Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ракетные двигатели ' развивались и совершенствовались по многим направлениям, особенно в послевоенные годы, что позволило, используя эти двигатели, начать освоение космоса. Однако даже самые совершенные современные ракетные двигатели крайне неэкономичны и поэтому применяются лишь в тех случаях, когда продолжительность их непрерывной работы может быть сравнительно небольшой. Этот недостаток ракетных двигателей помешал их применению в авиации, т. е. в пилотируемых летательных аппаратах, летающих в атмосфере.
Как известно„в авиации нашла применение винтомоторная двигательная установка — типичный пример двигательной установки непрямой реакции с разделением функций двигателя (мотор) и движителя (воздушный винт), Винтомоторная установка, в результате интенсивного совершенствования, позволила достичь скорости полета самолета, превышающей 700 км/ч. Дальнейшего развития авиации в направлении увеличения скорости полета — одного из важнейших показателей технического совершенства самолета, поршневой мотор уже обеспечить не мог. Это было связано с тем, что к концу второй мировой войны все основныс средства улучшения рабочего процесса, конструкции и технологии изготовления двигателей были уже практически исчерпаны. Рост мощности, необходимой для увеличения скорости, вызывал одновременно почти пропорциональный рост массы и габаритных размеров двигателя, приводивший к необходимости получения еще большей мощности.
Увеличение мощности требовалось также вследствие уменьшения КПД винта на больших скоростях полета, связанного с появлением волнового сопротивления на концах лопастей при обтекании их околозвуковым потоком. Воздушно-реактивный двигатель (ВРД), как и ракетный дви- гатель, является двигателем прямой реакции, но отличается от последнего существенной экономичностью, так как на борту ле- тательного аппарата запасается лишь горючее, а основной компо- нент рабочего тела — воздух забирается из атмосферы.
Резкое возрастание мощности по скорости полета наряду с при- емлемой экономичностью и определили переход авиации от дви- гательных установок с поршневым мотором к ВРД. Следует отметить, что теоретические основы рабочего процесса этих двигателей были заложены задолго до начала их практиче- ского применения. Еще в 1929 г. академиком Б.
С. Стечкиным была опубликована получившая впоследствии всемирное призна- ние статья «Теория воздушно-реактивного двигателя», в которой впервые были изложены основные положения теории ВРД. В !932 г. профессор В. В. Уваров начал работать над турбо- -винтовым двигателем оригинальной схемы. Двигатель Уварова можно считать одним из первых в нашей стране примеров исполь- зования в авиационной технике газотурбинного двигателя, яв- ляющегося основой современных ВРД. В 1935 г. будущий академик А. М. Люлька разработал газотур- бинный двигатель, действующий по принципу прямой реакции— турбореактивный двигатель.
Им же несколько позже был пред- ложен другой, наиболее широко распространенный в настоящее время тип ВРД вЂ” двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД). Значительное влияние на развитие отечественных воздушно- реактивных двигателей оказали советские ученые Б. С. Стечкин, В. В. Уваров, И. И. Кулагин, К. В.
Холщевников, М. М. Бонда- рюк, Т. М. Мелькумов, Г. Н. Абрамович, М. М. Масленников, Ю. Н. Нечаев и другие, труды и монографии которых по теории ВРД во многом способствовали созданию советской школы спе- циалистов авиадвигателестроения, После Великой Отечественной войны двигателестроительная промышленность нашей страны быстро перестроилась на создание ° газотурбинных двигателей. Были организованы конструкторские бюро, в которых работали талантливые конструкторы и ученые А.
М. Люлька, А. А. Микулин, С. К. Туманский, В. А, Добрынин, В. Я. Климов, Н. Д. Кузнецов, П. А. Соловьев, А. Г. Ивченко, С. П. Изотов, В. А. Лотарев и др. Работы по созданию прямоточ- ных двигателей возглавил М. М. Бондарюк. Отечественное двига- телестроение стало быстро развиваться и оснащать авиацию высо- коэффективными газотурбинными двигателями, позволившими ей занять по летно-техническим показателям передовые позиции в мировой авиационной технике.
За рубежом работы по созданию авиационных двигателей но- вого типа начались примерно в те же годы, что и у нас. Разработ- кой вопросов теории ВРД еще с 1933 — 1935 гг. занимался Руа во Франции, в Италии Кампини создал мотокомпрессорный ВРД, в Большой вклад в разработку ТРД в довоенные годы внес в Англии Ф. Уиттл. Здесь работы велись фирмами Роллс-Ройс, Бристол Сидли и др. В Германии над созданием ТРД работали фирмы БМВ и ЮМО. В США работы по газотурбинным двигателям начались несколько позже, чем в других странах. Поэтому производившиеся вскоре после войны в этой стране газотурбинные двигатели являлись, в основном, лицензионными, главным образом— английскими.
В последующие годы, однако, и в США известными фирмами Пратт-Уитни и Дженерал Электрик стали создаваться оригинальные конструкции двигателей. В послевоенные годы авиационная техника находит все более широкое применение в народном хозяйстве, что приводит к необходимости специализации летательных аппаратов (ЛА) и двигателей. Так, помимо пассажирской авиации, в которой имеется несколько типов самолетов, оптимизированных для полетов иа дальние и ближние расстояния, большой и малой пассажировместимости, появилась специальная сельскохозяйственная авиация, широкое распространение получили вертолеты и т. д. Для каждого типа ЛА необходимо разрабатывать оптимизированный тип двигателя.
Однако большое разнообразие двигателей вызывает трудности в производстве, эксплуатации, в снабжении запчастями и т, д. Поэтому наряду со специализацией (которая необходима для обеспечения групп ЛА, существенно отличающихся от других летно- техническими данными) существует тенденция создания модификаций двигателей, разрабатываемых на базе одного наиболее сложного узла — газогенератора. Создавая на базе одного газогенератора одноконтурные и двухконтурные двигатели для разных скоростей полета и с разным уровнем тяги, удается их максимально унифицировать. Например, двухконтурный двигатель Д-36, устанавливаемый на самолете Як-42, и турбовальный двигатель Д-!36, устанавливаемый на вертолете Ми-26, созданы на базе одного и того же газогенератора.
На рис. 1 приведена классификация двигателей, разрабатываемых и находящихся в эксплуатации. Из рисунка следует, что большая часть ВРД относится к числу газотурбинных двигателей (ГТД). На рис. ! последовательность расположения двигателей соответствует возрастающей скорости полета, для которой они оптимальны.
Поэтому' первым стоит турбовальный двигатель, предназначенный для вертолетов со скоростью полета 200 ... 350 км/ч, а замыкает таблицу сверхзвуковой прямоточный двигатель (ГПВРД), который может быть использован только при скоростях полета, более чем в 6 ... 7 раз превышающих скорость звука. ГТД насчитывают к середине восьмидесятых годов четыре поколения. Первое поколение уже практически не применяется, что касается второго, третьего и четвертого, то они все используются на различных типах летательных аппаратов.
Й И: в и н ав х х х о. о Е С» С» СЧ 3 - Ф С' ФФФ .С ФФФО Ф Ф ФФ Их' йххох хха о » ФХФ» Фаох» С» О Ф Ф о Ю С» Р С» со бо»дишно -реактидн»ш Здигап»сои (дРД! С» со в' бескихпрессорнье Га»отурбонные (пн(рбокшепрессорные) ГТД Лаве тдбд трдб т - тдд тдй(ог тпйба тРД т ДИП тй!И ПдРД Рдд ЛВ Ю о » а Ф х О, ай ей 4" в ь аь ьь ьв %~й. 'ь Й'~ Иь ьц С» О » ь'н ьь ах ьь ьи »ь ь ььь 4 ьь ь 6 ~в ь а л ЪС» ьь и» а ььь ь6. о Ф Ф» Ф,Ф ФИ ФФ~ ,ь ь х Ф о Ф х 'С Ф Ф »» а О Ф с» г-! ( » Ф аш х 3 Ф и и ь» а О е О Р » Ддигаше ш веприной реакции ее О(С:! а от » а Дбшогеееи прений реакции х Л и Ф о Ф Ф Ф С Рис.
!. Типы воздушно. реактивных двигателей С о о И О. ц и по Ф х й о ай О а а и Ф Ю » о С" Ф Ф О л О. О. .а ОТ „Е ао(и СО а х Ф е» о х о й Ф Ф о Ф О О С» О! а О О о ь» йО а !! Ф С„ % » Ф Б~ Фа Ф О С И Ф*Ф Ф ао о х СО Х; С О. Ю Ф ц л Ф ы Ф Ф Й Ф г Ф и» хь ах н » х ь н Х Каждое новое поколение ВРД отличается от предшествующего существенным улучшением характеристик, главным образом таких, как экономичность и удельная масса. Это достигается за счет повышения температуры газа перед турбиной, регулирования степени повышения давления, увеличения КПД элементов, применения новых прогрессивных материалов и технологий, перехода на более эффективные схемы двигателей и совершенствования их конструкции. В табл.
1 приведены основные отличительные особенности двигателей каждого поколения и даны некоторые прогностические сведения о двигателях пятого и шестого поколений, над которыми сегодня работают ученые и конструкторы в нашей стране и за рубежом. Из таблицы видно, что каждое новое поколение двигателей отличается от предыдущего повышением температуры газа перед турбиной не менее чем на 150 ... 250 К с соответствующим ростом степени повышения давления и усложнением конструкции в целом. Данные о возможном уровне параметров и эффективности двигателей пятого и шестого поколений показывают, что несмотря на высокий темп развития в прошедшие годы ВРД еще имеются резервы их совершенствования. Будет также расширяться область применения ВРД и по назначению и по скоростям полета.
Наряду с улучшением основных относительных показателей двигателей характерным является непрерывный рост абсолютной !о и с х \ Фид 3 о.е х Ю33 О ыыо х с "и ы и к а е аи ми х о о 3 о о И 3 ихм ч ао о с. 'о ° с от чо о хао ы о о й,х~ Й ч о х х х ыы 37 о С Х а 3а о о о с. о о Ф Ыс Ф с ы ы х м х Ф с ч с ксо д ы В 3 Ф о ЕЧ 3 д хо од О- К3 Ф ь„ д аа о Х с.х х„оо *х о м а а йхЯОФ 33 Ь' „.оч, оо Нхсчо й йх и с а о схох аи»х о о ох" М о хе, ,чх Нйай 3 Ч Ф Йс о вин'. о о. с о а Ф.
Ц ч с' 3 33 х н Нкн о "3 с Ю 3 ряс хх е х ч хяыйх ххС3ой о» Ф, ах о,. Ч С 33 Ф с Ф Х 3 о ы х с. х ч Ф о Ф я и" 3Ч х Р х ч о о. о 3 х "х Иод х х Ф ям с»П 3 а О. 3 я и Ф х ы а йй., а Ф 'т схн О ч; ч ~"й 3 а о. Яо М о ~с ~ о ч а сх М и 3 ф хх б Ф ча а 3 и» М- и о с .я о х и о ы ч Ц а 3 Сз Х х о Ф м х й е о 3 о к о о Х 3 х о о о !3 и о Ьа йо к о и к я" к к ак оа я„ йх ям а а *о х к о 3 е кй о к к я «т мм к як оп 3, 3 оо о я иа ям хх Рис.
2. Изменение максимальной и 'минимальной 73л33РН тяги двигателей по годаы 700 тяги одного агрегата. На рис. 2 приведен график роста максимальной тяги газотурбинных двигателей по годам. Нет оснований думать, что в последующие годы тяга двигателей больше не будет возрастать. Увеличивающаяся полетная масса само- 700 летов будет требовать соответствующего роста тяги двигательной установки.
Сохраняют значение и развиваются дви- 0 гатели малой тяги, предназначенные для 707707000707079007000а небольших летательных аппаратов. Наряду с газотурбинными двигателями в последнее время все чаще применяются бескомпрессорные или прямоточные двигатели. Имея такой серьезный недостаток, как отсутствие стартовой тяги, прямоточные двигатели, тем не менее, становятся все более серьезными конкурентами ракетным двигателям в связи с существенно более высокой экономичностью, и, следовательно, Щ фу 3Р 07 7 Я 7 Х 7 70 40 00 0 Рис.
3. Области применения различных типов ВРД по высоте и скорости полета: ! — турбовальные двигатели; 7 . — турбоваятовые и вяитовентвляторкые двигатели; 3 — двухкоитурпые и одиокоптуреые двагатела; 4, б — двухковтуРпые а одпокоитур. яые двигатели е фореажяой камерой; 6 — турбопрямоточиые и прямоточпые двигатели; 7 — пРямоточиые, гпперавуковые прямоточпые двигатели (при одинаковых массе и габаритных размерах) более значительной дальностью полета. Сочетание положительных свойств прямоточных двигателей на больших скоростях полета, на которых газотурбинные двигатели становятся неэффективными, с возможностью взлета и посадки на малых скоростях, появляющейся при использовании ГТД или ракетного двигателя для этих целей, достигается в показанной на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
