На страницах своего блога я уже показывал Вам разные самолеты, рассказывал про их техническое обслуживание и длительное хранение. А сегодня я хочу рассказать про то, как работают авиационные двигатели, которые поднимают в воздух многотонные лайнеры и дарят нам возможность оторваться от земли и испытать чувство полета.
А поможет мне в моем рассказе - Государственный музей авиации, на территории которого находится экспозиция авиадвигателей.
Экспозиция авиадвигателей на небольшой площади собрала множество авиационных двигателей разных типов.
Первые самолеты поднявшиеся в воздух в начале 20-го века в качестве силовой установки использовали обычный поршневой двигатель, конструктивно ничем не отличающийся от тех, которые установлены под капотом автомобилей. Разве что, учитывая особенности эксплуатации, такие как сильный обдув воздухом, двигатель мог не иметь жидкостной системы охлаждения, довольствуясь сильным обдувом воздухом. Также это повышало его надежность - чем меньше систем, тем меньше вероятность отказа.
Как и автомобильные поршневые двигатели, авиационные двигатели могли быть рядными (цилиндры расположены в ряд), V-образными (два ряда цилиндров под углом друг к другу) или оппозитный (два ряда цилиндров располагаются горизонтально в одной плоскости). В современной легкой авиации и на сегодняшний день подавляющее большинство самолетов оборудовано поршневыми оппозитными двигателями.
Один из поршневых двигателей в экспозиции музея.
Следующей ступенью развития поршневых двигателей в авиации стали звездообразные двигатели. В отличие от рассмотренных ранее двигателей, где цилиндры располагались в один или два ряда, в звездообразных двигателях все цилиндры находились в одной вертикальной плоскости, и расходились по кругу от центра, словно лучи звезды (отсюда и такое название).
Первыми были ротативные двигатели - абсолютно необычная конструкция, в которой коленвал жестко закреплен на мотораме (узел крепления мотора к фюзеляжу самолета), вокруг которого вращаются цилиндры с закрепленным на них воздушным винтом. На заре авиации такие двигатели показывали лучше мощностные характеристики на единицу массы, за счет лучшего охлаждения (кроме обдува воздухом от винта, цилиндры еще и вращались дополнительно охлаждаясь) и меньшего веса (так как масса вращающийся цилиндров была немаленькая, то в таких двигателях отсутствовал маховик.
Но и недостатков тоже было немало - это и большой расход масла, и сложность управления режимами двигателя. Так как цилиндры вращаются, то подвести к ним топливо-воздушную смесь можно только через полость картера. Кроме этого, большие массы вращающиеся вокруг оси самолета имели большой гироскопический эффект усложняющий управление самолетом. Поэтому после первой мировой войны от таких двигателей в авиации отказались.
Ротативный двигатель времен первой мировой войны Le Rhone 9C.
Классические звездообразные (или радиальные) двигатели, с неподвижным блоком цилиндров получили большее распространение и множество вариаций с диапазоном мощностей от менее чем 100 лошадиных сил, до нескольких тысяч л.с.
Звездообразные двигатели обладали в разы меньшей длиной в сравнении с рядными, что было важно в авиации. Эта особенность давала возможность сделать фюзеляж короче, или наоборот увеличить объем полезного пространства.
Двигатель М-11 мощностью 100 лошадиных сил.
Благодаря классической конструкции с неподвижными цилиндрами, намного более качественно организовано питание двигателя топливом, и в целом процессы вентиляции цилиндров. Мощность таких двигателей может быть как несколько сотен лошадиных сил, как у этого Аи-14 имеющего мощность в различных модификациях от 240 до 450 лс. Такой двигатель использовался на множестве самолетов начиная с Вильги используемой для буксировки планеров, Як-18Т который был учебным самолетом для будущих пилотов гражданской авиации, и до пилотажных Як-52 и Су-26.
Так и 1000 и более лошадиных сил, как у этого тяжеловеса среди поршневых звездообразных двигателей - АШ-62ИР. Двигатель всем известного “кукурузника” Ан-2. 30 литров объема и мощность в 1000 лошадиных сил!
Но 1000 лошадиных сил - это не предел. Если совместить два таких двигателя - то получим двухрядный звездообразный двигатель с удвоением мощности!
На фото ниже монструозный Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major - 28 цилиндров (4 звезды по 7 цилиндров), турбонагнетатель и мощности от 3000 до 4300 л.с.
Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major - фото из интернета.
Поршневые многорядные звездообразные двигатели были вершиной инженерной мысли и сложнейшей механической конструкцией. Но к середине 40-х годов стало ясно что дальнейшее усложнение звездообразных двигателей - это тупиковый путь. Выходом из сложившейся ситуации, когда новым самолетам нужно больше мощности которую не могут дать поршневые двигатели несмотря на усложнение конструкции, стали двигатели использующие реактивную тягу.
Турбореактивные двигатели для создания тяги используют реактивную струю выхлопных газов сгоревшего топлива. Ключевой деталью такого двигателя является турбокомпрессор - комбинация компрессора (устройства для сжатия воздуха и повышения его давления) и турбины (устройства для привода компрессора энергией выхлопных газов).
Рассмотрим устройство одного из первых двигателей такого типа на представленном в музее первом турбореактивном двигателе выпускавшемся в СССР с конца 40-х годов - ВК-1 (РД-45).
Турбореактивный двигатель ВК-1 (РД-45) в экспозиции музея авиации.
Турбореактивный двигатель ВК-1 является более мощной модификацией двигателя РД-45, который в свою очередь является нелицензионной копией британского двигателя Rolls-Royce Nene, выпускавшегося с 1944-го года.
В конструкции турбореактивного двигателя (любого!) можно выделить три основных элемента (которые уже могут существенно различаться) - компрессор, камера сгорания и турбина. Посмотрим на них на примере двигателя ВК-1.
Первый узел турбореактивного двигателя - это компрессор. Задача компрессора - “собрать” побольше воздуха для воспламенения топливо-воздушной смеси. Вобщем задача такая-же как у компрессоров поршневых двигателей, загнать в камеру сгорания больше воздуха, для того, чтобы сжечь больше топлива, для того чтобы получить больше мощности. Только в отличии от поршневого двигателя, где поршень сам создает разрежении в цилиндре которое всасывает воздух, а турбокомпрессор просто повышает количество этого воздуха, в турбореактивном воздухе компрессор является единственным источником воздуха в камере сгорания.
Существует два типа компрессоров - центробежный (как на данном двигателе) и осевой компрессор. Принцип работы центробежного компрессора состоит в том, что воздух поступает в центральную часть вращающегося рабочего колеса с радиальными лопастями, и за счет центробежной силы отталкивается к краям, где повышается его давление. Колесо центробежного компрессора может быть односторонним или двусторонним (как в данном случае). В двустороннем компрессоре лопасти расположены на обеих сторонах рабочего колеса и соответственно всасывание воздуха происходит как спереди, так и сзади компрессора.
В экспозиции музея двигатель установлен вертикально (что не очень наглядно), поэтому компрессор тут находится снизу.
После того, как воздух сжимается компрессором, он попадает в камеру сгорания. Камера сгорания в турбореактивных двигателях может быть выполнена как в виде отдельных жаровых труб, так и иметь вид сплошного кольца (кольцевая камера сгорания). В двигателе ВК-1 камера сгорания состоит из девяти отдельных жаровых труб. Сжатый воздух подается в камеры сгорания, куда во время работы двигателя автоматика топливного насоса осуществляет постоянный впрыск керосина. В момент запуска двигателя также работают свечи зажигания, а после установившегося воспламенения смеси, свечи отключаются, и работа двигателя поддерживается автовоспламенением топливной смеси.
На фото ниже, найденном на просторах интернета, видны лопатки второй стороны компрессора, закрытые сеткой для предотвращения попадания в двигатель различного мусора и разрушения компрессора, вскрытые жаровые трубы (в верхней видна форсунка впрыска топлива), и посередине вал - приводящий компрессор в движение.
Компрессор и жаровые трубы двигателя РД-45. Фото из интернета.
Итак, мы посмотрели как турбореактивный двигатель сжимает воздух, воспламеняет и сжигает топливо-воздушную смесь. А дальше, поток сгоревших газов вылетает из камер сгорания, и у него есть две задачи. Первая - это вращения крыльчатки турбины, а уже вторая - собственно создание реактивной тяги.
Турбина представляет из себя крыльчатку из жаропрочного материала (температура на выходе из камеры сгорания достигает 800-1000 и более градусов!), которая вращается в струе выхлопных газов и приводит в движение компрессор двигателя через вал находящийся посередине двигателя. Тут тоже могут быть различные вариации - турбина может иметь одну или несколько крыльчаток, она может сидеть жестко на одном валу с компрессором, а может осуществлять его привод через редуктор и т.д.
После турбины находится сопло, оптимально формирующее поток выхлопных газов для получения максимальной тяги.
Лопатки турбины двигателя ВК-1.
Как видно, турбореактивный двигатель конструктивно проще поршневого. В нем нет механизмов испытывающих ударные нагрузки вследствии возвратно-поступательных движений поршней - все процессы проходят строго в одном направлении, а все вращающейся элементы - вращаются вокруг своей оси. Но несмотря на кажущуюся простоту, такой двигатель гораздо более термонагружен и требователен к материалам конструкции. Ресурс у первых турбореактивных двигателей исчислялся десятками часов до капитального ремонта. Позже сотнями часов эксплуатации. Современные двигатели рассчитаны на тысячи и десятки тысяч часов эксплуатации.
Для дальнейшего повышения мощности нужно во первых иметь материалы способные долговременно выдерживать возросшие нагрузки (в первую очередь температурные), а для сжигания большего количества топлива необходимо больше воздуха - это значит более мощные компрессоры. Многоступенчатый центробежный компрессор обладает большими габаритами, поэтому вскоре после своего появления, турбореактивные двигатели стали использовать осевые компрессоры.
Осевой компрессор состоит из двух колец с лопатками. Первое кольцо, называемое ротором, вращается захватывая и отбрасывая назад воздух (наподобии вентилятора). Второе кольцо, имеющее название спрямляющий аппарат - неподвижно,и его лопатки ориентированы так, чтобы закрученный воздух от лопаток ротора, сталкивался с лопатками спрямляющего аппарата, и выравнивал свой поток. В этот момент происходит главное - воздушный поток ударяясь в неподвижную лопатку замедляет свою скорость и увеличивает давление потока!
Важно то, что такая пара из двух крыльчаток гораздо компактнее чем центробежный компрессор, и кроме того, сжимая воздух она не изменяет его направление - если после спрямляющего аппарата разместить еще одну пару из подвижных и статичных лопаток - то она подхватит воздушный поток после первой и выполнит его дополнительное сжатие! Пару из подвижных лопаток и спрямляющего аппарата называют ступенью компрессора. Такие ступени компрессора, можно “нанизывать” на вал двигателя одну за одной, таким образом получать все большую степень сжатия и большее количество воздуха для сгорания!
Компрессор низкого давления турбореактивного двигателя АЛ-21Ф-3.
Я расскажу про конструкцию турбореактивного двигателя с осевым компрессором на примере двигателя АЛ-21Ф-3.
Общий вид двигателя - снизу коробка приводов, сверху вскрытый маслобак, через который проходят топливные магистрали охлаждая масло.
Компрессор низкого давления я уже показал ранее, поэтому посмотрим на компрессор высокого давления, который выполняет дополнительное сжатие воздуха, уже сжатого компрессором низкого давления. Как видно высота лопаток в нем меньше - это сделано для еще большего повышения давления.
Компрессор высокого давления двигателя АЛ-21Ф-3.
Также интересно то, что лопатки спрямляющего аппарата выполнены поворачивающимися - через системы тяг, они могут изменять свой угол для оптимального сжатия воздушного потока на разных режимах работы двигателя.
Сложнейшая механическая система тяг для изменения угла установки лопаток спрямляющего аппарата.
После компрессора высокого давления воздух попадает в камеру сгорания. В данном двигателе используется трубчато-кольцевая камера сгорания - сгорание топлива происходит в жаровых трубах, которые находятся в общем кольцевом кожухе.
После камеры сгорания находится турбина. В отличие от ранее рассмотренного ВК-1 - в более мощном АЛ-21Ф-3 находятся сразу три колеса турбины.
Многоступенчатая турбина может работать как на один общий вал (тогда каждое колесо имеет свой профиль лопаток для оптимального отбора энергии реактивной струи), так и возможна конструкция с соосными валами (второй вал проходит внутри первого вращаясь независимо), когда каждое колесо турбины, через свой вал приводит в движение свою ступень компрессора.
Также обратите внимание на многократно дублированные датчики температуры за турбиной. Важнейшим параметров турбореактивного двигателя, который категорически запрещено превышать является температура выхлопных газов. При ее превышении возможно физическое повреждение и его выход двигателя из строя!
Заканчивается двигатель АЛ-21Ф-3 форсажной камерой. Форсаж - это режим работы двигателя на повышенной мощности, достигаемый тем, что в полость за турбиной впрыскивается дополнительное топливо. Двигатель не может долговременно работать в форсажном режиме (хоть были и исключения), поэтому форсаж применяется для кратковременного увеличения мощности (на взлете, в момент преодоления звукового барьера, во время маневров воздушного боя и т.д.).
Посмотрев на двух представителей турбореактивного семейства, можно получить общее представление о таких двигателях. Но в экспозиции музея представлено множество турбореактивных двигателей от различных самолетов. Например АЛ-31Ф - двигатель от истребителя Су-27. На иллюстрации ниже схематично показаны этапы работы двигателя, о которых я выше рассказывал.
На переднем плане сверху - коробка приводов.
Коробку приводов на двигателе гражданского самолета я показывал в своем репортаже из ремонтного ангара компании МАУтехник. А в музее авиации Вы можете увидеть как она устроена внутри.
Также интересной особенностью этого двигателя является управляемое сопло - с помощью системы специальных тяг может изменяться профиль выходного устройства двигателя, оставаясь оптимальным на разных скоростях и режимах работы двигателя.
И просто несколько фотографий авиационных двигателей из экспозиции музея.
Двигатель Д-30, модификации которого использовались на самолетах Ту-134, Ту-154 и Ил-62.
Скажу несколько слов про двигатели для вертолетов. Такие двигатели называют - турбовальными, так как принцип их работы повторяет принцип работы турбореактивного двигателя, за исключением того, что полезную работу они дают не в виде реактивной струи, а в виде энергии вращения вала (который уже присоединяется к редуктору вращающему воздушный винт).
Также важным отличием турбовальных двигателей является свободная турбина. Это дополнительная турбина, которая никак не связана с компрессором, и используется для снятия мощности с реактивного потока выхлопных газов. Конструкция свободной турбины такая, чтобы снять максимальную мощность, и после себя не оставить реактивной струи - просто выхлопные газы. Поэтому выхлоп в вертолетных двигателях обычно смотрит в сторону.
На фотографии ниже, два турбовальных двигателя для вертолетов - сверху ГТД-3Ф с мощностью 700-1000 лошадиных сил, внизу ТВ3-117 развивающий мощность 2000-2500 л.с. в зависимости от модификации.
Двигатель ТВ2-117 используемый в вертолете Ми-8, развивающий мощность на валу 1000-1500 л.с. Как видно выхлоп двигателя сильно повернут в сторону.
И напоследок расскажу еще про одно применение турбореактивных двигателей. ВСУ - вспомогательная силовая установка. Это турбореактивный двигатель небольшого размера, запускаемый электрическим стартером (это важно), который во время своей работы обеспечивает самолет электричеством (с помощью генератора), давлением гидросистем (с помощью гидронасоса) и сжатым воздухом для кондиционирования салона самолета и запуска основных двигателей.
ВСУ АИ-9.
ВСУ ТА-6.
В мой сегодняшний рассказ попали далеко не все типы авиационных двигателей (например тут нет турбовинтовых двигателей), но все-же надеюсь что после его прочтения Вы узнали что дает самолету силу подняться в воздух. Если вы живете в Киеве, или будете проездом - обязательно выделите время на посещение Государственного музея авиации. Если Вам интересна тема авиации (а она Вам интересна, иначе Вы не читали-бы этот материал) - получите положительные эмоции и увидите много интересного. Еще одним подтверждением этого, является шестое место музея в мировом рейтинге авиационных музеев.
Ну и не забывайте подписываться на блог, и оставлять комментарии :)
Спасибо!
ОтветитьУдалить