Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 14

У них часть теплоты подводится при постоянном объеме, а часть — при постоянном давлении рис.23, в. ! ф р Авиационные поршневые двигатели делают многоцилиндровыми воздушного АИ-14р (рис.24, а) или водяного (рис.24, б) охлаждения (АМ-34). В последнее время пристальное внимание инженеров привлекает поршневой двигатель Стирлинга и ему подобные, реализующие теоретический коэффициент полезного действия (КПД), численно равный КПД цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат: Но двигатель с циклом Карно неосуществим из-за малой работы цикла (мала площадь, ограниченная кривой цикла), соизмеримой с механическими потерями. Таким образом, очевидно, что любой двигатель не только должен иметь высокий КПД, но, прежде всего, должен быть работоспособным.

Двигатель Стирлинга работоснособен, Более того, его термический КПД равен КПД цикла Карно. 3.5. Воздушно-реактивные двигатели Двигатели, использующие реакцию втекающего и истекающего окружающего газа, называются реактивными. Этот же окружающий газ может применяться и как основное ТРТ при организации термодинамических процессов в таком двигателе,как источник энергии (окислитель). Реактивный двигатель, использующий атмосферу Земли, называется воздушно-реактивным двигателем (ВРД).

Надутый воздухом детский воздушный шарик представляет собой простейшую модель ВРД и даже ЛА с ВРД, поскольку летает под действием силы реакции Я истекающего воздуха или силы тяги Яд='и д~ид, Н, где и! д — секундный расход массы воздуха через реактивное сопла, кг/с, а н — скорость его истечения, м/с. Другой пример, который воспроизвести будет не так просто: оснастим тот же воздушный шарик своеобразным энергепзическим исгпочником — сжатой пружиной, которая смогла бы очень быстро растянуть его, увеличив объем и была бы достаточно легкой. Шарик снова полетит, но теперь уже не за счет реакции истекающего воздуха, а за счет реакции воздуха, втекаютцего в шарик: А,=т,н, Н, где т, — секундный расход, кг/с, а в, — скорость втекающей массы, м/с, Работающий на стенде, то есть неподвижный ВРД, использует для создания тяги и ту и другую реакции; главное суметь эффективно организовать термодинамический процесс работы такого ВРД.

При полете ВРД со скоростью !д „в составе ЛА реакция захватывающего (а не всасываемого) воздуха будет отрицательной, то есть превратиться в сопротивление движению. и" н н' н ю Ню поскольку воздух, попавший в двигатель, был неподвижен, а налетевший на него ВРД этот воздух ускорил до собственной скорости !д „. Правильнее было бы учитывать и скорость всасыаания к н( н в)) но этого на практике не делается из-за ее малости Ю »Ю н в' Существо процесса функционирования ВРД заключается в получении возможно более высокой скорости истечения н, поскольку именно она определяет результирующую реактивную тягу: „!д„= „(в — н „), Расход истекающей массы т д больше т „на величину расхода горючего, поданного в двигатель, но это превышение невелико, что и дает нам право полагать т т„.

С казанное позволяет понять, почему в случае применения ВРД не говорят о движителях, ибо движителем является сам ВРД. Более того,лоршневой двигатель с гребным воздушным винтом — это тоже своеобразный ВРД, его частный случай, как, впрочем, и паровой двигатель с тем же воздушным винтом. Морские паруса, приводящие в движение суда и некоторые тины аэростатов — это тоже ВРД, как и парашюты и крыло самолета.

Но парашют создает тормозную силу, а крыло — подъемную, уравновешивающую вес самолета. Встественно, что обе эти силы — реактивные, то есть действующие на парашют и крыло реакции заторможенного, разогнанного или отклоненного в нужную сторону воздуха. А может ли крыло со- 1 вдавать и подъемную и толкающую силу? Конечно! Лучше всего это удается прн сверхзвуковом полете (рис. 25), но возможно и вим на дозвуке, когда с помощью выбора геометрии или небольшого з щитка, т е. интерцептора, создается срывная область 4, в Рис 22 которую либо вдувают газ, либо подают горючее 3 и организуют (это также задача теплофизиков) его сгорание. Скачки уплотнения (2), возникающие на передней кромке крыла (1) на сверхзвуке существенно улучшают эффективность процесса На задней кромке возникает избыточное давление и создается тем самым реактивная толкающая крыло вперед сила тяги.

Классификации ВРД сложны и многообразны, однако наибольшей популярностью пользуются разделение двигателей по принципу их действия: прямоточный, пульсирующий, турбореактивный турбопоршневой, эжекторно-поршневой и т.д. Другие классификации используют высотно-скоросрпнме диапазоны оптимальной ?5 применимости ВРД, третьи — их экономические характеристики и т.д. Основоположником термодинамической теории ВРД является наш соотечественник, академик Б.С. Стечкин (1891-1969), опубликовавший в 1929 г. в журнале «Техника воздушного флота» свою классическую работу «Теория воздушно-реактивного двигателя». Рассмотрим особенности работы наиболее распространенных типов ВРД. Прямоточный ВРД, или ПВРД вЂ” это собирательное название целого ряда двигателей, не имеющих механически-движущихся частей и работающих по изобарному термодинамическому циклу полного расигирения (рис.26).

К их числу относятся: дозвуковые ПВРД (скорость полета 0,6...0,9 М, где М вЂ” отношение скорости полета к скорости звука), сверхзвуковые ПВРД или СПВРД (0,9...5 М), гиперзвуковые ПВРД или ГПВРД с дозвуковым горением (5...7 М) и со сверхзвуковым горением (скорость потока больше местной скорости звука) в камере сгорания или на внешней поверхности ЛА (7 .12 М), с детонационным горением или горением на детонационной волне (12...20 М), супергиперзвуковые ПВРД или СГПВРД, предназначенные для полетов в верхних слоях атмосферы (скорость полета 28 М или до 8000 м/с), в межпланетном пространстве (скорость до 10 м/с) и в межзвездном пространстве (скорость до 3 10 и/с). Естественно, что обычные химические источники энергии для СГПВРД не годятся, а требуется применение ядерной, термоядерной или аннигиляционной энергии, а также особых массозаборных устройств, способных "всасывать" в двигатель очень разряженную «межзвездную пыль» с огромных пространств.

Классификация реактивных двигателей и области их применения приведены на рис.27. Принцип работы СПВРД ясен из рис.26. Набегающий поток воздуха предварительно тормозится в системе косых скачков уплатнения, формируемых иглой массозаборника 1. При этом скорость воздуха снижается, а давлеНие возрастает, Затем воздух далее тормозится в дозвуковой части массозаборника и проходит через выравнивающую поток решетку или хонейкомб и попадает на стабилизаторы горения 4, расположенные уже в камере сгорания 2. Топливо распыливается с помощью форсунок 3 и поджигается электрической свечой. Поддержание пламени происходит за счет возвратной циркуляции горячих газов за плохообтекаемыми стабилизаторами. 7б 3 4 г Н р Горячие газы снова и снова поджигают топливно-воздушную смесь. Камера сгорания — это одно из сложнейших устройств.

Тепловое и гидравлическое сопротивления в ней должны быть минимальны, а полнота сгорания — максимальная при весьма ограниченных продольных размерах, иначе возрастает масса двигателя. Но самое трудное — обеспечить заданный ресурс работы особенно для многоразовых двигателей. После камеры сгорания горячий газ поступает в сверхзвуковое сипло Лаваля 5, обеспечивая скорость истечения, превышающую скорость захвата воздуха и создавая тем самым реактивную тягу.

Пульсирующий ВРД или ПуВРД (рис.28, а) работает по циклу Ленуара (рис.28, б). В отличие от ПВРД, который не может развивать тягу при нулевой скорости полета и требует разгона посторонними источниками тяги, Пу ВРД устойчиво работает в стендовых условиях. Сжатый в массозаборнике 2 воздух 1 проходит через клапанную реигетку 3 и вместе с горючим поступает в камеру сгорания 6, где быстро (по изохоре) сгорает после воспламенения от свечи 5, повышая при этом давленяе в камере сгорания, запирающее решетку 3. Истекая через сопло 7 и удлиненный резонансный канал 8, горячий воздух в силу инерции истечения понижает давление в ка- 77 мере сгорания, благодаря чему вновь открываются впускные клапана, и цикл повторяется. Как известно, Германия во второй Мировой войне, начиная с июня 1944 г.

применяла самолет-снаряд (назваиие не соответствует современной терминологии) Фау-1.против Великобритании. Тяга ПуВРД фирмы «Аргус» составляла 3285 Н. Дальность полета ЛА доходила до 370 км, а его скорость — до 550 км/ч. Известны случая применения ПуВРД и ПВРД в качестве концевых двигателей на лопастях вертолетов, и на самолетах-мишенях, в малой авиации (авиамодельный спорт). Разнояидиостью ПуВРД являются бесклапанные резонансные или волновые двигатели, у которых массозаборник выполнен в виде загнутой назад второй резонансной трубы.

Турбореактивный ВРД или ТРД отличается от ПВРД наличием турбокомпрессора, то есть насаженных на один вал турбины и компрессора (рис.29). При этом термодинамический цикл работы остается таким же, как у ПВРД, но основное сжатие захватываемого двигателем воздуха происходит не в диффузоре 1, а в компрессоре 2, а расширение газа после камеры сгорания 3 — не только в сопловом устройстве 5, но и в турбине 4. Мощность турбины рассчитывается таким образом, чтобы ее хватило на привод компрессора.