Двигатель называют сердцем самолёта. И это действительно так. Ведь без него самолёт перестанет быть самолётом. Чем мощнее двигатель, тем быстрее самолёт преодолеет силу сопротивления воздуха и тем большую скорость он сможет развить.

«Но то же самое можно сказать и об автомобиле», - возразите вы. И будете правы. Без двигателя ни самолёт, ни автомобиль не смогут двигаться.

Для чего же нужен двигатель?

Любой двигатель, авиационный или автомобильный, предназначен для создания тяги. И принцип работы у них почти одинаков. Но авиационные двигатели всё-таки имеют свои особенности. Они отличаются от автомобильных размерами и меньшим удельным весом, то есть, весом, приходящимся на единицу мощности. Удельный вес авиационных двигателей в десятки и даже сотни раз меньше удельного веса автомобильных. Ну и, конечно же, в авиации они выполнятся из более лёгких и прочных материалов. Конструкция авиационного двигателя такова, что он может надёжно работать в любом перевёрнутом положении, ведь самолёту иногда приходится выполнять различные манёвры в воздухе. И ещё одна его важная особенность – возможность устойчиво работать, не теряя мощность, на высоте, когда падают плотность и давление воздуха.

Авиационные двигатели

Первые двигатели, предназначенные специально для авиации, начали проектировать и строить в начале ХХ века. Они представляли собой двигатели внутреннего сгорания, устройство которых было позаимствовано у автомобильных двигателей.

По мере развития авиации изменялись и авиационные двигатели. Все известные современные их модификации можно разделить на 2 принципиально отличающиеся группы: двигатели, способные работать только в пределах атмосферы и такие, для работы которых наличие атмосферы не требуется.

Двигатели первой группы называются воздушными , или атмосферными. А вторая группа получила название ракетных . Их принципиальное различие в том, что для воздушных двигателей рабочим телом, совершающим механическую работу, является атмосфера. А у ракетных рабочее тело находится в самом летательном аппарате.

Авиационный двигатель, как и любой другой, преобразует энергию топлива в кинетическую энергию. В любом из них происходит реакция горения топлива. А для протекания этой реакции необходим кислород. В воздушных двигателях этот кислород берётся из атмосферы. А в ракетных окислитель находится на борту летательного аппарата.

Винтовые двигатели

Воздушные двигатели делятся на винтовые и реактивные .

В свою очередь, винтовые подразделяются на винто-моторные, или поршневые , и турбовинтовые . И у тех, и у других движителем служит воздушный винт. Но у винтомоторных тепловой машиной является мотор, а у турбовинтовых – турбокомпрессор.

Поршневой (винто-моторный) двигатель

Поршневые двигатели можно назвать ровесниками современной авиации. Они устанавливались на первых самолётах, поднятых в воздух братьями Райт. И вплоть до 40-х годов ХХ века альтернативы им не было. Но, несмотря на то, что впоследствии были изобретены и другие двигатели, основанные на совершенно другом принципе работы, поршневые используются в авиации и сейчас.

Современный авиационный поршневой двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип его работы такой же, как и у автомобильных ДВС. Разница лишь в том, что движение поршня через специальные механизмы в автомобиле передаётся на колёса, а в самолёте – на воздушный винт. А лопасти винта захватывают воздух, отбрасывают его назад, тем самым создавая тягу.

Турбовинтовой двигатель (ТВД)

1 - воздушный винт; 2 - редуктор; 3- турбокомпрессор.

Турбовинтовой двигатель является разновидностью газотурбинного двигателя.

Простейшую конструкцию газотурбинного двигателя можно представить как вал, на котором находятся два диска с лопатками, между которыми расположена камера сгорания. Первый диск – диск компрессора. Второй – диск турбины. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре и подаётся в камеру сгорания. Туда же подаётся и топливо. Смесь воздуха с топливом с помощью свечи зажигания поджигается и сгорает, образуя продукты сгорания под высоким давлением, которые приводят во вращение диск турбины. Таким образом, энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу.

Газотурбинный двигатель первоначально был разработан вовсе не для авиации. В нём нет выходящей реактивной струи. Вся его мощность сосредоточена на валу, который вращает нужные агрегаты. Но в турбовинтовом авиационном двигателе вал приводит во вращение винт, который через редуктор укрепляется на нём перед компрессором. А винт уже и создаёт тягу.

Существуют вертолётные турбовинтовые двигатели, которые приводят в движение несущий винт вертолёта.

Реактивные двигатели

К реактивным относятся турбореактивные, турбореактивные двухконтурные, прямоточные и пульсирующие реактивные двигатели.

Турбореактивный двигатель (ТРД)

Этот тип двигателя является основным в реактивной авиации.

Сила тяги, необходимая для движения, создаётся путём преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи продуктов сгорания топлива.

В теплотехнике существует понятие «рабочее тело». Это какое-то условное тело, которое расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Энергию рабочее тело получат при сжатии, а при расширении оно выполняет механическую работу, благодаря которой приводится в движение рабочий орган.

В турбореактивном авиационном двигателе рабочим телом является атмосферный воздух, который через входное устройство подаётся в компрессор, где и сжимается. Следующий этап – камера сгорания, где воздух нагревается и смешивается с продуктами сгорания керосина. Образовавшаяся газовоздушная смесь попадает на турбину, через рабочие лопатки вращает её, расширяется и теряет часть своей энергии. Эта энергия превращается в механическую энергию основного вала, расходуется на работу компрессора, а также на работу топливных и масляных насосов, привода электрогенераторов, которые вырабатывают электроэнергию для различных бортовых систем самолёта.

Но основная часть энергии газовоздушной смеси разгоняется в специальном сужающемся устройстве, которое называется реактивное сопло. За счёт реактивной струи появляется сила тяги двигателя.

На сверхзвуковых самолётах применяют турбореактивные двигатели с форсажной камерой. В них между турбиной и соплом установлена дополнительная камера, которая и называется форсажной. В этой камере сжигается дополнительное топливо, что вызывает увеличение тяги (форсаж) до 50 %. Но его расход в таких двигателях значительно выше, чем у обычных ТРД.

Турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД)

1 - компрессор низкого давления; 2 - внутренний контур; 3 - выходной поток внутреннего контура; 4 - выходной поток внешнего контура.

Этот двигатель имеет два контура: внутренний и внешний. Его отличие от обычного турбореактивного заключается в том, что весь воздушный поток сначала попадает в компрессор низкого давления. Затем основная часть воздуха проходит по внутреннему контуру такой же путь, как и в обычном турбореактивном двигателе. То есть, попадает в другой компрессор, сжимается, нагревается, смешивается в камере сгорания с топливом и разгоняется в сопле для образования реактивной тяги. А вторая часть воздуха проходит напрямую по внешнему контуру поверх внутреннего контура, оставаясь холодной, и выбрасывается, не сгорая. Тем самым создаётся дополнительная тяга и уменьшается расход топлива, что очень важно для самолёта. А также снижается и шум двигателя.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)

1 - воздух; 2 - впрыск горючего; 3 - стабилизатор пламени; 4 - камера сгорани; 5 - сопло; 6 - форсунки.

Этот двигатель не имеет ни турбины, ни компрессора. Он состоит из трёх обязательных элементов: диффузора, камеры сгорания и сопла.

Диффузор повышает статистическое давление за счёт торможения встречного потока воздуха. В камере сгорания происходит сгорание топлива. Окислителем служит кислород воздуха, поступающий из диффузора. Тяга создаётся за счёт реактивной струи, вытекающей из сопла.

В зависимости от скорости полёта ПВРД подразделяют на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые. Каждая из групп имеет свои конструктивные особенности.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

1 - воздух; 2 - горючее; 3 - клапанная решётка; 4 - форсунки; 5 - свеча зажигания; 6 - камера сгорания; 7 - сопло.

В таком двигателе имеется камера сгорания с входными клапанами и длинное выходное сопло цилиндрической формы. Когда клапаны открываются, в камеру сгорания подаются воздух и топливо. Искра свечи зажигания поджигает смесь. Образуется избыточное давление, которое закрывает клапаны. А продукты сгорания выбрасываются через сопло, тем самым создавая реактивную тягу.

И прямоточные, и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели на практике применяются довольно редко.

Ракетные двигатели

В авиации ракетные двигатели используются в особых случаях как дополнительные двигатели для сокращения длины разбега самолёта при взлёте или сокращения длины пробега при посадке, а также для увеличения мощности при полётах в чрезвычайных ситуациях. Применяют их и на исследовательских или экспериментальных самолётах.

Ракетные двигатели разделяются на твёрдотопливные и жидкостные. В твёрдотопливных (РДТТ) и топливо, и окислитель находятся в твёрдом состоянии, а в жидкостных (ЖРД) – в жидком агрегатном состоянии. Сгорание топлива происходит в камере сгорания – основной части ракетного двигателя. А газы, образуемые при сгорании, выбрасываются через реактивное сопло, создавая реактивную тягу.

Так как окислитель для горения ракетные двигатели везут с собой, то они не зависят от воздушной среды, и прекрасно зарекомендовали себя в разреженном и безвоздушном пространстве. Их используют для подъёма и разгона баллистических ракет, космических кораблей, запуска спутников.

турбореактивный двигатель форсунка

Устройство и принцип действия. Для современных самолетов, обладающих большой грузоподъемностью я дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными установками на небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые типы самолетов, предназначенные для полетов с относительно невысокими скоростями и с большой дальностыо, требуют постановки двигателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуществами винтомоторной установки на малых скоростях полета. К таким двигателям относятся турбовинтовые двигатели (ТВД).

Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность, большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощности используется для вращения воздушного винта. Принципиальная схема ТВД показана на рис. 109.

Как видно из схемы, турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом двигателе дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна развивать большие обороты (до 20000 об/мин). Если с этой же скоростью будет вращаться воздушный винт, то коэффициент полезного действия последнего будет крайне низким, так как наибольшего значения к. п. д. винта на расчетных режимах полета достигает при 750--1 500 об/мин.

Для уменьшения оборотов воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в турбовинтовом двигателе устанавливается редуктор. На двигателях большой мощности иногда используют два винта, вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воздушных винтов обеспечивает один редуктор.

В некоторых турбовинтовых двигателях компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт -- другой. Это создает благоприятные условия для регулирования двигателя.

Тяга у ТВД создается главным образом воздушным винтом (до 90%) и лишь незначительно за счет реакции газовой струи.

В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью срабатывать на турбине ТВД большие теплоперепады, чем на турбине ТРД. Кроме того, применение многоступенчатой турбины позволяет снизить ее обороты и, следовательно, габариты и вес редуктора.

Назначение основных элементов ТВД ничем не отличается от назначения тех же элементов ТРД. Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД. Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре и далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через форсунки впрыскивается топливо. Образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциальной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полностью расширяясь, производят работу, которая затем передается компрессору, воздушному винту и приводам агрегатов. За турбиной давление газа практически равно атмосферному.

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. Двигатель снабжен воздушным винтом, который устанавливается впереди компрессора.

Воздушный винт с валом связан редуктором, так как его скорость вращения значительно меньше скорости вращения компрессора-турбины. 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.

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. На лучших современных самолетах (МиГ-29 , МиГ-31 и др.) в качестве силовой установки используются двухконтурные турбореактивные двигатели. В турбореактивном двигателе для кратковременного повышения тяги двигателя используется форсажная камера. Абсолютное большинство современных истребителей в качестве силовой установкиимеют двигатели с форсажной камерой (Миг-29, Су-33 и др.).

Турбовинтовые двигатели для вертолетов стали применяться значительно позже. Двигатели в 19591961 гг. имели m = 0,1.

Турбовинтовой двигатель (ТВД) - авиационный газотурбинный двигатель, создающий основную силу тяги винтом, а дополнительную - струёй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Необходимость в переходе от поршневых установок к турбовинтовым возникла при проектировании и эксплуатации с большой грузоподъёмностью и дальностью полёта. Летательные аппараты обладающие большой, принципиальная схема турбовинтового двигателя грузоподъемностью должны иметь двигатели способные развивать необходимую тягу при минимальном удельном весе. По тому критерию подходят турбореактивные установки. Но они крайне неэффективны на малых скоростях. Решением проблемы стало комбинирование технологий винтомоторных двигателей с реактивной тепловой машиной.

Конструктивно турбовинтовой двигатель схож с турбореактивным, но у ТВД имеется винт, создающий основную часть тяги, и редуктор, связывающий винт с валом тепловой машины. Редуктор используется для уменьшения оборотов винта по сравнению с оборотами газовой турбины. Рабочие обороты турбины колеблются между 18 и 21 тысячами об/мин. При таких оборотах КПД винта падает почти до нуля, тогда как максимальный КПД винт достигается при оборотах от 750 до 1500 об/мин.

Существуют варианты ТВД с двумя винтами, направленными в противоположные стороны. Подобный тип двигателей применяется на летательных аппаратах, требующих большой мощности двигателей.

Тяга в турбовинтовых установках, преимущественно (до 90%), создаётся винтом, и лишь малая доля струёй отработанных газов

Основные преимущества ТВД перед другими газотурбинными двигателями состоят в лучших тяговых характеристиках на взлёте и в большей экономичности на скоростях полёта до 800 км/ч.

Реактивные двигатели

Реактивный двигатель -- двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. По закону сохранения импульса, летательный аппарат получает такой же импульс, какой имеет рабочее тело при выходе из двигателя.

Реактивный двигатель сочетает в себе двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР-1

взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Все разновидности реактивных двигателей объединяет наличие двух основных элементов конструкции: камеры сгорания и сопла. Камера сгорания - объём, образованный совокупностью деталей двигателя, в котором происходит сжигание горючей смеси. После отработки горючего, Продукты сгорания устремляются в реактивное сопло, в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.

Дальнейшая классификация будет зависеть от наличия в двигателе компрессора - узла, предназначенного для нагнетания рабочего тела в камеру сгорания. Наиболее значимыми представителями компрессорных двигателей являются: турбореактивные двигатели и двухконтурные турбовинтовые двигатели. Группа бескомпрессорных состоит из прямоточных и пульсирующих реактивных двигателей.

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД ) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Размер двигателя самолета относительно человеческого роста

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Вконтакте