0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое воздушно реактивный двигатель

ПуВРД имеет следующие основные элементы: входной участок а — в (рис. 1) (в дальнейшем входную часть будем называть головкой /), заканчивающийся клапанной решеткой, состоящей из диска 6 и клапанов 7; камеру сгорания 2, участок в — г; реактивное сопло 3, участок г — д выхлопную трубу 4, участок д — е.
Входной канал головки / имеет конфузорный а — б и диффузорный б — в участки. В начале диффузорного участка устанавливается топливная трубка 8 с регулировочной иглой 5.

Воздух, проходя через конфузорную часть, увеличивает свою скорость, вследствие чего давление на этом участке, согласно закону Бернулли, падает. Под действием пониженного давления из трубки 8 начинает подсасываться топливо, которое затем подхватывается струей воздуха, разбивается ею на более мелкие частички и испаряется. Образовавшаяся карбюрированная смесь, проходя диффузорную часть головки, несколько поджимается за счет уменьшения скорости движения и в окончательно перемешанном виде через входные отверстия клапанной решетки поступает в камеру сгорания.
Первоначально топливно-воздушная смесь, заполнившая объем камеры сгорания, воспламеняется с помощью электрической свечи, в крайнем случае с помощью открытого очага пламени, подводимого к обрезу выхлопной трубы, т. е. к сечению с — е. Когда двигатель выйдет на рабочий режим, вновь поступающая в камеру сгорания топливно-воздушиая смесь воспламеняется не от постороннего источника, а от горячих газов. Таким образом, электрическая свеча или другой источник пламени необходимы лишь в период запуска двигателя.

Образовавшиеся в процессе сгорания топливно-воз-душной смеси газы резко повышают давление в камере сгорания, и пластинчатые клапаны клапанной решетки закрываются, а газы устремляются в открытую часть камеры сгорания в сторону выхлопной трубы. В некоторый момент давление и температура газов достигают своего максимального значения. В этот период скорость истечения газов из реактивного сопла и тяга, развиваемая двигателем, также максимальны.
Под действием повышенного давления в камере сгорания горячие газы движутся в виде газового «поршня», который, проходя через реактивное сопло, приобретает максимальную кинетическую энергию. По мере выхода основной массы газов из камеры сгорания давление в ней
начинает падать. Газовый «поршень», двигаясь по инерции, создает за собой разрежение. Это разрежение начинается от клапанной решетки и по мере движения основной массы газов в сторону выхода распространяется на всю длину рабочей трубы двигателя, т. с. до сечения е — е. В результате этого под действием более высокого давлении в диффузор-нон части головки пластинчатые клапаны открываются и камера сгорания наполняется очередной порцией топ-ливно-воздушной смеси.
С другой стороны, разрежение, распространившееся до обреза выхлопной трубы, приводит к тому, что скорость части газов, двигающихся по выхлопной трубе в сторону выхода, падает до нуля, а затем получает обратное значение,— газы в смеси с подсосанным воздухом начинают двигаться в сторону камеры сгорания. К этому времени камера сгорания наполнилась очередной порцией топлнвпо-воздушной смеси и движущиеся в обратном направлении газы (волна давления) несколько поджимают ее и воспламеняют.

Таким образом, в рабочей трубе двигателя в процессе его работы происходит колебание газового столба: в период повышенного давления в камере сгорания газы движутся в сторону выхода, в период пониженного давления — в сторону камеры сгорания. И чем интенсивнее колебания газового столба в рабочей трубе, тем глубже величина разрежения в камере сгорания, тем больше в нее поступит топливно-воздушной смеси, что, в свою очередь, приведет к повышению давления, а следовательно, и к увеличению тяги, развиваемой двигателем за цикл.
После того как воспламенилась очередная порция топ-лпвно-воздушной смеси, цикл повторяется. На рис. 2 схематично показана последовательность работы двигателя за один цикл:
— заполнение камеры сгорания свежей смесью при открытых клапанах в период запуска а;
— момент воспламенения смеси б (образовавшиеся при сгорании газы расширяются, давление в камере сгорания возрастает, клапаны закрываются и газы устремляются через реактивное сопло в выхлопную трубу);
— продукты сгорания в своей основной массе в виде газового «поршня» движутся к выходу и создают за собой разрежение, клапаны открываются и происходит наполнение камеры сгорания свежей смесью в;
— в камеру сгорания продолжает поступать свежая смесь г (основная масса газов — газовый «поршень» — покинула выхлопную трубу, и разрежение распространилось до обреза выхлопной трубы, через который начинается всасывание части остаточных газов и чистого воздуха из атмосферы);
— заканчивается наполнение камеры сгорания свежей смесью д (клапаны закрываются и со стороны выхлопной трубы по направлению к клапанной решетке движется столб остаточных газов и воздуха, поджимающий смесь);

— в камере сгорания происходит воспламенение и сгорание смеси е (газы устремляются через реактивное сопло в выхлопную трубу и цикл повторяется).
Вследствие того что давление в камере сгорания меняется от какого-то максимального значения, больше атмосферного, до минимального, меньше атмосферного, скорость истечения газа из двигателя тоже непостоянна в течение цикла. В момент наибольшего давления в камере сгорания скорость истечения из реактивного сопла также наибольшая. Затем, по мере выхода основной массы газов из двигателя, скорость истечения падает до нуля и далее направлена уже в сторону клапанной решетки. В зависимости от изменения скорости истечения и массы газов за цикл меняется и тяга двигателя.

Читать еще:  Двигатель 1g gze троит

На рис. 3 показан характер изменения давления р и скорости истечения газа Се за цикл в ПуВРД с длинной выхлопной трубой. Из рисунка видно, что скорость истечения газа, с некоторым сдвигом по времени, изменяется в соответствии с изменением давления и достигает своего максимума примерно при максимальном значении давления. В период, когда давление в рабочей трубе ниже атмосферного, скорость истечения и тяга — отрицательны (участок ш), так как газы движутся по выхлопной трубе в сторону камеры сгорания.

В результате того что газы, двигаясь по выхлопной трубе, образуют разрежение в камере сгорания, ПуВРД может работать на месте при отсутствии скоростного напора.

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ АВИАМОДЕЛЬНОГО ПуВРД

Тяга, развиваемая двигателем

Тяга, развиваемая реактивным двигателем (в том числе и пульсирующим), определяется вторым и третьим законами механики.
Тяга за один цикл ПуВРД изменяется от максимальной— положительной величины до минимальной — отрицательной. Такое изменение тяги за цикл обусловлено принципом действия двигателя, т. е. тем, что параметры газа—давление, скорость истечения и температура — в течение цикла непостоянны. Поэтому, переходя к определению силы тяги, введем понятие о средней скорости истечения газа из двигателя. Обозначим эту скорость Свср (см. рис. 3).
Определим тягу двигателя как реактивную силу, соответствующую предполагаемой средней скорости истечения. Согласно второму закону механики изменение количества движения любого газового потока, в том числе и в двигателе, равно импульсу силы, т. е. в данном случае силы тяги:
Р* = тг — С,ср — таУ, (1)
где тг— масса продуктов сгорания топлива;
тй — масса воздуха, поступающего в двигатель; С,ср — средняя скорость истечения продуктов сгорания;
V — скорость полета модели; Р — сила тяги; I — время действия силы, Формулу (1) можно записать и в другом виде, разделив правую и левую ее части на I:
т.. гпп
, (2)
где тг. сек и МБ. сек — представляют собой массы продуктов сгорания и воздуха, протекающих через двигатель в секунду, и, следовательно, могут быть выражены через соответствующие секундные весовые расходы Сг. сек
II Ов. сек, Т. С.
_ ^г. сек _ «р. сек
. сек —

а
Подставляя в формулу (2) секундные массовые расходы, выраженные через секундные весовые расходы, получим:
г-сск в- сск
*-*
г> -. п. сек
Вынося за скобку — , получим выражение
. сек г. сек
. сек
Известно, что для полного сгорания 1 кг углеводородного топлива (например, бензина) необходимо примерно 15 кг воздуха. Если теперь предположить, что мы сожгли 1 кг бензина и на его сгорание потребовалось 15 кг воздуха, то вес продуктов сгорания 6Г будет равен: СГ = 0Т + (гв = 1 кг топлива 4- 15 кг воздуха = 16 кг про- дуктов сгорания, а отношение

в весовых единицах
В
будет иметь вид:
вг (?т + (?в ] + 15
—^ .» р
Это же значение будет иметь и отношение^-1
в- сек
п г сек
Принимая отношение т^ — равным единице, получим более простую и достаточно точную формулу для определения силы тяги:
Я = ^ (С,ер — V). (5)
При работе двигателя на месте, когда V = О, получим
Р = ^ С’ср- (6)
Формулы (5 и 6) можно написать в более развернутом виде:
, (Т)
где Св. ц—вес воздуха, протекающего через двигатель
за один цикл;
п — число циклов в секунду.
Анализируя формулы (7 и 8), можно сделать вывод, что тяга ПуВРД зависит:
— от количества воздуха, проходящего через двигатель за цикл;
— от средней скорости истечения газа из двигателя;
— от числа циклов в секунду.
Чем больше число циклов двигателя в секунду и чем больше через него проходит топливно-воздушной смеси, тем больше развиваемая двигателем тяга.
Основные относительные (удельные) параметры
ПуВРД
Летно-эксплуатационные качества пульсирующих воздушно-реактивных двигателей для авиамоделей удобнее всего сравнивать, пользуясь относительными параметрами.
Основными относительными параметрами двигателя являются: удельная тяга, удельный расход топлива, удельный вес и удельная лобовая тяга.
Удельная тяга Руд — это отношение развиваемой двигателем тяги Р [кг] к весовому секундному расходу воздуха через двигатель.

Подставляя в данную формулу значение силы тяги Р из формулы (5), получим
1
При работе двигателя на месте, т. е. при V = 0, выражение для удельной тяги примет очень простой вид:
п *ср
* уд — — •
УД ^
Таким образом, зная среднюю скорость истечения газа из двигателя, можем легко определить удельную тягу двигателя.
Удельный расход топлива С?уд равен отношению часового расхода топлива к тяге, развиваемой двигателем
бт Г *г Ч Г г 1 аУД —

‘ |_«/ас-^ [час -г] *
где 6 уд — удельный расход топлива;
^ « г кг г ] 6Т — часовой расход топлива — » — | .
Зная секундный расход топлива Ст. сек. можно определить часовой расход по формуле
6т = 3600 • Сг. сек •
Удельный расход топлива — важная эксплуатационная характеристика двигателя, показывающая его экономичность. Чем меньше 6УЛ, тем больше дальность и продолжительность полета модели при прочих равных условиях.
Удельный вес двигателя -,’дп равен отношению сухого веса двигателя к максимальной тяге, развиваемой двигателем на месте:

Тдв
_^ Г«1ГО
— р » [«г] [г ] »
где 7дп — удельный вес двигателя;
6ДП — сухой вес двигателя.
При заданной величине тяги удельный вес двигателя определяет вес двигательной установки, который, как известно, сильно влияет на летные параметры летающей модели и в первую очередь на ее скорость, высоту и грузоподъемность. Чем меньше удельный вес двигателя при заданной тяге, тем совершеннее его конструкция, тем большего веса модель этот двигатель может поднять в воздух.
Удельная лобовая тяга Я.™-, — это отношение тяги, развиваемой двигателем, к площади его наибольшего поперечного сечения
где Рлоб — удельная лобовая тяга;
/»лоо — площадь наибольшего поперечного сечения двигателя.
Удельная лобовая тяга играет важную роль при оценке аэродинамических качеств двигателя, особенно для скоростных летающих моделей. Чем больше РЛоб, тем меньшая доля тяги, развиваемой двигателем в полете, расходуется па преодоление его собственного сопротивления.
ПуВРД, имеющий малую лобовую площадь, удобен для установки на летающие модели.
Относительные (удельные) параметры двигателя меняются с изменением скорости и высоты полета, так как при этом не сохраняют свою величину тяга, развиваемая двигателем, и суммарный расход топлива. Поэтому относительные параметры обычно относятся к работе неподвижного двигателя на режиме максимальной тяги на земле.
Изменение тяги ПуВРД в зависимости от скорости
полета
Тяга ПуВРД в зависимости от скорости полета может изменяться различным образом и зависит от способа регулирования подачи топлива в камеру сгорания. От того, по какому закону осуществляется подача топлива, зависит и изменение скоростной характеристики двигателя.
На известных конструкциях летающих моделей самолетов с ПуВРД, как правило, не применяют специальных автоматических устройств для подачи топлива в камеру сгорания в зависимости от скорости и высоты полета, а регулируют двигатели на земле на максимальную тягу или пл наиболее устойчивый и наложный режим работы.
На больших летательных аппаратах с ПуБРД всегда устанавливают автомат подачи топлива, который в зависимости от скорости н высоты полета поддерживает постоянным качество топливпо-воздушпой смеси, поступающей в камеру сгорания, и тем самым поддерживает устойчивый и наиболее эффективный режим работы двигателя. Ниже рассмотрим скоростные характеристики двигателя в тех случаях, когда установлен автомат подачи топлива и когда он не установлен.
Для полного сгорания топлива требуется строго определенное количество воздуха. Для углеводородных топлив, например бензина и керосина, отношение веса воздуха, необходимого для полного сгорания топлива, к весу этого топлива равно примерно 15. Это отношение обычно обозначают буквой /,. Поэтому, зная вес топлива, можно определить сразу же количество теоретически необходимого воздуха:
6В = /^г. (13)
Секундные расходы находятся точно в такой же зависимости:
^ и. сек ==

Читать еще:  Psarfn10lh1z что за двигатель

Скоростные поезда нужно было проверить на безопасность

M‑497 «Чёрный жук». Западная версия реактивного поезда, которую, в отличие от советской, производитель пытался сделать для пассажиров

В 1970-х годах с экономическим развитием у людей появилась потребность в быстром способе передвигаться между мегаполисами . Так начались эксперименты со скоростными поездами.

За задачу взялся Калининский вагоностроительный завод (теперь Тверской), куда пригнали все детали для опытного образца.

Чтобы разработать пассажирский поезд, сначала нужно было понять, какие нагрузки перенесут состав и рельсы при движении быстрее 160 км/ч.

Для этого советские инженеры решили разработать Скоростной вагон‑лабораторию (СВЛ) как ответ на американский M‑497 «Чёрный жук», который штаты запустили в 1966 году.

Як-40 и ЭР22. Из их деталей собрали аэровагон

В обоих случаях на переднюю часть транспорта ставили двигатели от самолёта. В советском варианте их сняли с Як-40.

Почему взяли именно такой способ. На колёса действуют разные силы, в том числе прицепленный к ним мотор. Он бы искажал замеры.

За счёт реактивной тяги инженеры получали точные результаты о трении и устойчивости, потому что колёса двигались по принципу телеги, а не за счёт привода.

СВЛ собрали на основе уже стоявшего на ходу вагона ЭР22, которому приделали обтекатели и жаропрочную крышу, чтобы та не сгорела от выхлопа двигателей.

В кабину поставили авиационный пульт управления, который питался дизельным генератором. Сам же транспорт приходил в движение за счёт керосина . Его на «борту» было максимум 7,2 тонны.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Читать еще:  Volkswagen jetta троит двигатель

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Летательные аппараты будущего

J-2000 — лишь один из концептов. Он назван по максимальной взлетной массе в 2000 фунтов (907 кг). Jetoptera планирует создать целое семейство аппаратов, использующих двигатели данной конструкции. В него войдут как футуристические скоростные модели, так и аппараты, внешне похожие на обычные самолеты, оснащенные безлопастными двигателями.

А самое потрясающее — речь не идет о голой теории. Машина Jetoptera уже находится на стадии прототипирования. У компании уже имеется рама с несколькими двигателями, которая летает в тестовом режиме:

И тот факт, что проектом уже заинтересовались военные, доказывает, что речь идет о чем-то намного большем, чем простая фантазия. Вполне возможно, именно так будут выглядеть и летать аппараты будущего.

Почему двигатели находятся под крыльями?

За всю историю гражданской авиации конструкторы перепробовали великое множество вариантов того, как прикрепить к самолету двигатель. Их размещали в корне крыла, в хвостовой части фюзеляжа, под крыльями, встречались и более экзотические схемы — на американском широкофюзеляжном DC-10 два мотора находились под крыльями, а третий — в хвосте, а у германского Fokker 614 — над крыльями на двух стойках-пилонах.

Теперь на абсолютном большинстве новых лайнеров двигатели подвешены на пилонах под крыльями. Это может показаться странным, ведь два тяжелых авиационных мотора должны создавать большую нагрузку на крылья, которым и без того приходится поддерживать весь самолет. Не лучше ли, например, оставить их в задней части фюзеляжа, как это делали поколения авиаконструкторов?

Новый Boeing 737MAX — обратите внимание, что к двигателям можно просто подойти по земле, совершенно необязательно при этом бегать за стремянкой. При этом стойки шасси настолько короткие, что гондолы двигателей пришлось в нижней части немного подрезать

«Преимущество двигателей под крылом — это в первую очередь короткий путь к топливному баку, находящемуся, опять же, в крыле. Это означает более простую и более легкую систему подачи топлива. Проще регулировать центр тяжести самолета в полете, так как масса двигателей находится практически в центре», — объяснил Би-би-си германский эксперт в области авиации Александр Вайц.

Для того чтобы обеспечить центровку лайнеров, двигатели которых расположены в хвосте, действительно надо приложить определенные усилия — у таких самолетов центр тяжести смещен назад.

В корпорации Airbus Русской службе Би-би-си объяснили, что еще одним достоинством схемы современных самолетов является то, что двигатели под крыльями работают эффективнее, поскольку находятся в «невозмущенном потоке» — вне завихрений воздуха, которые образуются в полете возле фюзеляжа.

Еще одна причина, на которую указали в Airbus, — уменьшение нагрузки на крыло. Во время полета самолет «опирается» на воздух целиком, и крыльями, и фюзеляжем, и хвостовым оперением. И чем равномернее будет распределена нагрузка по всей площади, тем лучше для всех узлов и сочленений. При этом если тяжелые двигатели будут на фюзеляже, сила притяжения будет стараться как бы «сложить» самолет подобно книге. Сделать это, конечно, не получится, но и лишняя нагрузка планеру ни к чему.

Схема расположения двигателей в хвостовой части самолета, от которой сейчас отказываются производители больших авиалайнеров, долгое время была очень популярной. Вспомним советские Ту-154, Ту-134, Як-40, Як-42, Ил-62, американский Boeing 727 и многие другие. Она имеет определенные преимущества, поскольку позволяет сделать крыло более тонким, аэродинамически более совершенным.

Кроме того, если в полете откажет один двигатель, и самолет сможет продолжать полет на втором, то в случае, если тот будет расположен под крылом, самолет неизбежно будет немного разворачивать (попробуйте толкать детскую коляску одной рукой, взявшись за ручку с краю). Это немного дискомфортно для пилота, но не так уж опасно. Когда двигатели находятся в хвостовой части, экипаж не будет испытывать даже и этого дискомфорта.

Однако когда речь заходит о комфорте во время технического обслуживания, разница между двигателями под крылом и в хвосте становится колоссальной. Инженер по техническому обслуживанию самолетов Алексей Ребик рассказал Би-би-си об обслуживании самолета на примере самой простой операции — установки на двигатель заглушки (алюминиевый щит или кусок ткани, которым закрывают воздухозаборник). Эту операцию выполняют каждый раз, когда самолет отправляется на более-менее длительную стоянку.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector