Что такое кпд авиационного двигателя

Реактивный двигатель: современные варианты исполнения

Реактивными двигателями называют такие устройства, которые создают нужную для процесса движения силу тяги преобразованием внутренней энергии горючего в кинетическую энергию реактивных струй в рабочем теле. Рабочее тело стремительно проистекает из двигателя, и по закону сохранения импульса формируется реактивная сила, которая толкает двигатель в противолежащем направлении. Чтобы разогнать рабочее тело может применяться как расширение газов, нагретых самыми разнообразными способами до высоких температур, а также и другими физическими процессами, в частности, ускорением заряженных частиц в электростатическом поле.

Реактивные двигатели сочетают в себе собственно двигатели с движителями. Имеется в виду, что они создают тяговые усилия исключительно взаимодействием с рабочими телами, без опор, либо контактами с остальными телами. То есть обеспечивают сами себе собственное продвижение, при этом промежуточные механизмы не принимают никакого участия. Вследствие этого в основном они используются для того, чтобы приводить в движение воздушные судна, ракеты и, конечно же, космические аппараты.

Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

1. Топливо.
2. Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
3. Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Бывает двух типов:

1. Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
2. Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.

Сфера применения

Использование ПВРД на пилотируемых самолетах нецелесообразно, ведь для их запуска нужны дополнительные двигатели. Намного проще сразу установить, например, ТРД. Именно поэтому их применение сводится к установке на крылатые ракеты, летающие мишени и непилотируемые самолеты, летающие со скоростью в пределах от 2 до 5М. В основном это «одноразовые» двигатели, что вполне логично, учитывая их невысокую стоимость и простую конструкцию. Запуск аппаратов с ПВРД осуществляется за счет их разгона до рабочей скорости с помощью самолетов-носителей или ракетных ускорителей.

Гиперзвуковые ПВРД планируется использовать на космических аппаратах, но пока это только теория.

Несмотря на то, что использование ПВРД в настоящее время ограничено, постоянно ведутся работы по улучшению их рабочих характеристик и созданию новых моделей.

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

Суть данного двигателя в том, что традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, для полета на гипер скоростях требуют спецрезервуаров с жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Обыкновенный воздух на таких скоростях нагревается до очень высоких температур, порядка 1000 градусов по Цельсию, что резко понижает термическое КПД. Особенность двигателя Sabre в том, что позволяет применять атмосферный воздух вместо жидкого кислорода. Когда воздух проходит сквозь двигатель, он сжимается и разогревается, в это время он попадает в холодильник, который оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием эти трубки, гелий охлаждает воздух до необходимой температуры. У двигателя Sabre есть одна особенность. Он в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. Устанавливаться он будет на самолете Skylon. Данная аппарат сможет разогнаться в атмосфере в 5 раз быстрее скорости звука и в 25 раз в открытом космическом пространстве.

Skylon готовиться как космический самолет, способный выводить спутники на низкую орбиту. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

• Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
• Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
• Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
• КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
• Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
• Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

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.

Как устроен двигатель

Сам по себе двигатель довольно сложен по конструкции. Учитывать тут надо огромное количество деталей и нюансов. Так, например, важно помнить, что при разгоне двигателя температура воздуха в нем повышается до 1000 градусов. При этом он не должен деформироваться, загораться и т.д.

Для изготовления авиационного двигателя берут только самые современные и безопасные материалы. Главное условие, предъявляемое к ним – они должны быть негорючими.

Авиационный двигатель включает в себя такие элементы, как:

• Вентилятор
• Компрессор
• Камера сгорания
• Сопло
• Турбина

Перед турбиной стоит вентилятор, который позволяет затягивать воздух во время полета снаружи. У авиавентиляторов много лопастей, которые имеют определенную форму. И их размер, а также форма имеют крайне важное значение, т.к. именно за счет этого обеспечивается оптимальное заглатывание воздуха.

Вентилятор также решает и такую задачу, как прокачка воздушных масс в пространстве между элементами двигателя и его оболочкой. Это способствует охлаждению системы.

Здесь же находится и компрессор, обладающий высокой мощностью, – он способствует транспортировке воздуха в камеру сгорания. Все происходит под давлением достаточно высокого уровня. Именно в камере начинается смешение воздушных масс и топлива. Такая смесь поджигается, начинается нагрев как самой смеси, так и всех элементов, которые находятся рядом. Чаще всего камеру делают из керамических составляющих – обусловлено такое состояние тем, что температура здесь доходить до 2 тысяч гр., а керамическая чаша устойчива к таким нагревам.

Смесь после прохождения всех этих этапов попадает в турбину. Она по своему внешнему виду напоминает довольно большое число лопаток. Они влияют на давление проходящего смесевого потока, вследствие чего и начинает приходить в свое движение турбина двигателя. После этого она начинает вращать вал, где стоит еще один необходимый элемент — вентилятор.

Двигатель по сути своей представляет систему достаточно замкнутую – для нее требуется только, чтобы подавался воздух и было топливо в наличии.

Движение смеси продолжается, и она переходит в сопло. И на этом заканчивается первый этап рабочего состояния двигателя. Начинает создаваться струя, которую называют реактивной. Вентилятор начинает гонять воздух, который еще холодный, через сопло, за счет чего он не разрушается от слишком высокой температуры смеси.

Сегодня, как отмечают эксперты, самыми лучшими считаются подвижные сопла – они могут расширяться и сжиматься. Кроме того, такие варианты могут регулировать угол, что помогает дать правильное направление воздуху. Самолет за счет этого приобретает наибольшую маневренность.

Воздушный винт

Благодаря воздушному винту создается тяга, но у каждого винта есть свои ограничения в скорости. Самая идеальная скорость вращения винта является 750-1,5 тысячи оборотов в минуту, в данной частоте уровень коэффициента полезного действия винта самый большой, но если скорость заходит за эти пределы, КПД начинает значительно падать.

В тоже время винт начинает приносить не повышение скорости, а наоборот начинает работать как тормоз. Такую особенность еще называют как «эффект запирания».

Такой эффект происходит из-за того что одна часть лопастей начинает набирать завышенные обороты и тем самым превышает скорость звука, из-за чего двигатель начинает неправильно работать. Такой эффект сработает также если лопастям увеличить их в диаметре, так как чем лопасть длиннее, тем выше скорость потока на концах лопастей.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель помимо таких стандартных частей, как сопло и камера сгорания, состоит еще из форсунок (как прямоточный), свечи зажигания, и клапанной решетки. Сопло представляет собой длинную цилиндрическую часть, а камера сгорания имеет входные клапаны. При их открытии туда поступают воздух и топливо, образуя единую смесь, которая поджигается искрой зажигания. После этого клапаны тут же закрываются под действием избыточного давления. Реактивная тяга создается с помощью выброса продуктов сгорания через сопло.

Так работают реактивные и турбовинтовые двигатели. Теперь, когда вы смогли узнать немного больше о принципе их работы, мы опишем для вас как положительные, так и отрицательные стороны двигателей, чтобы вы сами смогли решить, что же все таки лучше.

Экономичность.
Если речь идет о низких скоростях, то турбовинтовые двигатели находятся в преимуществе. За счет вращения винта КПД повышается и расход топлива становится меньше, чем у реактивных. Но если вам необходима большая скорость, то тут первенство, бесспорно, переходит к реактивным двигателям за счет большей тяговой силы, что помогает намного легче и быстрее достичь необходимой скорости.

Вес.
У турбовинтовых двигателей намного больше, чем у реактивных. Поэтому, если самолету необходима маневренность, предпочтение отдают реактивным двигателям.

Уровень шума.
Шум, создаваемый турбовинтовыми двигателями, составляет более 140 децибелов, что превышает порог допустимого. Реактивные же двигатели создают шум в пределах 130-140 децибелов. Такой уровень звука может вызвать болевые ощущения, но при этом остается в пределах нормы.

Вывод.
Подводя итоги, трудно сказать, что же все таки лучше, реактивный или турбовинтовой двигатели. Каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки в той или иной степени по отношению друг к другу. Например, если самолет нужен для выполнения местных перевозок на небольшой высоте, то намного эффективнее и выгоднее будет турбовинтовой двигатель. Если же речь идет про дальние и быстрые перелеты, то, безусловно, наиболее удачным решением будет отдать предпочтение реактивному двигателю по уже известным вам причинам.