Типы двигателей

Первичные двигатели

Описание и классификация

Суть первичных сводится к тому, что необходимая энергия вырабатывается из природных источников, которые поставляются в специальное устройство, где и происходит преобразование, а, точнее, в большинстве случаев, сжигание.

Дополнительная информация! Как ясно из определения, природными источниками могут быть самые разные ресурсы, в том числе ветер, вода и пар, а также топливо.

Двигатели Стирлинга

Приблизительно через 30 лет после того, как Уайт усовершенствовал свой паровой механизм, шотландец Стирлинг разработал иную конструкцию, которая в принципе являлась устройством внешнего сгорания. Её принцип заключался в том, что нагревание и охлаждение рабочих объёмов элемента происходит в отдельных камерах. Осуществляется этот процесс через стенку, поэтому такая изолированность позволяет работать независимо от природы нагревателя и охладителя. А это, в свою очередь, способствует, чтобы использовать такие механизмы внешнего сгорания, разработанные Стирлингом в самых разных условиях эксплуатации. В том числе и в космосе.

Важно! Несмотря на то что КПД такой конструкции должен быть значительно выше, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, в реальности не удалось добиться такого эффекта. Сейчас стирлинги имеют ровно такой же уровень КПД, как и механизмы внутреннего сгорания.

Паровая турбина

Паровые турбины по своим конструктивным особенностям представляют собой крыльчатку, то есть колесо с крольчатами лопастями, которые вращаются под воздействием какой-либо среды. Несмотря на то что прототипы таких движущих элементов были предложены ещё в ранний период развития человечества, найти отражение в различных машинах и механизмах они смогли только в середине XIX века. Дело в том, что только в этот период стали интенсивно развиваться различные конструкционные материалы, которые позволили реализовать данный тип. Ведь далеко не каждый материал мог вынести интенсивную скорость вращения до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, а точнее, его первый прототип был предложен ещё Гюйгенсом в далёком XVII веке. Тогда, в качестве активизирующей силы предлагалось использовать порох. Но попытки так и остались лишь разработками. Первый, основанный на внутреннем сгорании возник в 1860 году. Его автором стал Ленуар, который в качестве топлива использовал газ.

Далее разработка продолжила совершенствоваться и через несколько десятилетий в Германии был предложен усовершенствованный четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания.

Интересно! Только в начале XX века он приобретает тот вид и конструкцию, которые взяты за основу в современных двигателях.

Паровые машины

В середине XVII века появились первые прототипы паровых машин. Они на протяжении 100 лет усовершенствовались и видоизменялись. И только когда к концу XVIII века Джеймс Уайт создал более совершённый прототип, он получил название универсального парового. Именно его изобретением является поршень двойного хода, центробежный предохранитель, а также автоматическая коробка с клапанным принципом работы, устранившие монотонную тяжёлую работу оператора, который должен был постоянно переключает рычаги для подачи воды и пара.

Плавность работы на машине Уайта обеспечивал кривошипно-шатунный механизм. Таким образом, английский механик внёс достаточно большой вклад в развитие паровых конструкций. Его полная конструкция, а также отдельные элементы в дальнейшем входили во все паровые машины.

Вторичные двигатели

Описание и классификация

К вторичному типу относятся такие, основным рабочим элементом которого является не привычный бензин или дизельное топливо, а элементы приводятся в движение при помощи электричества или сжатого воздуха.

Электродвигатели

Первый электрический появился в середине XIX века, а точнее, в 1834 году Борис Якоби предложил первую работоспособную конструкцию, которая приводилась в движение от электрических импульсов. Впоследствии его наработки были усовершенствованы талантливым сербским студентом, о котором потом услышал весь мир. Это был великий Тесла, предложивший миру принцип работы основанный на двухфазном токе.

Но и его наработки не остались на месте. Русский учёные Доливо-Добровольский пошёл ещё дальше и предложил не двухфазный принцип работы, а трёхступенчатый асинхронный прибор, который работал по трёхфазному режиму. На данный момент именно такой принцип положен в основу большинства электрических машин.

Пневмодвигатели и гидромашины

Эти два типа соответственно работают от сжатого воздуха или воды, подаваемой под давлением. Сегодня такие конструкции достаточно интенсивно применяются в самых различных механизмах и устройствах.

Дополнительная информация! Отличительная особенность такого способа функционирования двигателя заключается в его полной экологичности, так как отсутствуют различного рода выбросы.

По источнику энергии

Описание и классификация

В зависимости от этого источника энергии, который может быть использован в механизме, различают:

• Работающие от двухфазного и трёхфазного электричества.
• Работающие от электростатического поля.
• Функционирующее от ядерной реакции.
• Использующие результат химической реакции.
• Лежащие в основе действия гравитационного поля.
• Функционирующие на основе действия гидравлики или пневматики.
• Задействующие непривычную энергию лазера.

По типам движения

Описание и классификация

В зависимости от того, какое движение совершает механизм, различают:

• Поступательное.
• Вращательное.
• Возвратно-поступательное.
• Лежащее в основе движения гидроструи.
• Другие типы.

По устройству

Описание и классификация

В зависимости от того, как устроена внутренняя система двигателя, могут быть выделены:

• Конструкции с поршнями.
• Стирлинги.
• Паровые турбины или стандартные двигатели.

Реактивные двигатели

Реактивные работают по принципу выброса струи воды в сторону, противоположную движению. Именно за счёт переносимой энергии обеспечивается передвижение механизма.

Ракетные двигатели

Ракетные двигатели могут работать совершенно на разном топливе, включая ядерное, твёрдое, жидкостное и даже электрическое.

По применению

Описание и классификация

Эти механизмы различаются также по применению. Они могут приводить в движение не только транспортные средства, но и различные механизмы и устройства. На сегодня существует несколько основных видов двигателей. Каждый из них призван работать на основе того или иного вида топлива и по своему принципу.

Инжекторный

Принцип действия в инжекторном двигателе заключается в следующем — топливо подаётся при помощи мелкодисперсного расписывания в полую камеру сгорания. Благодаря такому способу подачи получается существенно сэкономить расход топлива, а также уменьшить количество выхлопных газов при движении транспортного средства.

Инжекторные двигатели подразделяются:

• Электрические – количество подаваемого топлива регулируются специальной электрической системой. Благодаря чему дозировка рассчитана настолько верно, что это позволяет существенно уменьшить количество выхлопных газов, а также максимально полно и эффективно использовать топливо.
• Механические – система регулировки интенсивности впрыска организуется при помощи специальных рычагов.

Карбюраторный

Карбюраторный тип двигателя считается устаревшим. Его основной способ функционирования заключается в том, что топливо подаётся в специальную камеру (инжектор) где происходит его смешение с воздухом, и только потом данная смесь поступает на цилиндры двигателя, где происходит поджиг при помощи искры.

Дизельный

Сразу стоит отметить, что данный тип двигателя имеет следующие преимущества:

• Больший коэффициент полезного действия.
• Меньший расход топлива.
• Незначительный выброс вредных веществ в окружающую атмосферу.

Принцип действия заключается в том, что дизель самовоспламеняется, когда он существенно сжимается под напором втягивающегося воздуха. Прямой и обратный ход поршня вызывают сначала воспламеняющийся дизель, а потом отработанные газы.

Гибридный

Этот тип является комбинированным. Его работа частично происходит под воздействием электричества, вырабатываемого аккумуляторной батареей. Частично транспорт или машина перемещается за счёт сжигания топлива.

Важно! Если говорить о преимуществах такого типа, то они несомненны – это тихоходность, уменьшенный расход топлива, высокий уровень экологичности.

Развитие отрасли позволяет сейчас всё больше и быстрее развиваться самым разным механизмам. Сегодня, благодаря движению за экологию, всё больше находят применение исключительно те типы, которые работают от электричества или функционирующие на водороде.

Просто о сложном. Двигатель

Все вышло из воды

Двигатель – это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу.

Двигатели разделяют на первичные и вторичные.

К первичным относятся те виды двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу. Это ветряное и водяное колесо, гиревой механизм, тепловые двигатели.

Вторичные – двигатели, которые преобразуют выработанную или накопленную энергию другими источниками. К ним относят электрические, пневматические и гидравлические.

Первичные двигатели, такие как парус и водяное колесо, были известны с незапамятных времен и использовались повсеместно.

До середины XVII века человек обходился первичными двигателями и довольствовался силой воды, ветра и тяжести.

Первым шагом на пути к двигателю стала пароатмосферная машина, созданная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери, которая сама по себе не могла служить механическим приводом, и к ней необходимо было водяное колесо.

В 1763 году механик Иван Ползунов по собственному проекту изготовил стационарную паровую машину, которая хоть и была далека от совершенства, но работала без сбоев.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, которая была названа универсальным паровым двигателем.

В машине был предусмотрен жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Подача пара происходила автоматически, а поршень через кривошипно-шатунную систему вращал маховик, который обеспечивал плавность хода. Такая модификация машины Севери не была привязана к водонапорной башне и могла стать самостоятельным приводом различных механизмов. Уатт создал элементы, которые в дальнейшей истории двигателестроения в той или иной вариации входили во все паровые машины, получившие широкое распространение. Их использовали как приводы станков, экипажей для перевозки людей и грузов, судов и локомотивов на железных дорогах.

Следующим шагом в двигателестроении стала паровая турбина, изобретенная в конце XIX века, которая применялась на морских судах и на электростанциях в начале XX века.

Индустрия двигателестроения не стояла на месте, и в конце XIX века на первый план вышли двигатели внутреннего сгорания.

Первым в семействе ДВС стал механизм, созданный французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. Его конструкция представляла собой одноцилиндровый двухтактный газовый двигатель. Ленуар использовал принцип работы поршня двигателя Уатта, но рабочим телом служил не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Двигатель Ленуара стал первым в истории серийно выпускавшимся ДВС.

В 1897 году инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, который был впоследствии назван его именем.

Двигатели внутреннего сгорания стали основой развития автомобильного транспорта в XX веке.

В первой половине XX века были созданы новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 1950-х и ядерные силовые установки.

В 1834 году русский ученый Борис Якоби создал первый пригодный для практического использования вторичный двигатель – электродвигатель постоянного тока.

Двигатели можно классифицировать по источнику энергии, по типам движения, по устройству, по назначению и т.д.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее развивающихся. В год по всему миру подается до 50 заявок на патентование в категории «Двигатели». В основном это модификации существующих механизмов с новым соотношением элементов либо с принципиальными новинками. Новые конструкции же появляются редко.

А вместо сердца – пламенный мотор

В авиации используются в основном тепловые двигатели, которые создают тягу, необходимую для поднятия летательного аппарата в воздух.

По способу создания тяги авиационные двигатели можно разделить на три группы: винтовые, реактивные и комбинированные.

Винтовые двигатели создают тягу вращением воздушного винта, а реактивные преобразуют энергию топлива в кинетическую энергию вытекающей из двигателя газовой струи, вызывающей силу реакции, непосредственно используемой в качестве движущей силы. Воздушно-реактивные двигатели используют для сгорания кислород атмосферного воздуха.

Комбинированные создают тягу, складывающуюся из силы реакции потока продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, и тяги, создаваемой обычным или специальным воздушным винтом. Комбинированные двигатели разделяются на турбовинтовые, турбореактивные и винтовентиляторные. Также их называют газотурбинными авиадвигателями.

Такие двигатели с легкостью поднимают в небо трансатлантические лайнеры, но их мощности недостаточно для того, чтобы поднять ракету в космос.

Для ракет используют реактивные двигатели, в них для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Кроме того, сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды, а также от скорости самой ракеты.

Развитие отрасли двигателестроения в России, стремящейся к независимости от импортных механизмов, началось в 1980-х гг. Такие предприятия, как УМПО, НПП «Мотор», рыбинское НПО «Сатурн», включились в мировую гонку за создание передового двигателя, который составит конкуренцию продукции таких гигантов промышленности, как Pratt & Whitney, которой комплектуют самолеты линейки Boeing и Airbus.

В результате многолетней кропотливой работы всех предприятий и НИИ отрасли, а также интеграции частного и государственного капитала был создан авиационный двигатель ПД-14. Он предназначен для новейшего российского среднемагистрального самолета МС-21, который в конце 2017 года совершил тестовый перелет с аэродрома корпорации «Иркут» на аэродром Жуковский для проведения дальнейших испытаний.

ПД-14 представляет собой турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель. Взлетная тяга ПД-14 может достигать 18 тонн.

Эксперты сравнивают ПД-14 с двигателями для среднемагистральных самолетов компаний Pratt & Whitney и Rolls-Royce.

На базе ПД-14 ведутся разработки вертолетного двигателя ВК-2500М. Подготовка демонстрационной модели двигателя нового поколения запланирована на 2021 год. Как и в ПД-14, в конструкции ВК-2500М будут использованы новейшие материалы, что позволит облегчить массу на 15% по сравнению с существующими аналогами без потери мощности.

Первая модификация указанного двигателя ВК-2500 активно вводится в эксплуатацию, а также выводится на международный рынок путем валидации сертификатов в странах-импортерах.

Мы наращиваем объемы производства двигателей ВК-2500 в интересах государственного заказчика, а также планируем существенно нарастить экспорт. При этом сборка ведется полностью из российских комплектующих

Анатолий Сердюков, индустриальный директор авиационного кластера Госкорпорации Ростех

В отличие от своего предшественника, новый вертолетный двигатель оснащен цифровой системой автоматического управления с современным электронным блоком автоматического регулирования и новейшими датчиками. Использование современных технологий и новейших материалов позволило обеспечить поддержание режимов в более широком диапазоне температур наружного воздуха, повысить ресурсы и показатели топливной экономичности. Такие двигатели позволят вертолетам семейства Ми-17 и аналогичным расширить потенциал своих возможностей в высокогорных районах и районах с жарким климатом.

Российское двигателестроение развивается в направлении как гражданской, так и военной авиации. В апреле 2018 года завершились работы по стендовым испытаниям опытного двигателя АЛ-41Ф-1.Данная разработка предприятия «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение» является двигателем первого этапа для истребителя пятого поколения Су-57. АЛ-41Ф-1 является авиационным турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой и управляемым вектором тяги.

Несмотря на гонку технологий, существуют системы, проверенные временем и доказавшие свою эффективность даже спустя многие годы. Ракетные двигатели РД 107/108 на протяжении более полувека являются основой пилотируемой космонавтики в России.

Именно благодаря РД 107/108 Юрий Гагарин совершил свой легендарный полет. Двигатели РД-107 устанавливаются на блоках первой ступени, а РД-108 – второй.

РД-107/108 показали себя как одни из самых надежных и удачных двигателей, поднимающих космические корабли. Они стоят на серийном производстве и доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов.

Российский ракетный двигатель уже назван рекордсменом. За 60 лет использования он не утратил своего первенства в отрасли. На основе первых двигательных систем разработано 18 модификаций.

Когда в 2011 году США прекратили использование шаттлов, единственным способом отправки космонавтов на МКС остались корабли «Союз», оснащенные двигателями РД-107/108.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее востребованных и перспективных как для развития промышленности страны, так и для выхода на международный рынок.

Внедрение частного капитала и интеграция научно-технической базы предприятий, занимающихся разработкой и производством двигательных систем и комплектующих, позволили создать полный производственный цикл отечественных двигателей, способных составить конкуренцию мировым аналогам.

Интеграция научно-технических достижений и новейших технологий в области двигателестроения для оперативного реагирования отрасли на запросы гражданской и военной авиации, а также космонавтики и своевременного ввода в эксплуатацию новых двигательных систем, отвечающих вызовам времени и не уступающих мировым аналогам.

Создание и поддержание научно-технической базы, способной обеспечить российскую авиационную отрасль двигательными системами отечественного производства, сокращение объемов импорта, а также вывод конкурентоспособной продукции на мировой рынок.