Типы авиационных двигателей: от поршневых до реактивных

АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ - это тепловые двигатели, предназначенные для приведения в движение летательных аппаратов и обслуживания их систем. К авиационным двигателям предъявляют все более жесткие требования по эффективности и надежности, топливной экономичности, мощности, тяге и размерам. Каждый тип авиационного двигателя должен удовлетворять ряду жестких требований.

Существует большое разнообразие применяемых двигателей - от поршневых до ракетных. Различают авиационные двигатели в зависимости от принципа действия.

В данной статье мы рассмотрим основные типы авиационных двигателей, их принципы работы, конструктивные особенности и области применения.

Принцип работы авиационного двигателя

Классификация авиационных двигателей

Авиационные двигатели можно классифицировать по нескольким признакам:

• По методу создания тяги: винтовые, реактивные и газотурбинные.
• По принципу сжатия воздуха: компрессорные и бескомпрессорные.
• По роду энергии, используемой в движителях: двигатели с ядерным топливом, с электро-ядерным топливом и с химическим топливом.

Поршневые авиационные двигатели

Именно они устанавливались на первые летательные аппараты. Современные авиационные поршневые двигатели представляют собой звездообразные четырехтактные двигатели, работающие на бензине. Охлаждение цилиндров поршневых двигателей выполняется, как правило, воздушным.

Сгорание топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, при этом тепловая энергия преобразуется в механическую, так как под действием давления образующихся газов происходит поступательное движение поршня. Образование смеси осуществляется либо непосредственно в цилиндрах, либо в специальном устройстве, называемом карбюратором, откуда в цилиндр поступает готовая смесь. Еще одним недостатком поршневых двигателей является быстрый износ рабочих деталей.

Со временем такие авиадвигатели уступили место более мощным и эффективным моторам, так как в связи с особенностями работы поршневого авиадвигателя при росте скорости самолета падает тяга.

Турбовинтовые двигатели (ТВД)

Турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом двигателе дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Турбовинтовой двигатель (англ. Turboprop engine) - газотурбинный двигатель, в котором основная тяга создается воздушным винтом, соединённым с валом двигателя через редуктор. На долю реактивной тяги от сгорания топлива приходится 6-12%.

В некоторых турбовинтовых двигателях компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт - другой. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна развивать большие обороты (до 20000 об/мин).

Для уменьшения оборотов воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в турбовинтовом двигателе устанавливается редуктор. В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью срабатывать на турбине ТВД большие теплоперепады, чем на турбине ТРД.

Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре, и далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через форсунки впрыскивается топливо.

Назначение основных элементов ТВД ничем не отличается от назначения тех же элементов ТРД. Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД. Образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциальной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полностью расширяясь, производят работу, которая затем передается компрессору, воздушному винту и приводам агрегатов.

Турбореактивные двигатели (ТРД)

Тяговая мощность реактивного двигателя увеличивается по мере роста скорости движения летательного аппарата, что позволяет осуществлять полеты на большой высоте и с высокой скоростью. Турбореактивный двигатель (англ. Turbojet engine) - тепловой двигатель, в котором используется газовая турбина, а реактивная тяга образуется при истечении продуктов сгорания из реактивного сопла.

Для современных самолетов, обладающих большой грузоподъемностью и дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными установками на небольших скоростях полета.

Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в следующем. В полете воздушный поток, набегающий на двигатель, проходит через входное устройство в компрессор. Во входном устройстве происходит предварительное сжатие воздуха и частичное преобразование кинетической энергии движущегося воздушного потока в потенциальную энергию давления. Более значительному сжатию воздух подвергается в компрессоре.

В турбореактивных двигателях с осевым компрессором при быстром вращении ротора лопатки компрессора, подобно лопастям вентилятора, прогоняют воздух в сторону камеры сгорания. В двигателях с центробежным компрессором сжатие воздуха происходит за счет воздействия центробежной силы. Воздух, входя в компрессор, подхватывается лопатка быстро вращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности колеса компрессора.

Воздух, сжатый во входном устройстве и компрессоре, далее поступает в камеру сгорания, разделяясь на два потока. Одна часть воздуха (первичный воздух), составляющая 25-35% от общего расхода воздуха, направляется непосредственно в жаровую трубу, где происходит основной процесс сгорания. Другая часть воздуха (вторичный воздух) обтекает наружные полости камеры сгорания, охлаждая последнюю, и на выходе из камеры смешивается с продуктами сгорания, уменьшая температуру газовоздушного потока до величины, определяемой жаропрочностью лопаток турбины.

Таким образом, в камере сгорания происходит образование топливо-воздушной смеси путем распыливания топлива через форсунки и смешения его с первичным воздухом, горение смеси и смешение продуктов сгорания со вторичным воздухом.

Турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД)

В отличие от ТРД обычной схемы в ТРДД газовая турбина приводит во вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов) низконапорный компрессор, называемый иначе вентилятором второго контура. Первый (внутренний) контур ТРДД представляет собой схему обычного ТРД. Вторым (внешним) контуром является кольцевой канал с расположенным в нем вентилятором.

Набегающий на двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник и далее одна часть воздуха проходит через компрессор высокого давления первого контура, другая - через лопатки вентилятора (компрессора низкого давления) второго контура. Так как схема первого контура представляет собой обычную схему ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему процессу в ТРД.

Благодаря наличию второго контура в ТРДД масса воздуха, вытекающая из него с малой скоростью, смешивается с газовым потоком, выходящего из первого контура, и тем самым общая скорость газовоздушного потока снижается, приближаясь к скорости полета самолета. Таким образом, чем больше степень двухконтурности ТРДД, тем меньше скорость истечения газа из выходного устройства и тем выше тяговый коэффициент полезного действия.

ТРДД могут найти применение и на сверхзвуковых летательных аппаратах, но в этом случае для увеличения их тяги необходимо предусматривать сжигание топлива во втором контуре.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД)

Принципиальное отличие прямоточных воздушно-реактивных двигателей заключается в отличии у прямоточных воздушно-реактивных двигателей сжатия воздуха за счет подвода механической энергии в тракте двигателя. Входное устройство предназначено для подвода воздуха к компрессору двигателя. В зависимости от расположения двигателя на самолете оно может входить в конструкцию самолета или в конструкцию двигателя.

Диффузор "дозвукового" ПВРД представляет собой расширяющийся канал, где при отсутствии отрыва потока от стенок уменьшается скорость потока и соответственно повышается статическое давление. Камера сгорания является элементом двигателя, в котором выделяется тепло с соответствующим повышением температуры рабочего тела.

Ракетно-прямоточные двигатели (РПД)

Ракетно-прямоточный двигатель (РПД) представляет собой двигатель прямоточной схемы, в воздушном контуре которого установлены ракетные двигатели. Газообразные продукты первичного сгорания топлив в камере ракетного двигателя истекают из его сопла в прямоточный воздушный тракт непосредственно за диффузором.

Реактивные газы РкД, обладающие высокой температурой и большой кинетической энергией, смешиваются с воздухом в камере эжектора, повышая его полное давление и температуру. В воздушном контуре РПД могут устанавливаться дополнительные коллекторы, через которые жидкое горючее вводится непосредственно в воздух или в смесь газов.

РПД обладает промежуточными характеристиками между РкД и ПВРД, более высокой тягой, чем ПВРД, и более высокой экономичностью, чем ЖРД. В зависимости от требования можно изменять долю ракетного и прямоточного контуров и, таким образом, иметь характеристики РПД, более близкие к РкД или ПВРД.

Турбины в авиационных двигателях

Турбина - это машина для непрерывного производства энергии, в которой колесо или ротор с лопастями приводится во вращение потоком воды, пара, газа или ветра. В зависимости от направления потока турбины можно разделить на радиальные, осевые и диагональные, а рабочее тело определяет тип турбины.

В осевой турбине рабочее тело течет параллельно оси вращения вала и преобразует энергию рабочего тела в механическую энергию вращения. В радиальной турбине поток направлен перпендикулярно оси вращения и приводит турбину в движение подобно тому, как вода приводит в движение колесо водяной мельницы.

Осевые турбины и компрессоры состоят из нескольких ступеней. Ступени представляют собой пару «вращающаяся лопатка-неподвижная направляющая лопасть». Лопатки соединены с ротором, а лопасти - с отливкой (корпусом). Основная функция вращающихся лопаток - обеспечивать передачу энергии между рабочим телом и ротором. Лопасти, в свою очередь, перенаправляют поток рабочего тела к следующей ступени.

Производство авиационных двигателей в Башкортостане

В Башкортостане авиационные двигатели производят с начала 40‑х гг. 20 в. В 1941-45 на заводе №26 (см. УМПО) выпускали поршневые V‑образные авиадвигатели водяного охлаждения ВК‑105 и ВК‑107 (конструктор В.Я.Климов) для бомбардировщиков Пе‑2 и истребителей Як‑3, Як‑7, Як‑9. В 1945-46 производились воздушно-реактивные двигатели РД‑10 и РД‑20. В 1948 на заводе было освоено массовое производство двигателей РД‑45 и ВК‑1 с центробежным компрессором для самолётов МиГ‑15, Ил‑28, с 1955 - несколько модификаций двигателей РД‑9Б с осевым компрессором для пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.

С конца 60‑х гг. производятся двухвальные двигатели Р11‑300, Р13‑300, Р25‑300, Р95Ш, Р195, Р29Б‑300 и др. для самолётов МиГ и Су; в последующие годы - двигатели сложной двухконтурной схемы, в т.ч. АЛ‑31Ф для истребителей Су‑27, Су‑30.

Таблица: Сравнение основных типов авиационных двигателей

Тип двигателя	Принцип работы	Применение	Преимущества	Недостатки
Поршневой	Сгорание топлива в цилиндрах, приводящее в движение поршень	Легкая авиация, старые модели самолетов	Простота конструкции, низкая стоимость	Низкая мощность, быстрый износ
Турбовинтовой	Газовая турбина вращает воздушный винт через редуктор	Самолеты средней дальности, транспортные самолеты	Экономичность на низких скоростях	Ограниченная скорость полета
Турбореактивный	Газовая турбина создает реактивную тягу	Большие пассажирские самолеты, военная авиация	Высокая скорость и тяга	Низкая экономичность на низких скоростях
Турбореактивный двухконтурный	Часть воздуха проходит через вентилятор, создавая дополнительную тягу	Современные пассажирские самолеты	Высокая экономичность, низкий уровень шума	Сложность конструкции
Прямоточный воздушно-реактивный	Сжатие воздуха за счет скорости полета	Ракеты, беспилотные летательные аппараты	Простота конструкции, высокая скорость полета	Необходимость в начальной скорости