Л18) 3.19. Основні частини силової установки та вимоги до авіадвигунів

Авіаційна силова установка (СУ) призначена для створення тяги (потужності), необхідної для подолання сили лобового опору, сили тяжіння і прискореного переміщення ЛА в просторі. Силова установка літака включає:

1 – авіаційний двигун (АД) – джерело енергії;

2 – регульований або нерегульований вхідний пристрій (повітрозабірник – забезпечує двигун потрібною кількістю повітря) і вихідний пристрій (реактивне сопло – управляє величиною і напрямом тяги реактивних літаків);

3 – повітряні гвинти, що створюють тягу гвинтових літаків;

4 – системи, що забезпечують роботу силової установки (управління вхідним і вихідним пристроями; протипожежна; захисту від обмерзання; паливна; масляна; пускова; охолоджування двигуна і його агрегатів).

Основним елементом силової установки є двигун, від технічних даних якого залежать льотні характеристики літака (швидкість, висота, дальність, тривалість польоту, швидкопідйомність та ін.). Незалежно від призначення літаків до авіадвигунів висуваються вимоги:

– забезпечення заданих льотно-технічних характеристик літака;

– висока надійність, велика довговічність і живучість двигуна;

– швидкий, легкий і надійний запуск;

– найбільша питома тяга;

– найменші питомі: маса, лобовий опір і витрата палива;

– пожежна безпека;

– простота управління, технічного обслуговування і ремонту.

Вказані питомі параметри дозволяють визначати досконалість конструкції різних типів двигунів і порівнювати їх між собою.

Легкість запуску визначається часом після початку запуску до стійкої роботи двигуна на режимі малого газу.

Надійність двигуна - властивість двигуна виконувати задані функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники в заданих межах протягом необхідного проміжку часу або необхідного напрацювання. Ресурс гарантується заводом-виробником або ремонтним підприємством і визначається числом годин його безвідмовної роботи до чергового ремонту. Для цивільної авіації ресурс двигуна значно впливає на економічні показники літального апарату.

Довговічність двигуна – це властивість двигуна зберігати працездатність до граничного стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів. Так само як і ресурс, довговічність двигуна впливає на економічні показники.

Живучість двигуна – це здатність двигуна працювати при пошкодженні деяких його елементів.

3.20. Класифікація авіаційних двигунів [1], c. 157

В теперішній час авіаційні двигуни класифікуються за різними ознаками.

За способом створення тяги авіаційні двигуни підрозділяються на три групи: гвинтові, реактивні і з комбінованою тягою (рис. 3.50).

Рис. 3.50. Класифікація авіаційних двигунів.

До гвинтових двигунів належать поршневі двигуни, що працюють спільно з повітряним гвинтом. Сучасні авіаційні поршневі двигуни являють собою зіркоподібні чотиритактні двигуни, які працюють на бензині. Охолодження циліндрів поршневих двигунів виконується, як правило, повітряним методом. У поршневому двигуні хімічна енергія палива, що згоряє всередині робочого циліндра, перетворюється спочатку в теплову, а потім у механічну. Механічна енергія у вигляді моменту, що крутить, передається валу двигуна. Вал двигуна не має механічної взаємодії з навколишнім середовищем, а отже, не може переміщатися відносно його. Тому для поршневого двигуна необхідний пристрій, який, взаємодіючи з навколишнім середовищем, переміщав би відносно його як сам двигун, так і літальний апарат, на якому він встановлений. Таким пристроєм є повітряний гвинт, що називається рушієм. Лопаті повітряного гвинта, обертаючись, захоплюють повітря і відкидають його назад – убік, протилежний до напряму польоту. Сила реакції повітря і є силою тяги гвинта Р, під дією якої літальний апарат переміщається з певною швидкістю.

За способом сумішоутворення палива з повітрям поршневі двигуни поділяються на карбюраторні і двигуни з безпосереднім впорскуванням.

У карбюраторних двигунах паливо дозується і перемішується з повітрям поза циліндром у пристроях, названих карбюраторами. В цих випадках в циліндри двигуна подається готова суміш. У двигунах з безпосереднім впорскуванням паливо дозується паливним насосом і через форсунки під великим тиском впорскується безпосередньо в циліндри, куди подається окремо повітря.

У цивільній авіації широкого поширення набули поршневі двигуни АІ-14Р, АШ-62ІР, АШ-82Т, які встановлюються на літаки Як-18, Ан-2, Іл-14, а їх модифікації – на вертольоти Ка-26 і Мі-4.

Робочий цикл чотиритактного авіаційного поршневого двигуна представлено на рисунку: 1 – поршень; 2 – шатун; 3 – колінчастий вал; 4 – впускний клапан; 5 – випускний клапан; 6 – циліндр двигуна.

Поршневий двигун літака Ту - 4

Ан – 2 Іл - 14

Мі – 4

Реактивний принцип утворення сили тяги лежить в основі роботи великої частини авіадвигунів сучасних ЛА. Проте, на відміну від поршневого двигуна внутрішнього згоряння або газової турбіни автомобіль, корабель або літак за допомогою рушія (колеса у автомобіля, гребний гвинт у корабля, повітряний гвинт у літака), реактивний двигун утворює рушійну силу безпосередньо, без допомоги будь-яких проміжних елементів. Рушієм у реактивному двигуні є повітряно-газовий тракт – це канали і пристрої реактивного двигуна, необхідні для пропускання повітря та продуктів його горіння. Завдяки різниці сил тиску, що діють на внутрішні і зовнішні поверхні повітряно-газового тракту, двигун відштовхується від газів, відкидаючи їх назад у вигляді струменів. Тяга реактивних двигунів утворюється за рахунок прямої реакції газового струменя вихлопних газів.

У залежності від виду горючої суміші, яка використовується для утворення газового струменя, реактивні двигуни діляться на ракетні і повітряно-реактивні.

У ракетних двигунах (РД) потік газу утворюється з продуктів згоряння палива і окислювача, що знаходяться на борту самого ЛА. Тому ракетні двигуни не потребують атмосферного кисню і працездатні на будь-якій висоті і швидкості польоту. Ракетні двигуни за виглядом використовуваного палива підрозділяються на рідинні ракетні двигуни (РРД) і ракетні двигуни на твердому паливі (РДТП).

Недоліком РД є те, що вони повинні нести з собою весь запас окислювача, необхідного для спалювання всього запасу палива, який в декілька разів перевищує запас палива. При тривалих польотах в атмосфері для спалювання пального використовується кисень атмосферного повітря, а за рахунок вже непотрібного запасу окислювача можна значно збільшити запас пального, тривалість роботи двигуна та дальність польоту ЛА. Таким двигуном є повітряно-реактивний двигун (ПРД).

В якості палива у повітряно-реактивних двигунах використовується керосин, а як окислювач – атмосферне повітря. Тому робота повітряно-реактивного двигуна залежить від умов навколишнього середовища, в першу чергу від густини повітря, яка залежить від висоти польоту і температури повітря. Зі збільшенням висоти польоту густина повітря зменшується і тяга повітряно-реактивного двигуна також зменшується. На великих висотах, вище за (30 – 35) км, де вміст кисню внаслідок розрідженості атмосфери стає дуже малим, повітряно-реактивні двигуни працювати не можуть.

Для створення достатньої сили тяги у повітряно-реактивного двигуна необхідно, щоб гази витікали з сопла двигуна з великою швидкістю. А це, у свою чергу, можливо, якщо в камері згоряння створюється великий надлишковий тиск. З метою створення такого тиску у повітряно-реактивного двигуна здійснюється попереднє стиснення повітря перед подачею його в камеру згоряння.

Отже, обов'язковою умовою роботи ПРД є стиснення повітря, що подається в камеру згоряння двигуна.

ПРД за способом стиснення повітря, яке подається до камери згоряння, підрозділяються на безкомпресорні ПРД і компресорні ПРД.

Особливістю безкомпресорних ПРД є те, що стиснення повітря в них здійснюється за рахунок швидкісного напору повітряного потоку, що набігає на двигун. Тому працювати ці двигуни можуть тільки на ЛА, що летить. За видом робочого процесу безкомпресорні ПРД підрозділяються на прямоточні (ППРД – паливо і повітря постійно подаються до камери згоряння) та пульсуючі (ПуПРД – паливо і повітря подаються до камери згоряння циклічно, тяга має переривчастий характер).

Компресорні ПРД є основним типом двигунів сучасних цивільних і військових ЛА. В цих двигунах стиснення повітря на вході до камери згоряння підвищується за допомогою спеціального пристрою – компресора, який приводиться до дії газовою турбіною, внаслідок чого утворюється сила тяги і на нерухомому ЛА. Авіадвигуни, в яких для утворення реактивної тяги (газового струменя) використовуються газова турбіна і компресор називаються турбокомпресорними або турбореактивними двигунами (ТРД).

Компресорні ПРД бувають з осьовими і відцентровими компресорами. Найбільш широкого поширення в теперішній час набули двигуни з осьовим компресором.

Двигуни з комбінованою тягою підрозділяються на турбогвинтові і двоконтурні. Тяга турбогвинтових двигунів (ТГД) складається з тяги, що створюється повітряним гвинтом, і тяги за рахунок реакції струменя вихлопних газів.

Сила тяги двоконтурних двигунів складається з тяги реакції струменя вихлопних газів, які витікають із внутрішнього контуру і тяги реакції повітряного струменя, що відкидається з зовнішнього контуру.

Турбогвинтові двигуни встановлюються на літаки Іл-114, Ан-32, Ан – 140, а двоконтурні двигуни – на А-340, Ту-204, В-737, Ту-334, Ан – 72, Ан-124, Ан - 148 та ін.

Оскільки в компресорних повітряно-реактивних двигунах і в авіадвигунах з комбінованою тягою для стиснення повітря застосовується компресор, який обертає газова турбіна, то ці авіадвигуни отримали назву газотурбінних двигунів (ГТД).

У залежності від направлення утворюваної сили тяги газотурбінні двигуни підрозділяються на маршові, підйомні й підйомно-маршові.

Маршові двигуні утворюють силу тяги, яка направлена по осі літака.

Підйомні двигуні служать для утворення вертикальної піднімальної сили на режимах зльоту та посадки літака. На других режимах польоту вони не використовуються. Тому їх масу завжди бажають зменшити. Так як підйомні двигуни розміщують на літаку вертикально, то їхня довжина залежить від величини діаметру фюзеляжу літака та повинна бути по можливості мінімальною. Кількість підйомних двигунів на літаку вертикального зльоту та посадки може досягати чотирьох. Двигуни розташовують зосереджено поблизу центра тяжіння літака. На літаках зі скороченим зльотом число підйомних двигунів звичайно не перевищує двох.

Схема підйомного ТРД: 1 – підвід стиснутого повітря при запуску двигуна; 2 – турбіна; 3 – паливний насос; 4 – пускові розпалювачі.

Підйомно-маршовий двигун позволяє отримувати вертикальну складову тяги на режимах зльоту та посадки літака завдяки відхилення газового струменя до низу за допомогою вихідного сопла, що повертається. В горизонтальному польоті, в міру збільшення поступальної швидкості вихідне сопло повертається в положення, при якому його вісь співпадає з віссю двигуна.