Файл: Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций.pdf

К-п.д. винта до некоторой скорости, называемой расчетной, увеличивается, а затем падает.

Уменьшение т)в при увеличении скорости полета выше рас­ четной объясняется возникновением и развитием волнового кризиса на лопастях винта, при котором обтекание лопастей резко ухудшается. Волновой кризис лопасти воздушного винта возникает у концевых и комлевых сечений лопасти. У концевых

больше критической.

Расчетная скорость, на которой к.п.д. винта достигает мак­ симального значения, лежит в пределах скоростей, соответству­

ние V.

Потребная эффективная мощность на валу поршневого дви­ гателя Ne в связи с падением тяги по указанным выше причинам (зависящим от винта) находится в кубической зависимости от скорости полета.

В самом деле, P = Q (для горизонтального полета), но

Q = cJ £ - S = P.

А так как

PV=75-Ne-nB,

то, подставив значение Р, получим:

150-1). •

Такой интенсивный рост мощности двигателя с увеличением скорости полета приводит к непомерному росту его веса.

Так, чтобы получить мощность в 8000 л. с., потребную для достижения скорости полета 1000 км час, надо создать поршне­ вой двигатель весом около 4000 кг, у которого к тому же сильно возрастают габариты. С таким весом и габаритами двигателя практическая реализация самолета, способного развить ско­

тивные двигатели используют тепловую энергию непосредствен­

9

Тяговая мощность реактивного двигателя (мощность, раз­ виваемая силой тяги), как видно из формулы (1), прямо про­ порциональна скорости полета.

Кроме того, реактивные двигатели имеют и дрУгие преиму­ щества перед поршневыми: простоту конструкции, возможность получения больших значений тяги при относительно небольшом весе и габаритах, а также практически неизменную тягу в рабочем диапазоне скоростей.

Широкое внедрение реактивных двигателей в авиации не исключило применения воздушных винтов. Для дозвуковых самолетов оказалось выгодным применение винта, приводи­ мого во вращение турбиной воздушно-реактивного двигателя (турбовинтовые двигатели).

Широкий круг задач, решаемых с помощью летательных аппаратов различного назначения, значительный диапазон не­ обходимых для их решения скоростей и высот полета и вызван­ ная этими обстоятельствами противоречивость требований к авиационным двигателям привели к тому, что в настоящее время применяется весьма значительное количество типов авиационных двигателей.

§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Наиболее существенным признаком, определяющим как область применения двигателей, так и свойства летательных аппаратов, является источник массы, отрабатываемой двигате­ лем. В зависимости от источника массы реактивные двигатели делятся на воздушно-реактивные и ракетные (рис. 3).

Ракетные двигатели отбрасывают массу, запасенную на борту летательного аппарата в виде топлива (горючего и окис­ лителя), которое является не только источником энергии, но и источником отбрасываемой массы.

Топлива ракетных двигателей могут быть твердыми (по­ рох), и тогда двигатели носят название пороховых ракетных двигателей (ПРД), и жидкими (жидкое горючее и жидкий окислитель), и тогда двигатели называются жидкостными ра­ кетными двигателями (ЖРД).

Достоинства ракетных двигателей:

— поскольку все необходимое для работы ракетных двига­ телей находится на борту летательного аппарата, они могут работать в любой среде и создавать тягу на любой скорости полета. Следовательно, ракетные двигатели представляют со­ бой единственный тип силовой установки, обеспечивающей освоение космического пространства;

10

r

— отсутствие вращающихся частей в горячей части ракет­ ного двигателя позволяет достигать высоких температур и дав­ лений газов в камере сгорания, а следовательно, получать высокие скорости истечения. Это дает возможность уменьшить массу отбрасываемых газов. Вес и габариты такого двигателя при одинаковой тяге в сравнении с другими типами двигателей оказываются меньшими. Чем меньше отбрасываемая масса и больше скорость отбрасывания, тем совершеннее ракетный двигатель во всех отношениях;

— простота конструкции, особенно Г1РД.

Однако ракетные двигатели имеют существенный недоста­ ток— большой расход топлива.

Большой расход топлива (низкая экономичность) ракетных двигателей объясняется тем, что они, кроме горючего, расхо­ дуют окислитель, содержащийся на борту, причем в 2,5—3 раза больше, чем горючего.

Низкая экономичность Г1РД и ЖРД не позволяет получить приемлемую продолжительность и дальность полета аэроди­ намических летательных аппаратов, поэтому эти двигатели в авиации в качестве основных силовых установок не использу­ ются, а применяются лишь в качестве ускорителей.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) основную часть отбрасываемой массы (более 95—96%) черпают в виде возду­ ха из окружающей среды. Как следствие этого показатели ВРД

11

в сильной степени зависят от высоты и скорости полета, а их область применения оказывается ограниченной (рис. 4).

Рис. 4. Области применении реактивных двигателей

, Граница применения ВРД по высоте зависит от скорости полета и соответствует значениям скоростного напора, при ко­ тором обеспечиваются устойчивое горение топлива в камере сгорания и получение необходимцх тяг. Так, например, пре­ дельная высота применения ВРД на больших сверхзвуковых скоростях полета превышает высоту дозвукового полета в

2—3 раза.

Область возможного применения ВРД оказывается ограни­ ченной и по скор'остц полета. При достижении достаточно боль­ ших скоростей полета температура воздуха, входящего в каме­ ру сгорания, становится близкой к температуре, выдержива­ емой элементами проточной части двигателя. В этих условиях подвод тепла к каждому килограмму воздуха в камере сгора­ ния приходится уменьшать (путем уменьшения подачи топли­ ва), и он оказывается недостаточным для получения тяги, необходимой для полета. Границы области применения ВРД

12

определяются уровнем развития двигателей и поэтому до не­ которой степени являются условными.

Существенным отличием ВРД, выгодно отличающим их от ракетных двигателей, является высокая экономичность, так как

дальности и продолжительности аэродинамических летатель­ ных аппаратов.

На летные свойства аппаратов с ВРД в первую очередь влияет способ сжатия воздуха в двигателе перед процессом сгорания. По способу сжатия воздуха воздушно-реактивные двигатели делятся на бескомпрессорные и компрессорные.

Бескомпрессорные ВРД. Сжатие воздуха в бескомпрессорном ВРД осуществляется за счет скоростного напора, возника­ ющего при движении летательного аппарата. Примером бескомпрессорного ВРД является прямоточный двигатель (ПВРД), у которого сжатие воздуха и поступление его в каме­ ру сгорания возможны лишь только при движении летательно­ го аппарата. Принципиальная схема ПВРД показана на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема ПВРД:

Я—2—входное устройство: 2—3—камера сгорания; J —5—реактивное сопло; я—форкаме- ра (зажигательное устройство); кольцевые стабилизаторы пламени; «—форсунки

Бескомпрессорные ВРД не могут обеспечить взлет и разгон летательного аппарата; их применение возможно лишь в ком­ бинации с другими типами двигателей, создающих достаточную тягу на взлете и в процессе разгона.

Компрессорные ВРД. Принципиальная схема компрессор­ ного турбореактивного двигателя показана на рис. 6.

13

Рис. 6. Принципиальная схема 'ГРД:

/ —входное устройство: II—компрессор; III—камера сгорания: /V —турбина двигателя; У—форсажная камера;

VI—реактивное сопло

полета, чем показатели бескомпрессорных ВРД. Так, например, до ЛТ =1,0 тяга компрессорного двигателя с изменением скоро­ стей изменяется незначительно. Благодаря компрессору, обес­ печивающему подачу воздуха в камеру сгорания с высоким давлением, компрессорные ВРД имеют решающее преимуще­ ство над бескомпрессорными ВРД в области малых скоростей полета. Вместе с тем из-за повышения температуры воздуха в компрессоре и сравнительно низкой максимальной температу­

дится тепла меньше, чем у бескомпрессорных двигателей. Турбореактивные двигатели (ТРД) устанавливаются на са­

молетах, достигающих сверхзвуковых скоростей полета. Они могут применяться и в качестве двигателей для крылатых ракет.

К компрессорным двигателям относятся также двухконтур­ ные (Д'ГРД) и турбовинтовые двигатели (ТВД).

Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный

(компрессорный) двигатель, турбина которого развивает боль­ шую мощность, чем требуется для вращения компрессора, а избыточную мощность передает на воздушный винт, жестко связанный через редуктор с ротором двигателя. Тепло, подво­ димое к ТВД, используется на вращение винта и создание тяги

позволяют получить хорошие взлетно-посадочные характери­ стики самолетов и обладают высокой экономичностью на ма­ лых скоростях полета. Эти двигатели нашли широкое примене­ ние в дозвуковой транспортной и бомбардировочной авиации, а также на вертолетах. Принципиальная схема устройства ТВД показана на рис 7.

Рис. 7. Принципиальная схема ТВД:

/—воздушный винт; 2- редуктор; 3—компрессор; 4—камера сгорания; 5—турбина; б—реактивное сопло