книги из ГПНТБ / Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций

ВОЕННАЯ КОМАНДНАЯ АКАДЕМИЯ ПРОТИВОВОЗДУШНОЙ ОБОРОНЫ

Кафедра № 7

С. М. НАУМЕЦ

О С Н О В Ы

ТЕОРИИ И УСТРОЙСТВА АВИАЦИОННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)

К А Л И Н И Н - 1 9 6 8

Глава I

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Силовая установка — один из важнейших элементов лета­ тельного аппарата.

Тактико-технические данные и летные свойства летательных аппаратов любых типов и назначений наряду с аэродинамиче­ скими и весовыми характеристиками определяются характери­ стиками силовой установки.

§1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

ИЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Под силовой установкой летательного аппарата понимают авиационные двигатели и органически связанный комплекс различных систем, обеспечивающих надежную и безотказную работу двигателей с оптимальным использованием их характе­ ристик по тяге и расходу топлива на всех режимах полета с учетом высоты и скорости полета, а также испытываемых аппа­ ратом перегрузок.

В силовую установку, кроме двигателей, входят следующие системы:

— система питания двигателя (двигателей) топливом (вместе с баками, в которых содержится топливо);

—воздушные винты (у самолетов с поршневыми и турбо­ винтовыми двигателями);

—устройства для крепления двигателей к конструкции ле­ тательного аппарата;

—• системы запуска двигателей;

— системы всасывания воздуха и выхлопа газов;

— системы охлаждения (устройства для обдува двигателя

иего агрегатов);

—капотирование двигателей;

—управление двигателями и блокировки;

3

—противопожарные системы;

—противообледенительные системы.

Настоящий курс лекций имеет целью изучение главной со­ ставной части авиационных силовых установок — двигателей.

За сравнительно короткий промежуток времени существо­ вания авиации авиационные двигатели претерпели значитель­ ную эволюцию и особенно бурное развитие они получили после появления реактивных двигателей.

В настоящее время на летательных аппаратах различных типов и предназначений находит применение большое разно­ образие авиационных двигателей. Несмотря на различие в кон­ струкции все авиационные двигатели должны удовлетворять некоторым общим требованиям.

Требования, предъявляемые к авиационным двигателям

1) Для поддержания установившегося полета в плотных слоях атмосферы, изменения скорости или маневра летатель­ ного аппарата в пространстве авиационные двигатели должны быть источниками силы тяги.

Сила тяги двигателя наряду с аэродинамическими силами участвует в управлении полетом.

Повышение тяги двигателя — одно из существеннейших средств увеличения максимальной скорости полета, скоро­ подъемности и других маневренных свойств летательного аппа­ рата.

2) Двигатель должен иметь минимальный вес. Уменьшение веса двигателя при сохранении неизменными других его пока­ зателей обеспечивает повышение летно-тактических данных летательного аппарата, таких, как дальность и продолжитель­ ность полета, увеличение полезной нагрузки и Ар.

3) Двигатели должны иметь минимальную лобовую пло­ щадь. Уменыиенйе лобовой площади двигателя при сохранении неизменной силы тяги позволяет построить аэродинамически более совершенный самолет с малым лобовым сопротивлением, а следовательно, с более высокими летно-тактическими дан­ ными.

4) Двигатель летательного аппарата должен иметь высокую экономичность, т. е. возможно меньший расход топлива на ки­ лограмм тяги.

Величина расхода топлива на получение 1 кГ тяги характе­ ризует совершенство двигателя в использовании тепла, выде­ ляемого топливом при сгорании единицы его веса.

Иными словами, чем экономичней двигатель, тем меньше при прочих равных условиях надо брать топлива на борт лета­ тельного аппарата для получения заданной дальности и про­ должительности полета.

4

К двигателям предъявляются и другие важные требования:

—безотказность двигателя в течение всего срока службы, называемого ресурсом двигателя;

—простота и дешевизна производства и ремонта;

—удобство в эксплуатации на земле, в воздухе и при

обслуживании. Удобство в обслуживании в значительной степе­ ни может определять затрату времени на подготовку самолета к вылету, а следовательно, и боеготовность его.

На практике создать авиационный двигатель, удовлетворя­ ющий всем требованиям одновременно, не представляется воз­ можным, гак как они по своей природе противоречивы. Так, например, увеличение силы тяги двигателя связано с ростом его веса и габаритов.

соответствующие специфическому предназначению летательно­ го аппарата.

Например, для двигателя, предназначенного для установки , на истребитель, ьажно добиться высокого значения тяги при наименьших габаритах и весе, при этом можно допустить неко­ торое уменьшение ресурса и ухудшение экономичности двига­ теля, имея в виду небольшую продолжительность полета истре­ бителя. Для дальних бомбардировщиков увеличение веса и габаритов решающего значения не имеет, зато необходимыми условиями являются высокая экономичность и большой ресурс.

Все авиационные двигатели относятся к классу тепловых двигателей внутреннего сгорания, то есть они используют выде­ ляющуюся при горении тепловую энергию для получения меха­ нической работы на валу или непосредственно для создания тягового усилия реакцией газовой струи.

Те двигатели, которые превращают тепловую энергию в ме­ ханическую работу на валу, называются винтовыми, так как они для создания силы тяги должны использовать воздушный винт —движитель.

Двигатели, которые превращают тепловую энергию в кине­ тическую энергию газовой струи, а реакцию газовой струи используют для получения силы тяги, называются реактив­

ными.

Примером винтового двигателя является поршневой двига­ тель.

Поршневые двигатели безраздельно господствовали в авиа­ ции в течение почти 50 лет, достигнув за этот период высокой степени совершенства. Лишь исчерпав возможности дальней­ шего развития, поршневые двигатели уступили место реактив­ ным, которые по сравнению с поршневыми в принципе позво­ ляют существенно увеличить тягу при малых габаритах, весе

5

и приемлемой экономичности, особенно на больших скоростях полета.

В настоящее время поршневые двигатели в военной боевой авиации почти не применяются. Имея некоторые преимущества в экономичности при малых скоростях полета и вследствие не­ которого отставания развития реактивных двигателей малых мощностей, поршневые двигатели пока еще находят примене­ ние в гражданской, военно-транспортной, учебно-тренировоч­ ной авиации и на вертолетах. Однако отмечается тенденция к вытеснению поршневых двигателей и из этих видов авиации по мере развития реактивных двигателей.

Основными видами двигателей современной боевой авиации являются реактивные двигатели. Преимущественное примене­ ние их в настоящее время вызвано тем, что значительное увели­ чение скорости полета и тем более полет самолета со сверхзву­ ковой скоростью с поршневыми двигателями, то есть с поршне­ вой винтомоторной установкой, практически оказываются невыполнимыми.

§ 2. ПРИЧИНЫ, ВЫЗВАВШИЕ НЕОБХОДИМОСТЬ ПЕРЕХОДА НА РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Получение тяги с помощью воздушного винта основано на использовании силы реакции воздушной струи, созданной вин­ том при его вращении и приложенной к лопастям винта.

Винт жестко связан с валом двигателя и приводится им во вращение.

Энергетические способности поршневых двигателей оцени­ ваются по мощности, снимаемой на валу, Ne, так называемой эффективной мощности.

Однако не вся эффективная мощность идет на получение тяги, часть ее теряется на винте.

Та доля эффективной мощности, которая создает тягу, на­ зывается располагаемой или тяговой N Tsr:

Отношение располагаемой мощности к эффективной назы-' вается коэффициентом полезного действия винта т)„:

Физически сила тяги винта (располагаемая тяга) представ­ ляет собой равнодействующую сил давления окружающего воздуха на поверхности вращающегося винта.

6

Схема аэродинамических сил, действующих на винт, пока­ зана на рис. 1.

ротов винта угол атаки лопастей винта уменьшается, и это вы­ зывает уменьшение силы тяги винта Р и силы сопротивления

7

полета винт иод воздействием набегающего воздушного потока будет работать как ветряной двигатель, т. е. не только не будет развивать тягу, но будет оказывать дополнительное сопротив­ ление.

Изменение тяги винта и скорости полета влечет за собой и изменение тяговой мощности.

Тяговой, или полезной, мощностью винта называется мощ­ ность, затрачиваемая на продвижение самолета:

(1)

Она представляет собой работу, произведенную силой тяги в секунду при продвижении самолета. (Здесь и далее мощность выражается в лошадиных силах, как принято в технике. Метри­ ческая единица 1 л. с. = 735,5 вт).

Располагаемую тягу винта через тяговую мощность можно

Из этой формулы и приведенных выше рассуждений сле­ дуют выводы:

1. С увеличением скорости подета, при*постоянной скорости вращения винта и угла установки лопастей <р тяга винта падает.

2. Тяга винта зависит также от коэффициента полезного

\

\

\

\

\

V

Vрасч

Рис. 2. Изменение к. п. д. винта в за­ висимости от скорости полета

8

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