Юный техник 1957-09, страница 40

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АТОМНЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Если использовать тепло атомного реактора для нагревания какой-либо жидкости или воздуха, можно получить массу сильно нагретого газа. Выбрасывая его через сопло, можно будет заставить летательный аппарат ускоренно двигаться, подобно тому, как это происходит на современных реактивных самолетах. По этому принципу и разрабатываются в настоящее время атомные авиационные реактивные двигатели.

Их можно подразделить на четыре основных типа. Это, во-первых, атомный жидкостный ракетный двигатель (АЖРД), в котором нагревается какая-либо жидкость, например жидкий водород. Образующийся газ используется в качестве движущей силы.

Второй тип — атомный турбовинтовой двигатель (АТВД). Здесь рабочим телом служит также жидкость, например вода. Она непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, соединяющему реактор с конденсатором. В реакторе войа превращается в пар, который вращает многоступенчатую турбину, а уж от нее вращаются винты. После этого пар попадает в конденсатор, где охлаждается, снова превращается в воду, которая под давлением подается в реактор.

Третий тип — атомный турбокомпрессорный реактивный двигатель (АТРД). В нём поступающий через воздухозаборники из атмосферы воздух нагревается в реакторе до высокой температуры, а затем с большой скоростью выбрасывается через сопло назад, создавая реактивную тягу.

Четвертый тип — атомный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (АПВРД). Здесь поступающий из атмосферы воздух также нагревается за счет тепла, выделяемого в реакторе. Но если в АТРД воздух предварительно сжимается многоступенчатым компрессором, то в АПВРД сжатие воздуха происходит за счет скоростного напора. Поэтому чтобы летательный аппарат достиг скорости, когда будет создано необходимое сжатие воздуха, надо предварительно разогнать аппарат при помощи турбокомпрессор—

В атомных турбокомпрессорных и прямоточных ВРД поступаю-■ щий из атмосферы воздух может нагреваться как непосредственно в реакторе (на рис. — 1),так и в специальном теплообменнике (2). Теплообменник — это устройство, состоящее из большого количества трубок с малым сечением, в которых циркулирует вещество — теплоноситель. Проходя через реактор, оно поглощает тепло, переносит его в теплообменник и передает проходящему здесь воздуху. В качестве теплоносителя могут быть использованы гелий, тяжелая вода, ртуть или расплавленные металлы: натрий, литий, свинец.

Использование теплообменника очень выгодно. Нагретый в нем воздух менее радиоактивен, кроме того, здесь можно одновременно нагревать большую массу воздуха, что приводит к возрастанию силы тяги и, следовательно, скорости полета.

На первых порах трудности защиты людей на аэродроме и самого аэродрома от радиоактивного излучения могут вызвать появление самолетов с комбинированной силовой установкой — атомной и обычной реактивной. В этом случае взлет и набор высоты будут происходить на обычном реактивном двигателе, а дальнейший полет будет совершаться на атомном двигателе.

Скорость полета атомного самолета можно регулировать температурой реактора или изменением сечения сопла.

ВОЗМОЖНЫЕ ФОРМЫ .АТОМНЫХ САМОЛЕТОВ

На цветной вклад_ке нарисован предполагаемый ^внешний вид

Это сделано для того, чтобы обезопасить пассажиров от радиоактивного излучения. Кроме того, на самолете будет иметься специальная биологическая защита. Она, по-видимому, будет состоять из двух экранов: первичного — вокруг реактора и вторичного —• у пассажирской кабины. Установлено,

Поршневой авиационный двигатель.

Работа радиального поршневого двигателя.

Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель. Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь :-)). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.

Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут. Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель?

Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).

Как всегда :-)… В принципиальном плане ничего сложного ( ТРД значительно сложнее :-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания ( ДВС ), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель . В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много :-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.

Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.

Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.

Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)

Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.

Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные ( звездообразные ). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине :-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.

Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.

Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.

Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».

Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.

Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).

В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые :-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт . Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве :-). Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом :-).

Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.

СУ-26 с двигателем М-14П.

Принцип работы винта – это достаточно серьезный ( и не менее интересный :-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».

Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России :-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолеты ЯК-55 и СУ-26.

Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max

Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.

Существует практика применения дизельных двигателей ( как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.

Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов :-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…

Турбореактивный двигатель. Элементы конструкции.

Здравствуйте, друзья!

В этой статье вернемся к моим любимым двигателям. Я уже ранее говорил о том, что турбореактивный двигатель в современной авиации – основной. И упоминать его в той или иной теме мы еще будем часто. Поэтому пришла пора окончательно определиться с его конструкцией. Конечно же не углубляясь во всевозможные дебри и тонкости :-). Итак авиационный турбореактивный двигатель. Каковы основные части его конструкции, и как они взаимодействуют между собой.

1.Компрессор 2.Камера сгорания 3.Турбина 4. Выходное устройство или реактивное сопло.

Компрессор сжимает воздух до необходимых величин, после чего воздух поступает в камеру сгорания, где подогревается до необходимой температуры за счет сгорания топлива и далее уже получившийся газ поступает на турбину, где отдает часть энергии вращая ее (а она, в свою очередь компрессор), а другая часть при дальнейшем разгоне газа в реактивном сопле превращается в импульс тяги, которая и толкает самолет вперед. Этот процесс достаточно хорошо виден в ролике в статье о двигателе, как тепловой машине.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.

Компрессоры бывают трех видов. Центробежные, осевые и смешанные. Центробежные обычно представляют собой колесо, на поверхности которого выполнены каналы, закручивающиеся от центра к периферии, так называемая крыльчатка.При ее вращении воздух отбрасывется по каналам центробежной силой от центра к периферии, сжимаясь сильно разгоняется и далее попадая в расширяющиеся каналы (диффузор) тормозится и вся его энергия разгона тоже превращается в давление. Это немного похоже на старый аттракцион, который раньше в парках был, когда люди становятся по краю большого горизонтального круга, опираясь спиной на специальные вертикальные спинки, этот круг вращается, наклоняясь в разные стороны и люди не падают, потому что их держит (прижимает) центробежная сила. В компрессоре принцип тот же.

Этот компрессор достаточно прост и надежен, но для создания достаточной степени сжатия нужен большой диаметр крыльчатки, что не могут себе позволить самолеты, особенно небольших размеров. Турбореактивный двигатель просто не влезет в фюзеляж. Поэтому применяется он мало. Но в свое время он был применен на двигателе ВК-1 (РД-45), который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.

Крылчатка центробежного компрессора на одном валу с турбиной.

Крыльчатки центробежного компрессора.

Двигатель ВК-1. В разрезе хорошо видна крыльчатка центробежного компрессора и далее две жаровые трубы камеры сгорания.

В основном сейчас используется осевой компрессор. В нем на одной вращающейся оси (ротор) укреплены металлические диски (их называют рабочее колесо), по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». А между венцами вращающихся рабочих лопаток размещены венцы неподвижных лопаток ( они бычно крепятся на наружном корпусе), это так называемый направляющий аппарат (статор). Все эти лопатки имеют определенный профиль и несколько закручены, работа их в определенном смысле похожа на работу все того же крыла или лопасти вертолета, но только в обратном направлении. Теперь уже не воздух действует на лопатку, а лопатка на него. То есть компрессор совершает механическую работу (над воздухом :-)). Или еще более нагляднее :-). Все знают вентиляторы, которые так приятно обдувают в жару. Вот вам пожалуйста, вентилятор и есть рабочее колесо осевого компрессора, только лопастей конечно не три, как в вентиляторе, а побольше.

Примерно так работает осевой компрессор.

Конечно очень упрощенно, но принципиально именно так. Рабочие лопатки «захватывают» наружный воздух, отбрасывают его внутрь двигателя, там лопатки направляющего аппарата определенным образом направляют его на следующий ряд рабочих лопаток и так далее. Ряд рабочих лопаток вместе с рядом следующих за ними лопаток направляющего аппарата образуют ступень. На каждой ступени происходит сжатие на определенную величину. Осевые компрессоры бывают с разным количеством ступеней. Их может быть пять, а может быть и 14. Соответственно и степень сжатия может быть разная, от 3 до 30 единиц и даже больше. Все зависит от типа и назначения двигателя (и самолета соответственно).

Осевой компрессор достаточно эффективен. Но и очень сложен как теоретически, так и конструктивно. И еще у него есть существенный недостаток: его сравнительно легко повредить. Все посторонние предметы с бетонки и птиц вокруг аэродрома он как говорится принимает на себя и не всегда это обходится без последствий.

Камера сгорания . Она опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб (они называются жаровые трубы). Для организации процесса горения в комплексе с воздушным охлаждением она вся «дырчатая». Отверстий много, они разного диаметра и формы. В жаровые трубы подается через специальные форсунки топливо (авиационный керосин), где и сгорает, попадая в область высоких температур.

Турбореактивный двигатель (разрез). Хорошо видны 8-ми ступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, 2-ухступенчатая турбина и выходное устройство.

Далее горячий газ попадает на турбину . Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. ЕЕ раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку- пропеллер. Неподвижные лопатки в ней находятся не за вращающимися рабочими, а перед ними и называются сопловым аппаратом. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Больше и не надо, ведь для привода компрессора хватит, а остальная энергия газа потратится в сопле на разгон и получение тяги. Условия работы турбины мягко говоря «ужасные». Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения (до 30000 об/мин). Представляете какая центробежная сила действует на лопатки и диски! Да плюс факел из камеры сгорания с температурой от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Вобщем ад :-). Иначе не скажешь. Я был свидетелем, когда при взлете самолета Су-24МР оборвалась рабочая лопатка турбины одного из двигателей. История поучительная, обязательно о ней расскажу в дальнейшем. В современных турбинах применяются достаточно сложные системы охлаждения, а сами они (особенно рабочие лопатки) изготавливаются из особых жаропрочных и жаростойких сталей. Эти стали достаточно дороги, да и весь турбореактивный двигатель в плане материалов очень недешев. В 90-е годы, в эпоху всеобщего разрушения на этом нажились многие нечистые на руку люди, в том числе и военные. Об этом тоже как-нибудь позже…

После турбины – реактивное сопло . В нем, собственно, и возникает тяга турбореактивного двигателя. Сопла бывают просто сужающиеся, а бывают сужающе-расширяющиеся. Кроме того бывают неуправляемые (такое сопло на рисунке), а бывают управляемые, когда их диаметр меняется в зависимости от режима работы. Более того сейчас уже есть сопла, которые меняют направление вектора тяги, то есть попросту поворачиваются в разные стороны.

Турбореактивный двигатель – очень сложная система. Летчик управляет им из кабины всего лишь одним рычагом – ручкой управления двигателем (РУД). Но на самом деле этим он лишь задает нужный ему режим. А все остальное берет на себя автоматика двигателя. Это тоже большой и сложный комплекс и еще скажу очень хитроумный. Когда еще будучи курсантом изучал автоматику, всегда удивлялся, как конструкторы и инженеры все это понапридумывали:-), а рабочие-мастера изготовили. Сложно… Но зато интересно 🙂 …

Вот и все пока. Вкратце опять не получилось :-). Но я все же надеюсь, что вам было интересно. До следующей встречи.

P.S. А вот вам напоследок атракцион, о котором я выше писал. Я на нем в детстве-то не катался, а сейчас их просто нет у нас. Так что знаю только в теории :-).

Вот такой он был, может и сейчас где-то работает.