Винтовентиляторный двигатель принцип работы

Винтовентиляторный двигатель (2)

Главная > Курсовая работа >Промышленность, производство

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім.М. Є. Жуковського „ХАІ”

Пояснювальна записка до курсової роботи

з дисципліни “ Теорія та розрахунок лопатевих машин ”

Виконавець студент гр.232 Бережний М.І.

Керівник доцент к. 201___________

Нормоконтролер доцент к. 201 Редін І.І.

В результате термогазодинамического расчета определены основные параметры двигателя.

Сформирован облик ТВВД, получен уровень загрузки турбин.

Произведены газодинамические расчеты узлов двигателя: компрессора низкого давления, компрессора высокого давления а именно осевой его части и центробежной ступени, турбины высокого давления, турбины низкого давления, турбины винтовентилятора. В результате получены энергетические, кинематические и геометрические параметры узлов и двигателя в целом.

Выполнено профилирование лопатки РК первой ступени компрессора высокого давления.

1. Выбор и обоснование параметров двигателя. термогазодинамический расчет двигателя

1.1 Выбор и обоснование параметров двигателя

1.1.1 Температура газа перед турбиной

1.1.2 Коэффициенты полезного действия компрессора и турбины

1.1.3 Потери в элементах проточной части двигателя

1.1.4 Скорость истечения газа из выходного устройства. Коэффициенты полезного действия винта и редуктора

1.2 Термогазодинамический расчёт двигателя на ЭВМ

1.3 Термогазодинамический расчет на инженерном калькуляторе

2. Согласование параметров компрессора и турбины

2.1 Выбор и обоснование исходных данных для согласования

2.2 Результаты расчёта и формирование облика двигателя

3. Газодинамический расчёт многоступенчатого осевого компрессора

3.1 Расчёт компрессора на ЭВМ

3.2 Газодинамический расчет центробежной части компрессора

3.3 Расчет первой ступени компрессора высокого давления на инженерном калькуляторе

4. Профилирование ступени компрессора

5. Газодинамический расчет турбины

5.1 Газодинамический расчет турбины на ЭВМ

5.2 Газодинамический расчет турбины высокого давления на инженерном калькуляторе

Введение

Техническое развитие авиационных двигателей в значительной степени предопределяет завоевание авиацией качественно новых показателей и областей применения. Таковы, например, революционные преобразования в авиационной технике, связанные с внедрением газотурбинных и реактивных двигателей, появления самолетов вертикального взлета и посадки и т.п. В то же время уже в сложившихся классах авиационных систем логика развития летательных аппаратов, изменение объективных требований к ним оказывают значительное встречное влияние на двигатели, определяют направления их совершенствования.

В наиболее четкой форме влияние действующих факторов проявляется в сфере пассажирской и транспортной авиации. Ведущая тенденция в военно-транспортной авиации заключается в объективной потребности непрерывного и прогрессивного роста перевозок. В ближайшее время ожидается также быстрое возрастание грузовых перевозок в авиации. Основная масса транспортных самолетов рассчитана на дозвуковую скорость полета. Полагают, что после 2010 — 2015 гг. заметная часть перевозок будет выполняться сверхзвуковыми пассажирскими самолетами. В целом роль авиации как вида транспорта непрерывно увеличивается.

Можно выделить два главных управляющих фактора, которые воздействуют на формирование облика самолетов и двигателей: экономический и социально-психологический.

Экономический фактор определяет стремление к снижению себестоимости перевозок, росту эффективности использования самолетов, уменьшению эксплуатационных затрат и т.п. Роль двигателей здесь весьма велика. По оценкам фирмы «Боинг», доля расходов на эксплуатацию широкофюзеляжных самолетов, прямо или косвенно связанная с двигателями, составляет 40-50%.

Социально-психологический фактор объединяет такие требования, как сокращение времени передвижения, комфорт, гарантия безопасности полетов, минимальное воздействие на окружающую среду.

Оба эти фактора выдвигают конкретное требование к самолетам и двигателям и определяют основные направления их развития. В частности, указанные факторы способствовали внедрению скоростных и экономичных ТРДД вместо ТРД в дозвуковой авиации, определили тенденцию роста мощности, полного коэффициента полезного действия двигателей в полете и уменьшения их удельного веса, привели к разработке двигателей для СПС и самолетов вертикального и укороченного взлета, к созданию малошумных двигателей с низким уровнем вредных выделений, имеющих модульную конструкцию и широкую систему диагностики. Надежность, ресурс, срок службы двигателей существенно увеличились. В то же время стремление ограничить растущую стоимость разработки и производства новых двигателей проявилось в методологии их конструирования (быстрый рост окружных скоростей роторов, сокращение числа ступеней и деталей, использование базовых газогенераторов и т.п.). Все эти тенденции, видимо, сохраняться и в будущем.

В связи с непрерывным ростом потребления углеводородных топлив и ограниченностью их природных запасов сильно возросло требование максимальной экономии топлив при воздушных перевозах. Это требование удовлетворяется различными путями — совершенствованием эксплуатации самолетов, использованием оптимальных высот и скоростей полета, разработкой новых самолетов, а также новых экономичных двигателей (двухконтурных или скоростных винтовентиляторных).

На больших дозвуковых скоростях ТВВД имеют лучшую топливную экономичность, чем ТРДД. Экспертные оценки показали, что снижение удельного расхода топлива может составить 20%, но их широкое внедрение ограничено неразрешенной еще проблемой высокого уровня шума, генерируемого винтовентилятором.

В перспективе ожидается освоение нового вида авиационного топлива — жидкого водорода. Водородные двигатели должны значительно отличаться низким расходом топлива, а также сниженным уровнем вредных выделений.

Даже краткий обзор факторов, формирующих облик двигателей на современном этапе развития авиации, показывает, что для выбора рациональной схемы и параметров силовой установки необходимо комплексный анализ её как тепловой машины (эффективный КПД цикла), как движителя (полетный и полный КПД), как механической конструкции (облика газогенератора, геометрическое и кинематическое согласование компрессоров и турбин, ограниченная сложность, малая масса), как источника вредного воздействия на окружающую среду и др. Этот анализ должен учитывать конкретное назначение и условие применения двигателя в системе силовой установки самолета. Этот анализ практически невозможно провести без применения ЭВМ.

Анализировать свойства и характеристики двигателей (в особенности перспективных) целесообразно при реальных сочетаниях их различных параметров, соответствующих определенному уровню газодинамического конструкторско-технологического совершенства элементов. Поэтому выбор параметров анализируемого двигателя должен быть ориентирован на определенное или предполагаемое время появление его в эксплуатации и должен производиться на основе прогнозных оценок развития главных показателей совершенства авиадвигателей во времени.

Задание

Винтовентиляторный двигатель (ТВВД) для военно-транспортного самолета.

Расчетный режим Н = 0 км и Мп = 0

 * К =23-степень повышения давления в компрессоре;

T Г * =1645 К -температура газа перед турбиной (по заторможенным

Прототипом проектируемого двигателя служит двигатель Д — 27.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям. В предлагаемом турбовинтовентиляторном двигателе газ от двух газогенераторов вращает общую двухкаскадную турбину, вращающуюся в противоположные стороны и передающую крутящие моменты с помощью двух одноступенчатых редукторов и двух валов, расположенных параллельно друг другу между редукторами, винтовентилятору.

Предлагаемая полезная модель относится к машиностроению и может быть использована как авиационный турбовинтовентиляторный двигатель, так и как газотурбинная наземная установка. Известен турбовинтовой двигатель (см. Двухконтурные турбореактивные, турбовентиляторные и турбовинтовые двигатели. А.Л.Клячкин. Рижский институт инженеров гражданского воздушного флота имени Ленинского комсомола. Рига-1963 стр.298 Фиг.IV г2 и стр.295) основными узлами которого являются:

1. Входное устройство.

3. Камера сгорания.

5. Выхлопное (реактивное) сопло.

6. Воздушный винт.

7. Дифференциальный планетарный редуктор. Недостатком этого двигателя является наличие вала, проходящего сквозь весь двигатель, что значительно усложняет его конструкцию:

увеличивает размеры ступиц дисков компрессора и турбины, усложняет конструкцию опор. Наружный диаметр вала при этом ограничен конструктивно, что приводит к высоким оборотам для передачи необходимой мощности, при сохранении допустимых напряжений у вала. Длинные валы не жесткие, поэтому их практически невозможно точно отбалансировать. Поэтому очень трудно избавиться от вибраций и дефекта касания валов при эволюциях самолета

(удар при приземлении, например).

Для одновальной турбины оптимальным является дифференциальный планетарный редуктор (см. Новости зарубежной науки и техники №11 1988, стр.19, раздел «редуктор»).

Дифференциальные планетарные редуктора работают надежно только до тяги в 18 тонн. Это связано с тем, что сателлитные шестерни создают большие центробежные силы и изнашивают подшипники, на которых вращаются. К недостаткам данного редуктора можно отнести также большой расход масла, самый низкий к.п.д. среди шестеренчатых редукторов (к.п.д. низкий из-за того, что сателлитные шестерни вместе с корпусом, на котором они расположены, вращаются в воздушно-масляной среде). Дифференциальные планетарные редуктора чувствительны к качеству, температуре и давлению масла, смазывающего зубья и подшипники шестерен. В случае незначительного повышения температуры и падения давления масла, редуктор разрушится немедленно. Из-за наличия венцовой шестерни с внутренними зубьями невозможно применение косозубых, шевронных и др. шестерен, что не позволяет уменьшить размеры редуктора. Известен патент Англии GB 594207, 05.11.1947 в котором описан турбовинтовой двигатель с двумя соосными винтами, в котором газогенератор дезаксиально расположенный относительно них, служит в качестве привода вращения свободной биротативной турбины. Недостатком этого технического решения является невозможность промышленного применения. Двигатель GB 594207 имеет огромную площадь поперечного сечения, что создает большое сопротивление набегающему потоку воздуха. В связи с тем, что газовод расположен не по потоку воздуха, а поперек него, увеличиваются газодинамические потери. Невозможно также встроить газовод в самолет без аэродинамических потерь.

Наиболее близким к предлагаемому двигателю является реактивная силовая установка для самолетов (см. патент Англии, №1020145, кл. F1G от 7 дек. 1964), содержащая по крайней мере два газогенератора, состоящих из осевого компрессора, камеры сгорания и турбины, расположенных вдоль общего потока воздуха, общего компрессора, подающего сжатый воздух индивидуальным компрессорам, общую турбину, вращаемую от выхлопных газов газогенераторов, которая вращает общий компрессор и сопло.

Недостатком такого двигателя является сложность конструкции.

Данный двигатель по конструкции можно сравнить с двухвальным газотурбинным двигателем такого же габарита, тяги и удельного расхода топлива.

Наличие у реактивного двигателя большого количества каскадов компрессора само по себе не дает существенных различий между ними по массе или характеристикам (см. Новости зарубежной науки и техники №11 1988 стр.19, левый столбец, 20-23 строки сверху). Так как газогенераторы находятся внутри воздушного потока, то они должны быть обтекаемыми, чтобы не создавать сопротивление воздушному потоку. Каждый газогенератор должен управляться агрегатами управления, которые негде расположить, разве что снаружи всего двигателя, что значительно увеличит поперечную площадь двигателя, что создаст большое сопротивление воздушному потоку при полете.

К недостаткам этого двигателя можно отнести также и необходимость точной синхронизации прохождения воздуха через газогенераторы. В случае если один из газогенераторов синхронно не выйдет на заданный режим, то очень высока вероятность помпажа компрессора (т.е. срыв потока воздуха и поломки компрессора).

От помпажа компрессора в обычных газотурбинных двигателях с одним газогенератором очень трудно отстроится, а с несколькими

газогенераторами, связанными между собой единым воздушным потоком, это будет сделать на порядок сложнее, если вообще возможно (см. Справочник авиационного техника. Изд. третье, перераб. И доп., П.С.Шевелько, Воениздат, 1974. Стр.250, Нерасчетные режимы работы компрессора). Поломка или простая разрегулировка одного из газогенераторов, приведет к немедленной поломке всего двигателя. Задачей предлагаемой полезной модели является возможность создания высокоэкономичного, надежного с любой максимально возможной тягой двигателя.

Задача достигается тем, что двигатель содержит общую для газогенераторов гондолу, общую двухкаскадную свободную турбину, расположенную между газогенераторами, вращающуюся в противоположные стороны и передающую крутящие моменты с помощью двух одноступенчатых редукторов и двух валов, расположенных параллельно друг другу между редукторами, винтовентилятору, имеющему гондолу.

На Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 схематично изображен турбовинтовентиляторный двигатель: фронтальный вид, сечение сверху, вид со входа и поперечное сечение соответственно. Двигатель содержит два газогенератора 1, общую двухкаскадную турбину 2, вращающуюся в противоположные стороны, валы 3, одноступенчатые редуктора 4 и 5, винтовентилятор 6, сопло 8, гондола винтовентилятора 7, гондола газогенераторов 9.

При работе двигателя воздух, поступает в газогенераторы 1, где превращается в газ с высоким давлением и высокой температурой, через общую двухкаскадную турбину 2, вращающуюся в разные стороны, газ поступает в сопло 8. Турбина 2 передает крутящие моменты одноступенчатому редуктору 5, от него через два разнесенных вала 3 одноступенчатому редуктору 4, а от него винтовентилятору 6, имеющую гондолу 7, который

создает тягу, отбрасывая воздух назад.

Преимущества предложенной схемы турбовинтовентиляторного двигателя.

Использование в двигателе винтовентилятора с гондолой позволяет получить удельный расход топлива до 0,6 кг/кгс час при скорости М=0,8 (см. Новости зарубежной науки и техники №11 1988 стр.15 Рис.1).

Применение двухкаскадой турбины вращающейся в разные стороны позволяет использовать простые одноступенчатые редуктора с цилиндрическими шестернями, при любой передаваемой мощности. Редуктора 4 и 5 состоят из двух независимых друг от друга редукторов.

В случае применения в переднем редукторе 4 паразитной шестерни, можно просто добиться синхронизации вращения винтовентилятора 6. В связи с тем, что валы 3 разнесены друг от друга, и находятся выше и ниже горизонтальной оси двигателя, можно практически до соприкосновения сдвинуть газогенераторы, что позволит уменьшить площадь поперечного сечения двигателя и в связи с этим снизить сопротивление набегающему потоку воздуха. Также значительно упрощается конструкция опор валов 3. Падение давления масла, смазывающего редуктор, не приведет к поломке редукторов. Редуктора будут работать еще довольно долго без поломки, как обычная коробка передач у автомобильного двигателя. Зубья у шестерен редукторов могут быть любого профиля и конструкции (шевронные, косозубые и т.д.), что позволит уменьшить размеры (а значит и вес) шестерен и повысить их надежность (так как контакт зубьев шестерен можно сделать безударным) по сравнению с планетарным редуктором. Расход масла у редуктора в предложенной мной схеме на порядок ниже, чем у планетарного редуктора. А меньше масла — меньше вес. В связи с тем, что в предложенном редукторе отсутствуют сателлитные шестерни, упрощается регулировка через него положения лопастей у

винтовентилятора. За счет возможности установки лопастей под оптимальным углом на разных режимах работы двигателя, достигается высокий полетный к.п.д. самолета. Кроме того, простым поворотом лопастей, можно получить реверс тяги.

Валы 3 находятся между газогенераторами и не ограничены в размере наружного диаметра, что позволяет изготавливать их жесткими и легкими. Если валы будут жесткими, то их можно будет очень точно отбалансировать, что позволит избежать вибраций. Газогенераторы не связаны между собой газовоздушным потоком, что позволяет отлаживать работу газогенераторов независимо друг от друга. Остановка одного газогенератора не приведет к остановке всего двигателя. Двигатель потеряет только 30% тяги, за счет форсирования другого газогенератора. Газогенераторы не имеют сложной системы отвода мощности для вращения генератора тока. Отвод мощности можно производить от редукторов. Агрегаты регулирования газогенераторов могут быть в одном экземпляре сразу на два газогенератора и располагаться в проеме между газогенераторами, защищенные гондолой газогенераторов. Гондола газогенераторов имеет створки, что позволяет легко и быстро добраться к агрегатам регулирования и газогенераторам для регламентного обслуживания двигателя. В связи с тем, что газогенераторы не имеют механической связи через валы друг с другом и с двигателем, их можно легко заменить прямо под крылом самолета, не снимая всего двигателя. Конструкция предложенного мной двигателя состоит из легкозаменяемых модулей: газогенераторы, винтовентилятор с гондолой винтовентилятора, редуктора, свободная турбина, валы, сопла. Изготовление перечисленных модулей двигателя освоено авиационной промышленностью. Технологических трудностей при изготовлении двигателя нет. Более того, изготовление станет проще.

Разделение двигателя на модули упрощает сборку двигателя, делает его ремонтопригодным.

Немаловажным фактором достоинства предлагаемого двигателя является дешевая доводка двигателя. Достаточно довести один газогенератор, на что уйдет в два раза меньше топлива. Возможно использование уже имеющихся газогенераторов от уже доведенных, хорошо зарекомендовавших себя двигателей. Скажем, для создания двигателя с тягой в 40 тонн, уже есть прекрасные газогенераторы тягой 20 тонн. Для создания сверхмощных двигателей не потребуются специальное новое оборудование. Шум у предложенного двигателя будет значительно меньше, чем у аналогичного по мощности газотурбинного двигателя. Кроме того, невозможно, в принципе, изготовить турбовинтовентиляторный двигатель тягой в 40 тонн другой конструкции.

Если турбовинтовентиляторный двигатель будет трехвальным, то два вала должны принадлежать газогенератору. Двухвальные газогенераторы являются оптимальными и имеют самые лучшие характеристики. Третий вал служит для передачи крутящего момента от газогенератора через редуктор винтовентилятору. Редуктор должен быть дифференциальным планетарным. А планетарные редуктора пока не могут быть с тягой более 18 т.

Четырехвальные двигатели не удалось сделать еще никому.

Турбовинтовентиляторный двигатель, содержащий два газогенератора, состоящих из осевого компрессора, камеры сгорания и турбины, расположенных вдоль общего потока воздуха и сопла, отличающийся тем, что содержит общую для газогенераторов гондолу, общую двухкаскадную свободную турбину, расположенную между газогенераторами, вращающуюся в противоположные стороны и передающую крутящие моменты с помощью двух одноступенчатых редукторов и двух валов, расположенных параллельно друг другу между редукторами, винтовентилятору, имеющему гондолу.

Вентильные двигатели. Виды и устройство. Работа и применение

Электродвигатели, работающие от постоянного тока, обычно обладают более высокими экономическими и техническими характеристиками, по сравнению с двигателями переменного тока. Единственным серьезным недостатком является наличие щеточного механизма, существенно понижающего надежность всей конструкции, повышающего инерционность ротора, взрывоопасность двигателя, а также создает радиопомехи.

Поэтому были созданы бесконтактные двигатели, работающие от постоянного тока, которые получили название вентильные двигатели. Создание такого нового устройства стало возможным, благодаря появлению полупроводников. Щеточный механизм в этой конструкции заменен коммутатором на основе полупроводниковых элементов. Якорь является неподвижным элементом, а на роторе закреплены постоянные магниты.

Устройство и работа

В целом вентильные двигатели включают в себя три подсистемы:

1. Электронную.
2. Механическую.
3. Электрическую.

В результате получается мехатронное устройство, которое позволяет сделать корпус более компактным, избавиться от дополнительных деталей, лишних преобразователей, а соответственно сделать весь привод механизма более надежным.

Вентильный электродвигатель представляет собой измененный вариант коллекторного мотора постоянного тока. Мотор имеет индуктор, расположенный на роторе, обмотка якоря находится на статоре. Электричество подается управляющими командами на статорные обмотки, в зависимости от угла поворота ротора, который определяется встроенными датчиками Холла.

Ротор

Основу этого элемента составляет многополюсный постоянный магнит, который может иметь разное количество пар полюсов (от 2 до 8), с чередованием полюсов. Поначалу для производства роторов применяли ферритовые магниты невысокой стоимости. Однако ферритовые магниты имеют недостаток в том, что у них низкое значение магнитной индукции.

Современные конструкции роторов оснащают магнитами, изготовленными из редкоземельных элементов. Они дают возможность получить большую магнитную индукцию, а также сделать ротор более компактным.

Статор

Вентильный электродвигатель обычно имеет статор, состоящий из 3-х обмоток, соединенных «звездой» без отвода от средней точки, и внешне похожий на статор асинхронного мотора. Существуют вентильные двигатели со статором с большим количеством обмоток, а кроме схемы «звезды» их могут соединять «треугольником». Трехфазная структура обмоток считается наиболее эффективной при наименьшем количестве обмоток.

Если сравнивать две рассмотренные схемы соединения, то схема «звезды» предполагает больший момент вращения и меньшие показатели противо-ЭДС, в отличие от схемы «треугольника». Поэтому «звезду» чаще всего применяют для получения больших крутящих моментов, а «треугольник» — больших скоростей вращения.

Датчики положения и термодатчик

Этот чувствительный элемент создает обратную связь, и определяет положение ротора. Такие датчики могут работать по разным принципам – эффекта Холла, фотоэлектрическому и т.д. Большое распространение получили фотоэлектрические и датчики Холла. Они не имеют инерционности и дают возможность работы без запаздывания при определении положения ротора.

Фотоэлектрический датчик в его стандартном виде имеет три стационарных фотоприемника. Они по очереди закрываются шторкой, которая крутится синхронно ротору. Двоичный код, поступающий от датчиков, фиксирует шесть разных положений ротора. Управляющее устройство преобразует сигналы датчиков в управляющие импульсы напряжений, которые в свою очередь управляют полупроводниковыми ключами.

В каждый рабочий такт мотора включены два силовых ключа, и к электроэнергии подключены две обмотки из трех. Якорные обмотки расположены со сдвигом 120 градусов, и соединены между собой так, что при управлении силовыми ключами образуется вращающееся магнитное поле.

Дополнительно в вентильном двигателе могут иметься термодатчик, тормозной механизм. Тахогенератор используется в случае работы мотора в режиме стабилизации скорости с большой точностью.

Термодатчик служит для предохранения обмоток от перегрева, и включает в себя несколько позисторов, соединенных друг с другом между собой последовательно. Позисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры, чем больше температура, тем выше их сопротивление.

Принцип действия

Контроллер вентильного двигателя подключает обмотки статора так, что направление магнитного поля статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора. Благодаря широтно-импульсной модуляции контроллер управляет током, который проходит по обмоткам. В результате создается момент вращения ротора, который регулируется.

Виды

Вентильные двигатели бывают постоянного и переменного тока. Кроме того, их разделяют на виды по числу фаз:

• Однофазные . Это наиболее простая конструкция вентильных двигателей с минимальным числом связей между электронной системой и мотором. К недостаткам однофазных двигателей относятся большие пульсации, невозможность пуска при некоторых положениях ротора. Однофазные моторы широко используются в механизмах, где необходима высокая скорость работы.
• Двухфазные . Такие вентильные двигатели работают в механизмах, где обязательно наличие связи обмотки и статора. К недостаткам можно отнести большой момент вращения и сильные пульсации, способные привести к отрицательным последствиям.
• Трехфазные . Эта дисковая конструкция мотора применяется для создания момента вращения, не применяя для этого большое число фаз. Этот вид моторов используется во многих отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Это наиболее распространенная конструкция, по сравнению с другими. Трехфазные двигатели вентильного типа, имеющие четное количество полюсов, стали хорошим вариантом для устройств, где требуется сочетание небольшой скорости и высокой мощности. Недостатками 3-фазных вентильных моторов является высокий уровень шума.
• 4-фазные . У таких двигателей значительно уменьшен момент вращения и пульсаций. Используются они достаточно редко, так как они имеют высокую стоимость.

Вентильные двигатели применяются во многих областях производства, например, на буровых установках, в системах охлаждения на химических заводах, на нефтяных скважинах.

Просто о сложном. Двигатель

Все вышло из воды

Двигатель – это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу.

Двигатели разделяют на первичные и вторичные.

К первичным относятся те виды двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу. Это ветряное и водяное колесо, гиревой механизм, тепловые двигатели.

Вторичные – двигатели, которые преобразуют выработанную или накопленную энергию другими источниками. К ним относят электрические, пневматические и гидравлические.

Первичные двигатели, такие как парус и водяное колесо, были известны с незапамятных времен и использовались повсеместно.

До середины XVII века человек обходился первичными двигателями и довольствовался силой воды, ветра и тяжести.

Первым шагом на пути к двигателю стала пароатмосферная машина, созданная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери, которая сама по себе не могла служить механическим приводом, и к ней необходимо было водяное колесо.

В 1763 году механик Иван Ползунов по собственному проекту изготовил стационарную паровую машину, которая хоть и была далека от совершенства, но работала без сбоев.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, которая была названа универсальным паровым двигателем.

В машине был предусмотрен жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Подача пара происходила автоматически, а поршень через кривошипно-шатунную систему вращал маховик, который обеспечивал плавность хода. Такая модификация машины Севери не была привязана к водонапорной башне и могла стать самостоятельным приводом различных механизмов. Уатт создал элементы, которые в дальнейшей истории двигателестроения в той или иной вариации входили во все паровые машины, получившие широкое распространение. Их использовали как приводы станков, экипажей для перевозки людей и грузов, судов и локомотивов на железных дорогах.

Следующим шагом в двигателестроении стала паровая турбина, изобретенная в конце XIX века, которая применялась на морских судах и на электростанциях в начале XX века.

Индустрия двигателестроения не стояла на месте, и в конце XIX века на первый план вышли двигатели внутреннего сгорания.

Первым в семействе ДВС стал механизм, созданный французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. Его конструкция представляла собой одноцилиндровый двухтактный газовый двигатель. Ленуар использовал принцип работы поршня двигателя Уатта, но рабочим телом служил не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Двигатель Ленуара стал первым в истории серийно выпускавшимся ДВС.

В 1897 году инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, который был впоследствии назван его именем.

Двигатели внутреннего сгорания стали основой развития автомобильного транспорта в XX веке.

В первой половине XX века были созданы новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 1950-х и ядерные силовые установки.

В 1834 году русский ученый Борис Якоби создал первый пригодный для практического использования вторичный двигатель – электродвигатель постоянного тока.

Двигатели можно классифицировать по источнику энергии, по типам движения, по устройству, по назначению и т.д.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее развивающихся. В год по всему миру подается до 50 заявок на патентование в категории «Двигатели». В основном это модификации существующих механизмов с новым соотношением элементов либо с принципиальными новинками. Новые конструкции же появляются редко.

А вместо сердца – пламенный мотор

В авиации используются в основном тепловые двигатели, которые создают тягу, необходимую для поднятия летательного аппарата в воздух.

По способу создания тяги авиационные двигатели можно разделить на три группы: винтовые, реактивные и комбинированные.

Винтовые двигатели создают тягу вращением воздушного винта, а реактивные преобразуют энергию топлива в кинетическую энергию вытекающей из двигателя газовой струи, вызывающей силу реакции, непосредственно используемой в качестве движущей силы. Воздушно-реактивные двигатели используют для сгорания кислород атмосферного воздуха.

Комбинированные создают тягу, складывающуюся из силы реакции потока продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, и тяги, создаваемой обычным или специальным воздушным винтом. Комбинированные двигатели разделяются на турбовинтовые, турбореактивные и винтовентиляторные. Также их называют газотурбинными авиадвигателями.

Такие двигатели с легкостью поднимают в небо трансатлантические лайнеры, но их мощности недостаточно для того, чтобы поднять ракету в космос.

Для ракет используют реактивные двигатели, в них для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Кроме того, сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды, а также от скорости самой ракеты.

Взлетные технологии

Развитие отрасли двигателестроения в России, стремящейся к независимости от импортных механизмов, началось в 1980-х гг. Такие предприятия, как УМПО, НПП «Мотор», рыбинское НПО «Сатурн», включились в мировую гонку за создание передового двигателя, который составит конкуренцию продукции таких гигантов промышленности, как Pratt & Whitney, которой комплектуют самолеты линейки Boeing и Airbus.

В результате многолетней кропотливой работы всех предприятий и НИИ отрасли, а также интеграции частного и государственного капитала был создан авиационный двигатель ПД-14. Он предназначен для новейшего российского среднемагистрального самолета МС-21, который в конце 2017 года совершил тестовый перелет с аэродрома корпорации «Иркут» на аэродром Жуковский для проведения дальнейших испытаний.

ПД-14 представляет собой турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель. Взлетная тяга ПД-14 может достигать 18 тонн.

Эксперты сравнивают ПД-14 с двигателями для среднемагистральных самолетов компаний Pratt & Whitney и Rolls-Royce.

На базе ПД-14 ведутся разработки вертолетного двигателя ВК-2500М. Подготовка демонстрационной модели двигателя нового поколения запланирована на 2021 год. Как и в ПД-14, в конструкции ВК-2500М будут использованы новейшие материалы, что позволит облегчить массу на 15% по сравнению с существующими аналогами без потери мощности.

Первая модификация указанного двигателя ВК-2500 активно вводится в эксплуатацию, а также выводится на международный рынок путем валидации сертификатов в странах-импортерах.

Мы наращиваем объемы производства двигателей ВК-2500 в интересах государственного заказчика, а также планируем существенно нарастить экспорт. При этом сборка ведется полностью из российских комплектующих

Анатолий Сердюков, индустриальный директор авиационного кластера Госкорпорации Ростех

В отличие от своего предшественника, новый вертолетный двигатель оснащен цифровой системой автоматического управления с современным электронным блоком автоматического регулирования и новейшими датчиками. Использование современных технологий и новейших материалов позволило обеспечить поддержание режимов в более широком диапазоне температур наружного воздуха, повысить ресурсы и показатели топливной экономичности. Такие двигатели позволят вертолетам семейства Ми-17 и аналогичным расширить потенциал своих возможностей в высокогорных районах и районах с жарким климатом.

Российское двигателестроение развивается в направлении как гражданской, так и военной авиации. В апреле 2018 года завершились работы по стендовым испытаниям опытного двигателя АЛ-41Ф-1.Данная разработка предприятия «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение» является двигателем первого этапа для истребителя пятого поколения Су-57. АЛ-41Ф-1 является авиационным турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой и управляемым вектором тяги.

Несмотря на гонку технологий, существуют системы, проверенные временем и доказавшие свою эффективность даже спустя многие годы. Ракетные двигатели РД 107/108 на протяжении более полувека являются основой пилотируемой космонавтики в России.

Именно благодаря РД 107/108 Юрий Гагарин совершил свой легендарный полет. Двигатели РД-107 устанавливаются на блоках первой ступени, а РД-108 – второй.

РД-107/108 показали себя как одни из самых надежных и удачных двигателей, поднимающих космические корабли. Они стоят на серийном производстве и доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов.

Российский ракетный двигатель уже назван рекордсменом. За 60 лет использования он не утратил своего первенства в отрасли. На основе первых двигательных систем разработано 18 модификаций.

Когда в 2011 году США прекратили использование шаттлов, единственным способом отправки космонавтов на МКС остались корабли «Союз», оснащенные двигателями РД-107/108.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее востребованных и перспективных как для развития промышленности страны, так и для выхода на международный рынок.

Внедрение частного капитала и интеграция научно-технической базы предприятий, занимающихся разработкой и производством двигательных систем и комплектующих, позволили создать полный производственный цикл отечественных двигателей, способных составить конкуренцию мировым аналогам.

Рекомендации

Интеграция научно-технических достижений и новейших технологий в области двигателестроения для оперативного реагирования отрасли на запросы гражданской и военной авиации, а также космонавтики и своевременного ввода в эксплуатацию новых двигательных систем, отвечающих вызовам времени и не уступающих мировым аналогам.

Создание и поддержание научно-технической базы, способной обеспечить российскую авиационную отрасль двигательными системами отечественного производства, сокращение объемов импорта, а также вывод конкурентоспособной продукции на мировой рынок.