АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, двигатель и движитель летательного аппарата, единый комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих силу тяги и подъемную силу для полета и ускорения летательного аппарата. Автомобиль движется благодаря трению покоя между колесом и дорогой. Воздушная Среда не обладает трением покоя, поэтому и сила тяги, и подъемная сила летательного аппарата определяются изменением количества движения среды, в которой он движется. Любой авиационный движитель (например, винт) захватывает поток воздуха, натекающий на летательный аппарат, и отбрасывает его с увеличенной скоростью назад, что приводит к возникновению реактивной силы, направленной вперед и равной изменению количества движения в единицу времени. Кроме того, должна существовать поддерживающая сила, благодаря которой летательный аппарат не падает. Самолет поддерживают крылья, которые тоже изменяют количество движения воздуха, отбрасывая его вниз и создавая подъемную силу. При движении самолета в воздушной среде возникает сила сопротивления движению, для преодоления которой нужна сила тяги, создаваемая двигателем. Подъемная сила и сила тяги вертолета создаются вращающимися лопастями. На рис. 1 приведена схема создания этих сил летательными аппаратами.

Физические принципы создания сил летательным аппаратом.

Для создания силы тяги и подъемной силы необходимо выполнение трех условий. Во-первых, необходим источник энергии, поскольку нужно увеличить скорость, а значит, и кинетическую энергию потока воздуха. Почти во всех случаях энергию на борту самолета или вертолета получают при сжигании углеводородного топлива (или водорода) с кислородом воздуха. В качестве вспомогательной используется электрическая энергия, запасенная в аккумуляторах. Первоначальный энтузиазм, вызванный овладением атомной энергией, не привел к созданию практичного ядерного двигателя для летательного аппарата.

ВЕРТОЛЕТ

Во-вторых, поскольку при горении выделяется тепловая энергия, на борту должно иметься средство преобразования тепловой энергии в механическую, которая может быть использована для увеличения кинетической энергии потока. Преобразование энергии происходит в тепловом двигателе (см. ниже). На небольших винтовых самолетах до сих пор устанавливаются поршневые двигатели. На крупных современных самолетах обычно используются газотурбинные двигатели, основные агрегаты которых – компрессор, камера сгорания и турбина, вращающая компрессор. По второму закону термодинамики доля тепловой энергии, превращаемая в механическую, определяется температурой источника тепла (в данном случае температурой горения топлива) и температурой окружающей среды. Для углеводородных топлив температура горения составляет около 2500 К. Температура в стратосфере, где летают современные самолеты, около 200 К; поэтому теоретический (термический) КПД равен 1 — 200/2500 = 0,92 или 92%, что, конечно, является высоким значением; однако реальный КПД значительно ниже, поскольку эффективная температура рабочего тела в камере сгорания существенно ниже температуры горения топлива, а кроме того, возникают потери на сжатие и расширение в воздухозаборнике и турбокомпрессоре. Реальный КПД современных двигателей летающих в стратосфере самолетов около 40%.

В-третьих, должно быть средство, которое обеспечивало бы передачу механической энергии потоку для увеличения его скорости (или количества движения). Для этого существует несколько возможностей. Энергия двигателя может передаваться воздушному винту, который ометает большую площадь потока, т.е. захватывает большой расход, и несколько увеличивает его скорость. Для привода винта используют поршневые и турбовинтовые (рис. 2) двигатели. Существуют двигатели, которые механическую энергию затрачивают на увеличение кинетической энергии горячих выхлопных газов, расширяющихся в сопле; это – турбореактивные двигатели (рис. 3).

САМОЛЕТ ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ

Рис. 2. ТУРБОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ транспортного самолета. 1 – вал винта; 2 – редуктор; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – сопло.Рис. 3. ОДИН ИЗ ПЕРВЫХ турбореактивных двигателей с осевым компрессором. 1 – воздухозаборник; 2 – компрессор; 3 – подача топлива; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – сопло.

Полезная работа двигателя – работа, затрачиваемая на движение летательного аппарата. Полезная мощность – работа, совершаемая в единицу времени, – равна произведению силы тяги на скорость летательного аппарата. Следовательно, тяговый КПД (КПД движителя) равен отношению полезной мощности к мощности двигателя. Можно показать, что этот КПД равен удвоенной скорости летательного аппарата, деленной на сумму скорости полета и скорости реактивной струи (относительно летательного аппарата). С другой стороны, тяга равна массовому расходу реактивной струи, умноженному на разность скоростей струи и аппарата. Таким образом, высокая скорость реактивной струи приводит к большой тяге на единицу расхода и к малому тяговому КПД. Это соотношение показано на рис. 4.

Воздушный винт, захватывая большой расход и сравнительно ненамного увеличивая скорость струи, обладает высоким КПД. Турбореактивный двигатель представляет другую крайность: расход в нем сравнительно невелик (поперечное сечение двигателя невелико), а скорость струи высока, поэтому он имеет невысокий КПД. Турбовентиляторные двигатели (рис. 5) похожи на турбовинтовые тем, что вентилятор ускоряет дополнительный расход рабочего тела, не проходящий через турбокомпрессор, который затем истекает через сопло. Скорость реактивной струи в турбовентиляторном двигателе ниже, чем в турбореактивном, но выше, чем в турбовинтовом; соответственно, он имеет промежуточное значение КПД. Самое широкое применение турбовентиляторные двигатели нашли в современных дозвуковых транспортных самолетах.

Рис. 5. СОВРЕМЕННЫЙ ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ в мотогондоле с высокой степенью двухконтурности; видны воздухозаборник, вентилятор, турбокомпрессор. 1 – воздухозаборник; 2 – мотогондола; 3 – вентилятор; 4 – сопло вентиляторного контура; 5 – турбина; 6 – сопло турбокомпрессора; 7 – компрессор.

Типы авиационных двигателей.

Любая авиационная силовая установка должна иметь в своем составе указанные выше агрегаты, но они могут быть самыми разными в зависимости от условий эксплуатации двигателя. К ним относятся: скорость и высота полета, маневренность, дальность, взлетно-посадочные требования. Кроме этих условий, на характеристики двигателя влияют отношение тяги к расходу топлива (чаще используют величину, обратную этому отношению, – удельный расход топлива), отношение тяги к весу силовой установки, уровень шума при взлете и посадке, капитальные затраты и стоимость обслуживания, надежность. Все эти критерии необходимо рассмотреть при выборе силовой установки для конкретного применения.

Главным критерием, определяющим выбор силовой установки, является скорость полета. Скорость полета лучше всего определять числом Маха – отношением скорости полета летательного аппарата к скорости звука на заданной высоте. При M 6 называются гиперзвуковыми; при таких скоростях, вплоть до орбитальных (число Маха около 25), предполагается использовать прямоточные двигатели, в том числе со сверхзвуковым горением. В прямоточных двигателях повышение давления и температуры, необходимое для эффективной работы, достигается за счет кинетической энергии набегающего потока. Если перед зоной подачи топлива в поток он тормозится до скорости, меньшей скорости звука, то двигатель называется просто прямоточным; если же топливо впрыскивается в сверхзвуковой поток, то – прямоточным со сверхзвуковым горением. Прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением подходит для воздушно-космических самолетов, которые должны летать при гиперзвуковых скоростях.

Тепловой двигатель.

Главным элементом всех рассмотренных выше силовых установок является тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе происходит изменение состояния рабочего тела, как правило, в результате химической реакции горения. В процессе горения повышается температура рабочего тела. В поршневых двигателях температура повышается при почти постоянном объеме и соответствующем увеличении давления; в газотурбинных двигателях температура повышается при почти постоянном давлении. В поршневом двигателе продукты сгорания расширяются в рабочем цилиндре, а в газотурбинном – в лопаточных аппаратах турбины; при этом часть выработанной турбиной энергии тратится на сжатие воздуха компрессором, а часть – на вращение винта, вентилятора или ротора вертолета. В турбореактивном двигателе турбина выполняет только ту работу, которая необходима для вращения компрессора, а основная часть энергии рабочего тела преобразуется в силу тяги в процессе расширения потока в сопле.

Поскольку термический КПД теплового двигателя увеличивается с повышением температуры и давления рабочего тела, в авиационных двигателях используют высокие степени повышения давления. В современных авиационных газотурбинных двигателях степень повышения давления достигает 25 и даже больше; в поршневых двигателях обычное значение степени сжатия 8. Если число Маха полета заметно больше единицы, во входном диффузоре происходит существенное повышение давления (примерно в 2 раза при M = 1 и почти в 20 раз при M = 3). Эффективная степень сжатия в газотурбинном двигателе равна произведению степени сжатия во входном диффузоре на степень сжатия в компрессоре, поэтому при высоких числах Маха двигатели даже с небольшой степенью сжатия компрессора имеют хороший термический КПД. Турбореактивные двигатели, рассчитанные на сверхзвуковые скорости полета, должны иметь компрессор со степенью сжатия не больше 12.

С ростом температуры сгорания повышается не только термический КПД, но и мощность, поскольку тепловая (внутренняя) энергия рабочего тела пропорциональна его температуре. Следовательно, очень желательно повышать температуру в камере сгорания, а значит, и на входе в турбину; однако эта температура ограничивается материалом турбинных лопаток, обтекаемых высокотемпературным потоком. Совершенствование авиационных материалов позволяет повысить рабочую температуру лопаток. Однако перспективнее охлаждение лопаток, что позволяет поддерживать их температуру ниже температуры горячих газов. Это достигается за счет отбора некоторого количества воздуха на выходе из компрессора и подачи его для охлаждения турбинных лопаток. Повышение рабочей температуры турбины, достигнутое за период 1950–1990 годов, приведено на рис. 7. На рис. 8 показано достигнутое улучшение экономичности двигателя.

Компрессор и турбина.

В газотурбинных двигателях процессы сжатия и расширения осуществляются лопаточными машинами. В лопаточных машинах изменение энергии потока, приводящее к его сжатию или расширению, вызвано движением лопаток, которые поворачивают поток и изменяют его скорость, в отличие от поршневых двигателей, в том числе роторного, в которых степень сжатия зависит главным образом от положения поршня.

Компрессоры авиационных двигателей довольно разнообразны. Наиболее широко применяется осевой компрессор (рис. 3), состоящий из перемежающихся рядов вращающихся (рабочих) и неподвижных (направляющих) лопаток; ряд рабочих и ряд направляющих лопаток составляют ступень компрессора. Рабочие лопатки совершают работу за счет внешней энергии и увеличивают энергию потока. В направляющем аппарате происходит торможение потока, ускоренного в рабочем колесе, и растет давление, а с ним вместе и температура. Каждая ступень компрессора последовательно увеличивает давление рабочего тела, в результате чего в многоступенчатом компрессоре достигается высокая степень повышения давления.

Турбина работает в принципе так же, как компрессор, за исключением того, что на рабочих лопатках поток совершает работу; при этом его энергия уменьшается. Мощность, вырабатываемая турбиной, частично идет на вращение компрессора, а частично – на вращение винта, вентилятора или ротора вертолета.

И в компрессоре, и в турбине действующие на лопатку силы пропорциональны плотности набегающего потока и квадрату его скорости в относительном движении. «Мощность лопатки» равна действующей на лопатку силе, умноженной на ее скорость. Итак, если скорость потока в относительном движении примерно равна окружной скорости лопатки, то мощность, передаваемая потоку или отбираемая от него, пропорциональна кубу скорости лопатки. Расход через рабочее колесо пропорционален окружной скорости лопатки, поэтому мощность на единицу массы расхода пропорциональна квадрату скорости лопатки. Относительное повышение температуры в компрессоре пропорционально квадрату числа Маха лопатки. Поэтому желательно, чтобы окружные скорости лопаток в авиационном компрессоре были околозвуковыми или сверхзвуковыми (при нормальных условиях 300 м/с или более). Такие скорости значительно выше скоростей поршня (примерно 10 м/с) в поршневом двигателе.

Высокие окружные скорости лопаточных машин приводят к большим центробежным нагрузкам во вращающихся лопатках и в диске, на котором они смонтированы; это выдвигает жесткие требования к проектированию и изготовлению лопаточных машин. Материал для турбин должен выдерживать высокие нагрузки при высоких температурах. Эти требования вместе с необходимостью малого веса и хорошей надежностью приводят к высокой стоимости газотурбинных двигателей. Появление новых прочных и легких материалов позволяет увеличить обороты компрессора и турбины и получить более высокие степени повышения давления или при данной степени повышения давления уменьшить число ступеней.

Кроме этого:  Серафимовское кладбище в Санкт Петербурге

Винты, вентиляторы и воздухозаборники.

Винт воздействует на поток так же, как рабочее колесо компрессора, у него только меньше лопастей и ниже степень повышения давления; он наиболее эффективен, как указывалось выше, для небольших скоростей полета. Однако с ростом скорости полета относительная скорость концов лопастей (векторная сумма скорости полета и окружной скорости лопасти) приближается к скорости звука, что происходит задолго до достижения звуковой скорости полета. Достижение на концах лопастей скорости звука приводит к резкому увеличению местного сопротивления и уровня шума, что ограничивает скорость полета винтовых самолетов.

Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели для приема набегающего потока оборудованы воздухозаборниками (рис. 5). Воздухозаборник позволяет уменьшить скорость набегающего потока до приемлемой для вентилятора. При взлете в воздухозаборнике происходит плавное ускорение потока, а при полете на крейсерском околозвуковом режиме – торможение до требуемого значения скорости. В итоге вентилятор вне зависимости от скорости полета работает при оптимальных условиях. По сути дела, вентилятор – просто низконапорный компрессор; такой движитель очень удобен для дозвуковых транспортных самолетов.

Стремление повысить экономичность заставляет разрабатывать новые, более совершенные типы двигателей: высокоскоростные турбовинтовые или турбовентиляторные без внешнего кольца. Двигатель второго типа имеет два противоположно вращающихся винта с очень тонкими лопастями, загнутыми назад по вращению для уменьшения эффективного числа Маха на концах лопастей и, следовательно, для снижения уровня потерь и шума, связанных с образованием местных скачков уплотнения.

При полете со сверхзвуковыми скоростями воздухозаборник должен перестроить набегающий сверхзвуковой поток в дозвуковой, поэтому конструкция воздухозаборника в этом случае становится сложнее. От сверхзвуковой до звуковой скорости поток тормозится в системе скачков уплотнения, образующихся на носовом конусе или клине, а затем в расширяющемся диффузоре происходит дальнейшее торможение потока до значения скорости на входе в компрессор.

К истории авиационных двигателей.

Уже на заре авиации было ясно, что характеристики двигателя определяют возможности полета самолета. Огромные усилия были затрачены на разработку и совершенствование силовых установок с высоким отношением мощности к весу. Первоначально пробовали применить на самолете паровые машины, но паровая машина слишком тяжела и малоэффективна для применения на летательном аппарате. Братья Райт для своего первого удачного самолета использовали поршневой двигатель с искровым зажиганием. Такие непрерывно совершенствовавшиеся двигатели применялись до конца Второй мировой войны, когда впервые в немецкой авиации появился истребитель с двумя турбореактивными двигателями. Турбореактивный двигатель был разработан независимо фон Охайном в Германии в 1939 и Ф.Уиттлом в Англии в 1941. В последующие годы газотурбинные двигатели быстро вытеснили поршневые в военной авиации: турбореактивные – на истребителях и бомбардировщиках и турбовинтовые – в транспортной авиации.

Первые пассажирские самолеты с турбореактивными двигателями появились в конце 1940-х годов (британская «Комета»); в целом самолеты оказались удачными, однако уровень шума при взлете был неприемлем. Этот фактор, а также стремление к экономии топлива привели в начале 1960-х годов к внедрению турбовентиляторных двигателей. Меньшая скорость реактивной струи позволила существенно снизить шум. Позже усовершенствованные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности (рис. 5) были установлены на широкофюзеляжных самолетах, таких, как «Боинг-747», DC-10, «Локхид-1011». Турбовентиляторные двигатели тягой до 400 кН сейчас повсеместно применяются на пассажирских самолетах.

На современных высококлассных боевых самолетах стоят турбореактивные или турбовентиляторные двигатели с форсажом; впервые турбовентиляторный двигатель с форсажом был установлен на многоцелевой истребитель F-111, который должен был летать как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. По существу, все современные истребители и многоцелевые самолеты используют такие двигатели с разной степенью двухконтурности для разных применений. С каждым новым поколением двигателей повышаются их удельная мощность и удельный импульс.

Казанджан П.К. Теория двигателей летательных аппаратов. Киев, 1975
Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М., 1981
Присняков В.Ф. Двигатели летательных аппаратов. Киев, 1986
Нечаев В.И., Ткачев Ф.И. Авиационные двигатели. М., 1987

Источник



Двигательная установка

Дви́гатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным — преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм — их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели — в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор), а также экзотический двигатель созданный в 2007 году работающий от лазерного луча [1] Первыми ПД стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет. Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяное и ветряное колёса широко использовались в Европе средних веков как основная энергетическая база мануфактурного производства.

История создания

В середине XVII в. были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически. В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно. К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта история описана тут — однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л.с.).

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объем. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объемах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик.

Во второй половине XIX века создали паровую турбину. В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, еще в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрел первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала ХХ века на электростанциях. В 60-х годах XX века их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен еще в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В ХХ веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт.

В первой половине ХХ века. создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

В 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока. В 1888 году сербский студент и будущий великий изобретатель Никола Тесла высказал принцип построения двухфазных двигателей переменного тока, а год спустя русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал первый в мире 3-фазный асинхронный электродвигатель, ставший наиболее распространённой электрической машиной.

Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применишь), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Все разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

Кроме этого:  Grundfos Грундфос Шкаф управления LC2 WS 96002522 арт 96002522

Классификация

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

  • электрические;
    • постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
    • переменного тока (синхронные и асинхронные);

    Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

    • вращательное движение твёрдых тел;
    • поступательное движение твёрдых тел;
    • возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
    • движение реактивной струи;
    • другие виды движения.

    Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

    • линейные;
    • индукционные;
    • пьезоэлектрические.
      ;
    • стационарные плазменные двигатели;
    • двигатели с анодным слоем;
    • радиоионизационные двигатели;
    • коллоидные двигатели;
    • электромагнитные двигатели;
    • другие.

    Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

    • поршневые паровые двигатели; ; ;
    • прямоточные реактивные (ПВРД);
    • пульсирующие реактивные (ПуВРД); :
      • турбореактивные (ТРД);
      • двухконтурные (ТРДД)
      • турбовинтовые (ТВД);
      • турбовинтовентиляторные ТВВД;

      Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новых агрегатов, к сожалению реально создаётся на порядки меньше.

      Это интересно

      • Существует принципиально новый двигатель — центробежный, он работает за счёт преобразования энергии вращающихся масс. Точнее за счёт использования эффекта гироскопа, сопротивляясь смещению наклона своей оси две противоположно вращающиеся массы (если они своими осями вращения направлены к центру вокруг которого смещаются усилием) создают тягу равную энергии приложенной для их смещения, не считая потерь на трение.

      См. также

      Wikimedia Foundation . 2010 .

      Смотреть что такое «Двигательная установка» в других словарях:

      двигательная установка — variklių agregatas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. motor set vok. Motorsatz, m rus. двигательная установка, f pranc. groupe à moteur, m … Automatikos terminų žodynas

      Двигательная установка — (силовая установка), источник механической энергии, обеспечивающий движение боевого или транспортного объекта. Состоит из двигателя и систем, обеспечивающих его работу в различных условиях эксплуатации … Словарь военных терминов

      Двигательная установка космического аппарата — Маршевый двигатель транспортной системы «Спейс Шаттл» во время огневых испытаний в «Космическом центре и … Википедия

      двигательная установка коррекции космического аппарата — 180 двигательная установка коррекции космического аппарата; ДУК КА: Составная часть системы коррекции космического аппарата, создающая тягу для изменения параметров орбиты космического аппарата. Источник: ГОСТ Р 53802 2010: Системы и комплексы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

      двигательная установка ориентации и стабилизации космического аппарата — 181 двигательная установка ориентации и стабилизации космического аппарата; ДУОС КА: Составная часть системы коррекции, создающая моменты для управления угловым положением космического аппарата. Источник: ГОСТ Р 53802 2010: Системы и комплексы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

      Электроракетная двигательная установка — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия

      жидкостная ракетная двигательная установка — ДУ Двигательная установка, состоящая из ЖРД, топливных баков, пневмогидравлической системы подачи топлива и вспомогательных устройствю [ГОСТ 17655 89] Тематики двигатели ракетные жидкостные Синонимы ДУ … Справочник технического переводчика

      объединенная жидкостная ракетная двигательная установка — ОДУ Жидкостная ракетная двигательная установка, в состав которой входят ЖРД разного назначения, питающиеся из общих топливных баков, но имеющие автономные системы подачи топлива. [ГОСТ 17655 89] Тематики двигатели ракетные жидкостные Синонимы ОДУ … Справочник технического переводчика

      ракетная двигательная установка — 85 ракетная двигательная установка; РДУ: Установка, состоящая из одного или нескольких ракетных двигателей, емкостей для размещения топлива, систем и устройств, обеспечивающих запуск, работу двигателей в требуемом режиме и их выключение. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

      Ракетная двигательная установка — совокупность ракетного двигателя и обслуживающих систем. Включает собственно ракетный двигатель, системы хранения и подачи компонентов топлива, системы регулирования величины и направления тяги. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

      Источник

      Основные типы ракетных двигательных установок

      Различают два понятия "двигатель" и "двигательная установка".

      Ракетным двигателем называют камеру и совокупность агрегатов, узлов и трубопроводов, обеспечивающих дозированную подачу компонентов топли­ва в нее. Указанные узлы и агрегаты размещаются непосредственно на камере или на раме двигателя, используемой для его крепления и передачи тяги к си­ловому кольцу ракеты-носителя.

      Ракетная двигательная установка (РДУ) — более сложное устройство. РДУ включает в себя следующие системы и агрегаты.

      1) Двигатели. В составе РДУ может быть один однокамерный или многока­мерный маршевый двигатель или несколько однокамерных маршевых двигате­лей с заданной суммарной тягой. Наряду с маршевыми двигателями в составе РДУ могут быть и

      вспомогательные двигатели с относительно небольшой тягой (рулевые, тормоз­ные и т.д).

      2) Баки с компонентами топлива. Внутри и снаружи баков устанавли­ваются различные агрегаты и трубопроводы: клапаны, расходные и заправочные трубопроводы и др.

      Рисунок 8 — РДУ с газобаллонной вытеснительной подачей:

      1-баллон со СГ; 2,5,6-клапаны; 3,4-топливные баки; 7-камера

      3) Системы автономного управления (САУ) и регулирования (САР)

      4) Агрегаты систем наддува, продувок, контроля и др.

      В зависимости от способа подачи компонентов топлива в камеру различают жидкостные РДУ с вытеснительной и насосной системами подачи топлива.

      В РДУ с вытеснительной подачей компоненты топлива из баков в ка­меру подаются за счет энергии сжатых газов. Давление в топливных баках за счет их наддува газом поддерживается выше, чем в камерах.

      Простейшая схема такой РДУ показана на рисунке 8. Двигательная установка состоит из камеры 7, топливных баков 3, 4, баллона со сжатым газом I и пневмоклапанов 2, 5, 6. При открытии клапана 2 сжатый газ из баллона поступает в газовую подушку топливных баков, давление в баках возрастает. При открытии клапанов 5 и 6 компоненты топлива поступают в камеру, в которой начинаются процессы горения и истечения продуктов сгорания из сопла. Для выключения двигателя необходимо закрыть клапаны2,5 и 6. Рассмотренная РДУ обладает достаточной простотой,, высокой надежностью и имеет широкое применение в тех случаях, когда необходимы малые тяги и не­большие суммарные импульсы. С увеличением суммарного импульса тяги воз­растают массы газа и баллона, поэтому использование вытеснительной подачи становится нерациональным. РДУ с такой подачей имеет еще один недостаток — низкое давление в камере. Его повышение связано с необходимостью повышать давление в топливных баках, а значит, и толщины их стенок. Это приводит к возрастанию массы баков и всей РДУ.

      РДУ с насосной подачей компонентов топлива из баков в камеру имеют в своем составе насосы (как правило, шнекоцентробежные). Привод насосов осу­ществляется газовой турбиной, рабочим телом для которой является генератор­ный газ, вырабатываемый в специальном газогенераторе. Давление в баках такой РДУ поддерживается существенно ниже давления в камерах. Конструктивно аг­регаты насосной системы подачи входят в состав ЖРД. Различают ЖРД с насос­ной подачей, работающие по схеме без дожигания (схема "жидкость — жид­кость") и по схеме с дожиганием в камере генераторного газа (схемы "газ жид­кость" или "газ — газ").

      В состав ЖРД без дожигания(ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива) (рисунок 9) входят камера, турбонасосный агрегат, включающий в себя насосы окислителя 3,горючего 5, и газовую турбину 4, газогенератор 6, клапаны. Компоненты топлива с помощью насосов через клапаны подаются в жидком виде в камеру, часть их через клапаны отбирается в газогенератор. Продукты сгорания из газогенератора (генераторный газ с избытком горючего или окислителя) поступают на газовую турбину 4, приводят ее во вращение и далее выбрасываются через специ­альное сопло или патрубок в атмосферу, создавая небольшую тягу. Газовая турбина приводит во вращение насосы.

      В состав ЖРД без дожигания (ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающим на однокомпонентном топливе – перекиси водорода (Н2О2) (рисунок 10), входят камера 3, турбонасосный агрегат, включающий в себя насосы на основных магистралях окислителя и горючего 2, газовую турбину 4, газогенератор 6, насос, подающий компонент в газогенератор 5, клапаны. При зажигании пирошашки пирогаз из газогенератора поступает на первичную раскрутку турбины, которая приводит в движение насосы. Основные компоненты поступают в камеру, а для последующей раскрутки турбины насос 5 подает перекись водорода Н2О2 в газогенератор и тем самым турбина поддерживает вращение за счет продукта разложения перекиси водорода. Чтобы увеличить тягу двигателя (форсирование двигателя), увеличивают количество перекиси в газогенератор на раскрутку турбины, при уменьшении подачи перекиси водорода в газогенератор (дросселирование двигателя) и уменьшении оборотов ротора турбины тяга двигателя уменьшается.

      В ЖРД без дожигания (рисунки 9, 10) выброс генераторного газа после турбины в окружающее пространство, минуя камеру, снижает удельный импульс дви­гателя в целом. С увеличением давления в камере это сниже­ние становится все более ощутимым, поэтому такие схемы применяются до давлений в камере 10. 12 Мпа.

      ЖРД с дожиганием имеют практически тот же состав агрегатов, что и ЖРД без дожигания. Однако в данных дви­гателях генераторный газ после турбины не выбрасывается в окружающее пространство, а по газоводу направляется в ка­меру для дожигания. Различают ЖРД с дожиганием типа "газ — жидкость" и ЖРД с дожиганием типа "газ — газ". В ЖРД с дожиганием типа "газ — жидкость" (рисунок 11) имеется один турбонасосный агрегат и один тип газогенератора. В таком ЖРД один из компонентов топлива (на приведенной схеме — окислитель) полным расходом от насоса 6 подается в газогенератор 3, второй компонент (на схеме — горючее) поступает в газогенератор небольшим рас­ходом от автономного насоса 8, Генераторный газ таким об­разом имеет большой избыток окислителя (является окисли­тельным газом). Основной расход горючего от насоса 7 по­дается на охлаждение камеры 10 и далее через ее смеси­тельную головку в жидком виде поступает в камеру. После совершения работы на турбине окислительный генераторный газ подается в камеру, где и сжигается с основной массой горючего. Образовавшиеся продукты сгорания истекают через реактивное сопло, создавая тягу двигателя.

      ЖРД с дожиганием типа «газ-газ»(рисунок 12)имеет два ТНА и два типа газогенераторов: окислительный 5 с избытком окислителя и восстановителей 8 с избытком горючего. Газ первого газогенератора служит ра­бочим телом турбины 2, приводящей во вращение насос окис­лителя 3, газ восстановительного газогенератора аналогично приводит во вращение турбину 11 и насос горючего 10. Ге­нераторные газы после турбин поступают по газоводам в ка­меру 1, дожигаются и, истекая, создают тягу. Двигатели с дожиганием имеют более высокий удельный им­пульс и допускают повышение давления в камере до 20 МПа и выше.

      3 Требования к ракетным двигательным установ­кам

      К двигательным установкам космических ракет, предъявляются ряд общих и специфических требований. К общим требованиям относятся следующие.

      1) РДУ должны иметь высокие энергетические характери­стики. Высокая энергетика РДУ позволяет получать необхо­димые приращения скорости

      Рисунок 9 – ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающем на основных компонентах топлива: 1 и 2 – компоненты топлива; 3 и 5 – насосы; 4 – турбина; 6 — газогенератор

      ступенями ракет-носителей при ограниченных запасах топлива, а следовательно, и началь­ных массах ракет.

      2) РДУ должны иметь минимальную массу. Снижение массы РДУ достигается:

      а) рациональной конструкцией всех систем и агрегатов;

      б) использованием ракетного топлива с большой массовой плотностью (снижается объем топливных баков);

      в) уменьшением остатков топлива в баках и полостях ЖРД после выключения.

      3) РДУ должны обладать высокой надежностью функциониро­вания, т.е. работать безотказно в течение заданного вре­мени в заданных условиях.

      Рисунок 10 – ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающем на однокомпонентном топливе (Н2О2):1 — основные компоненты; 2 – насосы на магистралях основных компонентов; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – насос для подачи компонента в газогенератор; 6 — газогенератор

      Это достигается с помощью со­вершенствования принципиальных схем РДУ и ее конструкции, повышения качества изготовления, проведения большого объ­ема испытаний при подготовке к пуску.

      4) Конструкция РДУ должна обладать высокой технологич­ностью, контроле — и ремонтопригодностью, низкой стоимо­стью, минимальным вредным воздействием на окружающую сре­ду и личный состав.

      5) РДУ должны обеспечивать удобство эксплуатации, в ча­стности :

      а) простоту и безопасность перевозки, хранения, обслу­живания и ремонта;

      б) небольшую чувствительность к внешним воздействиям (к загрязнениям, ошибкам эксплуатирующего персонала при обслуживании и т.д.)

      Рисунок 11 — ЖРД с дожиганием окислительного газа. (типа "газ –жидкость»): 1 — газовод; 2 — турбина; 3 — газогенератор; 4, 5 , 9 — клапаны;

      6, 7, 8 — насосы; 10 – камера ЖРД с дожиганием типа «газ – жидкость»

      Рисунок 12 — ЖРД с дожиганием окислительного и восстанови­тельного газов типа "газ — газ":1камера; 2, 11 — турбины; 3,10 — насосы; 4, 6, 7, 9клапаны; 5 — окислительный газогенератор; 8восстанови­тельный газогенератор

      В зависимости от назначения и условий функционирования к каждой конкретной РДУ, являются испецифические требования, к которым относятся:

      1) кратность использования и включения;

      2) точность выдаваемой тяги и удельного импульса;

      3) участие в управлении полетом космической ракеты и т.д. Отметим, что наиболее жесткие требования предъявля­ются к РДУ космических ракет, обеспечивающих выведение пилотируемых космических кораблей, а также орбитальных и межпланетных станций.

      Контрольные вопросы

      1 Основы классификации ракетных двигателей.

      2 Схемное построение ракетного двигателя на твердом топливе.

      3 Схемное построение ракетного двигателя на гибридном топливе.

      4 Схемное построение солнечного ракетного двигателя.

      5 Схемное построение ядерного ракетного двигателя.

      6 Схемное построение газового ракетного двигателя.

      7 Схемное построение электростатического ракетного двигателя.

      8 Чем отличаются понятия «ракетный двигатель» и «ракетная двигательная установка»?

      Источник

      Классификация двигателей и их систем. Компоновка силовой установки машины

      Двигатели могут быть классифицированы по различным признакам.

      По назначению их подразделяют на стационарные и транспортные. К стационарным относятся двигатели генераторных, компрессорных, буровых и других установок. Они, как правило, работают в постоянном нагрузочном и скоростном режимах. К транспортным относятся двигатели автомобилей, тракторов, тепловозов, судов и других ТС.

      По роду основного топлива для традиционных двигателей выделяют те, которые работают на тяжелом (дизельном) и легком (бензин, керосин) топливе, газовые, многотопливные и другие двигатели. Перспективным видом топлива для ТС в настоящее время считается водород.

      По способу преобразования тепловой энергии в механическую различают двигатели внутреннего сгорания, у которых сгорание тогшивовоздушной смеси происходит внутри рабочего тела, и внешнего сгорания, у которых этот процесс осуществляется вне рабочего тела, и теплота передается через стенку.

      По способу смесеобразования выделяют двигатели с внешним смесеобразованием (бензиновые карбюраторные и с впрыском топлива во впускной коллектор) и внутренним смесеобразованием (все дизели и бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания).

      По способу воспламенения рабочей жидкости различают двигатели с самовоспламенением и искровым зажиганием.

      По способу осуществления рабочего цикла двигатели подразделяют на двух- и четырехтактные.

      По способу регулирования мощности различают двигатели с количественным (изменяется количество смеси, поступающей в цилиндр), качественным (изменяется соотношение количества воздуха и топлива в смеси) и смешанным регулированием.

      По конструкции традиционные двигатели подразделяют на поршневые, роторные, газотурбинные и другие, менее известные. На наземных ТС наиболее широкое распространение получили поршневые двигатели:

      • рядные
      • V-образные
      • а также опозитные с углом развала между поршнями, равным 180°

      Различают двигатели без наддува и с наддувом, который может быть динамическим, с турбокомпрессором и приводным компрессором (нагнетателем), а также комбинированным.

      В настоящее время на ТС применяют в основном дизели и бензиновые поршневые четырехтактные ДВС. Их отличают автономность, относительная экономичность и высокая удельная мощность. К недостаткам поршневых ДВС можно отнести неоптимальную скоростную, характеристику (изменение мощности и вращающего момента на коленчатом валу в зависимости от частоты его вращения), токсичность отработавших газов, трудность пуска при низких температурах, высокий уровень вибрации и шума.

      На колесные и гусеничные тягачи, грузовые автомобили и другие ТС средней и большой грузоподъемности чаще всего устанавливают быстроходные рядные и V-образные дизели, поскольку они экономичнее по сравнению с бензиновыми двигателями, а используемое в них топливо более дешевое и менее пожароопасное. Кроме того, достоинством дизелей является возможность значительного увеличения их мощности за счет применения наддува. Вместе с тем следует отметить, что удельная мощность дизелей меньше, чем у бензиновых двигателей, их топливная аппаратура более сложная и дорогостоящая, а пусковые качества ниже.

      Большинство легковых, а также некоторые грузовые автомобили малой и средней грузоподъемности имеют бензиновые двигатели, которые по сравнению с дизелями обладают облегченным пуском при низких температурах, большей компактностью, как правило, повышенной приемистостью и меньшей шумностью. Ранее применялись лишь карбюраторные бензиновые двигатели. В настоящее время наиболее широкое распространение получили двигатели с форсуночным (инжекторным) впрыском бензина.

      Для некоторых тяжелых ТС перспективны газотурбинные двигатели. Их преимуществами являются высокая удельная мощность, многотопливность, малая токсичность отработавших газов, возможность выхода на режим максимальной мощности двигателя сразу после пуска, низкий расход смазочного масла, хорошие пусковые качества при низких температурах, автоматическое изменение вращающего момента на валу в довольно широких пределах, малая продолжительность обслуживания, более плавная работа, пониженный уровень вибрации и меньшая эксплуатационная стоимость. К основным недостаткам газотурбинного двигателя, которые ограничивают его использование, следует отнести относительно высокий расход топлива (особенно при малых нагрузках и на холостом ходу), значительный расход воздуха, невысокие динамические (разгонные) характеристики и низкую надежность, связанную с проблемой обеспечения прочности турбинного колеса, которое работает в очень тяжелых температурных условиях.

      Агрегаты СУ, обслуживающие двигатель, входят в определенные системы. Различают системы питания топливом, питания воздухом, охлаждения, подогрева двигателя, пуска двигателя, выпуска отработавших газов и смазочную систему. Для бензиновых двигателей с внешним смесеобразованием обычно не разделяют системы питания топливом и воздухом, а говорят просто о системе питания.

      Взаимное расположение двигателя и агрегатов его вспомогательных систем в силовом отделении ТС отличается многообразием. Наиболее существенное влияние на компоновку СУ оказывают расположение двигателя в машине, его связь с трансмиссией, тип системы охлаждения, размещение ее агрегатов, топливных и масляных баков.

      Все виды компоновочных решений СУ подчиняются общим требованиям, основными из которых являются изоляция СУ от других отделений ТС, рациональное использование объема машины, обеспечение эффективной и надежной работы двигателя и обслуживающих его систем, удобство доступа к агрегатам СУ при обслуживании и ремонте, удобство установки и снятия двигателя и агрегатов его систем.

      По взаимному расположению двигателя, кабины (салона, отделения управления) и грузовой платформы (кузова, десантного отделения) различают шесть схем компоновки СУ с двигателем, расположенным:

      1. перед кабиной
      2. под кабиной
      3. в кабине
      4. между кабиной и грузовым отделением
      5. в средней части машины, под грузовой платформой
      6. в задней части машины

      На колесных машинах общетранспортного назначения чаще всего применяются первая и вторая схемы, реже — третья. Компоновка СУ с расположением двигателя за кабиной (четвертая схема) используется в основном на тяжелых колесных тягачах, гусеничных тягачах малой и средней грузоподъемности. Пятая схема компоновки (двигатель находится в средней части машины) характерна для специальных ТС, назначение которых не позволяет устанавливать двигатель в другом месте. Двигатель, размещенный в задней части ТС, имеют многие гусеничные машины, автобусы и некоторые колесные машины специального назначения.

      Двигатель может устанавливаться как вдоль, так и поперек продольной оси ТС. При продольном расположении двигателя его связь с агрегатами трансмиссии, как правило, наиболее проста (в наибольшей мере это относится к полноприводным многоосным колесным машинам). Однако в этом случае силовое отделение часто имеет большую длину, а в трансмиссии обязательно при-меняются конические зубчатые колеса. При поперечном расположении двигателя значительно сокращается длина силового отделения, но в ряде случаев усложняется связь двигателя с трансмиссией.

      В моторном отделении машины двигатель может располагаться вертикально (чаще всего), наклонно или горизонтально. Последний вариант осуществляется тогда, когда небольшая высота моторного отделения имеет решающее значение по компоновочным соображениям.

      Все агрегаты систем СУ должны располагаться как можно ближе к двигателю с целью наиболее рационального использования объема силового отделения и сокращения длины соединительных трубопроводов. В случае применения коротких трубопроводов уменьшается вибрация, вызывающая поломки и нарушение герметичности соединений, и снижается гидравлическое сопротивление, что в конечном счете повышает надежность и КПД двигателя и его систем.

      Агрегаты СУ, требующие в процессе эксплуатации ТС периодического обслуживания (топливные и масляные фильтры, воздухоочистители, насосы, краны и др.), следует размещать в доступных местах. Эта задача часто весьма сложна, особенно при плотной компоновке моторного отделения. В связи с этим стремятся создавать такие конструкции агрегатов, которые не требуют периодического обслуживания в течение гарантийного срока службы двигателя.

      Топливные баки размещают на свободных местах после определения положения двигателя, трансмиссии и других крупных агрегатов.

      Воздухоочистители необходимо располагать в верхней части моторного отделения, где запыленность воздуха минимальна, и как можно ближе к двигателю, что уменьшит сопротивление впускного трубопровода.

      Особенности размещения в силовом отделении жидкостных и масляных радиаторов или теплообменников определяются типами системы охлаждения и вентилятора.

      Основными оценочными параметрами СУ в целом являются масса и габаритные размеры двигателя, а также всех обслуживающих его агрегатов и систем.

      У современных колесных и гусеничных ТС доля массы СУ в общей массе машины довольно велика (до 20… 30 %). Наиболее тяжелый агрегат — двигатель, однако суммарная масса вспомогательных агрегатов (топливные баки с горючим, радиаторы, воздухоочистители, топливные и масляные фильтры, пусковые устройства и др.) также значительна.

      Источник