состоит из следующих основных частей:

  • Фюзеляж – это главный корпус самолета, связывающий в единое целое крылья (крыло), оперения, силовую систему, шасси и другие составляющие. В фюзеляже размещаются экипаж, пассажиры (в гражданской авиации), оборудование, полезная нагрузка. Также может размещаться (не всегда) топливо, шасси, моторы и т. д.
  • Двигатели используются для приведения в движение ЛА.
  • Крыло – рабочая поверхность, призванная создавать подъемную силу.
  • Вертикальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно вертикальной оси.
  • Горизонтальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно горизонтальной оси.

Крылья и фюзеляж

Основная часть конструкции самолета – крыло. Оно создает условия для выполнения главного требования для возможности полета – наличие подъемной силы. Крыло крепится к корпусу (фюзеляжу), который может иметь ту или иную форму, но по возможности с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Для этого ему предоставляют удобно обтекаемую каплеобразную форму.

Передняя часть самолета служит для размещения кабины пилотов и радиолокационных систем. В задней части находится так называемое хвостовое оперение. Оно служит для обеспечения управляемости во время полета.

Конструкция оперения

Рассмотрим среднестатистический самолет, хвостовая часть которого выполнена по классической схеме, характерной для большинства военных и гражданских моделей. В этом случае горизонтальное оперение будет включать неподвижную часть – стабилизатор (от латинского Stabilis, устойчивый) и подвижную – руль высоты.

Стабилизатор служит для придания устойчивости ЛА относительно поперечной оси. Если нос летательного аппарата опустится, то, соответственно, хвостовая часть фюзеляжа вместе с оперением поднимется вверх. В этом случае давление воздуха на верхней поверхности стабилизатора увеличится. Создаваемое давление вернет стабилизатор (соответственно, и фюзеляж) в исходное положение. При подъеме носа фюзеляжа вверх давление потока воздуха увеличится на нижней поверхности стабилизатора, и он снова вернется в исходное положение. Таким образом, обеспечивается автоматическая (без вмешательства пилота) устойчивость ЛА в его продольной плоскости относительно поперечной оси.

Задняя часть самолета также включает вертикальное оперение. Аналогично горизонтальному, оно состоит из неподвижной части – киля, и подвижной – руля направления. Киль придает устойчивость движения самолету относительно его вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Принцип действия киля подобен действию стабилизатора – при отклонении носа влево киль отклоняется вправо, давление на его правой плоскости увеличивается и возвращает киль (и весь фюзеляж) в прежнее положение.

Таким образом, относительно двух осей устойчивость полета обеспечивается оперением. Но осталась еще одна ось – продольная. Для предоставления автоматической устойчивости движения относительно этой оси (в поперечной плоскости) консоли крыла планера размещают не горизонтально, а под некоторым углом относительно друг друга так, что концы консолей отклонены вверх. Такое размещение напоминает букву «V».

Системы управления

Рулевые поверхности – важные части самолета, предназначенные для управления воздушным судном. К ним относятся элероны, рули направления и высоты. Управление обеспечивается относительно тех же трех осей в тех же трех плоскостях.

Руль высоты – это подвижная задняя часть стабилизатора. Если стабилизатор состоит из двух консолей, то соответственно есть и два руля высоты, которые отклоняются вниз или вверх, оба синхронно. С его помощью пилот может менять высоту полета летательного аппарата.

Руль направления – это подвижная задняя часть киля. При его отклонены в ту или иную сторону на нем возникает аэродинамическая сила, которая вращает самолет относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс, в противоположную сторону от направления отклонения руля. Вращение происходит до тех пор, пока пилот не вернет руль в нейтральное (не отклоненное положение), и ЛА будет осуществлять движение уже в новом направлении.

Элероны (от франц. Aile, крыло) – основные части самолета, представляющие собой подвижные части консолей крыла. Служат для управления самолетом относительно продольной оси (в поперечной плоскости). Так как консолей крыла две, то и элеронов также два. Они работают синхронно, но, в отличие от рулей высоты, отклоняются не в одну сторону, а в разные. Если один элерон отклоняется вверх, то другой вниз. На консоли крыла, где элерон отклонен вверх, подъемная сила уменьшается, а где вниз – увеличивается. И фюзеляж ЛА вращается в сторону поднятого элерона.

Двигатели

Все самолеты оснащаются силовой установкой, позволяющей развить скорость, и, следовательно, обеспечить возникновение подъемной силы. Двигатели могут размещаться в задней части самолета (характерно для реактивных ЛА), спереди (легкомоторные аппараты) и на крыльях (гражданские самолеты, транспортники, бомбардировщики).

Они подразделяются на:

  • Реактивные – турбореактивные, пульсирующие, двухконтурные, прямоточные.
  • Винтовые – поршневые (винтомоторные), турбовинтовые.
  • Ракетные – жидкостные, твердотопливные.

Прочие системы

Безусловно, другие части самолета также важны. Шасси позволяют летательным аппаратам взлетать и садиться с оборудованных аэродромов. Существуют самолеты-амфибии, где вместо шасси используются специальные поплавки – они позволяют осуществлять взлет и посадку в любом месте, где есть водоем (море, река, озеро). Известны модели легкомоторных самолетов, оснащенных лыжами, для эксплуатации в районах с устойчивым снежным покровом.

Современные самолеты напичканы электронным оборудованием, устройствами связи и передачи информации. В военной авиации используются сложные системы вооружения, обнаружения целей и подавления сигналов.

Классификация

По назначению самолеты делятся на две большие группы: гражданские и военные. Основные части пассажирского самолета отличаются наличием оборудованного салона для пассажиров, занимающего большую часть фюзеляжа. Отличительной чертой являются иллюминаторы по бокам корпуса.

Гражданские самолеты подразделяются на:

  • Пассажирские – местных авиалиний, магистральные ближние (дальность меньше 2000 км), средние (дальность меньше 4000 км), дальние (дальность меньше 9000 км) и межконтинентальные (дальность более 11 000 км).
  • Грузовые – легкие (масса груза до 10 т), средние (масса груза до 40 т) и тяжелые (масса груза более 40 т).
  • Специального назначения – санитарные, сельскохозяйственные, разведывательные (ледовая разведка, рыборазведка), противопожарные, для аэрофотосъемки.
  • Учебные.

В отличие от гражданских моделей, части военного самолета не имеют комфортабельного салона с иллюминаторами. Основную часть фюзеляжа занимают системы вооружения, оборудование для разведки, связи, двигатели и другие агрегаты.

По назначению современные военные самолеты (учитывая боевые задачи, которые они выполняют), можно разделить на следующие типы: истребители, штурмовики, бомбардировщики (ракетоносцы), разведчики, военно-транспортные, специальные и вспомогательного назначения.

Устройство самолетов

Устройство летательных аппаратов зависит от аэродинамической схемы, по которой они выполнены. Аэродинамическая схема характеризуется количеством основных элементов и расположением несущих поверхностей. Если носовая часть самолета у большинства моделей похожа, то расположение и геометрия крыльев и хвостовой части могут сильно разниться.

Различают следующие схемы устройства ЛА:

  • «Классическая».
  • «Летающее крыло».
  • «Утка».
  • «Бесхвостка».
  • «Тандем».
  • Конвертируемая схема.
  • Комбинированная схема.

Самолеты, выполненные по классической схеме

Рассмотрим основные части самолета и их назначение. Классическая (нормальная) компоновка узлов и агрегатов характерна для большинства аппаратов мира, будь-то военных либо гражданских. Главный элемент – крыло – работает в чистом невозмущенном потоке, который плавно обтекает крыло и создает определенную подъемную силу.

Носовая часть самолета является сокращенной, что приводит к уменьшению требуемой площади (а следовательно, и массы) вертикального оперения. Это потому, что носовая часть фюзеляжа вызывает дестабилизирующий путевой момент относительно вертикальной оси самолета. Сокращение носовой части фюзеляжа улучшает обзор передней полусферы.

Недостатками нормальной схемы являются:

  • Работа горизонтального оперения (ГО) в скошенном и возмущенном крылом потоке значительно снижает его эффективность, что вызывает необходимость применения оперения большей площади (а, следовательно, и массы).
  • Для обеспечения устойчивости полета вертикальное оперение (ВО) должно создавать негативную подъемную силу, то есть направленную вниз. Это снижает суммарный КПД самолета: из величины подъемной силы, которую создает крыло, надо отнять силу, которая создается на ГО. Для нейтрализации этого явления следует применять крыло увеличенной площади (а, следовательно, и массы).

Устройство самолета по схеме «утка»

При данной конструкции основные части самолета размещаются иначе, чем в «классических» моделях. Прежде всего, изменения коснулись компановки горизонтального оперения. Оно располагается перед крылом. По этой схеме построили свой ​​первый самолет братья Райт.

Преимущества:

  • Вертикальное оперение работает в невозмущенном потоке, что повышает его эффективность.
  • Для обеспечения устойчивости полета оперение создает положительную подъемную силу, то есть она добавляется к подъемной силе крыла. Это позволяет уменьшить его площадь и, соответственно, массу.
  • Естественная «противоштопорная» защита: возможность перевода крыльев на закритические углы атаки для «уток» исключена. Стабилизатор устанавливается так, что он получает больший угол атаки по сравнению с крылом.
  • Перемещение фокуса самолета назад при увеличении скорости при схеме «утка» происходит в меньшей степени, чем при классической компоновке. Это приводит к меньшим изменениям степени продольной статической устойчивости самолета, в свою очередь, упрощает характеристики его управления.

Недостатки схемы «утка»:

  • При срыве потока на оперениях происходит не только выход самолета на меньшие углы атаки, но и его «проседания» вследствие уменьшения его общей подъемной силы. Это особенно опасно в режимах взлета и посадки из-за близости земли.
  • Наличие в носовой части фюзеляжа механизмов оперения ухудшает обзор нижней полусферы.
  • Для уменьшения площади переднего ГО длина носовой части фюзеляжа делается значительной. Это приводит к увеличению дестабилизирующего момента относительно вертикальной оси, и, соответственно, к увеличению площади и массы конструкции.

Самолеты, выполненные по схеме «бесхвостка»

В моделях данного типа нет важной, привычной части самолета. Фото летательных аппаратов «бесхвосток» («Конкорд», «Мираж», «Вулкан») показывает, что у них отсутствует горизонтальное оперение. Основными преимуществами такой схемы являются:

  • Уменьшение лобового аэродинамического сопротивления, что особенно важно для самолетов с большой скоростью, в частности, крейсерской. При этом уменьшаются затраты топлива.
  • Большая жесткость крыла на кручение, что улучшает его характеристики аэроупругости, достигаются высокие характеристики маневренности.

Недостатки:

  • Для балансировки на некоторых режимах полета часть средств механизации задней кромки крыла (закрылков) и рулевых поверхностей надо отклонять вверх, что уменьшает общую подъемную силу самолета.
  • Совмещение органов управления ЛА относительно горизонтальной и продольной осей (вследствие отсутствия руля высоты) ухудшает характеристики его управляемости. Отсутствие специализированного оперения заставляет рулевые поверхности находятся на задней кромке крыла, выполнять (при необходимости) обязанности и элеронов, и рулей высоты. Эти рулевые поверхности называются элевоны.
  • Использование части средств механизации для балансировки самолета ухудшает его взлетно-посадочные характеристики.

«Летающее крыло»

При данной схеме фактически нет такой части самолета, как фюзеляж. Все объемы, необходимые для размещения экипажа, полезной нагрузки, двигателей, топлива, оборудования находятся в середине крыла. Такая схема имеет следующие преимущества:

  • Наименьшее аэродинамическое сопротивление.
  • Наименьшая масса конструкции. В этом случае вся масса приходится на крыло.
  • Так как продольные размеры самолета небольшие (из-за отсутствия фюзеляжа), дестабилизирующий момент относительно его вертикальной оси является незначительным. Это позволяет конструкторам либо существенно уменьшить площадь ВО, либо вообще отказаться от него (у птиц, как известно, вертикальное оперение отсутствует).

К недостаткам относится сложность обеспечения устойчивости полета ЛА.

«Тандем»

Схема «тандем», когда два крыла располагаются один за другим, применяется нечасто. Такое решение используется для увеличения площади крыла при тех же значениях его размаха и длины фюзеляжа. Это уменьшает удельную нагрузку на крыло. Недостатками такой схемы является большое аэродинамическое сопротивление, увеличение момента инерции, особенно в отношении поперечной оси самолета. Кроме того, при увеличении скорости полета изменяются характеристики продольной балансировки самолета. Рулевые поверхности на таких самолетах могут располагаться как непосредственно на крыльях, так и на оперении.

Комбинированная схема

В этом случае составные части самолета могут комбинироваться с использованием различных конструкционных схем. Например, горизонтальное оперение предусмотрено и в носовой, и в хвостовой части фюзеляжа. На них может быть использовано так называемое непосредственное управление подъемной силой.

При этом носовое горизонтальное оперение совместно с закрылками создают дополнительную подъемную силу. Момент тангажа, который возникает в этом случае, будет направлен на увеличение угла атаки (нос самолета поднимается). Для парирования этого момента хвостовое оперение должно создать момент на уменьшение угла атаки (нос самолета опускается). Для этого сила на хвостовую часть должна быть направлена ​​также вверх. То есть происходит приращение подъемной силы на носовом ГО, на крыле и на хвостовом ГО (а следовательно, и на всем самолете) без поворота его в продольной плоскости. В этом случае самолет просто поднимается без всякой эволюции относительно своего центра масс. И наоборот, при такой аэродинамической компоновке самолета он может осуществлять эволюции относительно центра масс в продольной плоскости без изменения траектории своего полета.

Возможность осуществлять такие маневры значительно улучшают тактико-технические характеристики маневренных самолетов. Особенно в сочетании с системой непосредственного управления боковой силой, для осуществления которой самолет должен иметь не только хвостовое, а еще и носовое продольное оперение.

Конвертируемая схема

Устройство самолета, построенного по конвертируемой схеме, отличается наличием дестабилизатора в носовой части фюзеляжа. Функцией дестабилизаторов является уменьшение в определенных пределах, а то и полное исключение смещения назад аэродинамического фокуса самолета на сверхзвуковых режимах полета. Это увеличивает маневренные характеристики ЛА (что важно для истребителя) и увеличивает дальность или уменьшает расход топлива (это важно для сверхзвукового пассажирского самолета).

Дестабилизаторы могут также использоваться на режимах взлета/посадки для компенсации момента пикирования, который вызывается отклонением взлетно-посадочной механизации (закрылков, щитков) или носовой части фюзеляжа. На дозвуковых режимах полета дестабилизатор скрывается в середине фюзеляжа или устанавливается в режим работы флюгера (свободно ориентируется по потоку).

Типы авиационных двигателей | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Здравствуйте!

Поршневой двигатель.

Неоднократно в своих рассказах я упоминал авиадвигатели, но ведь при таком разнообразии летательных аппаратов неизбежно и разнообразие двигателей. Поэтому, я думаю, пришла пора этот вопрос рассмотреть поближе.

Типы авиационных двигателей. На самом деле их существует не так уж мало и всю информацию о них в одной статье уместить было бы неправильно. Получилось бы слишком длинно. Поэтому я подумал: пусть будет цикл статей о типах авиадвигателей. В нем каждому типу будет посвящена одна статья, со всеми необходимыми подробностями.  А эта, первая, будет общая, так сказать ознакомительная :-)… Я тут попытался изобразить схемку, надеюсь она вам поможет :-). Итак, начнем…

Авиадвигатели можно подразделять по разному, но мне больше нравится их деление по отношению к атмосферному воздуху. То есть они делятся на такие, которым атмосфера для работы  необходима и такие, которым она в принципе не  нужна, более того даже снижает их эффективность.

Вторые – это ракетные двигатели, а первые назовем атмосферными (воздушными). Любой из авиадвигателей использует химическую реакцию окисления топлива или, говоря человеческим языком, горения. Для окисления (горения) в воздушных двигателях используется атмосферный окислитель – кислород, а в ракетных он не нужен, потому что запас окислителя (как и топлива) имеется на борту. Более того для создания самого процесса движения воздушный двигатель так или иначе взаимодействует с атмосферой, либо посредством винта, либо воздух становится рабочим телом двигателя. В ракетном двигателе рабочее тело – это газы, получившиеся при сгорании топлива.

Жидкостный ракетный двигатель. Правда неавиационный 🙂

Ракетные двигатели делятся на твердотопливные (РДТТ)  и жидкостные (ЖРД). В первых и топливо,  и окислитель в готовом виде спрессованы в корпусе в специальную шашку. А во втором  они подаются определенным образом в жидком виде в камеру сгорания.

Воздушные двигатели делятся на реактивные (их еще называют в соответствии с темой воздушно-реактивными, ВРД) и винтовые. В  первых тяга образуется  за счет выхода из сопла реактивной струи, а во вторых за счет взаимодействия с воздушной средой вращающегося воздушного винта.

Еще один поршневой двигатель :-). Фирма Siemens.

Винтовые, в свою очередь, могут быть винто-моторными, то есть, попросту говоря, поршневыми (о них мы уже не раз упоминали и еще не раз вспомним :-))  или турбовинтовыми (ТВД). ТВД – это по сути своей ТРД, у которого львиная  доля мощности срабатывается на турбине для вращения воздушного винта, который укреплен на валу перед компрессором (через редуктор).

Турбовинтовой двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1.

АН-140. На этом самолете установлены двигатели ТВ3-117ВМА-СБМ1.

Реактивные двигатели – это, в первую очередь турбореактивные (ТРД). О них вы уже знаете из этой статьи. Далее, развитие ТРД – двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД или ТРДД). Это двигатель в котором помимо основного тракта (контура) добавлен еще один контур, в котором воздух  прогоняется передними ступенями компрессора (их еще назвают вентилятором) поверх основного контура прямо в сопло. Эти двигатели славятся большой экономичностью.

Двухконтурный ТРД.

Как простой ТРД, так и двухконтурный могут быть форсированными. Бывает, что необходимо дополнительное увеличение мощности (часто кратковременное). А так как в газах, прошедших турбину, обычно есть еще достаточное количество кислорода, то организуют дополнительный подвод топлива в затурбинное пространство, его поджог,  и получается форсажная камера. С ее помощью мощность двигателя можно значительно увеличить (обычно более, чем на треть). Получаем ТРДФ или ТРДДФ. Такой прием чаще всего применяется на военных самолетах.

Еще два вида реактивных двигателей – это прямоточный и пульсирующий воздушно-реактивные  двигатели (ПВРД и ПуВРД). Это те самые реактивные двигатели, у которых нет турбины, как, впрочем, и компрессора. То  есть у них нет вращающегося вала. Это очень специфичные малоприменяемые, однако достаточно интересные двигатели. О них я расскажу в отдельных статьях.

Основные типы авиационных двигателей я перечислил. Однако обязательно  надо сказать, что в науке о тепловых машинах  существует понятие газотурбинного двигателя (ГТД). И вобщем-то, строго говоря, ТРД – это разновидность ГТД. И первоначально был разработан именно ГТД, как полезный механизм, но не для авиации. В ГТД практически нет выходящей реактивной струи. Вся его мощность превращается турбиной в мощность на валу двигателя, а этот вал вращает нужные человеку агрегаты. В нашем авиационном случае он вращает винт, и чаще всего это несущий винт вертолета. Такие двигатели так и называются: вертолетные ГТД. Или еще по-другому турбовальные двигатели (от слов турбина, вал). В этом же ключе к ГТД можно отнести и турбовинтовые двигатели(ТВД), так как реактивной тяги у них сохранилась только очень малая часть.

Вертолетный ГТД (турбовальный) Д-136. Устанавливается на вертолеты МИ-26

В заключение скажу, что есть еще, скажем так, экзотические виды двигателей. Это такие, как, например,  ракетные двигатели на ядерном  или электро-ядерном топливе, турборакетные или ракетно- прямоточные двигатели и т.д. Такие двигатели обычно либо в практической (или даже теоретической) разработке, либо в единичных опытных образцах, будущее которых туманно. Я даже не стал включать их в схему. В дальнейшем, если будет к ним интерес и достаточно информации, я о них напишу.

Вот, пожалуй, и все. С вводной темой «Типы авиационных двигателей» мы покончили. Теперь черед более детальных и обязательно более интересных статей 🙂 о каждом типе в отдельности.

Устройство реактивного двигателя | Двигатель прогресса

February 27, 2010

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном (Dr. Hans von Ohain), выдающимся немецким инженером-конструкторм и Фрэнком Уиттлом (Sir Frank Whittle). Первый патент на работающий газотурбинный двигатель, был получен в 1930 году Фрэнк Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.

2 августа 1939 года в небо поднялся первый реактивный самолет – He 178 (Хейнкель 178), снаряженный двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

Устройство реактивного двигателя достаточно просто и одновременно крайне сложно. Просто по принципу действия: забортный воздух (в ракетных двигателях – жидкий кислород) засасывается в турбину, там смешивается с топливом и сгорая, в конце турбины образует т.н. “рабочее тело” (реактивная струя), которое и двигает машину.

Так все просто, но на деле – это целая область науки, ибо в таких двигателях рабочая температура достигает тысяч градусов по Цельсию. Одна из самых главных проблем турбореактивного двигателестроения – создание не плавящихся деталей, из плавящихся металлов. Но для того, что бы понять проблемы конструкторов и изобретателей нужно сначала более детально изучить принципиальное устройство двигателя.

Устройство реактивного двигателя

основные детали реактивного двигателя

В начале турбины всегда стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Вентилятор обладает большой площадью и огромным количеством  лопастей специальной формы, сделанных из титана. Основных задач две – первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом, путем прокачивание воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.

Сразу за вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.

Камера сгорания выполняет еще и роль карбюратора, смешивая топливо с воздухом. После образования топливо воздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

Камера сгорания реактивного двигателя одна из самых горячих его частей  – её необходимо постоянно интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура  в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сгорания горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.

Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором “сидят” вентиллятор и компрессор. Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционироваия.

После турбины поток направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя – последняя, но далеко не по значению часть реактивного двигателя. Оно формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый вентиллятором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Этот поток ограничивает манжету сопла от сверхгорячего реактивного потока и ее дает ей расплавится.

Отклоняемый вектор тяги

Сопла у реактивных двигателей бывают самые разные. Самым передовым считает подвижное сопло, стоящее на двигателях с отклоняемым вектором тяги. Оно может сжиматься и расширятся, а также отклонятся на значительные углы, регулируя и направляя непосредственно реактивный поток. Это делает самолеты с двигателями с отклоняемым вектором тяги очень маневренными, т.к. маневрирование происходит не только благодаря механизмам крыла, но и непосредственно двигателем.

Типы реактивных двигателей

Существует несколько основных типом реактивных двигателей.

Классический реактивный двигатель самолета F-15

Классический реактивный двигатель – принципиальное устройство которого мы описыали выше. Используется в основном на истребителях в различных модификациях.

Двухлопастной турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель. В этом типе двигателя мощность турбины через понижающий редуктор направляется на вращение классического винта. Такие двигатели позволят большим самолетам летать на приемлемых скоростях и тратить меньше горючего. Нормальной крейсерской скоростью турбовинтового самолета считается  600—800 км/ч.

Турбовентиляторный реактивный двигатель.

Турбовентиляторный реактивный двигатель.

Этот тип двигателя является более экономичным родственником классического типа. главное отличие в том, что на входе ставится вентилятор большего диаметра, который подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне её. Таким образом достигается повышенная экономичность, за счет улучшения КПД.

Используется на лайнерах и больших самолетах.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (Ramjet)

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Работает без подвижных деталей. Воздух нагнетается в камеру сгорания естественным способом, за счет торможения потока об обтекатель входного отверстия.

Далее все происходит так же как в обычном реактивном двигателе – воздух смешивается с горючим и выходит в виде реактивной струи из сопла.

Использовался на поездах, самолетах, БЛА, и в боевых ракетах, а также на велосипедах и скутерах.

И напоследок – видео работы реактивного двигателя:

Картинки взяты из различных источников. Русификация картинок – Лаборатори 37.

Устройство самолета

Тело самолета, то есть все, что переносится его двигателем, за исключением самого двигателя, в авиации называется планером.

Планер состоит из крыла, фюзеляжа, оперения (стабилизатор и киль) и шасси. Сюда же относят и особый отсек, который часто выходит за пределы крыла или фюзеляжа и предназначается для установки двигателя. Этот отсек называется мотогондолой.

Устройство самолета: 1 — крыло; 2 — фюзеляж; 3 — стабилизатор; 4 — киль; 5 — шасси

Пассажирский лайнер — классический пример устройства воздушного корабля

Крыло

Крыло — это собственно тот элемент конструкции, который помогает самолету взлететь. Сила, поднимающая самолет в воздух, образуется за счет разности давлений на нижнюю и верхнюю поверхности его крыла. А эта разность возникает из-за того, что длина верхнего профиля крыла больше, чем длина нижнего, и за равный промежуток времени верхнему потоку приходится преодолевать большее расстояние, чем нижнему. Верхний поток как бы «растягивается», становиться разреженным, и плотность его уменьшается. При уменьшении плотности верхнего потока уменьшается и сила, давящая на верхнюю часть крыла. Сила же, давящая на нижнюю часть крыла, по-прежнему остается большой, поэтому крыло как бы выталкивает вверх. Сила, возникающая за счет разности сил, давящих на нижнюю и верхнюю часть крыла, называется подъемной силой.

Схема распределения воздушных потоков по профилю крыла:
1 — угол атаки; 2 — направление воздушного потока; 3 — хорда крыла; 4 — профиль крыла

Величина этой силы зависит от очень многих факторов, начиная от площади крыла и заканчивая его профилем. Линия, которая соединяет две точки крыла, находящиеся на наибольшем удалении друг от друга, называется хордой крыла. Хорда крыла образует с потоком воздушных частиц, направленных навстречу крылу, особый угол — угол атаки. Его величина в значительной степени влияет на подъемную силу. Чем она больше, тем выше подъемная сила.

Крыло самолета может быть прямым, стреловидным, треугольным, трапециевидным, эллиптическим, с обратной стреловидностью и т. д. Каждое из них имеет свои достоинства и недостатки. Так, прямое крыло характеризуется высоким коэффициентом подъемной силы, но оно непригодно для сверхзвуковых скоростей из-за сильного лобового сопротивления потокам воздуха, а треугольное, отличаясь пониженным лобовым сопротивлением, имеет невысокую несущую способность.

Разновидности крыла самолета: а — прямое; б — стреловидное; в — с наплывом; г — сверхкритическое; д — треугольное; е — трапециевидное; ж — эллиптическое; з — с обратной стреловидностью

Фюзеляж

Фрагмент каркаса истребителя МиГ-1

Тело самолета без крыла, оперения, мотогондолы и шасси называется фюзеляжем. Внутри него находятся экипаж самолета, его оборудование, грузовой или пассажирский отсеки — иными словами, все, что должно подниматься и переноситься на крыле.

Бывают, впрочем, и фюзеляжи, размещенные внутри самого крыла. Такая конструкция называется летающим крылом. Чаще всего фюзеляж представляет собой тело вращения, имеющее осесимметричную форму, которая позволяет достичь наименьшего веса и минимального сопротивления воздушному трению. Конструктивно фюзеляж представляет собой скелет из ребер, обтянутых снаружи тонкостенной оболочкой — обшивкой. На языке науки такая форма называется коробчатой балкой, а вся конструкция — балочной.

Фюзеляж авиалайнера

Оперение

На фюзеляже размещено оперение, то есть все части, которые обеспечивают устойчивость и управляемость машины в небе. Оперение бывает горизонтальным и вертикальным. Первое придает самолету продольную устойчивость относительно невидимой линии, проведенной через крыло самолета. Оно закрепляется обычно в хвостовой части машины — либо на самом фюзеляже, либо наверху киля. Хотя возможно и расположение оперения в передней части самолета. Такая схема называется уткой.

Американский самолет «Нортроп YB-49» сконструированный по схеме «летающее крыло»: и крыло, и оперение выполнены вместе с фюзеляжем

Горизонтальное оперение состоит из неподвижного стабилизатора — двух плоских «крылышек», размещенных чаще всего в хвостовой части, и шарнирно подвешенного к нему руля высоты.

Вертикальное оперение обеспечивает машине устойчивость и неподвижность в поперечном направлении, то есть относительно ее продольной оси. Иначе говоря, оно необходимо, чтобы самолет не «завалился» в полете на крыло, как это произошло с первой машиной Можайского. Вертикальное оперение шарнирно, то есть подвижно, состоит из киля и подвешенного к нему руля направления, который позволяет изменить направление движения машины в воздухе.

Хвостовое оперение «Боинга 747»:
1 — стабилизатор; 2 — руль высоты; 3 — киль; 4 — руль направления

В полете на оперение действуют те же нагрузки, что и на крыло самолета. Соответственно, и составлено оно из элементов, имеющих формы и профили, как у крыла. Оперение может быть трапециевидным, овальным, стреловидным и треугольным. Существуют схемы вообще без оперения. Они называются «бесхвостка» и «летающее крыло».

Шасси

Еще один важный элемент конструкции любого самолета — шасси. Оно служит для передвижения аэроплана по земле или воде при рулении, взлете и посадке.

Шасси может быть колесным, лыжным и поплавковым. Существуют три основные схемы расположения шасси: с хвостовым колесом, с передним колесом и велосипедного типа. В первом случае две главные опоры находятся ближе к передней части, а вспомогательная, хвостовая, — сзади. Во втором случае главные опоры расположены ближе к задней части, а в носовой части находится переднее колесо.

Что касается шасси велосипедного типа, то одна главная опора находится в передней части фюзеляжа, вторая — в задней, а две вспомогательные крепятся обычно на крыльях. Схема расположения лыжного шасси идентична, с той лишь разницей, что вместо колес используются лыжи. А вот с поплавковым шасси все немного по-другому.

Существуют следующие типы гидросамолетов: поплавковые, летающие лодки и самолеты-амфибии.

У поплавковых самолетов две основных схемы расположения шасси: первая — два основных поплавка крепятся по бокам фюзеляжа, вторая — основной поплавок крепится к фюзеляжу, а два вспомогательных — к крыльям.

У летающей лодки роль основного поплавка выполняет сам фюзеляж, имеющий форму лодки, а вспомогательные поплавки крепятся к крыльям.

Самолет-амфибия — это та же летающая лодка, но кроме поплавкового шасси у нее есть убирающееся колесное шасси.

Рассмотрим устройство колесного шасси более подробно.

Шасси современного самолета состоит из:

  • амортизационной стойки, которая обеспечивает плавность хода при взлете и передвижении самолета по аэродрому, а также смягчает удары при посадке;
  • бескамерных пневматических колес, снабженных тормозами;
  • тяг, раскосов и шарниров, которые служат для уборки и выпуска шасси и через которые амортизационные стойки крепятся к крылу.

Для достижения хороших летных характеристик у большинства самолетов шасси после взлета убираются в фюзеляж либо крыло. Исключение составляют небольшие и тихоходные машины. Но даже неубирающиеся шасси закрывают обтекателями для снижения аэродинамического сопротивления.

Сердце самолета. Виды авиационных двигателей

Двигатель нужен, чтобы поднять самолет в воздух и удерживать его в небе, создавая подъемную силу. Его с полным правом можно назвать сердцем машины.

Все авиационные двигатели делятся на воздушные и ракетные. Первым для приготовления рабочей смеси необходим атмосферный воздух, то есть действовать они могут только в земных условиях. Все требуемое для работы ракетных двигателей имеет на своем борту сам летательный аппарат. Это значит, что работать они могут и в безвоздушном пространстве.

Воздушные двигатели делятся на винтовые и реактивные. У винтового двигателя рабочим органом, заставляющим машину перемещаться по воздуху, служит винт. У реактивного все необходимое для полета находится в корпусе самого двигателя. К винтовым двигателям относятся поршневой и турбовинтовой. Оба поднимают машину в воздух с помощью винта, но отличаются способом, которым заставляют этот винт вращаться.

Поршневой двигатель

Поршневой двигатель — это первый тип двигателя, который начали применять на воздушных судах, не считая, конечно, малоуспешных попыток взлететь с помощью парового мотора. Топливом для поршневого двигателя служит бензин. Полученная на его бензина рабочая смесь (воздух + бензин) подается в корпус цилиндра, где за счет системы зажигания воспламеняется и приводит в движение поршень.

Схема устройства поршневого двигателя: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — коленчатый вал

Поршень через шатун, закрепленный подвижно внутри него, воздействует на вал, имеющий особую форму, составленную из многочисленных колен, и потому называемый коленчатым. Коленвал за счет воздействия поршня начинает вращаться.

Вал приводится во вращение через передаточный механизм. Это вращение передается тому самому винту, который заставляет самолет, разбежавшись, подняться над полем аэродрома. Вращаясь, винт создает тягу. Чем мощнее двигатель, тем больше эта тяга.

Самый простой способ повысить мощность двигателя — увеличить число цилиндров. Поэтому конструкторы все время пытались создать как можно более компактные двигатели с максимальным количеством цилиндров.

V-образный поршневой двигатель с V-образным расположением цилиндров

Сначала авиационные двигатели были рядными (цилиндры располагались в один ряд). Но рядные двигатели, в которых больше шести цилиндров, оказались трудными в изготовлении и слишком длинными для самолетов. Поэтому придумали V-образные 8- и 12-цилиндровые двигатели. Для сообщения винту как можно большей силы должно быть достаточно много поршней. Например, на двигателях «Мерлин» британской компании «Роллс-Ройс», выпускаемых до и после войны, их было 12. Для максимальной компактности цилиндры устанавливали под углом друг к другу, наподобие латинской буквы V. Двигатели, у которых цилиндры с поршнями располагаются таким образом, называются V-образными.

Однако мотор с наибольшим числом цилиндров можно получить, если разместить их вокруг коленчатого вала наподобие звезды. Двигатели с таким расположением цилиндров называются звездообразными. Количество цилиндров в них доходит до 24. И хотя такие двигатели получались существенно мощнее V-образных, это частично компенсировалось их огромным лобовым сопротивлением, так как площадь фронтального сечения звездообразного двигателя была гораздо большей по сравнению с V-образными. Поэтому во времена поршневой авиации активно применялись и тот и другой типы двигателей.

12-цилиндровый поршневой авиационный двигатель «Мерлин» британской фирмы «Роллс-Ройс»

Турбовинтовой двигатель

Увеличение числа цилиндров, вращающих коленчатый вал, неизбежно ведет к увеличению массы мотора и, соответственно, ухудшению летных характеристик машины. Конструкторы решили эту задачу, разработав турбовинтовой двигатель, который при одинаковой с поршневым двигателем массе выдает гораздо большую мощность. Однако по сравнению с поршневым мотором он неэкономичен и применяется только там, где нужно поднимать в воздух значительный вес или где требуются более высокие скорости. В турбовинтовых двигателях винт приводится во вращение с помощью особого органа — турбины.

Схема устройства турбовинтового двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло

Воздушный поток, набегающий в полете на двигатель, попадает в компрессор, где происходит его сжатие. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, куда одновременно впрыскивается топливо. Воздух и топливо образуют специальную топливовоздушную смесь, которая, сгорая в камере, выпускает горячие газы, воздействующие на турбину. Она приходит во вращение и через редуктор приводит в движение воздушный винт.

Турбовинтовой двигатель проигрывает поршневому в экономичности, но превосходит его по мощности.

Турбореактивный двигатель J85 компании «Дженерал Электрик»

Турбореактивный двигатель

Данный двигатель по своему устройству напоминает турбовинтовой. Однако если у последнего подъемная сила создается за счет вращения воздушного винта, то у турбореактивного двигателя — посредством выходящей из сопла газовой струи.

Схема устройства турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — турбина; 5 — выходное сопло

Турбореактивный двигатель состоит из тех же частей, что и турбовинтовой: входного устройства, куда поступает встречный воздух; компрессора, где он сжимается; камеры сгорания, куда впрыскиваются частицы топлива и где образуется воздушная смесь.

Горячие газы приводят во вращение газовую турбину, а затем, вырываясь с огромной скоростью из сопла, создают тяговую силу. Такие двигатели позволяют получать большую мощность и скорость, чем турбовинтовые, но в три-четыре раза проигрывают им в экономичности.

Чтобы повысить экономичность, был изобретен двухконтурный турбореактивный двигатель, который теперь повсеместно применяется в пассажирской и транспортной авиации.

Такие двигатели подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые, служащие для создания скоростей, которые в разы превосходят скорость звука. Эти двигатели широко используются в военной авиации.

Реактивный прямоточный двигатель

В этом двигателе встречный воздух, поступающий во входное устройство, затормаживается специальным рабочим телом, что приводит к созданию в камере сгорания большого давления. Через форсунки туда же впрыскивается и топливо, которое нагревает воздух в камере. Заканчивается камера сгорания расширяющимся соплом, вырываясь из которого, воздух создает тяговую силу.

Схема устройства реактивного двигателя: 1 — встречный поток воздуха; 2 — центральное тело; 3 — входное устройство; 4 — топливная форсунка; 5 — камера сгорания; 6 — сопло; 7 — реактивная струя

Такие двигатели подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые, служащие для создания скоростей, которые в разы превосходят скорость звука. Эти двигатели широко используются в военной авиации.

Системы бортового оборудования

Все, что обеспечивает жизнь машины в воздухе и правильность ее поведения в полете — управляемость, безопасность, надлежащие условия для пассажиров и экипажа, исправное выполнение специальных функций, для которых, собственно, машина и создавалась, — называют системами бортового оборудования.

Часть бортовой системы электроснабжения самолета: преобразователь тока

В 1970-х годах, когда на воздушные суда начали все шире проникать электронные устройства, для этих систем появился термин «авионика», совместивший в себе понятия «авиация» и «электроника». Оборудование летательных аппаратов подразделяют на собственно авиационное, радиоэлектронное и авиационное вооружение (для военных машин).

К авиационному оборудованию относится, прежде всего, электрика, в том числе системы энергоснабжения, светотехническое оборудование, системы управления силовыми установками (двигателями машины), системы кондиционирования, автоматические противопожарные средства, противообледенительные системы.

Система энергоснабжения обеспечивает электроэнергией все системы и аппараты машины, питаемые от электричества. В нее входят в первую очередь авиационные генераторы, отличающиеся от аналогичных наземных устройств меньшими размерами и весом.

Часть бортовой системы электроснабжения самолета: генератор постоянного тока

Затем — преобразователи тока, изменяющие его род и характеристики при подаче к электрическим аппаратам. Аварийными источниками питания, которые применяются при выходе из строя основных, служат аккумуляторные батареи.

Наконец, сами электрические провода и коробки для их разветвления, а также разного рода реле, включающие и выключающие в нужный момент то или иное электрическое устройство.

Светотехническое оборудование самолета подразделяется на внешнее и внутреннее. Первое устанавливается на крыле, фюзеляже, хвостовом оперении. Оно служит для предотвращения столкновения с другими машинами, освещения взлетно-посадочной полосы, подсветки опознавательных знаков на борту и прочее. На консолях крыла, носу и хвосте находятся аэронавигационные огни, обозначающие габарит машины в темноте.

Части бортовой системы электроснабжения самолета: а — реле; б — распределительная коробка

Внутреннее освещение применяется в самом самолете — в кабине пилотов, пассажирских отсеках. Оно же используется для подсветки приборных досок.

К приборному оборудованию самолета относятся устройства, осуществляющие измерения условий полета: атмосферное давление за бортом и высоту машины над землей, скорость полета и число Маха (то есть отношение скорости самолета к скорости звука), скорость ветра за бортом, температуру воздуха и прочее. Все приборы, контролирующие эти показатели, называют аэрометрическими.

Фара для освещения взлетной полосы, применявшаяся в советских летательных аппаратах. На снимке — в убранном положении

Отдельная приборная система следит за работой силовых установок: проверяет температуру и давление в рабочих камерах двигателей, предупреждает о сбоях в управляющих системах. Специальные пилотажно-навигационные приборы сверяют движение машины с заданным курсом.

К авиационному оборудованию относят и средства объективного контроля, следящие как за оборудованием машины, так и за поведением ее экипажа, причем делающие это независимо от него. Такие средства, называемые черными ящиками, нужны для выяснения причин аварий. В эту же группу входят и всем известные автопилоты — средства, позволяющие вести машину по заданному курсу в автоматическом режиме. Система предупреждения о столкновении «обозревает» пространство вокруг машины, передает сигналы встречным воздушным судам, сообщает о появлении других машин своему пилоту.

Бортовой аэронавигационный огонь самолета

Поделиться ссылкой

Разработка авиационных двигателей


авиационный двигатель
история


а
краткий
Обзор разработки авиационных двигателей
Кимбл Д. Маккатчеон

В период между мировыми войнами авиадвигатели
значительно улучшилось и стало возможным беспрецедентный прогресс
в авиастроении.Развитие двигателя в те дни, и
в значительной степени даже сегодня, это очень трудоемкий, детальный процесс
построить двигатель, довести его до разрушения, проанализировать
что сломалось, разработка исправления и повторение процесса. Нет
продукт когда-либо выходит на рынок без каких-либо инженеров, имеющих
провел много долгих, одиноких, тревожных часов, совершенствуя это
товар. Особенно это касается авиационных двигателей, которые
сама их природа выдвигает все пределы изобретательности, материалов,
и производственные процессы.


авиационный двигатель
требования и показатели эффективности

Чтобы сравнить двигатели, мы должны
обсудить особые требования к авиационным двигателям и
ввести некоторые меры производительности. Требования:
в некотором роде противоречивые, и в этом заключается инженерная
вызов.Для целей этого обсуждения сравним
от Curtiss OX-5 до Wright R-3350. OX-5 хоть и вряд ли
по последнему слову техники в конце Первой мировой войны, был первым США
авиадвигатель выпускался серийно и производился в таких
количества, которые военные излишки приводили в действие самолеты для следующего
двадцать лет. Wright R-3350, ультрасовременный
в конце Великой Отечественной войны был разработан для Boeing B-29.
(самолет, сбросивший атомную бомбу на Японию) и был
широко использовался в авиалиниях до середины шестидесятых годов.НАДЕЖНОСТЬ Первое и самое важное требование к
двигатель самолета в том, что он должен быть надежным. В конце
Во время Первой мировой войны Curtis OX-5 регулярно выходил из строя всего лишь через 30 часов эксплуатации.
операция. В 1950-х годах авиакомпании часто использовали Райта.
Р-3350с 3000 часов. Это стократное повышение надежности
— одна из увлекательных тем этой дискуссии. Эти
значения обычно выражаются в межремонтном периоде (TBO),
но на самом деле напрямую не сопоставимы.Пилоты часто использовали OX-5.
к неудачам и принудительным посадкам были обычным делом. Авиакомпании, на
с другой стороны, полагали, что вынужденная посадка может напугать их
пассажиров, поэтому они установили несколько двигателей, вели хороший учет
о том, как долго могут прослужить определенные двигатели,
и предположительно капитально отремонтировал их, прежде чем они вышли из строя. Смысл,
однако двигатели стали намного лучше во время
интересующий нас период.

мощность
отношение веса к массе

Во-вторых, авиационные двигатели должны производиться как
как можно больше мощности при минимальном весе.
Обычно это выражается в фунтах на лошадиную силу.
(фунт / л.с.). Один из способов сделать двигатель более мощным — это сделать его
больше, но это также делает его тяжелее. Более того, если вы побрите
прочь металл, чтобы он стал легче, детали начинают трескаться, ломаться,
и вообще стали менее надежными.Вы можете увидеть
противоречивые задачи, стоящие перед инженером. Другой вариант
заключается в получении большей мощности от заданного размера. Объем двигателя обычно
выражается в кубических дюймах (у.е.) рабочего объема (объем
перемещаются поршнями вверх и вниз). Если ты
может увеличить мощность двигателя на кубический дюйм (л.с. / дюйм),
тогда вы сделали его светлее. ОХ-5 вытеснил 503 куб.
весил около 390 фунтов и производил 90 л.с. (0.18 л.с. / дюйм, 4,33
фунт / л.с.). Напротив, Р-3350 вытеснил 3350 куб. Дюймов, при весе
3670 фунтов и производила 3700 л.с. (1,10 л.с. / дюйм, 0,99
фунт / л.с.), шестикратное увеличение мощности на кубический дюйм
и более чем четырехкратное соотношение мощности к массе. ПОТРЕБЛЕНИЕ ТОПЛИВА
Наконец, авиационный двигатель должен быть экономичным. Отличный
взлетная масса самолета посвящена
топливо.Итак, если можно сделать двигатель (и) более экономичным,
нужно везти меньше топлива, чтобы пройти такое же расстояние, и больше
взамен можно перевозить бомбы, пассажиров или груз. Топливо
использование выражается в терминах, называемых удельным топливом для тормозов
Расход (BSFC). Это количество фунтов топлива
двигатель использует мощность в лошадиных силах за час работы (фунт / л.с. / час). Топливо
измеряется в фунтах, потому что фунт топлива всегда
такое же количество топлива, в то время как галлон топлива при 100 градусах
весит меньше галлона топлива при 20 градусах.BSFC для
OX-5 был около 0,53 фунта / л.с. / час, а R-3350 — около 0,38.
фунт / л.с. / час. Если бы можно было сравнить десятичасовой полет на аналогичных
условий и параметров мощности, пришлось бы нести 371
фунтов топлива для стихов OX-5 257 фунтов топлива для
R-3350, или экономия 114 фунтов. Это может показаться не таким
большая разница, но опять же, это нереально
сравнение из-за огромной разницы в выходе
два двигателя.На самом деле десятки тысяч фунтов топлива
перевозились в огромных транспортах 1950-х годов, и
улучшения в расходе топлива внесли существенные изменения
в общих характеристиках самолета. Действительно, пересечение океана
авиалайнеры, такие как Lockheed Super Constellation и Douglas
DC-7 был бы экономически нецелесообразен без
превосходный расход топлива современных двигателей.


Области
Улучшение

Так как же были эти замечательные улучшения?
сделал? Это было сделано путем систематического улучшения семи направлений.
проектирования и изготовления двигателя: устройство, материалы,
охлаждение, индукция, смазка, топливо и эксплуатация.Большинство
как мы увидим, они обязательно взаимосвязаны. В
Помимо доработок двигателя, были также важные
достижения в конструкции самолетов и винтов. Возможно
Самым большим достижением планера, связанного с двигателем, стала разработка
кожуха NACA, что уменьшило сопротивление охлаждения
радиальные двигатели до уровней, которые были конкурентоспособны с
двигатели с жидкостным охлаждением.Самым большим достижением винта был
введение в 1930-е годы регулируемого шага и позже
автоматически регулируемая постоянная скорость. Постоянная скорость
пропеллеры позволяют двигателям развивать максимальную взлетную мощность за счет
разворачивая максимальные обороты из-за малого шага лопастей, а затем круиз
на эффективных более низких оборотах за счет выбора грубого лезвия
подача. Теперь мы кратко обсудим каждую из этих областей
улучшение.У многих двигателей есть сопутствующие статьи,
вдаваться в технические подробности.



Рис. 1. Кожух с низким сопротивлением NACA



Рисунок 2. Винт изменяемого шага

Расположение

Расположение двигателя относится к
организация нескольких цилиндров вокруг коленчатого вала.На самом деле есть только два способа сделать это — поставить их все
в ряд по длине коленвала, как в рядном
двигатель, или поставить их вокруг одного хода коленчатого вала
как спицы в колесе, как в радиальных двигателях. Долгое время,
авиаконструкторы были чрезмерно озабочены лобовой зоной
двигателей, потому что это должно было быть учтено при проектировании
планера и производимого лобового сопротивления.Рядный, оппозитный и V-образный
двигатели обеспечивают наименьшую площадь лобовой части, поскольку цилиндры
«сложены» одна за другой. К сожалению, любой двигатель
прогибается при движении и должен быть достаточно жестким, чтобы не
взломать его компоненты. Это требует очень тяжелого картера и
коленчатый вал. Радиальная конфигурация позволяет избежать этой проблемы за счет
с коротким жестким картером и коленчатым валом.



Рисунок 3.Устройство двигателя



прямозубая шестерня


Рисунок 4. Редуктор винта

Со временем дизайнеры научились складывать
несколько рядов радиальных цилиндров вместе, и так как это
лучшее соотношение мощности и веса, он стал предпочтительным
конфигурация для двигателей большой мощности.Достижения в конструкции кожуха
почти полностью устранило преимущество линейного
и V-образный двигатель. Было испробовано много других конфигураций, но
никто никогда не сравнится с многорядным радиальным двигателем для
удельная мощность. Curtiss OX-5, Rolls-Royce Merlin
(V-1610) и Ranger V-70 являются примерами двигателей V-типа.
Есть много примеров многорядных радиальных двигателей с
Wright R-3350 и Pratt & Whitney R-4360 являются последними и
самый изысканный.Есть также много примеров противоположных
двигатели.

Хотя двигатели могут достигать более высоких
мощность при более высоких оборотах, частота вращения винта ограничена наконечником
скорость. Чтобы оставаться эффективными, наконечники гребных винтов должны
остаются ниже скорости звука. В противном случае мощность двигателя
потрачено впустую на преодоление избыточного сопротивления наконечников гребных винтов
ударные волны и шум. Логический ответ на этот парадокс лежит
в использовании понижающая передача, позволяющая двигателю вращаться
быстрее пропеллера.Редуктор воздушного винта был
особенность «Флайера» Райта 1903 года, но потребовалось значительное
объем работы по разборке деталей понижающей передачи
для мощных радиальных двигателей, особенно многорядных
радиалы. Каждый рабочий ход двигателя имеет тенденцию немного
наматываем коленвал. Пропеллер сопротивляется этой обмотке, или
кручение. Когда рабочий ход стихает, несколько упругий
коленчатый вал раскручивается, вызывая явление, называемое крутильным
вибрация.Это мучило ранние двигатели, было не очень хорошо
понял, и обычно исправлялся, прибегая к огромной шпоре
или косозубые шестерни с массивными зубьями, способными противостоять
ударные нагрузки на редуктор крутильными
вибрация. Позже двигатели увидели развитие планетарных
редукторы с очень узкими допусками, что смягчило некоторые
эффектов крутильных колебаний.Все пришло в голову
когда винты регулируемого шага устанавливались на ранние модели Wright
Циклоны Р-1820 начали ломать гребные валы. Выяснилось
что больший вес гребных винтов регулируемого шага
увеличили полезную массу гребного винта и позволили
вибрации определенных частот, чтобы фактически утомить
карданный вал пока не сломался. Решение было подогнать настроенный
динамические гасители крутильных колебаний в виде массивных
динамические противовесы свободно прикреплены к коленчатому валу, чтобы
они могли свободно двигаться в плоскости вращения.Вес и длина маятника рассчитывались так, чтобы динамический
противовес вибрировал с той же частотой, что и силовой
такты двигателя, но не в фазе, чтобы нейтрализовать
влияние крутильных колебаний. Оба Wright R-3350
и Pratt & Whitney R-2800 столкнулись с другим
проблема, связанная с вибрацией. Это были первые многорядные
радиальные с девятью цилиндрами в ряду, и они тоже начали
ломка деталей двигателя на ранней стадии разработкиПроблема в
этот случай был связан с другим механизмом, но все еще
связанные с вибрацией. Радиальные двигатели с мастером
/ шарнирно-сочлененная система движений немного отличается
для каждой комбинации поршень / шток, и никогда не может быть идеального
остаток средств. Это становится проблемой, поскольку количество
цилиндров на ряд увеличивается. Дисбаланс имеет тенденцию
двигатель движется по кругу в той же плоскости, что и цилиндры.Поскольку двухрядные радиалы имеют двухходовой коленчатый вал, два таких
движения, действующие с удвоенной частотой вращения коленчатого вала, как правило, вызывают
двигатель раскачивается вокруг своего центрального коренного подшипника. Это колебание
заставляет пропеллер менять плоскость вращения, и
со временем утомляет карданный вал до предела.
Решение — повернуть противовесы правильного размера на
удвоенная частота вращения коленчатого вала и в том же направлении, что и коленчатый вал
вращение.

Если
простой маятник получает серию регулярных импульсов на
скорость, соответствующая его собственной частоте (с использованием
сильфона для имитации импульса мощности в двигателе)
начнет раскачиваться или вибрировать взад и вперед от
импульсы.Еще один маятник, подвешенный к
во-первых, поглотит импульсы и раскачивается,
оставив первый стационарный. Динамический демпфер представляет собой
короткий маятник висел на коленчатом валу и настраивался на
частота импульсов мощности для поглощения вибрации в
аналогично

Рисунок 5.Принцип настроенного динамического гасителя крутильных колебаний



Рисунок 6. Противовес второго порядка

Материалы

Конструктор двигателей, всегда стремящийся к низкому
вес, обычно делает все из самого легкого
материал, который практичен.Обычно это переводится в
использование алюминия для громоздких компонентов (например, поршней,
головки цилиндров и картеры) и стали для высокопрочных
нагруженные компоненты (такие как коленчатые валы, шатуны и
шестерни). Со временем дизайнеры создали более легкие и прочные
сплавы, разработаны способы упрочнения материалов, чтобы они
более длительные, а главное, изученные способы формования металла
компонентов так, чтобы «зерно» металла (металлы имели зернистость
точно так же, как дерево) был правильно выровнен, чтобы выдерживать нагрузки
навязывается со стороны.Этот процесс, называемый ковкой, в значительной степени
улучшили прочность почти всех компонентов двигателя.
Рассмотрим прочность коленчатого вала, вырезанного из единого
доска из дерева. Хотя текстура древесины соответствует
подшипниковые шейки коленчатого вала, ходы
коленчатый вал будет разрезан поперек волокон и будет довольно
слабый. Это была точная проблема ранних двигателей.
Коленчатые валы изготавливались из гигантских кусков стали,
была подвергнута горячей прокатке так, чтобы все зерно металла было в одном
направление.В процессе ковки требуется горячий кусок металла и
забивает его примерно до окончательной формы. Металлическое зерно
вынужден соответствовать окончательной форме и намного прочнее.
Почти все двигатели, выпущенные после 1920 года, использовали кованые коленчатые валы,
шатуны и поршни. Поскольку процессы ковки стали
стали более понятными и стали доступны огромные молотковые кузницы,
более крупные детали двигателя, такие как картеры, были кованы.Пратт
& Whitney R-1340 «Оса» был первым американским радиальным снарядом, который использовал
картер кованый.


Рис. 7. Черновая поковка шатуна с травлением
, показаны металлические линии

Дополнительные преимущества были получены за счет улучшения
искусство отливки больших кусков алюминия. В начале
дни, картеры со встроенными цилиндрами не могли быть отлиты
потому что никто не умел делать такие большие отливки без
недостатки.Рядные и V-образные двигатели с раздельными цилиндрами
от картера никогда не мог быть таким жестким, как один большой
литье, а следовательно, были тяжелее необходимого. В
Curtiss OX-5 является примером двигателя с отдельным цилиндром, в то время как
Rolls-Royce Merlin — это пример моноблочного блока.


Рис. 8. Цилиндр Wright J-5

Головки цилиндров
— еще один пример прогресса литейного искусства.Сравните Wright J-5 «Whirlwind» с Pratt & Whitney.
Р-2800. У каждого двигателя литые головки цилиндров, но ребра
J-5 намного дальше друг от друга и гораздо менее глубокие, чем те
Р-2800. Потребовались значительные эксперименты, чтобы
усовершенствовать эти чрезвычайно сложные отливки, и много работы было
требуется для изготовления выкройки и формы для каждого из них.
В результате значительно увеличилась площадь плавников и улучшилось
охлаждение.Позже головы были выкованы, а их плавники перерезаны
специальные автоматизированные машины. Были не только кованые головы
примерно вдвое сильнее лучших литых, но плавники
могут быть глубже и ближе друг к другу, в результате
мощность и лучшее охлаждение. Кованые головы можно увидеть на
Райт R-3350.


Рисунок 9. Цилиндр с R-2800

По мере того как Pratt & Whitney начала добывать больше
и больше мощности от своих ранних двигателей, они начали
случайные отказы подшипников ведущей штанги в свинцово-медной плоскости
подшипники изначально б / у.Огромное количество усилий было
бросили в эксперименты с разными подшипниковыми материалами.
В конце концов, было обнаружено, что покрытый серебром
со свинцом, а затем с индием имели чрезвычайно хорошие износостойкость.
В 1950-х годах авиакомпания вернула один из этих подшипников в
Pratt & Whitney на доработку после более чем 7000 часов работы.
Pratt & Whitney вернули его, сказав, что износа нет,
утверждая его для продолжения службы.Наконец, улучшения в
материалы и технологии изготовления клапанов, изготовленных
значительные улучшения в мощности и долговечности
двигатели. Большая часть этой работы была сделана сначала в Королевском
Авиационный завод в Фарнборо, Англия, а затем в Маккуке
Поле в Дейтоне, штат Огайо. Экспериментирование с простым синглом
цилиндровые двигатели определены лучшие материалы и геометрия
для клапанов, направляющих и седел.Выпускной клапан с натриевым охлаждением
также был изобретен на месторождении МакКук. Этот клапан отличался
полый стержень частично заполнен жидким натрием. Как клапан
открывались и закрывались, натрий хлестал, отводя тепло
от головки к штоку клапана. Все Райт, Пратт и
Радиальные двигатели Whitney используют этот тип выпускного клапана.


Охлаждение

Никаких споров не было больше в конструкции двигателя
круги, чем тот, который переохлажденКак и у самых горячих
дебаты, ни одна из сторон в ретроспективе не знала, о чем говорила
около. Было выбрано жидкостное охлаждение, где, как и в
автомобильные двигатели, цилиндры окружены жидкостью
охлаждающая жидкость (обычно вода и антифриз), которая удаляет излишки
тепло от сгорания топлива и передается в радиатор
где он отдает это тепло воздуху. Двигатели с воздушным охлаждением,
как у газонокосилок, имеют ребра охлаждения на цилиндрах и
передают их тепло прямо в воздух.Тема сложная, и
потребовалось много лет, чтобы разобраться с этим полностью (действительно, это может
все равно не разбираться). Раньше воздушное охлаждение было
настолько плохо понимаемый, что почти никто не мог заставить его работать на
все, и уж точно ни для каких мощных приложений. Жидкость
охлаждение по крайней мере позволяло производить четыре или пять
сто лошадиных сил. Но это были ненадежные двигатели.Армия, которая в те дни имела возможность летать над
земли, предпочтительны двигатели с жидкостным охлаждением, поскольку они
лобная зона. Военно-морской флот, с другой стороны, обнаружил, что
полностью двадцать пять процентов отказов двигателей были вызваны
отказ системы охлаждения, и заявили, что «Liquidcooled»
самолеты имеют такой же смысл, как и подводные лодки с воздушным охлаждением! »
В двадцатые годы воздушное охлаждение стало намного лучше.
поняли, и мощные двигатели с воздушным охлаждением процветали
до такой степени, что все работы с двигателями с жидкостным охлаждением прекратились,
и и флот, и армия должны были платить премии, чтобы привлечь
Интерес у моторостроительных компаний к двигателям жидкостного охлаждения.В
основные улучшения были сделаны на Маккук Филд и появятся на
все двигатели с воздушным охлаждением, т.к. Нововведения включали
алюминиевая ГБЦ с очень широкими клапанами.
угол, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток вокруг выхлопного отверстия. А
стальная гильза цилиндра с механически обработанными охлаждающими ребрами привинчена
и усадился в эту алюминиевую головку, что привело к газонепроницаемости
уплотнение между головкой и стволом.Выпускной клапан был
сорт с натриевым охлаждением, рассмотренный выше. Почти все с воздушным охлаждением
двигатели имеют цилиндры этой конструкции (впервые появилась на
Райт J-5 «Вихрь»).


Индукция

Индукция — это процесс, при котором топливо
смешивается с воздухом и вводится в цилиндр. Мощность двигателя
является функцией давления, при котором возникает индукция.От
нагнетание большего количества топливно-воздушной смеси в двигатель при более высоких
давление, можно добиться впечатляющей дополнительной мощности. Этот
процесс называется наддувом. Нагнетатели — это насосы, которые
увеличивают давление наддува топливо-воздух. В самолете
двигатели, они почти всегда имеют форму центробежных
компрессоры.



Рисунок 11.Крыльчатка и диффузор нагнетателя

Значительные улучшения в нагнетателях
способствовал увеличению производства энергии, а также позволил
двигатель для выработки мощности на уровне моря при значительно большей
высоты, чем двигатели без наддува. Ранние нагнетатели
были просто «вращающимися индукционными системами» и мало обслуживали
цель, отличная от обеспечения равного распределения топлива для всех
цилиндры.По мере развития двигателя нагнетатели
становились все лучше и лучше компрессоры, обеспечивая более высокую
давление при меньшем потреблении энергии.



Рисунок 12. Одноступенчатый нагнетатель

Нагнетатель — дело непростое.
Мало того, что нагнетатель должен быть эффективным, чтобы избежать потерь
мощность двигателя и чрезмерный нагрев всасываемого заряда, но он
также должен иметь рост давления и объем перекачки, который
тщательно подобранный к двигателю, частью которого он является.Первое
Двигатель американского производства для использования нагнетателя был Pratt.
& Уитни R-1340 «Оса». Все ранние двигатели использовали нагнетатели
из того же источника — General Electric. К 1930-м годам он
и Райту, и Пратту и Уитни стало ясно, что GE
нагнетатели были очень неэффективными, и обе компании
создали собственные команды разработчиков нагнетателей.
Эти разработки установили рекорды по эффективности и
степень сжатия.По мере повышения уровня наддува нагнетателя
возникла необходимость адаптировать мощность нагнетателя к мощности двигателя
и высота. Это стало причиной развития двухступенчатой
и двухступенчатые нагнетатели. Pratt & Whitney R-2800 в
F4U Corsair — пример двухступенчатого нагнетателя. В
огромное литье за ​​последним рядом цилиндров почти
полностью двухступенчатый нагнетатель.Выходящий воздух из первого
ступень направляется ко второй ступени для дальнейшего сжатия.
Интеркулер, который представляет собой своего рода воздушный радиатор для охлаждения
на этих
форсированные двигатели.



Рисунок 13. Двухступенчатый нагнетатель

Огромная индукционная система на больших двигателях
с высоким давлением наддува, заполненный взрывоопасной смесью топлива и воздуха.
быть взорванным из-за обратного огня из-за неправильного оператора
техника.Это одна из трудностей, связанных с
карбюратор на входе в систему впуска. Более того
приемлемым решением является впрыск топлива, желательно непосредственно
в цилиндр. В этой ситуации индукционная система
просто качает воздух, поэтому дизайнерам не нужно беспокоиться о
обратные вспышки, неравномерное распределение смеси и обледенение карбюратора.



Рисунок 14.Прямой впрыск топлива

Другой тип наддува, очень
эффективен турбонаддув. В этом приложении двигатель
скорость выхлопа используется для привода турбины, которая связана
к центробежному компрессору, который нагнетает больше воздуха в
двигатель. Комбинированный пакет называется турбокомпрессором. Клапан
так называемый перепускной клапан управляет скоростью турбины.Турбокомпрессор
имеет то преимущество, что не теряет столько лошадиных сил у
двигатель как нагнетатели с зубчатым приводом.


Рисунок 15. Турбокомпрессор с промежуточным охладителем

General Electric построила все
турбокомпрессоры, использованные во время Второй мировой войны. Все высотные бомбардировщики
(B-17, B-24, B- 29) и многие истребители (P-38, P-47) использовали
турбокомпрессоры для поддержания полной мощности двигателя на высоте
от восемнадцати до двадцати тысяч футов.


Рис. 16. Турбонагнетатель General Electric

Ближе к концу Второй мировой войны кто-то получил
идея использовать потраченную впустую энергию выхлопных газов двигателя с помощью
использование выхлопных газов для привода турбины, которая была соединена с
коленчатый вал двигателя. Этот процесс называется турбо-компаундированием.
Хотя многие двигатели имели экспериментальные программы испытаний с
турбо-компаундирование, только Wright R-3350 Turbo Cyclone когда-либо
видел широкий сервис.Обращаясь к рисунку 18, обратите внимание на три
большие турбины для восстановления давления, равномерно расположенные в кормовой части
сторона двигателя. Каждый из них питался выхлопом из
шесть цилиндров и внесло почти 200 дополнительных лошадиных сил
(Всего 600) к мощности двигателя. Еще одно преимущество
турбо-смесь — это исключительно хороший расход топлива.


Рисунок 17.Схема турбо-компаундирования


Рис. 18. Wright Turbo-Compound 18, показывающий два из трех
турбины рекуперации энергии


Смазка

Ранние двигатели смазывались
растительные масла обычно касторовое. Было выбрано касторовое масло
потому что он имел почти постоянную вязкость (сопротивление потоку)
во всем диапазоне температур, и поскольку он покрыл металл
поверхность хорошо, чтобы смазочная пленка не была легко
соскоблено или смыто.У него была неудачная характеристика
превращения в гель после нагревания, а затем охлаждения. За
по этой причине он использовался и до сих пор используется только в случае «полной потери».
системы смазки, такие как роторные двигатели, авиамодели
двигатели и подвесные моторы. Внедрение качественных
минеральные масла позволили рециркулировать масло (резко
снижение расхода масла), а также производство большего
мощность, убедившись, что металлические части были разделены тонким
пленка масла и никогда не контактировала друг с другом.Делать
при этом масло должно выдерживать механическое давление,
тепло, склонность к окислению и склонность к потере
вязкость. Первоначально использовались только чистые минеральные масла.
В 1950-х годах были представлены пакеты присадок, чтобы
масло «Беззольный-Диспергатор» (АД). Масла AD не оставляют следов при
они сгорают (отсюда и беззольные) и предназначены для сохранения
загрязнения в суспензии до замены масла.Около
все масла, используемые сегодня, относятся к типу AD. В конце концов, синтетический
масла с превосходной смазкой, вязкостью и стабильностью
наверное заменить минеральные масла.


Топливо

По крайней мере, равнозначно всем остальным
актуальным направлением развития двигателей является разработка
топливо.Во время Первой мировой войны летчики заметили, что бензин, очищенный от
Румынская сырая нефть была лучше, чем та, которая была очищена от
Калифорния сырая. После войны расследование этого
выявил, что «плохой» бензин заставляет двигатель работать
взорвать. Детонация — это состояние, при котором топливо-воздух
смесь в баллоне горит взрывом, а не
плавно. Далее было обнаружено, что чистый изооктан,
бензин, составляющий определенную молекулярную структуру, был
о лучшем, что можно было иметь.Следовательно, октановое число
система родилась. Ранний бензин имел октановое число от 25 до 50.
Комбинации плохого охлаждения, высоких степеней сжатия (
соотношение объема цилиндра вверху и внизу поршня
ход), и / или чрезмерный наддув приводят к детонации,
часто с плачевными результатами. В конце двадцатых годов это было
узнал, что добавление тетраэтила приводит к бензину
резко улучшил октановое число, фактически настолько, что
это было лучше, чем изооктан.Топливо, тестируемое лучше, чем изооктан
имеют рейтинг производительности (PN) Эти улучшенные виды топлива,
часто до 145 PN, допускаются более высокие степени сжатия и
более высокое давление нагнетателя, что привело к удвоению или
утроение мощности двигателя. Интересно отметить, что
Двигатели Allison и Rolls-Royce, используемые в истребителях союзников Второй мировой войны
получил примерно такую ​​же мощность от 1700 кубических дюймов
что немецкие двигатели достались от 2600 куб. дюймов.Это было
практически полностью за счет использования авиационного бензина 115/145 PN в
Авиационные двигатели союзников работают на немецком топливе с октановым числом 80-90.

Ближе к середине Второй мировой войны еще один
появилась технология, которая еще больше улучшила двигатель
рейтинги взлетной мощности. Это была антидетонация
Инъекция, или ADI. ADI был просто насосом, который во время экстремальных
условия мощности, такие как взлет, впрыскиваемая смесь воды
и алкоголь в индукционную систему.Алкоголь был
в первую очередь для предотвращения замерзания воды. ADI очень
улучшенный запас по детонации, но поскольку он потреблял большой
количество воды (которая тяжелая), обычно
используется при взлете или непродолжительное время в бою.


Операция

Последняя область улучшения — это
реальная работа двигателя.Когда R-3350 вошел
службы во время Второй мировой войны, часто не более 100
часов до капитального ремонта. В авиалиниях это
иногда длился более 3000 часов. Это правда, что
у ранних R-3350 были проблемы с конструкцией, которые были исправлены как
двигатель созрел, но другим важным фактором было то, как
двигатель эксплуатировался. Первые двигатели работали очень тяжело и
очень жарко, часто перегревается, летает неопытный экипаж, и
обслуживается плохо обученными механиками.В авиалинии,
к двигателям обращались очень хорошо, охлаждали, летали и
обслуживается опытным и компетентным экипажем. Они также были
лучше инструментированы и хранятся лучшие данные, что позволило
взаимосвязь между производственной практикой и долголетием. Один из
наиболее полезными инструментами, введенными во время войны, были
измеритель крутящего момента. Это устройство измеряет фактическое количество энергии.
доставляется к гребному винту и позволяет экипажу
точно выбрать настройки мощности и наклонить двигатель
правильно, чтобы предотвратить перегрев.


Вывод

К 1950 году поршневые двигатели самолетов имели
достигли пика своего развития. Они стали легкими,
мощный, надежный и экономичный. Но у них также было
достигли вершины сложности и, вероятно, силы. это
сомнительно, что что-то большее, чем R-4360, могло когда-либо
были рентабельными просто из-за количества прецизионных
части и объем необходимого обслуживания.Даже R-4360 был
никогда не пользовался популярностью в коммерческих целях, потому что обычно
требовалось многочасовое обслуживание на каждый час полета, и
сложное оборудование для диагностики неисправностей. Цилиндров
более 200 кубических дюймов или производящие более
около 200 лошадиных сил были непрактичными, а двигатели с большей
чем около 28 цилиндров было не практично. Следует, что
двигатели мощностью более шести или семи тысяч лошадиных сил также были
не практично.Около 1945 г. инженерные работы на крупном
моторные заводы начали отказываться от поршневых двигателей, чтобы
двигатели с гораздо большим потенциалом развития — реактивные.

Приборы для авиационных двигателей | ВОЗДУШНАЯ КОМАНДА

  • евро

    Чески крон

    Словенский EUR

    Français EUR

    Italiano EUR

    Deutsch EUR

    Польский злотых

    Норск евро

    Schweizer EUR

    Из ЕС долларов США

    UK GBP

    Венгерский HUF

    Русский долларов США

    Österreich EUR

  • +44 23 8228 0817