Что такое газовка двигателя в самолете
От паролета Можайского до самолетов на природном газе: поиск идеального топлива
В истории авиационного топлива практически нет «твердого» периода. Оно просто никак не годилось для использования в летательных аппаратах любого типа. Первые дирижабли оснащались пропеллерами с ручным приводом, а когда в 1872 году в Германии решили заменить силу восьми мужчин на машину, то выбрали двигатель Ленуара мощностью в три с половиной лошадиные силы, который работал на светильном газе.
Даже в самолете Александра Можайского, в котором использовался паровой двигатель, обогрев котлов производился керосином. Другое дело, что двигатель был маломощным и слишком тяжелым. Поэтому появление настоящих летающих машин тесно связано с разработкой достаточно мощных и легких двигателей.
Братья Райт, создавая свой самолет, прекрасно понимали важность соотношения мощности и массы самого двигателя. Они перебрали несколько моделей, которые к тому моменту уже были на рынке, но под конец решили сделать мотор самостоятельно. В итоге получился бензиновый мотор мощностью почти в полтора десятка лошадиных сил — даже большей мощности, чем они предполагали.
Стоит отметить, что аэроплан братьев Райт, который полетел в 1903 году, стартовал с использованием катапульты и по проложенным рельсам. Первый в мире самостоятельный полет в полном смысле этого слова — с разбегом по траве на своих колесах и такой же посадкой — совершил бразилец Альберто Сантос-Дюмон. В 1906 году его аэроплан 14-бис взлетел во Франции. Мощность двигателя на самолете Сантос-Дюмона была уже 50 лошадиных сил. Позже он создал серию аэропланов «Демуазель», конструкцию которых он широко пропагандировал. Специалисты рекомендовали всем любителям авиации строить его аэропланы как самые простые и в постройке и в управлении.
В основном в то время использовались моторы, разработанные для автомобилей, у которых цилиндры выстраивались в ряд или же располагались в виде латинской буквы V. Поскольку мощность закономерно зависела в основном от объема двигателей, желаемое повышение мощности приводило к росту числа цилиндров и соответственно массы.
Первый прорыв в этой области был связан с появлением ротативного двигателя. У двигателя этого типа вал крепится неподвижно на корпусе самолета, а сам двигатель с радиально расположенными цилиндрами вращается вместе с воздушным винтом. Огромный вклад в разработку этих двигателей внесла французская компания «Гном», и в 1909 году их мотор поднялся в воздух.
Особенностью «гномов» была необходимость добавлять в бензин смазку. Тогда использовалось лучшее касторовое масло, в результате чего стоимость бензино-масляной смеси была достаточно велика. Расход топлива во время работы было трудно регулировать, и эти моторы отличались изрядной прожорливостью, но также и высоким соотношением мощности к весу. Их «золотой век» — Первая мировая война, когда вопросы экономичности отодвигались на второй план. Но с ее окончанием потребовалось искать какой-то новый путь для стремительно развивающейся гражданской авиации.
Увеличение объема двигателя ради повышения мощности исчерпало себя, и инженеры стали пристальнее смотреть на качество авиационного топлива. Речь уже не шла о смеси бензина с растительным маслом — требовался продукт очень чистый, стойкий к детонации, который можно было бы использовать в двигателях с высокой степенью сжатия. Потребности авиации были вызовом для химиков.
Сейчас трудно представить, что сразу после окончания Первой мировой войны признаком хорошего бензина было отсутствие осадков, которые могли оставаться после сгорания в моторе. Поэтому 20-е годы ХХ века ознаменовались углубленным исследованием нефтепродуктов с целью получения бензинов самого высшего качества. Обнаружилось, что далеко не все нефти способны дать на выходе бензин необходимых свойств. Появилось понятие устойчивости топлива к детонации, то есть к самостоятельному воспламенению во время сжатия. Чем выше эта способность, выражаемая в октановых числах, тем качественнее топливо и тем большую мощность можно «выжать» из двигателя.
Наличие или отсутствие высокооктанового бензина в годы Второй мировой войны приобрело судьбоносное значение. Его создание связано с именем Владимира Ипатьева, блистательного ученого, который смог создать авиационный бензин с октановым числом 100. До конца 20-х годов он успешно работал в СССР, пока на него не навесили ярлык «троцкиста». Ипатьев вынужден был покинуть СССР и стал работать в США.
Испытания бензина-100, проведенные американскими специалистами, показали, что он позволял на треть уменьшить пробег самолета при взлете и его скороподьемность, а также на четверть увеличить полезную нагрузку. Это подтвердилось, когда высокооктановый бензин стал поступать в Британию, — английские «Спитфайры», летавшие на 100-окатновом бензине, показывали лучшие динамические характеристики, чем германские «Мессершмитты-109», летавшие на бензине-87.
Когда Гитлер атаковал СССР, бензин Ипатьева стал поставляться в СССР наряду со специальными присадками для повышения октанового числа советских бензинов. Это удивительный пример зависимости целого рода войск от качества топлива.
После Второй мировой войны авиация стала одним из самых быстрорастущих видов пассажирского транспорта. Однако проблемы с авиационным бензином не исчезли, как, впрочем, и технический потолок поршневых двигателей. И в 50-е годы ХХ века им на смену пришли двигатели нового типа — турбореактивные. И этому новому мотору потребовалось топливо, которое никак не вязалось с представлениями о прогрессе, — керосин.
Авиационный керосин оказался гораздо более «покладистым» видом топлива, нежели авиабензин. Это более тяжелая нефтяная фракция, для его производства можно использовать гораздо более широкий спектр нефти, в том числе сернистые. Эта разновидность топлива оказалась гораздо более выгодной для коммерческой авиации, чем любая другая.
Однако рост цен на нефть, который наблюдался как в 70-е, так и в нулевые годы, вызвал стремление найти более дешевую замену керосину. Например, рассматриваются варианты более широкого использования турбовинтовых систем, так как они гораздо экономичнее, чем турбореактивные. Ищутся способы облегчения массы самого самолета, чтобы также уменьшить расход топлива.
Делались попытки и перевести двигатели на другое топливо. Например, на тот же природный газ. В 1988 году в СССР в воздух поднялся самолет Ту-155, работавший на водороде, а затем и на природном газе. Но то, что получается на земле и тем более на море, оказалось не столь удобным в авиации. Поэтому век керосина, судя по всему, еще будет очень долог, но пролетать на одной заправке самолеты смогут все дальше и дальше.
Как работает двигатель самолета: что надо знать
Двигатель самолета – конструкция достаточно сложная, мощная, но при этом деликатная. От него, пожалуй, в первую очередь зависит правильная работа лайнера. Специалисты дают подробные объяснения, как работает двигатель самолета, чтобы огромная воздушная машина могла преодолевать большие расстояния и добираться без проблем из одной точки в другую.
История развития авиадвигателей
Первый самолет, который запустили братья Райт, имел двигатель с 4-мя цилиндрами. Конечно же, это значительно более простая конструкция, чем те, которые используются сейчас. И, как отмечают эксперты, без эволюции самолетного двигателя было бы невозможно развитие авиаотрасли вообще – примитивные первые моторы просто бы не потянули огромные и мощные машины, летающие сегодня.
Первый авиационный двигатель создал Джон Стрингфеллоу – он считается изобретателем специального двигателя на пару, предназначенный для неуправляемой модели. Но, как показала практика, паровые двигатели не подошли для авиации – они оказались чрезмерно тяжелыми.
C 1903 года началась, как назвали ее эксперты и аналитики, настоящая война моторов. Чарльз Тэйлор поставил на лайнер братьев Райт двигатель, так называемой рядной конструкции – в нем цилиндры находятся один за другим. Есть здесь аналогия с простым автомотором.
Однако практически сразу же был создан другой мотор – звездообразный с радиальным расположением цилиндров. Такие варианты широко применялись до самого появления реактивных двигателей.
Цилиндры в ряд не давали двигателю необходимой мощности, которая требовалась для самолетов. В 1906 году появился двигатель, где цилиндры разместились под прямым углом друг к другу. Также такой вариант мотора имел впрыск. Далее промышленность развивалась, прием достаточно активно. Вследствие этого авиаотрасль имеет современные и мощные моторы.
Как устроен двигатель
Сам по себе двигатель довольно сложен по конструкции. Учитывать тут надо огромное количество деталей и нюансов. Так, например, важно помнить, что при разгоне двигателя температура воздуха в нем повышается до 1000 градусов. При этом он не должен деформироваться, загораться и т.д.
Для изготовления авиационного двигателя берут только самые современные и безопасные материалы. Главное условие, предъявляемое к ним – они должны быть негорючими.
Авиационный двигатель включает в себя такие элементы, как:
- Вентилятор
- Компрессор
- Камера сгорания
- Сопло
- Турбина
Перед турбиной стоит вентилятор, который позволяет затягивать воздух во время полета снаружи. У авиавентиляторов много лопастей, которые имеют определенную форму. И их размер, а также форма имеют крайне важное значение, т.к. именно за счет этого обеспечивается оптимальное заглатывание воздуха.
Вентилятор также решает и такую задачу, как прокачка воздушных масс в пространстве между элементами двигателя и его оболочкой. Это способствует охлаждению системы.
Здесь же находится и компрессор, обладающий высокой мощностью, – он способствует транспортировке воздуха в камеру сгорания. Все происходит под давлением достаточно высокого уровня. Именно в камере начинается смешение воздушных масс и топлива. Такая смесь поджигается, начинается нагрев как самой смеси, так и всех элементов, которые находятся рядом. Чаще всего камеру делают из керамических составляющих – обусловлено такое состояние тем, что температура здесь доходить до 2 тысяч гр., а керамическая чаша устойчива к таким нагревам.
Смесь после прохождения всех этих этапов попадает в турбину. Она по своему внешнему виду напоминает довольно большое число лопаток. Они влияют на давление проходящего смесевого потока, вследствие чего и начинает приходить в свое движение турбина двигателя. После этого она начинает вращать вал, где стоит еще один необходимый элемент — вентилятор.
Двигатель по сути своей представляет систему достаточно замкнутую – для нее требуется только, чтобы подавался воздух и было топливо в наличии.
Движение смеси продолжается, и она переходит в сопло. И на этом заканчивается первый этап рабочего состояния двигателя. Начинает создаваться струя, которую называют реактивной. Вентилятор начинает гонять воздух, который еще холодный, через сопло, за счет чего он не разрушается от слишком высокой температуры смеси.
Сегодня, как отмечают эксперты, самыми лучшими считаются подвижные сопла – они могут расширяться и сжиматься. Кроме того, такие варианты могут регулировать угол, что помогает дать правильное направление воздуху. Самолет за счет этого приобретает наибольшую маневренность.
Какие варианты двигателей есть
Эксперты уверяют, что сегодня есть несколько вариантов двигателей:
- Классика
- Турбовинтовые
- Турбовентиляторные
- Прямоточные
Первые варианты функционируют по стандартному варианту. Такие варианты хорошо подходят для воздушных судов самых разных модификаций. Варианты с турбовинтовым устройством будут работать по несколько иным принципам. В таких конструкциях газовая турбина не связана с трансмиссией. Подобные варианты конструкций двигают лайнер лишь частично с использованием реактивной тяги. Для создания основной части энергии используется редуктор. Винтовые установки более экономичные, но при этом они не дают самолету развить необходимую скорость. Поэтому их зачастую ставят только на малоскоростных лайнерах.
Турбовентиляторные варианты – комбинированные варианты, в которых есть детали и нюансы от турбовинтовых и турбовентиляторных. У них большие лопасти вентилятора. Скорость вращения может снижаться за счет применения обтекателя, где и стоит вентилятор. Подобные варианты считаются экономичными, т.к. меньше расходуют топливо. КПД же у них существенно выше, чем у других. Поэтому подобные варианты двигателей зачастую устанавливают на крупных самолетах.
Прямоточные варианты не работают с подвижными элементами. Втягивание воздуха в такие происходит естественно за счет применения обтекателя, который стоит на входе.
Сколько самолет может пролететь на одном двигателе
Сейчас есть новые модели самолетов, способные летать до 6 часов на одном двигателе. Это существенно расширяет возможности авиакомпаний.
- Почему нужно несколько двигателей в самолете?
- Правило «90 минут»
- Новые модели с более мощными двигателями
Почему нужно несколько двигателей в самолете?
Ранее, чтобы самолет смог пролететь большое расстояние, его оснащали несколькими двигателями. Обычно их было 3-4. Также такое количество необходимо, потому что всегда есть риск, что какой-то из приборов откажет. В этом случае воздушное судно благополучно долетит на оставшихся двигателях.
Однако устанавливать в одном самолете сразу 3-4 двигателя — это стоит много денег, поэтому совершенно неэкономично.
К счастью, авиация не стоит на месте, производство двигателей тоже стремительно развивается. Теперь самолеты оснащают только двумя устройствами. Если один отказывает, судно успешно работает дальше на втором благодаря тому, что современные двигатели обладают огромной мощностью.
Правило «90 минут»
В советское время власти ввели правило, по которому самолеты с двумя моторами допускались к полету только по таким маршрутам, при которых в случае отказа одного двигателя судно смогло долететь до ближайшего аэропорта за час. Затем 60 минут заменили на 90 минут.
На данный момент это правило также соблюдается. Отталкиваясь от него, производят выбор рейсов для конкретной модели самолета. Так, двухмоторным транспортам дают прямые маршруты, которые занимают не более 1,5 часа, либо такие, где можно во внештатной ситуации быстро долететь до любого аэродрома.
В дальнейшем подобное правило стало действовать и для воздушных суден, которые имеют 3-4 двигателя, только время полета существенно увеличено.
Новые модели с более мощными двигателями
Сейчас есть новые модели самолетов, которые имеют всего два двигателя, но при этом могут спокойно летать при условии одного отказавшего мотора свыше 120 минут. К примеру, Boeing 777 способен поддерживать полет на одном двигателе 180 минут.
Также есть наиболее продвинутый самолет модели Airbus A350, который легко пролетит в случае отказа одного мотора в течение 6 часов!
Благодаря появлению таких выносливых воздушных суден авиакомпаниям удается расширить возможности относительно рейсов, вариантов маршрутов становится все больше и больше. Особенно такие самолеты важны для перелетов через океаны.
Также удается выпрямить некоторые маршруты, что положительно сказывается на продолжительности полета и расходе топлива.
Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен и ставьте палец вверх!
САМОВЫКЛЮЧЕНИЕ И ЗАПУСК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ПОЛЕТЕ
При полете на больших высотах не исключена возможность самовыключения газотурбинных двигателей, что объясняется сужением диапазона устойчивой работы камер сгорания с подъемом на высоту (рис. 26.5). По мере увеличения высоты понижаются давление и температура воздуха на входе в камеры сгорания, уменьшается давление топлива перед форсунками и, следовательно, ухудшается качество распыла топлива Последнее является причиной уменьшения скорости его сгорания и повышения температуры газа, так как догорание топлива происходит ближе к турбине При этом снижается и полнота сгорания. В этих условиях на переходных режимах, особенно при резком изменении положения РУД, когда коэффициент избытка воздуха меняется в широких пределах, может произойти срыв пламени
Причиной самовыключения двигателя в полете может также явиться и помпаж компрессора. Имели место случаи самовыключения двигателей вследствие перехода в помпажиый режим при глубоком дросселировании. Известно, что у ТРД с высоконапорными осевыми компрессорами характеристика совместной работы турбины и компрессора на малых и средних частотах вращения близко подходит к границе неустойчивой работы.
Неустойчивая работа двигателя на режиме малого газа может также вызываться изменением помпажных характеристик в процессе эксплуатации двигателей или нарушением регулировки открытия ленты (клапанов) перепуска воздуха
из-за компрессора. рис 265 j>1тшв! ШС дщшона устоя-
Другими возможными при — чивой работы камер сгорания с подь — чинами самовыключения дви — ежмг на высоту гателей в полете могут явить — £K*&.SSS,. ІГЙЙЙ
ся: выключение ИЛИ отказ В emeu
работе насосов подкачки, резкие эволюции самолета особенно т кие, которые связаны с уменьшением подачи и а в КМс!“ сгорания, чрезмерное изменение положения peryj ирующей ИГ1Ы воздухозаборника, включение и выключение форсажных камер Во всех этих случаях так или иначе нарушается соотношение между количествами подаваемых в двигатель топлива и воздуха, что вызывает изменение коэффициента избытки воздуха а В тех случаях когда а выходит за пределы устойчивой работы камер сгораю] происходит срыв пламени.
Самовыключение двигателя может сопровождаться увеличением давления топлива перед форсунками и, следовательно, увеличением подачи его в камеры сгорания. Это объясняется стремлением центробежного регулятора сохранить заданное значение частоты вра щення В связи с этим при начавшемся срыве пламени в камерах сгорания п отсутствии специальных устройств не рекомендуется пытаться восстанавливать работу двигателя включением зажигания, так как это может вызвать сильный хлопок и даже разрыв камер сгорания.
Рассмотрим условия запуска остановившегося двигателя в полете. В полете ротор остановившегося двигателя авторотнрует под действием энергии набегающего потока. Поэтому под запуском двигателя в полете понимается переходный процесс, при котором двигатель с режима авторотации переходит па режим малого газа за счет возобновления горения в камерах сгорания. На запуск двигателя в полете оказывают влияние давление, температура и скорость воздуха на входе в двигатель, коэффициент избытка воздуха Я качество распыла топлива форсунками. При этом, чем выше давление и температура воздуха на входе в камеры сгорания на режиме авторотации, тем благоприятнее условия смесеобразования, а следовательно, и запуска двигателя. Низкие температуры и давление, наоборот, ухудшают условия запуска. Значения этих параметров в камерах сгорания па режиме авторотации мало отличаются от их значений в заторможенном набегающем потоке воздуха и, следовательно, зависят от скорости и высоты полета. Большие скорости воздуха в камере сгорания ухудшают условия воспламенения топлива и создания устойчивою факела пламени.
На успех запуска двигателя в полете также оказывает влияние соотношение частоты вращения на режиме малого газа и частоты вращения при авторотации. При постоянной приборной скорости полета частота вращения ротора двигателя при авторотации п:,„т с увеличением — высоты возрастает, что объясняется увеличением перепада на последних ступенях компрессора н на турбине. Частота вращении на режиме малого газа пМ1. многих двигателей с системами регулирования, обеспечивающими постоянный расход топтн-
и продолжительность запуска. При этом возникает грева двигателя.
Таким образом, условия запуска в полете ухудшаются по мере увеличения высоты как из-за понижения давления и температуры воздуха на входе в камеру сгорания, так н за счет увеличения диапазона между частотами вращения пыт и Лапт Учитывая также сужение диапазона устойчивой ра боты камер сгорания, для запуска двигателей на больших высотах требуется более точная дозировка топлива Для этого нужны специальные автоматические системы При отсутствии таких систем процесс запуска двигателя на больших высотах, как правило, более
замедленный, иногда сопровождается «зависанием частоты вращения», повышением температуры и в ряде случаев помпажоч Эго вызывается обогащением топливной смеси, низкой (полнотой сгорания, малыми перепадами давления на турбине. Максимальная высота надежного запуска серийных двигателей находится в пределах 9—10 км При наличии специальных устройств оиа может быть увеличена
Образование пускового факела и воспламенение основного топлива в значительной мере зависят от эффективности пускового воспламенителя. Основным недостатком существующих воспламенителей является зависимость их работы от условий полета (давления, температуры окружающего воздуха и скорости в камере сгорания). Эффективность пускового воспламенителя зависит также от качества распыла топлива, определяемого давлением перед форсунками, типом форсунок н сортом топлива, от надежности работы системы зажигания в высотных условиях.
Улучшение условий образования пускового факела может быть достигнуто следующими способами:
надежной дозировкой подаваемого топлива;
применением свечей поверхностного разряда, обеспечивающих большее выделение тепловой энергии при меньшем пробивном напряжении;
применением ямпульсатора топлива, который обеспечивает пульсирующую подачу топлива в пусковые форсунки в тем самым улучшает условия его воспламенения, особенно при низких температурах и на больших высотах;
электрообогревом пусковых форсунок;
применением форкамервых пусковых j стройств с кислородной подпиткой.
поел, днем из mix. Ранее зывалось, что низкие Давления п температуры, а акже ы. н кие скорости воздуха на входе в камеры сгорания затруди ют создание уст turns. (j;i, кела пламени пусковыми а роиствамн, так как условия смесеобразовании при этом ухудшаются, а набегающий с большой скоростью воздушный поток сдувает появляющееся пламя
В связи с этим возникла необходимость пусковое устройство выполнять в специальной форкамере (рис. 267), работающей независимо от окружающей среды В форкамеру подают в необходимом количестве бензин и сжатый воздух от самостоятельных систем при определенных давленнях. В смесительной камере с помощью специального устройства подготавливается горючая смесь, которая поджигается свечой. Образующийся факел пламени достаточно устойчив, от динамического действия набегающего потока он защищен юбкой форкамеры. Для повышения эффективности работы форкамерного пускового устройства иа больших высотах предусматривается кислородная подпитка.
Однако создание надежного факела пламени нс может решить полностью проблему запуска двигателей на больших высотах, так как после зажигания основного топлива разгон двигателя с частоты вращения при авторотации до частоты вращения на режиме малого газа, как указывалось выше, весьма затруднен. Это вынуждает в ряде случаев при останове двигателя на большой высоте снижаться до высоты надежного запуска Это пока является слабым местом существующих систем запуска двигателей в полете Решение этой проблемы возможно или путем разработки систем запуска с возможностью обеспечения подкрутки ротора двигателя в полете до необходимой частоты вращения, или применения систем регулирования, обеспечивающих частоту вращения на режиме малого газа пмг с подъемом на высоту постоянной
В заключение рассмотрим действия пилота при запуске выключенного ТРД в полете. Запускать в полете разрешается только исправный двигатель, когда экипажу известна причина его остановки и то, что запуск не угрожает безопасности полета. После выключении двигателя должна быть прекращена подача топлива переводом рычага управления двигателем в положение «Стоп» Если полет производился иа больших высотах, необходимо снизиться н » в зону высот надежного запуска для данного типа летать П0Н, И аппарата, установить рекомендуемые в руководстве по лет. ного плуатации скорость полета и частоту вращения гірн авто»0’1 ЭКС
•івіігатепя Перед запуском убедиться, что пожарный кран открыт, после чего нажать кнопку «Запуск в воздухе», через 3—5 с перевести рычаг управления двигателем из положення «Стоп» в положение «Малый газ». О характере процесса запуска двигателя судят по росту частоты вращения и значению температуры газа
Обычно в начальный период запуска горение топлива происходит при малых значениях и (богатых смесях), поэтому после воспламенения топлива и незначительного увеличения частоты вращения может возникнуть явление «зависания» частоты вращения, сопровождающееся высокими значениями температуры газа В связи с этим при запуске двигателя в полете рекомендуется ручная корректировка подачи топлива путем перемещения рычага управления двигателем из положения «Малый газ» в направлении положения «Стоп» и обратно Этим пилот подбирает оптимальную подачу топлива. Кнопку «Запуск в воздухе» отпускают, когда частота вращения уверенно растет После выхода двигателя на режим малого газа рекомендуется поработать на нем не менее одной минуты, а затем уже устанавливать необходимый для полета режим.
В том случае, когда в течение минуты с момента нажатия иа кнопку «Запуск в воздухе» частота вращения не увеличивается, запуск двигателя прекращают (отпускают кнопку) и убирают рычаг управления двигателем в положение «Стоп». Перед повторной попыткой запуска необходимо снизиться на меньшую высоту почета, двигатель продуть на режиме авторотации продолжительностью не менее 30 с и повторить запуск. Ранее отмечалось, что чем ниже высота полета, тем лучше условия дли запуска двигателей в полете. Однако по соображениям безопасности полетов на высотах ниже 2 км производить запуск двигателя не рекомендуется.
При запуске турбовинтового двигателя в почете выполняют в основном те же операции, что н для ТРД. Необходимо убедиться, что выключатель снятия винтов с упора находится в положении «Винт на упоре». После включения кнопки «Запуск в воздухе» через 3— 5 с винт выводят из флюгерного положения и по достижении частоты вращения, указанной в инструкции для данного тнгщ летательного аппарата, кнопку флюгирования отпускают.
Учитывая, что в процессе вывода впита из флюгерного положения и запуска двигателя появляется отрицательная тяга, отчего будет создаваться крен и разворачивающий момент в сторону за пускаемого двигателя, необходимо заранее создать крен (8—10°) в противоположную сторону, а в процессе запуска парировать разворачивающий момент.