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

Что такое реактивные двигатели и где они применяются

Современные воздушно-реактивные двигатели

Двигатель является основной частью силовой установки большинства летательных аппаратов. Все наиболее весомые достижения и успехи в этой области были всегда связаны или с появлением новых типов двигательных установок, или с коренным улучшением существующих.

В современном двигателестроении используются воздушно-реактивные двигатели нескольких типов. Их разделяют на прямоточные воздушно-реактивные двигатели и газотурбинные двигатели (ГТД). Газотурбинные двигатели, в свою очередь, подразделяются на турбореактивные, турбовинтовые и турбовентиляторные или двухконтурные двигатели.

Прямоточные двигатели имеют наиболее простую конструкцию. Однако, поскольку сжатие воздуха в них происходит за счёт действия скоростного напора набегающего потока, они могут создавать тягу только при достаточно большой скорости движения аппарата и использоваться либо в комбинации с другими двигателями, либо на летательных аппаратах, которым предварительно сообщается достаточная начальная скорость, что является их самым существенным недостатком.

В газотурбинных двигателях сжатие воздуха производится специальным компрессором с приводом от газовой турбины, на турбовинтовых двигателях для создания дополнительной тяги устанавливается воздушный винт, а на турбовентиляторных двигателях – специальный вентилятор.

Установка воздушного винта на турбовинтовых двигателях и специального вентилятора на турбовентиляторных двигателях существенно усложняет и утяжеляет их конструкцию, однако делает их более экономичными на дозвуковых скоростях полета.

Турбореактивные двигатели обладают меньшим весом, чем турбовинтовые или турбовентиляторные двигатели, большей надежностью, просты в эксплуатации и могут использоваться при больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

К основным недостаткам газотурбинных двигателей можно отнести их небольшую удельную тягу и невысокий КПД.

Указанные параметры определяются давлением и температурой рабочих газов на входе в реактивное сопло. Чем больше их значения, тем больше удельная тяга и КПД двигателя. Однако добиться их существенного увеличения у существующих ГТД не представляется возможным. Это обусловлено тем, что они, в свою очередь, зависят от температуры и давления рабочих газов в камере сгорания и доли их энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора. Температура в камере сгорания при этом не может быть существенно увеличена, так как не может превышать некоторых относительно невысоких предельных значений, обусловленных необходимостью обеспечения механической прочности лопаток газовой турбины, находящихся в высокотемпературной зоне, и низкой эффективностью систем их внутреннего воздушного охлаждения. Увеличение же давления в камере сгорания свыше определенных значений приводит к резкому увеличению энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора, уменьшению температуры и давления рабочих газов на входе в реактивное сопло и, соответственно, удельной тяги двигателя. В связи с этим существуют оптимальные значения давления в камере сгорания, при которых удельная тяга ГТД достигает относительного максимума.

Система внутреннего воздушного охлаждения ГТД используется, в основном, для охлаждения рабочих лопаток турбины, состоит из устройства подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборного, выпускного устройств и представляет из себя совокупность сообщающихся каналов, выполненных в корпусе и деталях двигателя, уплотнений в местах перехода воздуха от неподвижных деталей к подвижным, дефлекторов и замковых устройств охлаждаемых лопаток. Заборное устройство выполнено в виде кольцевого канала или отверстий, обеспечивающих отвод части воздуха от одной из промежуточных ступеней компрессора, а выпускное устройство – в виде отверстий или окон для выпуска воздуха в проточную часть двигателя позади турбины или непосредственно во внешнюю среду /1,2/.

Низкая эффективность систем внутреннего воздушного охлаждения ГТД при этом обусловлена малой площадью обдуваемых воздухом поверхностей охлаждаемых деталей и невысокой скоростью его движения. К их недостаткам следует также отнести безвозвратный унос значительной части тепла охлаждающим воздухом во внешнюю среду, что существенно снижает их КПД.

В настоящее время большое распространение получили турбореактивные двигатели с форсажной камерой. Они отличаются от обычных турбореактивных двигателей наличием ещё одной камеры сгорания, размещённой между турбиной и реактивным соплом. Эта камера называется форсажной и предназначена для сжигания дополнительного топлива, в результате которого температура газа перед реактивным соплом повышается, что влечет за собой увеличение скорости истечения газа из него и, соответственно, тяги и удельной тяги двигателя. Преимуществом турбореактивных двигателей с форсажной камерой является возможность увеличения тяги без существенного изменения массы и габаритов двигателя, однако приводит к резкому возрастанию расхода топлива и позволяет повысить его тягу не более, чем на (30-40)%. КПД двигателя при этом в связи с использованием дополнительного топлива не увеличивается. Вследствие отмеченного, обычно разрешается лишь кратковременное включение форсажной камеры.

Читать еще:  Что обозначает асинхронный двигатель

Известна также идея создания комбинированного воздушно-реактивного двигателя путем оснащения его компрессора приводом, выполненным в виде самостоятельного двигателя, установленного между компрессором и входным устройством /3/. Его использование вместо газовой турбины устраняет основное препятствие, ограничивающее возможность повышения температуры и давления в камере сгорания, позволяет существенно повысить их значения и увеличить за счет этого не только удельную тягу, но и КПД двигателя. Попытки использования в качестве такого привода поршневых двигателей внутреннего сгорания потерпели неудачу, так как они при своих габаритах не обладают необходимой мощностью и приводят к резкому утяжелению двигателя.

Нами предложено в качестве привода компрессора воздушно-реактивного двигателя использовать новый турбороторный двигатель внутреннего сгорания. Указанный двигатель при малых габаритах обладает высоким собственным КПД и удельной мощностью, в несколько раз превосходящую удельную мощность поршневых ДВС, хорошо вписывается в контур воздушно-реактивного двигателя. Его масса, как и у турбины, распределена, в основном, по периметру, вследствие чего не будет значительно превосходить массу турбины. Увеличение удельной тяги и КПД воздушно-реактивного двигателя при этом целесообразно добиваться за счет повышения температуры в камере сгорания при относительно небольшом давлении, что позволит дополнительно уменьшить суммарную массу воздушно-реактивного двигателя за счет уменьшения массы компрессора. Все сказанное, в целом, позволяет рассчитывать на получение приемлемых массогабаритных характеристик предлагаемого двигателя.

Список использованных источников

  1. Штода А.В., Алещенко С.П., Иванов А.Я.и др. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1961 г.
  2. И.И. Кулагин. Основы теории авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1967 г.
  3. Патент РФ №2140001 по кл. МПК А 02 К 5/02, 1999 г.

Принцип работы реактивного двигателя

Кто придумал реактивный двигатель

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости в 1903 году российский ученый К. Э. Циолковский в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Константину Эдуардовичу потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.

Сейчас много говорят о первенстве в этом вопросе одного из цареубийц Александра 2, революционера Кибальчича. Хотя его завещание и датировались 1881 годом, но к моменту выхода работы Константина Эдуардовича еще было погребено в тюремных архивах. К тому же это были лишь наброски, тогда как ученый сумел подвести надежный грунт под теорию уже в своих ранних работах.

Принцип действия реактивной силы

Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.

В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.

Читать еще:  Что управляем клапанами двигателя

Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.

Как работает реактивный двигатель

Разобравшись с реактивной силой, можно понять принцип работы реактивного двигателя. Рассмотрим классический вариант — жидкостный реактивный двигатель, или ЖРД, не претерпевший принципиальных изменений со времени его разработки Циолковским. Для создания толкающей струи или, как принято говорить, рабочего тела, в них применяют смесь топлива с окислителем.

Окислителем чаще всего выступает жидкий кислород или азотная кислота, как топливо применяют керосин. Современные криогенные ЖРД используют жидкий водород, при окислении кислородом позволяющий на 30% увеличить удельный импульс по сравнению с керосиново-кислородными. Кстати, идею применения водорода также предложил Циолковский в том же труде 1903 года, но чрезвычайная взрывоопасность и технически непреодолимые, на тот момент, трудности заставили искать другое топливо.

Поступающие из отдельных баков в рабочую камеру, компоненты превращаются в смесь, сгорающую с выделением колоссального количества тепла и давлением в десятки атмосфер. Окислитель вводится непосредственно в камеру. Топливо, проходя между сдвоенными, словно в термосе, стенками сопла и камеры, охлаждает их. Разогретое таким образом, оно впрыскивается многочисленными форсунками в зону горения. Сформированная соплом струя, вырываясь наружу, обеспечивает толкающий момент.

Почти паяльная лампа, только несколько сложнее. Ведь в предложенной схеме, не упоминаются различные компрессоры, создающие необходимое для впрыска давление, питающие их турбины, клапана и многие другие компоненты, без участия которых эксплуатация двигателя невозможна.

Несмотря на большое потребление топлива – приблизительно 1 кг смеси для подъема 200 кг груза, ЖРД продолжают использовать как основные маршевые двигатели ракетоносителей и маневровые для орбитальных станций и других космических аппаратов.

Виды ракетных двигателей

Самым экзотичным видом ракетных двигателей можно назвать электрореактивные, или плазменные движки. Принцип их действия основан не на поджигании топлива, а на использовании энергии выброса заряженного инертного газа (как правило, ксенона), который разгоняется с помощью электрического тока и магнитов. Удельный импульс у них небольшой, и на Земле они не применяются. Но зато для космических аппаратов, где масса двигателя имеет критическое значение, большая скорость выброса рабочего тела (а это означает его небольшой требуемый запас) и компактность двигателя сделало плазменный движок отличным вариантом для выполнения маневров и коррекции орбиты у малых спутников.

В авиации получили распространение другие виды РД – воздушные прямоточные и турбореактивные, но они имеют несколько иную конструкцию и рабочие характеристики.

Синхронный реактивный двигатель

  • Особенности

Конструкция синхронного реактивного двигателя

Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой, и состоит из корпуса и сердечника с обмоткой.

Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явновыраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

Принцип работы реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнито проводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.

Главная идея может быть объяснена с помощью рисунка представленного ниже. Объект «a» состоящий из анизотропного материала имеет разную проводимость по оси d и оси q, в то время как изотропный магнитный материал объекта «b» имеет одинаковую проводимость во всех направлениях. Магнитное поле, которое прикладывается к анизотропному объекту «a», создает вращающий момент если существует угол между осью d и линиями магнитного поля. Очевидно, что если ось d объекта «a» не совпадает с линиями магнитного поля, объект будет вносить искажения в магнитное поле. При этом направление искаженных магнитных линий будут совпадать с осью q объекта.

Читать еще:  Двигатель 740 большие обороты

В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным.

В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q (0″/>). Если угол сохранять постоянным, например путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.

Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.

Доклад-сообщение Реактивный двигатель

Реактивные двигатели уже около ста лет успешно используются на самолетах и в ракетостроении.

Реактивный двигатель – это устройство, которое создаёт силу тяги, необходимую для движения преобразовывая внутреннюю энергию топлива, то есть превращая ее в кинетическую энергию реактивной струи.

Для объяснения приведем пример с воздушным шариком. Если развязать горлышко шарика, то из шарика начнёт выходит струя воздуха( рабочее тело), а сам шарик под воздействием реактивной силы начнет свое движение в противоположную сторону.

Примерно таким же образом работает и реактивный двигатель, но что бы поднять ракету или самолет рабочее тело (реактивная струя) в нем должно имеет очень высокую скорость. В этом и заключается задача реактивного двигателя. Такая скорость достигается тем, что газ нагревают до очень высокой температуры.

Изобретателями первого реактивного двигателя являются Фрэнк Уиттл (1907–1996 гг.), а также Ганс фон Охайн (1911—1998гг.). В 1930 году патент на первый работающий реактивный двигатель был получен Фрэнком Уиттлом. Однако первую модель была собрана выдающимся инженером-конструктором Гансом фон Охайном.

Реактивный двигатель состоит из:

  • Камера сгорания: если сильно нагреть воздух то он расшириться и на выходе образует большую скорость. Именно для этих целей и используется камера сгорания. В ней газ в месте с кислородом нагревается до большой температуры.
  • После этого рабочее тело попадает в реактивное сопло, в котором скорость струи еще больше увеличивается из-за особой сужающейся формы сопла.

Но кроме того в реактивных двигателях используются также:

  • Компрессор: для эффективного сгорания необходим воздух относительно высокого давления и температуры. Для этих целей используется компрессор. Лопасти компрессора вращаясь увеличивают эти показатели.
  • Сам компрессор вращается благодаря турбине, установленной за камерой сгорания. Компрессор и турбина установлены на одном валу, поток выходящий из камеры сгорания поворачивает лопасти турбины, тем самым вращая его, а вместе с ним и компрессор.

Такие двигатели называются турбореактивными.

Заключение.

Изобретение реактивного двигателя совершило революцию в развитии человечества, благодаря этому стали возможны полеты в космос, перевозки пассажиров и товаров по воздуху.

Картинка к сообщению Реактивный двигатель

Популярные сегодня темы

  • Природа Московской области

Площадь Московской области больше 44 000 квадратных метра. Находится в центре Восточно-Европейской равнины. Климат умеренный континентальный. Гор в Московской области нет, зато

Папоротники или, иначе – папоротниковидные растения населяют нашу землю очень давно, с конца палеозойской – начала мезозойской эры. Как и остальные растения, имеет гетеротрофный тип питания

Для того чтобы понять чем являлись средневековые города, следует дать краткую оценку этому периоду. Особенно следует обратить внимание на раннее средневековье, которое условно начинается окол

Со времен античности до настоящего времени в разных сферах жизнедеятельности человека существует огромное количество бесценных открытий.

Теплопередача – это одна из форм изменения внутренней энергии тела. При этом процессе теплота переходит от предмета с высокой температурой к предмету, температура которого ниже.

Иоганн Себастьян Бах (1685-1750 гг.) относится к величайшим представителям всемирной классической музыки. Бах является уроженцем небольшого немецкого провинциального городка Эйзенах и появляе

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector