Компрессорный двигатель принцип работы: 403 — Доступ запрещён – 403 — Доступ запрещён

Что такое компрессор? Роль компрессора в работе двигателя автотомобиля

Компрессором называют любое приспособление, которое предназначено для сжатия и подачи воздуха, а также других газов под давлением. Где используется это устройство?

Автомобильные инженеры, создатели гоночных авто и просто любители скорости все время работают над увеличением мощности двигателей. Одним из способов ее увеличения есть строительство мотора большого внутреннего объема, но большие двигатели много весят и кроме того затраты на их производство и содержание очень высоки.

Фото. ProCharger D1SC – центробежный компрессор

Второй способ увеличения интенсивности двигателя – это создание агрегата стандартного размера, но более эффективного в использовании. Более эффективной отдачи можно добиться при нагнетании большего объема воздуха в камеру сгорания, которое позволяет подать в цилиндр больше топлива, а значит достичь большей мощности за счет высокого давления и соответственно сильного выброса газа. Именно компрессор, который также называют нагнетателем, позволяет усилить подачу воздуха и увеличить мощность двигателя.

Кроме компрессора существует еще турбокомпрессор. Отличия между этими двумя устройствами состоят в способе извлечения энергии. Обычный компрессор приводится в действие энергией, которая передается от коленчатого вала мотора через ременный или цепной привод механическим путем. Что касается турбокомпрессора, то она работает благодаря сжатому потоку выхлопных газов, вращающих турбину.

Как работает компрессор

Для того чтобы понять как работает данный механизм, рассмотрим схему работы обычного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. С движением вниз поршня создается разрежение воздуха, который под действием атмосферного давления поступает в камеру сгорания. После поступления воздуха в двигатель он объединяется с топливной смесью и создает заряд, который можно трансформировать в полезную кинетическую энергию в результате горения. Горение создает свеча зажигания. Как только происходит реакция окисления топлива, выбрасывается большой объем энергии. Сила этого взрыва приводит в движение поршень, а сила этого движения поступает на колеса, заставляя их вращаться.

Более плотный поток топливно-воздушной смеси в заряд будет создавать более сильные взрывы. Но стоит понимать, что для сжигания конкретного количества топлива требуется определенное количество кислорода. Правильным считается соотношение: 14 частей воздуха к 1 части атмосферного воздуха. Эта пропорция имеет очень большое значение для эффективной работы силового агрегата автомобиля и выражает собой правило: “для того чтобы сжечь больше топлива нужно подать больше воздуха”.

В этом и состоит работа компрессора. Он сжимает воздух на входе в двигатель, позволяя наполнять двигатель большому его количеству и создавать повышение давления. Вместе с этим в двигатель может поступать большее количество топлива, вызывая увеличение мощности. В среднем компрессор прибавляет 46% мощности и 31% крутящего момента.

Механический нагнетатель запускается с помощью приводного ремня, обернутого вокруг шкива, который подключен к ведущей шестерне. Ведущая шестерня привод в движение шестерню нагнетателя. Ротор компрессора впускает воздух, сжимает его и вбрасывает во впускной коллектор. Скорость вращения компрессора составляет 50 – 60 тысяч оборотов в минуту. В результате нагнетатель увеличивает подачу воздуха в двигатель машины примерно на 50%.

Так как горячий воздух сжимается, он теряет свою плотность и не может сильно расшириться во время взрыва. В этом случае он не может отдать столько же энергии, сколько производится при возгорании свечой зажигания более прохладной топливно-воздушной смеси. Можно сделать вывод, что для того чтобы нагнетатель работал с максимальной отдачей сжатый воздух на выходе из устройства должен быть охлажден. Процессом охлаждения воздуха занимается интеркулер. Горячий воздух охлаждается в трубках интеркулера с помощью холодного воздуха или холодной жидкости, в зависимости от вида механизма. Снижение температуры воздуха, увеличивая его плотность, делает сильнее заряд, который поступает в камеру сгорания.

Виды компрессоров

Компрессоры бывают трех видов: двухвинтовые, роторные и центробежные. Основное отличие между ними состоит в способе подачи воздуха во впускной коллектор автомобильного двигателя.

Двухвинтовой компрессор

Двухвинтовый нагнетатель состоит из двух роторов, внутри которых циркулирует воздух. Эта конструкция создает много шума в виде свиста сжатого воздуха, который приглушают специальными методами шумоизоляции двигателя.

Фото. Двухвинтовой компрессор

Роторный компрессор

Роторный нагнетатель расположен, как правило, в верхней части автомобильного двигателя и состоит из вращающихся кулачковых валов, которые перемещают атмосферный воздух во впускной коллектор. Он имеет большой вес и значительно утяжеляет вес транспортного средства. Кроме того, воздушный поток в данном виде компрессора имеет прерывистую структуру, что делает его наименее эффективным по сравнению с другими видами компрессоров.

Фото. Роторный компрессор

Центробежный компрессор

Центробежный нагнетатель – наиболее эффективен для принудительного повышения давления внутри двигателя машины. Он представляет собой крыльчатку, вращающуюся с огромной силой и нагнетающую воздух в небольшой корпус компрессора. Центробежная сила выталкивает воздух к краю крыльчатки, заставляя его с огромной скоростью покидать ее полость. Маленькие лопатки, расположенные вокруг крыльчатки преобразуют высокоскоростной поток воздуха с низким давлением в низкоскоростной поток с высоким давлением.

Фото. Центробежный компрессор

Достоинства компрессора

Основным достоинством компрессора является, естественно, увеличение мощности двигателя транспортного средства. Эксперты считают механические нагнетатели несколько лучше турбированных, потому что двигатели, оборудованные ими, не имеют задержки реакции в ответ на нажатие водителем педали газа, потому что механические компрессоры приводятся в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя. Турбокомпрессоры в свою очередь подвержены отставанию, так как выхлопные газы набирают скорость нужную для раскручивания турбин лишь после истечения некоторого времени.

Недостатки двигателей

Так как компрессор запускается с помощью коленчатого вала мотора, это немного уменьшает мощность силового агрегата. Компрессор увеличивает нагрузку двигателя, поэтому последний должен быть крепким настолько, чтобы выдерживать сильные взрывы в камере сгорания. Современные автопроизводители учитывают это условие и создают более сильные узлы для моторов, предназначенных для работы в паре с компрессором, что повышает стоимость автомобиля, а также стоимость его технического обслуживания.

В целом нагнетатели – это наиболее эффективный способ добавить двигателю транспортного средства лошадиных сил или мощности другими словами. Компрессор может добавить от 50 до 100% мощности, поэтому его часто устанавливают на свои авто гонщики и приверженцы высокоскоростной езды.

Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором

 

Турбореактивные двигатели, или сокращенно ТРД, по праву можно считать основой современной авиации. Именно ими оснащены практически все военные и большинство гражданских самолетов, хотя есть и исключения. ТРД относятся к семейству газотурбинных двигателей (ГТД) – тепловых машин, вырабатывающих энергию за счет сжигания топлива в камере сгорания. Все моторы этого семейства объединяет общий принцип работы и схожая конструкция с обязательным наличием турбины, о чем легко догадаться по их названиям.

История авиационных реактивных двигателей началась в 30-хх годах, когда стало понятно, что возможности поршневых двигателей, первоначально устанавливаемых на самолеты, далеко не безграничны и уже достигли своего предела. Громоздкие и тяжелые ДВЗ стали обузой для конструкций самолетов, в которых играет роль каждый лишний килограмм, а использование воздушного винта для создания тяги не давало возможности преодолеть звуковой барьер. Именно тогда конструкторы и обратили свое внимание на небольшие и легкие газотурбинные двигатели в целом и турбореактивные двигатели в частности. Отсутствие у них воздушного винта, создание тяги только за счет реактивных сил, а также небольшой вес и компактные размеры сделали ТРД основными силовыми установками в авиастроении, и они остаются таковыми и сейчас.

Устройство и принцип работы

Как и все газотурбинные двигатели, ТРД состоит из следующих основных узлов: компрессора, камеры сгорания, приводной турбины и сопла. Среди видов ГТД есть моторы, оснащенные также рабочим валом, который использует свободную энергию, не потраченную на вращение турбины, для вращения воздушных винтов или других элементов, создающих тягу. У ТРД такого вала нет, что значительно упрощает его конструкцию и снижает вес.

Компрессор турбореактивного двигателя может быть осевым или центробежным. Первый меньше по размерам и более эффективный, поэтому в большинстве случаев именно ему и отдается предпочтение. Центробежный компрессор постепенно уходит в прошлое авиации из-за своей громоздкости, единственное его преимущество – более простая конструкция (в случае, когда он одноступенчатый). Именно центробежным компрессорам оснащались первые реактивные двигатели, но при появлении их осевых конкурентов им пришлось уступить свое место.

Центробежный компрессор – это колесо с закрепленными на нем лопатками, которые при вращении захватывают воздух и, придавая ему угловое вращение, отбрасывают его на периферию – к стенкам корпуса. Это действие центробежных сил, отталкивающих поток воздуха от центра вращения.

В центре центробежного компрессора установлен ротор с лопатками, который находится в корпусе (диффузоре). Корпус в свою очередь тоже оснащен лопатками, только уже неподвижными, и помещен в еще один, внешний, корпус, выполненный в форме улитки. Воздух сначала попадает в ротор, где под действием подвижных лопаток закручивается и сжимается. Затем он попадает на неподвижные лопатки и при этом еще больше сжимается, после чего под давлением проходит «улитку» и попадает в камеру сгорания.

Камера сгорания ТРД может быть кольцевой, трубчатой или комбинированной. Кольцевая камера «обволакивает» корпус, ее формируют стенки наружного и внутреннего кожуха. На входе установлена жаровая труба, на конце которой – завихрители с форсунками.

Трубчатая КС

Кольцевая КС

Трубчатая камера сгорания представляет собой отдельную жаровую трубу, соединенную с наружным кожухом. В ее передней части размещаются завихрители и форсунки, а вся ее поверхность имеет перфорацию для более качественного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В случае, если жаровых труб несколько, они соединяются между собой патрубками, обеспечивающими одновременный процесс горения во всех трубах. Для воспламенения топливного заряда используются запальные устройства, расположенные в камерах.

Комбинированная камера сгорания – это кольцевая камера, в которой размещаются жаровые трубы.

Основой любого ГТД является турбина – вал, на котором закреплены металлические диски с рабочими лопатками на концах. Перед рабочими лопатками устанавливаются неподвижные, которые обеспечивают осевую подачу газов, выпрямляя их движение. Совокупность направляющих и рабочих лопаток – это одна ступень, и таких ступеней на турбине может быть несколько: от 1 до 6. Как несложно заметить, принципы работы компрессора и турбины похожи, только в первом случае лопасти компрессора сами приводят в движение поток воздуха, а во втором – газы вращают лопатки турбины. Скорость вращение турбины, а значит и компрессора, составляет 20-30 тыс. об//мин.

Ступень турбины (статор и ротор в сборе). 1 Колесо турбины, 2 Вал, 3 Лопатки, 4 Направляющий аппарат.

Выпуск продуктов сгорания наружу обеспечивается выпускным устройством, которое состоит из конусоподобной выпускной трубы, стойки и сопла. Обычные реактивные сопла имеют постоянный диаметр и направлены в определенную сторону. На некоторых двигателях используются регулируемые сопла, в которых можно менять сечение в зависимости от режимов работы, а также контролировать направление реактивной тяги за счет их поворотов.

Но не только механика дает возможность управлять ТРД. Современные моторы оснащены сложнейшей системой автоматики, которая постоянно контролирует параметры работы, устанавливает нужные режимы в зависимости от нагрузок. Пилот управляет двигателем с помощью одного только рычага, но на каждое его движение отзываются множество датчиков.

Принцип работы ТРД характерный для двигателей всего семейства ГТД. Компрессор затягивает воздух в корпус, сжимает его и направляет в камеру сгорания. От количества воздуха и его давления на выходе из компрессора напрямую зависит степень сжатия, а значит и мощность мотора. В камере сгорания устанавливаются топливные форсунки, через которые подается топливо – авиационный керосин. Топливо воспламеняется, образуя газы, обладающие высоким зарядом энергии. Расширяясь, продукты сгорания действуют на лопасти турбины, вращая их, а сама турбина при этом вращает компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Но далеко не вся энергия потребляется турбиной, большая ее часть под давлением вырывается наружу, проходя через сопло, что создает реактивную тягу.

Процесс сжигания топлива в ТРД непрерывный, что отличает эти типы двигателей от поршневых 2- или 4-тактных моторов, у которых в каждом рабочем цикле есть рабочий такт, которому предшествует воспламенение топливного заряда.

Использование двигателя. Преимущества и недостатки

Современные ТРД практически не оснащаются центробежными компрессорами. В сравнение с осевым у центробежного компрессора каждая ступень сжатия более эффективная, но общее КПД при этом ниже. Это объясняется тем, что многоступенчатые центробежные компрессоры имеют очень сложную конструкцию и большие габариты, что увеличивает и их вес, тогда как многоступенчатость осевых компрессоров – не проблема. Именно поэтому они нашли широкое применение не в авиации, а «на земле» в силовых установках, используемых в системах вентиляции, на газотранспортных магистралях и т.д. Из самолетов, на которых использовались реактивные двигатели с центробежными компрессорами, можно отметить HeS 3, которым был оснащен первый реактивный самолет, английский Power Jets W.1, который использовался в первом британском истребителе, Rolls-Royce Nene, ставшим в последствии прототипом советского РД-45. Использование таких двигателей было характерным для «зари» авиастроения, сейчас же практически везде используются двигатели с осевыми компрессорами.

Несмотря на то, что реактивные двигатели устанавливаются на большинстве современных самолетов, все же и они далеко не идеальные. Есть у них и недостатки: высокая себестоимость и повышенный расход топлива. Первый недостаток объясняется тем, что для изготовления отдельных элементов реактивного двигателя нужны сверхпрочные и жаростойкие материалы, которые бы могли работать при очень высоких давлениях и температурах. Что касается расхода топлива, он действительно выше, чем, например, у его ближайшего «родственника» турбовинтового двигателя, ну а от расхода топлива напрямую зависит стоимость перелетов. Поэтому в случаях, когда нет необходимости развивать сверхзвуковые скорости, самолеты оснащаются ТВД, что дает возможность снизить цены на перелет. В основном это пассажирские и грузовые самолеты, которые летают на большие расстояния. А вот в военной авиации практически всегда используются ТРД, ведь здесь не так важна экономия, как скорость.

Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель — Википедия

Схема двигательной установки И-250

Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель (ВРДК) — комбинированный воздушно-реактивный двигатель.

Конструктивно состоит из трёх основных частей — поршневого двигателя внутреннего сгорания, воздушного компрессора и упрощённого воздушно-реактивного двигателя. Поршневой двигатель через трансмиссию приводит воздушный компрессор. Сжатый воздух от последнего подаётся в камеру сгорания, где смешивается с топливом; сгорание создаёт реактивную тягу. Таким образом, у реактивного двигателя нет собственного внутреннего компрессора и турбины для его привода: их роль выполняет отдельный (и приводимый отдельным двигателем) компрессор. Поршневой двигатель, кроме привода компрессора, также может вращать и воздушный винт, хотя существовали и безвинтовые схемы. В описательном смысле такие двигатели можно назвать «полуреактивными».

Мотокомпрессорный двигатель нашёл небольшое применение на некоторых экспериментальных самолётах конца 30-х и 40-х годов XX века (И-250, Caproni Campini N.1) и явился переходным этапом от поршневых двигателей с винтомоторной установкой к настоящим турбореактивным двигателям. Применение отдельного компрессора позволило исключить из конструкции двигателя сложную в производстве, дорогостоящую и ещё не вполне исследованную в те годы газовую турбину, а также — внутренний компрессор.

Самолёты, оснащённые таким типом силовой установки, зачастую превышали по скоростным характеристикам винтовые самолёты с поршневыми двигателями. Однако невысокий КПД^{[источник не указан 3244 дня]} комбинированной силовой установки и большая масса отдельного поршневого двигателя — наряду с быстрым развитием чисто турбореактивных двигателей в годы Второй мировой войны, привели к отказу от мотокомпрессорной схемы в конце 40-х годов XX века.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором

 

Турбореактивный двигатель (ТРД) – это наиболее известный и востребованный тип газотурбинных двигателей (ГТД), который широко используется в гражданской и военной авиации. ТРД, как и все остальные виды ГТД, относятся к тепловым машинам, а это значит, что выработанная ими энергия получена в результате сжигания топлива. Именно эти двигатели стали первыми газотурбинными двигателями, которые заменили собой поршневые в авиастроении.

История ТРД берет начало в 30-х годах, когда в СССР и Европе были проведены исследования и созданы первые опытные образцы турбореактивных двигателей для самолетов: отечественные АЛ, немецкий HeS3B, английский W. Вскоре интерес к ним проявили и авиаконструкторы из США и Японии. Первый советский турбореактивный истребитель ЯК-15, оснащенный двигателем РД-10 появился сразу после Второй Мировой Войны – в 1946 году. С тех пор практически все военные самолеты летали именно на реактивных двигателях.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

Все модели двигателей семейства ГТД имеют схожее строение, а их работа основывается на вращении турбины, что и дало название всему семейству. Строение турбореактивного двигателя с одной стороны проще, чем у других видов, но с другой имеет ряд особенностей. Итак, ТРД состоит из компрессора, камеры (или нескольких камер) сгорания, турбины и сопла. Другие виды ГТД имеют еще и дополнительные валы, выполняющие определенную полезную работу, но в данном случае их нет, что и упрощает конструкцию, а также снижает вес.

Принцип работы ТРД соответствует принципу работы всех ГТД. Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней воздух перемешивается с впрыснутым форсунками топливом, образуя топливный заряд, который при сгорании расширяется. Расширенные газы направляются в сторону турбины, вращая ее, а остатки неиспользованной энергии выходят через сужающееся сопло, образуя реактивную тягу, которая и является движущей силой. Турбина, вращаясь, приводит в движение компрессор, связанный с ней механически.

Теперь более подробно о каждой составляющей ТРД. Турбореактивные двигатели отличаются между собой по типу компрессоров, которые в них устанавливаются. Они могут быть осевыми, центробежными или комбинированными. В данной статье будут рассматриваться ТРД с осевым компрессором.

Элементы двигателя

Осевой компрессор

Осевой компрессор представляет собой вал с подвижными дисками, на концах которых закреплены рабочие лопатки, называемый ротором, а между этими дисками находятся неподвижные направляющие лопатки, закрепленные на внутренней стороне корпуса, — статор. Ротор работает, как обычный вентилятор, только лопастей у него больше и скорость вращения выше. Поток воздуха, пройдя через подвижные лопатки, закручивается, и чтобы его выровнять, используется статор. Неподвижные лопатки статора тормозят воздух и придают ему нужный вектор движения, направленный вдоль оси вала. Именно поэтому компрессор и называется осевым.

Каждая пара рабочих и направляющих лопаток формирует одну ступень компрессора. Таких ступеней обычно несколько (их число может достигать 15) и расположены они одна за другой. В результате получается чередование подвижных и неподвижных лопаток, расположенных вдоль вала. Одна ступень увеличивает давление воздуха в незначительной степени, но при прохождении всех их оно достигает нужного значения. Уменьшение скорости на статоре увеличивает давление и температуру, так что на следующую ступень воздух поступает уже сжатым и нагретым. С каждой последующей ступенью давление и температура в компрессоре повышаются. Количество ступеней определяется при проектировании двигателя и зависит от требуемого значения степени сжатия в камере сгорания.

Для получения большего значения величины давления корпус компрессора может постепенно сужаться, что дополнительно увеличивает напор внутри и контролирует осевое направление движения потока. С этой же целью ротор может иметь конусную форму, а в некоторых случаях сечение канала сужается путем комбинирования конусной формы и корпуса, и ротора.

Компрессор может быть одно- или многокаскадным. Первый тип представляет собой ротор и статор с необходимым числом ступеней. Он используется в обычных турбореактивных двигателях. Многокаскадный компрессор – это два и более узла, каждый из которых оснащен своей приводной турбиной. Его использование позволяет более точно и эффективно управлять режимами работы двигателя и настраивать их под определенную нагрузку. Такие компрессоры нашли применение как на обычных, так и на двухконтурных ТРД.

Если сравнивать осевой и цетробежный компрессоры, более эффективным считается первый. КПД осевого компрессора может достигать 90%, к тому же он более легкий и компактный и имеет большую производительность. Именно поэтому авиаконструкторы чаще отдают предпочтение именно ему.

Камера сгорания

Камера сгорания газотурбинных двигателей в основном представлена 3 типами. Камера сгорания представляющая собой «кольцо», которое охватывает корпус мотора, или же отдельные трубы, называемые жаровыми, а вот гибрид этих двух КС, так называемый трубчато-кольцевая камера сгорания использовалась в переходный момент от трубчатой КС к кольцевой КС и редко где встречается. Поверхность камеры сгорания имеет своеобразную перфорацию для эффективного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В ней расположены форсунки, подающие топливо (в самолетах это авиационный керосин). При контакте с сжатым горячим воздухом оно воспламеняется, в результате чего образуются расширенные газы с высоким зарядом энергии.

Трубчатая КС

Кольцевая КС

Основная функция камеры сгорания, это подвод тепловой энергии к воздушному потоку, получаемой в результате химической реакции окисления топлива кислородом воздуха, то есть попросту его сгорания. Дополнительная энергия подводимая к потоку, проходящему через камеру сгорания в частности и всецело через двигатель, позволяет уравновесить потери, и разогнать этот поток в сопле с целью получения достаточной тяги для придания движения двигателю и как следствие, летательному аппарату.

Турбина

Турбина – это «компрессор наоборот»: если лопасти компрессора вращаются, чтобы затягивать воздух в корпус, то лопасти турбины вращаются, потому что на них воздействуют расширенные газы. По своей структуре турбина практически не отличается от компрессора, имея неподвижные лопатки статора и подвижные ротора. Но в ее случае статор находится впереди, а ротор – за ним (сначала поток газов выпрямляется, а затем попадает на рабочие лопатки). Ступеней у турбины меньше, обычно их количество не более 4-х, а то и меньше; есть даже одноступенчатые модели. Работает турбина следующим образом: из камеры сгорания расширенные газы попадают на рабочие лопатки и вращают их. Поскольку основная и единственная задача турбины ТРД – вращение компрессора, ей достаточно небольшого количества ступеней. Излишек энергии, не потраченный на вращение турбинного ротора, в прямом смысле слова «вылетает в трубу», то есть в сопло, обеспечивая реактивную тягу.

Сопловой аппарат

Сопла ТРД тоже бывают разными. Они могут иметь переменное сечение, сужаясь к выходу, а могут сначала сужаться, а затем расширяться. В некоторых моделях самолетов можно регулировать сечение сопла и направление тяги, могут быть устройство реверса или отклонения вектора тяги, различные шумопоглощающие устройства или  приспособления для снижения инфракрасной заметности. Сопловой аппарат это так же и форсажная камера.

Основная задача сопла — это формирования необходимых параметров потока газа, выходящего из двигателя. Срабатывание энергии газа в поступательную энергию двигателя и движение самолета. Сопла для реактивных двигателей бывают 2 видов, в зависимости от расчетной скорости полета самолета. Для двигателей самолетов, летающих с дозвуковой скоростью применяют сопло со сужающимся сечением к срезу сопла. Сопло для двигателей сверхзвуковых самолетов применяют уже с расширяющимся сечением к срезу сопла, так называемое сопло Лаваля.

1 — обычное жесткое сужающееся сопло, 2 — сопло Витошинского, 3 — сопло Лаваля

В современной авиации из соображений наибольшей оптимальности работы двигателей на всех режимах полета самолета (максимального приближения к расчетному режиму), то есть обеспечения большой тяги с минимальными потерями, сверхзвуковые сопла делаются регулируемыми.

Система управления двигателем

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, турбореактивный двигатель – это сложная система, которой практически полностью управляет «умная» автоматика. Пилот определяет нагрузку с помощью одного только рычага, тогда как многочисленные датчики и регуляторы выполняют остальную работу, настраивая двигатель на нужный режим работы.

Преимущества и недостатки

Турбореактивными двигателями с осевым компрессором оснащаются большинство самолетов с ТРД. К ним относятся большинство современных гражданских самолетов, а также военные истребители и бомбардировщики. Такое широкое применение объясняется наличием у турбореактивного двигателя ряда преимуществ, выгодно выделяющих их среди других видов моторов. Во-первых, их конструкция наиболее простая среди ГТД, во-вторых, они имеют компактные габариты и малый вес, в-третьих, они менее шумные, чем турбовинтовые (ТВД) или турбовальные (ТВаД) двигатели. Но главным их преимуществом является возможность преодолевать звуковой барьер, что особенно важно в военной авиации.

К недостаткам ТРД можно отнести их «прожорливость». Среди моторов семейства ГТД они занимают первое место по расходу топлива, так что порой намного выгоднее заменить их теми же ТВД. Это объясняет то, что они редко используются на самолетах с низкими скоростями, летающими на дальние расстояния. Еще один недостаток – их дороговизна. Достаточно представить, в каких условиях работает турбина, чтобы понять: обыкновенные материалы не смогут выдержать таких нагрузок. Для изготовления лопастей турбин используются сверхпрочные жаростойкие материалы, способные выдержать «адские» условия работы, а стоят они, соответственно, немало.

В последнее время традиционные турбореактивные двигатели начали вытесняться другими своими подвидами, например, двухконтурными ТРД. Прогресс не стоит на месте, а авиаконструкторы постоянно борются за повышение мощности и эффективности моторов в комплексе с уменьшением их веса, что так важно для авиации. И все же ТРД рано списывать со счетов – они по-прежнему востребованы, о чем свидетельствует их широкое применение.

Небольшое видео, представленное ниже про работу турбовентиляторного двигателя, продемонстрирует работу турбореактивного двигателя с осевым компрессором, т.к. принцип у них одинаков.

Компрессоры авиационных ГТД. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Тема сегодня достаточно непростая из-за своей изначальной обширности и сложности теории осевого компрессора. По крайней мере для меня она всегда в определенных аспектах была таковой :-). Но исходя из политики сайта постараюсь ее сократить до основных понятий, упростить и втиснуть в одну статью.Что получится, не знаю… Увидим :-)…

При этом… Говоря о таких сложных устройствах, как авиационный газотурбинный двигатель, несмотря на постоянное стремление к простоте рассказа, приходится периодически обращаться к точным техническим наукам. Благо, что такое бывает не часто, не глубоко и обычно хватает школьного курса физики. Прямо, как сейчас :-).

Итак, чуть-чуть теории.

Тепловые машины уже упоминалось нами неоднократно. И, видимо термин этот появится еще не раз, потому что все двигатели, используемые на современных летательных аппаратах, представляют из себя именно тепловые машины (двигатели), то есть такие, принцип работы которых основан на превращении внутренней энергии (в том числе тепловой) рабочего тела (газа) в полезную работу в процессе его расширения.

Все используемые в настоящее время силовые установки на летательных аппаратах принадлежат к определенному виду — двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Исходя из самого названия понятно, что процесс сгорания топлива у них происходит в специальных внутренних камерах.

Причем такие двигатели могут представлять из себя как поршневые машины (класс так называемых объемных расширительных машин), так и лопаточные машины (эти обычно относятся к динамическим расширительным машинам).

Нетрудно заключить, что представителями первых являются поршневые ДВС (как бензиновые, так и дизельные), а вторых – газотурбинные. Понятно, что коль скоро все темы у нас авиационные, то и двигатели имеются ввиду тоже авиационные :-).

Для любого теплового двигателя с точки зрения его практического применения самым важным термодинамическим процессом является процесс расширения рабочего тела, выливающийся в итоге в создание мощности на валу, а также реактивной тяги (для

Турбореактивный двигатель. Элементы конструкции. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Здравствуйте, друзья!

Турбореактивный двигатель.

В этой  статье вернемся к моим любимым двигателям. Я уже ранее говорил о том, что турбореактивный двигатель в современной авиации – основной. И упоминать его в той или иной теме мы еще будем часто.  Поэтому пришла пора окончательно определиться с его конструкцией. Конечно же не углубляясь во всевозможные дебри и тонкости :-). Итак авиационный турбореактивный двигатель. Каковы основные части его конструкции, и как они взаимодействуют между собой.

1.Компрессор   2.Камера сгорания  3.Турбина  4. Выходное устройство или реактивное сопло.

Компрессор сжимает воздух до необходимых величин, после чего воздух поступает в камеру сгорания, где подогревается до необходимой температуры за счет сгорания топлива и далее уже получившийся газ поступает на турбину, где отдает часть энергии вращая ее (а она, в свою очередь компрессор), а другая часть при дальнейшем разгоне газа в реактивном сопле превращается в импульс тяги, которая и толкает самолет вперед. Этот процесс достаточно хорошо виден в ролике в статье о двигателе, как тепловой машине.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.

Компрессоры бывают трех видов. Центробежные, осевые и смешанные. Центробежные обычно представляют собой колесо, на  поверхности которого выполнены  каналы, закручивающиеся от центра к периферии, так называемая крыльчатка.При ее вращении воздух отбрасывется по каналам центробежной силой от центра к периферии, сжимаясь сильно разгоняется и далее попадая в расширяющиеся каналы (диффузор) тормозится и вся его энергия разгона тоже превращается в давление. Это немного похоже на старый аттракцион, который раньше в парках был, когда люди становятся по краю большого горизонтального  круга, опираясь спиной на специальные вертикальные спинки, этот круг вращается, наклоняясь в разные стороны и люди не падают, потому что их держит (прижимает) центробежная сила. В компрессоре принцип тот же.

Этот компрессор достаточно прост и надежен, но для создания достаточной степени сжатия нужен большой диаметр крыльчатки, что не могут себе позволить самолеты, особенно небольших размеров. Турбореактивный двигатель просто не влезет в фюзеляж. Поэтому применяется он мало. Но в свое время  он был применен  на двигателе ВК-1 (РД-45), который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.

Крылчатка центробежного компрессора на одном валу с турбиной.

Крыльчатки центробежного компрессора.

Двигатель ВК-1. В разрезе хорошо видна крыльчатка центробежного компрессора и далее две жаровые трубы камеры сгорания.

Истребитель МИГ-15

В основном сейчас используется осевой компрессор. В нем на одной вращающейся оси (ротор) укреплены металлические диски (их называют рабочее колесо), по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». А между венцами вращающихся рабочих лопаток размещены венцы неподвижных лопаток ( они бычно крепятся на наружном корпусе), это так называемый направляющий аппарат (статор). Все эти лопатки имеют определенный  профиль и несколько закручены, работа их в определенном смысле похожа на работу все того же крыла или лопасти вертолета, но только в обратном направлении. Теперь уже не воздух действует на лопатку, а лопатка на него. То есть компрессор совершает механическую работу (над воздухом :-)). Или еще более нагляднее :-).  Все знают вентиляторы, которые так приятно обдувают в жару. Вот вам пожалуйста, вентилятор и есть рабочее колесо осевого компрессора, только лопастей конечно не три, как в вентиляторе, а побольше.

Примерно так работает осевой компрессор.

Конечно очень упрощенно, но принципиально именно так. Рабочие лопатки «захватывают» наружный воздух, отбрасывают его внутрь двигателя, там лопатки направляющего аппарата определенным образом  направляют его на следующий ряд рабочих лопаток и так далее. Ряд рабочих лопаток вместе с рядом следующих за ними лопаток направляющего аппарата образуют ступень. На каждой ступени происходит сжатие на определенную величину. Осевые компрессоры бывают с разным количеством ступеней. Их может быть пять, а может быть и 14. Соответственно и степень сжатия может быть разная, от 3 до 30 единиц и даже больше.  Все зависит от типа и назначения двигателя (и самолета соответственно).

Осевой компрессор достаточно эффективен. Но и очень  сложен как теоретически, так и конструктивно.  И еще у него есть существенный недостаток:  его сравнительно          легко повредить. Все посторонние предметы с бетонки  и птиц вокруг аэродрома он       как говорится принимает на себя и не всегда это обходится без последствий.

Камера сгорания. Она опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб (они называются жаровые трубы). Для организации процесса горения в комплексе с воздушным охлаждением она вся «дырчатая». Отверстий много, они разного диаметра и формы. В жаровые трубы подается через специальные форсунки топливо (авиационный керосин), где и сгорает, попадая в область высоких температур.

Турбореактивный двигатель (разрез). Хорошо видны 8-ми ступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, 2-ухступенчатая турбина и выходное устройство.

Далее горячий газ попадает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. ЕЕ раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку- пропеллер. Неподвижные лопатки в ней находятся не за вращающимися рабочими, а перед ними и называются сопловым аппаратом. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Больше и не надо, ведь для привода компрессора хватит, а остальная энергия газа потратится в сопле на разгон и получение тяги. Условия работы турбины мягко говоря «ужасные». Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения (до 30000 об/мин). Представляете какая центробежная сила действует на лопатки и диски! Да плюс факел из камеры сгорания с температурой от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Вобщем ад :-). Иначе не скажешь. Я был свидетелем, когда при взлете самолета Су-24МР оборвалась рабочая лопатка турбины одного из двигателей. История поучительная, обязательно о ней расскажу в дальнейшем. В современных турбинах применяются достаточно сложные системы охлаждения, а сами они (особенно рабочие лопатки) изготавливаются из особых жаропрочных и жаростойких сталей. Эти стали достаточно дороги, да и весь турбореактивный двигатель в плане материалов очень недешев. В 90-е годы, в эпоху всеобщего разрушения на этом нажились многие нечистые на руку люди, в том числе и военные. Об этом тоже как-нибудь позже…

СУ-24МР

После турбины – реактивное сопло. В нем, собственно, и возникает тяга турбореактивного двигателя. Сопла бывают просто сужающиеся, а бывают сужающе-расширяющиеся. Кроме того бывают неуправляемые (такое сопло на рисунке), а бывают управляемые, когда их диаметр меняется в зависимости от режима работы. Более того сейчас уже есть сопла, которые меняют направление вектора тяги, то есть попросту поворачиваются в разные стороны.

Турбореактивный двигатель – очень сложная система. Летчик управляет им из кабины всего лишь одним рычагом – ручкой управления двигателем (РУД). Но на самом деле этим он лишь задает нужный ему режим. А все остальное берет на себя автоматика двигателя. Это тоже большой и сложный комплекс и еще скажу очень хитроумный. Когда еще будучи курсантом изучал автоматику, всегда удивлялся, как конструкторы и инженеры все это понапридумывали:-), а рабочие-мастера изготовили.  Сложно… Но зато интересно 🙂 …

Вот и все пока. Вкратце опять  не получилось :-). Но я все же надеюсь, что вам было интересно. До следующей встречи.

P.S. А вот вам напоследок атракцион, о котором я выше писал. Я на нем в детстве-то не катался, а сейчас их просто нет у нас. Так что знаю только в теории :-).

Вот такой он был, может и сейчас где-то работает…

Фото кликабельны.

Related posts:

1. Турбореактивный двига

Лопастной компрессор — Википедия

Лопастной компрессор — это разновидность компрессоров, предназначенная для повышения давления рабочего тела за счёт взаимодействия последнего с подвижными и неподвижными лопаточными решётками компрессора. Принцип действия лопаточных компрессоров — увеличение полного давления рабочего тела за счёт преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием её во внутреннюю энергию.

Рисунок, иллюстрирующий работу осевого компрессора Отдельно взятая ступень компрессора.

В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило воздуха, движется условно вдоль оси вращения ротора компрессора.

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток, закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора и именуемых направляющими аппаратами (НА). Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата, именуется ступенью.

Треугольники скоростей рабочего колеса иллюстрирующие сложное движение частиц воздуха. Видна диффузорность межлопаточного канала.

Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате диффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал, увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.

При прохождении через рабочее колесо воздух участвует в сложном движении.

Где абсолютное движение — движение частиц воздуха относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой u).

Относительное движение — движение частиц воздуха относительно лопаток рабочего колеса. (На рисунке обозначено буквой w).

Переносное движение — вращение рабочего колеса относительно оси двигателя. (На рисунке обозначено буквой U).

Таким образом, когда частицы воздуха попадают в рабочее колесо со скоростью, обозначенной на рисунке вектором w₁, лопатки воздействуют на частицы воздуха, придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха в этот момент обозначена вектором u₁.

При прохождении через рабочее колесо за счёт диффузорности межлопаточного канала происходит уменьшение модуля относительной скорости на выходе из рабочего колеса w₂, за счёт кривизны межлопаточного канала происходит изменение направления вектора переносной скорости на выходе из рабочего колеса w₂. На выходе из рабочего колеса на частицы воздуха продолжают действовать лопатки, придавая им переносную скорость, обозначенную на рисунке вектором U. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха в этот момент обозначена вектором u₂, который изменяет направление и увеличивается по модулю. Таким образом в рабочем колесе происходит рост полного давления воздуха.

После рабочего колеса воздух попадает в направляющий аппарат. За счёт диффузорности межлопаточного канала происходит торможение потока, что приводит к росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала приводит к повороту потока для получения более эффективного угла входа потока воздуха в следующее рабочее колесо.

Таким образом, ступень за ступенью, происходит повышение давления воздуха. Скорость потока в рабочем колесе растёт, в направляющем аппарате — падает. Но ступени компрессора и весь компрессор проектируют таким образом, чтобы скорость потока уменьшалась. При прохождении воздуха через компрессор растёт и его температура, что является не задачей компрессора, а отрицательным побочным эффектом. Перед входом в первое рабочее колесо может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА) который производит предварительный поворот потока воздуха на входе в компрессор.

Двухкаскадный осевой компрессор двигателя Rolls-Royce RB 199.

Довольно высокая степень газодинамической инертности лопастных компрессоров является причиной того, что компрессор довольно медленно набирает обороты, обладает низкой приёмистостью. Лопастные компрессоры, как правило, приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, таким образом, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает довольно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины, – такие двигатели называют двухвальными. Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости осевых компрессоров стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя.

Сверхзвуковые компрессоры. Частота вращения роторов современных компрессоров достигает десятков тысяч оборотов в минуту. Переносная скорость частицы воздуха в РК (U) зависит от радиуса вращения этой частицы относительно продольной оси двигателя. При достаточно длинном пере лопатки переносная скорость вырастает настолько, что абсолютная скорость движения частицы воздуха становится сверхзвуковой. В данной ситуации компрессор именуют сверхзвуковым, или же ступень компрессора именуют сверхзвуковой, если такая ситуация возникает в определённой ступени компрессора.

Препарированный ТРД General Electric J-31 с радиальным центробежным компрессором. Схематическое изображение центробежного реактивного рабочего колеса.

Принцип действия центробежного компрессора в общем сопоставим с принципом действия осевого компрессора, но с одним существенным различием: в центробежном компрессоре поток воздуха входит в рабочее колесо вдоль оси двигателя, а в рабочем колесе происходит поворот потока в радиальном направлении. Таким образом, в рабочем колесе за счёт центробежной силы создаётся дополнительный рост полного давления. То есть частицы рабочего тела получают дополнительную кинетическую энергию.

Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. Межлопаточный канал в центробежном рабочем колесе, так же, как и в осевом — диффузорный. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении, и, как следствие — дороже. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передаётся кинетическая энергия вращающегося колеса, диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придаёт дополнительную кинетическую энергию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии во внутреннюю.

Для центробежных компрессоров справедливо следующее уравнение^[1]

Ws=u2Cθ2−u2Cθ1{\displaystyle W_{s}=u_{2}C_{\theta 2}-u_{2}C_{\theta 1}\,}

где

• W_s — входная мощность на валу,
• u — скорость конца лопастей,
• C_θ — касательные составляющие скоростей жидкости, отрывающейся от лопастей, в положениях 1 и 2, входная и выходная, соответственно.

Краткое сравнение осевых и центробежных компрессоров[править | править код]

ТРД с осевым компрессором. ТРД с центробежным компрессором

1. По степени сжатия (повышения давления) в ступени. Большую степень повышения давления обеспечивают ступени центробежных компрессоров.

2. По реализации многоступенчатости. Многократный поворот воздушного потока в центробежном компрессоре приводит к сложности реализации многоступенчатости в нём.

3. По габаритам. Центробежные компрессоры, как правило, обладают довольно большим диаметром рабочего колеса. Многоступенчатые осевые компрессоры — обладают меньшим диаметром, но длиннее в осевом направлении.

Осевые компрессоры, в основном, используются в самолётных и вертолётных воздушно-реактивных двигателях (ВРД). Центробежные в наземных газотурбинных двигателях (ГТД) и силовых установках, а также в различных газоперекачивающих системах, системах вентиляции, всевозможных нагнетателях газа или воздуха.

1. ↑ Frank Kreith. The CRC handbook of thermal engineering (неопр.). — CRC Press, 2000. — С. 4‑229. — ISBN 9780849395819.

• Воронецкий А.В. Современные компрессорные станции (Концепции, проекты, оборудование). — М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2008. — 614 с. — ISBN 978-5-903363-09-4.