Принцип работы двигателя самолета

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.

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:

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.

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.

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.

Как устроен реактивный двигатель? Что дает ему такую мощность?

На сегодняшний день этот вид двигателей широко используется в наши дни. Самолеты, ракеты, необычные транспортные средства (летающий костюм железного человека) — все это двигается с помощью газотурбинных двигателей. Кстати, об этом костюме у меня есть статья https://zen.yandex.ru/media/id/5cf58e799511bd00afb4dda1/reaktivnyi-kostium-jeleznogo-cheloveka-5cf62d01babd4000b0927efb

Как же он устроен? Принцип работы такого двигателя прост, но расчеты и конструкция крайне сложны. Проще говоря жидкий кислород, засасываясь в турбину, смешивается с топливом, которое сгорает в камере сгорания и в конце турбины (сопло), образует реактивную струю, толкающую тело.

Устройство

состоит реактивный двигатель из следующих элементов:

— камера для сгорания;

Компрессор состоит из нескольких турбин. Задача компрессора — это всасывать, а затем сживать воздух, который попал через лопасти. За счет сжатия повышается температура и давление. Часть такого сжатого воздуха попадает в камеру сгорания. В ней нагретый воздух смешивается с топливом (керосин) и в результате воспламеняется. Этот этап придает колоссальную тепловую энергию. После смесь, расширяясь, выходит из камеры сгорания на огромной скорости.

Далее этот мощный поток движется еще по одной турбине (задней), лопасти которой вращаются газами. Эта турбина, соединяясь с компрессором в передней части, приводит агрегат в движение Воздух нагретый до высоких температур выходит через выпускную систему (сопло). Высокая температура продолжает расти за счет эффекта дросселирования. Прошу заметить, что корпус турбины состоит и двух оболочек. В первой происходит весь процесс нагрева газа, а во второй происходит охлаждение за счет вентилятора.

Авиа двигатели. Типы двигателей используемых в авиастроении

Именно благодаря использованию авиа двигателей, прогресс развития современной авиации продолжает развиваться. Первые самолёты которые не были оснащены двигателями практически не получили своего практического применения, так как не могли перевозить более одного человека, да и значительные расстояния преодолеваемые такими воздушными судами большими никак не назовёшь.

Все авиа двигатели принято разделять на 9 основных категорий.

1. Паровые авиа двигатели;
2. Поршневые авиа двигатели;
3. Атомные авиа двигатели;
4. Ракетные авиа двигатели;
5. Реактивные авиа двигатели;
6. Газотурбинные авиа двигатели;
7. Турбовинтовые авиа двигатели;
8. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;
9. Турбовентиляторные авиа двигатели.

Паровые авиа двигатели

Паровые авиа двигатели практически не нашли своего практического применения в авиации из-за низкого КПД своей работы. Главным принципом работы парового авиационного двигателя является преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение винтов за счёт энергии пара.

Стоит отметить, что первоначально паровые авиа двигатели предполагалось использовать на заре авиации, когда источник пара был наиболее доступным, однако из-за массивности своей конструкции паровые двигатели не смогли поднимать воздушные суда.

Поршневые авиа двигатели

Поршневой авиа двигатель представляет собой обычный двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяемого газа превращает поступательное движение поршня во вращательное движение винта. Такие авиа двигатели нашли своё применение, и применяются и по сегодняшний день из-за простоты своего функционирования и недорогостоящего изготовления.

КПД поршневого авиационного двигателя, как правило, не превышает 55 %, однако это ничуть не смущает современных авиаконструкторов, так как у этого двигателя имеется высокая надёжность.

Атомные авиа двигатели

Первые атомные авиа двигатели начали появляться в середине минувшего века, когда начались мирные исследования атома. Основным принципом работы атомного авиационного двигателя является осуществление контролируемой цепной ядерной реакции, что позволяло выдавать огромную мощность, при сравнительно небольшом уровне затрат.

Атомные авиа двигатели практически одновременно появились и в США и в СССР, однако сама идея того, что самолёт, пусть и с весьма компактным атомным реактором на своём борту может упасть и это впоследствии приведёт к катастрофе, заставила отказаться от этой идеи.

В США атомный авиационный двигатель применялся на самолёте Convair NB-36H, а в СССР на самолётах Ту-95 и Ан-22.

Ракетные авиа двигатели

Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.

Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.

Реактивные авиа двигатели

Реактивные двигатели весьма распространены на сегодняшний день в авиации и авиаконструкторском деле. Принцип работы этих авиа двигателей основывается на то, что необходимая тяга для воздушного судна создаётся за счёт преобразования в кинетическую энергию реактивную струи внутренней энергии авиационного топлива.

Реактивные двигатели весьма надёжны и эффективны и потому в ближайшее время стоит ожидать их дальнейшего совершенствования и развития.

Газотурбинные авиа двигатели

Принцип работы газотурбинного авиационного двигателя основывается на сжатии и нагреве газа, энергия которого впоследствии преобразуется в механическую работу, заставляя вращаться газовую турбину. Первые двигатели данного класса появились в Германии ещё в начале 40-х годов прошлого века, и на сегодняшний день они по-прежнему продолжают широко применяться в военной авиации, в частности устанавливаются на самолётах Су-27, МиГ-29, F-22, F-35 и т.д.

Газотурбинные авиа двигатели весьма эффективны на сравнительно небольших скоростях перемещения воздушных судов, и потому их применение в гражданской авиации также весьма обоснованно.

Турбовинтовые авиа двигатели

Турбовинтовые авиа двигатели представляют собой своеобразную разновидность газотурбинный авиационных двигателей, принцип действия которых основывается на том, что энергия горячих газов преобразуется во вращение винта, а около 10% от совокупной энергии превращается в толкающую реактивную струю.

Турбовинтовые авиа двигатели имеют хороший КПД и надёжны, что делает их эффективными и применимыми в гражданской авиации на многих воздушных судах.

Пульсирующие воздушно-реактивные авиа двигатели

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не нашли применения в современной авиации из-за неудовлетворительной своей эффективности. Главной особенностью их функционирования является то, что работают они на принципе воздушно-реактивного двигателя. С той лишь разницей, что топливо в камеру сгорания подаётся периодически, создавая своеобразные импульсы, позволяющие двигать объект в заданном направлении.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели эффективны лишь при однократном своём использовании, в последующих же случаях, их использование снижает и саму надёжность и увеличивает затраты.

Турбовентиляторные авиа двигатели

Принцип работы турбовентиляторных авиационных двигателей сводится к тому, что подаваемый за счёт вентилятора воздух. Обеспечивает полное сгорание топлива за счёт избытка кислорода, что делает такие авиа двигатели и более эффективными и в тоже время наиболее экологически чистыми. Применяются подобные турбовентиляторные авиа двигатели как правило на крупных авиалайнерах, так как практически всегда у них имеется большая конструкция за счёт необходимости нагнетания дополнительного объёма воздуха.