Классификация двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)

Дисциплина "Введение в специальность"

Реферат

Классификация двигателей

Выполнил

Колганов Леонид

Москва

2014



Содержание

Принцип построения классификации

Винтовые двигатели

Поршневые двигатели

Турбовинтовые двигатели

Реактивные двигатели

Турбореактивные двигатели

Двухконтурный реактивный двигатель

Бескомпрессорные реактивные двигатели

Прямоточные реактивные двигатели

Пульсирующий реактивный двигатель

Ракетные двигатели

Химические ракетные двигатели

Ядерные ракетные двигатели

Словарь терминов

Список используемой литературы и ресурсов



Принцип построения классификации

Наиболее общей и важной особенностью всей совокупности двигателей является возможность разделения ее на две принципиально отличные группы: группу двигателей, способных работать только в пределах атмосферы, и группу двигателей, не требующих для своей работы наличия атмосферы. Основное отличие этих двух групп двигателей заключается в использовании двигателями первой группы в качестве основной массы рабочего тела атмосферы (воздуха, окружающего летательный аппарат), тогда как у двигателей второй группы рабочее тело находится на борту летательного аппарата. Двигатели первого типа принято называть атмосферными, а второго - ракетными.

Атмосферные двигатели, в свою очередь подразделяются на две группы: винтовые и реактивные.

Их основное различие состоит в том, что у реактивных двигателей движитель ⁽¹⁾ является частью тепловой машины ⁽²⁾, а у винтовых нет.

Наиболее известными представителями винтовых двигателей являются винтомоторные и турбовинтовые двигатели. Они имеют одинаковый движитель (в данном случае винт), но радикально отличаются типами тепловых машин.

Реактивные двигатели разделяются на турбореактивные и прямоточные двигатели.

Их отличие состоит в том, что у прямоточных "установок", в отличии от турбореактивных, отсутствуют устройства для принудительного нагнетания рабочего тела (в атмосфере земли рабочим телом чаще всего является воздух) в камеру сгорания.

Ракетные двигатели будем классифицировать относительно применяемого в них топлива. По такому критерию можно выделить 2 основных типа двигателей: работающие горючем и ядерном топливе.



Винтовые двигатели

Винтовые двигатели с различными тепловыми машинами использовались в авиации с самого первого полёта. Первый самолёт братьев Райт был оснащён рядным 4х цилиндровым двухтактным двигателем, приводящим в движение 2 винта. За десятилетия прошедшие, с момента первого полёта конструкция двигателя летательного аппарата успела радикально измениться. Но идея не претерпела изменений: тепловая машина преобразует потенциальную энергию топлива работу газа, приводящего в движение подвижные узлы двигателя.

На данный момент существуют несколько разновидностей винтовых двигателей, отличающихся видами тепловых машин: поршневые, турбовинтовые двигатели и комбинированные двигатели.

Поршневые двигатели

В авиастроении используется множество различных видов поршневых двигателей. Наиболее распространенный в авиации - звездообразный двигатель. Его отличительная черта заключается в том, что поршни устанавливаются не радами, а по кругу. Как правило, подобные двигатели обладают воздушной системой охлаждения. Но бывают варианты и с жидкостным охлаждением.

Поршневые двигатели различаются по способу приготовления горючей смеси ⁽³⁾ на карбюраторные и двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр - днвт. Карбюраторные двигатели готовят горючую смесь вне цилиндра, в специальном устройстве - карбюраторе. В отличие от них днвт готовят горючую смесь непосредственно в цилиндрах двигателя.

Сгорание топлива происходит в цилиндрах двигателя. Звездообразный двигатель с 7ю поршнями. Под действием давления отработанных газов, полученных в результате сжигания рабочей смеси, происходит поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя, которое передаётся винту или какой-либо другой системе летательного аппарата.

Поршневые двигатели с реакцией отработавших газов - разновидность поршневых двигателей внутреннего сгорания. Их отличие заключается в том, что для создания тяги, помимо винта, используется энергия отработавших газов. винтовой реактивный ракетный ядерный

Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель (ТВД) - авиационный газотурбинный двигатель, создающий основную силу тяги винтом, а дополнительную - струёй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Необходимость в переходе от поршневых установок к турбовинтовым возникла при проектировании и эксплуатации с большой грузоподъёмностью и дальностью полёта. Летательные аппараты обладающие большой, принципиальная схема турбовинтового двигателя грузоподъемностью должны иметь двигатели способные развивать необходимую тягу при минимальном удельном весе. По тому критерию подходят турбореактивные установки. Но они крайне неэффективны на малых скоростях. Решением проблемы стало комбинирование технологий винтомоторных двигателей с реактивной тепловой машиной.

Конструктивно турбовинтовой двигатель схож с турбореактивным, но у ТВД имеется винт, создающий основную часть тяги, и редуктор, связывающий винт с валом тепловой машины. Редуктор используется для уменьшения оборотов винта по сравнению с оборотами газовой турбины. Рабочие обороты турбины колеблются между 18 и 21 тысячами об/мин. При таких оборотах КПД винта падает почти до нуля, тогда как максимальный КПД винт достигается при оборотах от 750 до 1500 об/мин.

Существуют варианты ТВД с двумя винтами, направленными в противоположные стороны. Подобный тип двигателей применяется на летательных аппаратах, требующих большой мощности двигателей.

Тяга в турбовинтовых установках, преимущественно (до 90%), создаётся винтом, и лишь малая доля струёй отработанных газов

Основные преимущества ТВД перед другими газотурбинными двигателями состоят в лучших тяговых характеристиках на взлёте и в большей экономичности на скоростях полёта до 800 км/ч.



Реактивные двигатели

Реактивный двигатель -- двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. По закону сохранения импульса, летательный аппарат получает такой же импульс, какой имеет рабочее тело при выходе из двигателя.

Реактивный двигатель сочетает в себе двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР-1

взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Все разновидности реактивных двигателей объединяет наличие двух основных элементов конструкции: камеры сгорания и сопла. Камера сгорания - объём, образованный совокупностью деталей двигателя, в котором происходит сжигание горючей смеси. После отработки горючего, Продукты сгорания устремляются в реактивное сопло, в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.

Дальнейшая классификация будет зависеть от наличия в двигателе компрессора - узла, предназначенного для нагнетания рабочего тела в камеру сгорания. Наиболее значимыми представителями компрессорных двигателей являются: турбореактивные двигатели и двухконтурные турбовинтовые двигатели. Группа бескомпрессорных состоит из прямоточных и пульсирующих реактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

Турбореактивный, или газотурбинный, двигатель (ТРД) - реактивный двигатель, в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора.

Компрессор включает в себя ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть). Ротор компрессора состоит из нескольких рядов профилированных рабочих лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередующихся вдоль оси вращения.

Статор компрессора состоит из кольцевого набора профилированных схема турбореактивного двигателя лопаток, закрепленных в корпусе. Неподвижные лопатки, называемые спрямляющим аппаратом, в совокупности с рядом рабочих лопаток называется ступенью компрессора.

В современных авиационных турбореактивных двигателях применяются многоступенчатые компрессоры, увеличивающие эффективность процесса сжатия воздуха.

Ступени компрессора согласуются между собой таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени. Нужное направление воздуха в следующую ступень обеспечивает спрямляющий аппарат. Одной из ключевых характеристик ТРД является "степень повышения полного давления в компрессоре"⁽⁶⁾. От этого показателя напрямую зависит КПД двигателя.

Для увеличения эффективности компрессоров в современных системах они выполняются "двухкаскадными". Каждый каскад работает со своей скоростью и связан со своей турбиной. Первый каскад - компрессор низкого давления, связан с самой удалённой от камеры сгорания турбиной. Его задача - создать эффективное давление на входе в компрессор высокого давления.

При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух поступает через фронтальное отверстие камеры сгорания и непосредственно участвует в сгорании топлива.

Вторичный воздух поступает через боковые отверстия в средней части камеры сгорания и охлаждает их

Третичный воздух -- поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Одним из основных элементов турбореактивного двигателя является камера сгорания.

В конструктивном отношении камеры сгорания выполняются трубчатыми и трубчато-кольцевыми.

Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания состоит из жаровой трубы и наружного кожуха.

В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные форсунки. Поджигание горючей смеси в жаровых трубах осуществляется специальными запальными устройствами.

Трубчато-кольцевая камера сгорания состоит из наружного и внутреннего кожухов, образующих кольцевое пространство, внутри которого размещаются индивидуальные жаровые трубы.

Для приведения в движение компрессора используется турбина. Газовые турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

К основным элементам турбины относятся направляющие аппараты и рабочие колеса, состоящие из дисков и расположенных на их ободах рабочих лопаток. Рабочие колеса крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор. Сопловые аппараты располагаются перед рабочими лопатками каждого диска. Совокупность неподвижного соплового аппарата и диска с рабочими лопатками называется ступенью турбины.

Подобная разновидность двигателей применяется как маршевые двигатели на сверхзвуковых летательных аппаратах либо как подъёмные двигатели на самолётах вертикального взлёта и посадки.

Двухконтурный реактивный двигатель

Двухконтурные реактивные двигатели (ТРДД) - тип реактивных двигателей, способных перемещать дополнительную массу воздуха через второй контур системы. Воздух, попадая в компрессор низкого давления разделяется на две части. Путь первого потока не отличается от пути воздуха в обычном ТРД. Второй поток проходит через внешний контур, после чего сливается с реактивной струёй. Такая конструкция увеличивает рабочий КПД двигателя. Увеличение КПД происходит за счёт снижения разницы скоростей реактивной струи и скорости полёта летательного аппарата.

Двухконтурные турбореактивные двигатели подразделяются на двигатели со смешением потоков за турбиной и без смешения.

В двигателях со смешением потоком (ТРДДсм) потоки внутреннего и внешнего контуров попадают в камеру смешивания и, объединившись, выходят из единого сопла. Такой тип двигателей более эффективен, чем двигатели без смешения потоков.

Важным показателем ТРДД является "степень двухконтурности" - отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур. Двухконтурные турбореактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называют турбовентиляторными двигателями. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий прохождение большого объёма воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным. По этой причине большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности -- без смешения потоков.

Область применения таких двигателей -- дальне- и среднемагистральные коммерческие авиалайнеры, военно-транспортная авиация.

Бескомпрессорные реактивные двигатели

Бескомпрессорный реактивный двигатель (БРД) - воздушно-реактивный двигатель, у которого сжатие воздуха, предшествующее процессу сжигания топлива, осуществляется без помощи компрессора. В конструкции всех БРД присутствуют входного устройства ⁽⁷⁾, обеспечивающий достаточное поступление воздуха в систему, камера сгорания и сопло. Конструкция камеры сгорания бескомпрессорного реактивного двигателя схожа с конструкцией камеры сгорания ТРД, за одним исключением: в БРД отсутствует турбина, предназначенная, для приведения в движение компрессора. Сопло бескомпрессорных двигателей отличается от аналогичного элемента турбореактивных двигателей длинной сопла. Так, как для создания тяги бескомпрессорным двигателям требуется сопло гораздо большей длинны, чем в турбореактивных

Классификация бескомпрессорных двигателей будет зависеть от способности БРД функционировать, не используя набегающий поток воздуха. По данному критерию выделяются следующие группы двигателей: прямоточные реактивные двигатели, пульсирующие реактивные двигатели.

Прямоточные реактивные двигатели

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) - реактивный двигатель, создающий необходимое для работы двигателя повышение давления, достигается за счёт торможения встречного потока воздуха.

Конструктивно ПВРД имеет предельно простое устройство. Двигатель состоит из камеры сгорания, в которую из диффузора ⁽⁴⁾ поступает воздух, а из топливных форсунок -- горючее. Заканчивается камера сгорания входом в сопло.

Рабочий процесс ПВРД кратко можно описать следующим образом:

· Воздух, поступая входное устройство двигателя, сжимается, на входе в камеру сгорания давление рабочего тела достигает максимального значения.

· Происходит смешение воздуха и горючего. Происходит сгорание рабочей смеси.

· Расширяясь в сопле, рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создаёт реактивную тягу.

Все ПВРД подразделяют на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые.

Дозвуковые прямоточные реактивные двигатели (ДПРД) - двигатель, предназначенный для работы на скоростях от Ѕ до 1 скорости звука.

Из-за низкой степени повышения давления, этот тип двигателей имеет крайне низкий КПД: на низких скоростях (1/2 скорости звука) идеальный КПД ⁽⁵⁾ равен 4,8%, а в реальном двигателе опускается до 0%. А на максимальной скорости идеальный КПД не превышает 17%. К тому же, в отличии от поршневых и газотурбинных двигателей, ДПРД не способен функционировать без движения.

По этим причинам дозвуковые прямоточные реактивные двигатели серийно не выпускаются.

Сверхзвуковой прямоточный реактивный двигатель (СПРД) - прямоточный двигатель, предназначенный для эксплуатации на скоростях от 1 до 5 скоростей звука. Принципиальное отличие сверх звуковых ПРД от дозвуковых заключается в следующем: в ДПРД поток рабочего тела движется непрерывно все время, когда в диффузоре СПВРД торможение воздуха происходит благодаря системе скачков. Обычно, для повышения эффективности, используется несколько стадий торможения (скачков), последняя из которых тормозит рабочее тело до дозвуковых скоростей.

Гиперзвуковой прямоточный двигатель (ГПРД) - прямоточный реактивный двигатель, рассчитанный на скорости большие 5 скоростей звука. ГПРД отличается от всех реактивных двигателей тем, что скорость рабочего тела в нём никогда не опускается ниже скорости звука. Данный тип двигателя никогда не применялся на пилотируемых летательных аппаратах и не выпускался серийно.



Пульсирующий реактивный двигатель

Пульсирующий реактивный двигатель (ПуРД) - бескомпрессорный реактивный двигатель периодического действия. Данный тип двигателей снабжён клапанным механизмом, отделяющим камеру сгорания от входного устройства.

При сгорании топлива давление в камере повышается, а в процессе истечения газов из сопла уменьшается, вследствие чего новая порция воздуха поступает через клапаны в двигатель.

В момент истечения отработанных газов образуется реактивная тяга.

Конструктивно, ПуРД представляет собой цилиндрическую камеру сгорания с длинным соплом меньшего диаметра. Передняя часть камеры сгорания связана с входным устройством, через которое воздух попадает в двигатель.

Работу пульсирующего двигателя можно разделить на такты:

· Такт 1. Входные клапаны открыты, камера сгорания наполняется воздухом. Происходит смешение топлива с воздухом.

· Такт 2. Смесь поджигается и сгорает. Под воздействием избыточного давления входные клапаны закрываются.

· Такт 3. Отработавшие газы выходят через сопло, создавая реактивную тягу и область пониженного давления в камере сгорания. Входные клапаны открываются.

Клапан может иметь различную конструкцию: в малых двигателях и выглядит, как цветок, с радиально расположенными клапанными пластинами в виде тонких металлических лепестков, прижатых к основанию клапана в закрытом положении и отгибающихся, когда давление набегающего потока воздуха превышает давление в камере сгорания.

В более производительных системах применяется следующая конструкция: на каркас клапана крепятся пластины из пружинной стали. Подобная конструкция на подобии оконных жалюзи.

Пульсирующие реактивные двигатели, благодаря простоте конструкции, применялись достаточно широко. Но основная сфера применения - баллистические ракеты дальнего и среднего радиусов действия.

Ракетные двигатели

Ракетный двигатель (РД) - двигатель рабочее тело и топливо которого находятся в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель, на данный момент, единственный пригодный для вывода на околоземную орбиту полезного груза тип двигателя.

Тяга в ракетном двигателе возникает в результате преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

В зависимости от вида энергии, преобразующейся в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели.

Ракетные двигатели делят на 2 класса: двигатели с химическим топливом и двигатели с ядерным топливом.

Химические ракетные двигатели

Химические ракетные двигатели (ХРД) - ракетные двигатели, использующие для создания тяги химическое топливо. Химическое топливо состоит из горючего и окислителя. Горючим могут являться такие вещества как: чёрный порох, некоторые металлы. В качестве окислителя могут использоваться кислород, фтор, азот.

Наиболее распространёнными химическими ракетными двигателями являются те, в которых в результате химической реакции горючего и окислителя, продукты сгорания расширяются в сопле и со скоростью, превышающей скорость звука, выходят из сопла. В отличие от всех классов двигателей, топливо ракетного двигателя является источником и горючего, и рабочего тела.

Конструктивно, ХРД схожи с реактивными двигателями. Оба класса двигателей имеют камеру сгорания и сопло, выполняющие схожие функции. Но реактивные двигатели не способны функционировать в безвоздушном пространстве. В отличие от летательных аппаратов с реактивными двигателями, летательные аппараты с ракетными двигателями несут в себе запасы и горючего и рабочего тела. Это даёт возможность применять их там, где любой другой класс двигателей будет бесполезен.

Существуют два типа ХРД: твердотопливные и жидкостные.

Твердотопливные химические ракетные двигатели (ТХРД) - ракетные двигатели, в которых горючее и окислитель хранятся в твердом агрегатном состоянии. При такой конструкции топливная ёмкость выполняет функции камеры сгорания.

Простота в эксплуатации и высокая надёжность минимальное время предпусковой подготовки делают этот тип двигателей наиболее подходящим для военного применения.

Жидкостные химические ракетные двигатели (ЖХРД) - ракетные двигатели, предназначенные для работы с жидким топливом. В качестве топлива могут применяться: керосин, спирты, водород. В ЖХРД топливные ёмкости и камера сгорания разделены. Топливо подаётся с помощью турбонасосной или вытеснительной системой подач.

Применение жидкостных ракетных двигателей даёт возможность регулировать тягу двигателя и позволяет многократно включать и выключать двигатель. Эти особенности сделали ЖХРД наиболее подходящими на роль маршевых двигателей ракетоносителей и маневровых двигателей космических аппаратов.

Для ряда случаев выгодно применять гибридные ракетные двигатели, в которых один компонент толива (чаще всего горючее) хранится в твёрдом виде, а окислитель в жидком.

Такие двигатели обладают меньшей стоимостью, чем жидкостные, более надёжны. В отличие от твёрдотопливных, допускают многократное включение.

Ядерные ракетные двигатели

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) -- реактивный двигатель, рабочее тело в котором нагревается за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях. Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокой мощности по сравнению с химическими ракетными двигателями.

Конструктивно, ЯРД сильно отличается от всех других типов двигателей. Связано это с тем, что в ядерных двигателях не сжигается топливо. Вместо этого рабочее тело (чаще всего водород, аммиак) нагревается, проходя через активную зону реактора. Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды выхлопом двигателя. Эта проблема не позволяет применять этот тип двигателей в атмосфере земли.



Словарь терминов

(1) Движитель - устройство для преобразования работы двигателя в работу, обеспечивающую движение машины.

(2) Тепловая машина - устройство для преобразования потенциальной энергии топлива в механическую работу агрегата.

(3) Горючая смесь - газообразная смесь воздуха и горючего, применяющаяся, как рабочее тело в двигателях внутреннего сгорания.

(4) Диффузор - расширяющийся канал во входном устройстве, предназначенный для торможения и сжатия потока газов или жидкостей.

(5) Идеальный КПД - коэффициент полезной работы математической модели установки или процесса.

(6) Степень повышения полного давления в компрессоре - отношение воздуха за устройством, предназначенным для сжатия воздуха или любого другого газа, к давлению перед ним.

(7) Входного устройства - элемент конструкции двигателя, служащий для забора и предварительного сжатия окружающего воздуха.



Список используемой литературы и ресурсов

Печатные издания

"Большая советская энциклопедия. Том 7"

"101 выдающийся летательный аппарат мира" П.П Афанасьев, А.М Матвиенко, Ю.М Шустров

"Политехнический словарь" под ред. А.Ю. Ишлинского, изд. "Советская энциклопедия"

Интернет ресурсы

http://www.airwar.ru/other/article/engines.html

http://dic.academic.ru/contents.nsf/enc_tech/

Размещено на Allbest.ru

...