Что такое реактивные двигатели и где они применяются
Принцип работы реактивного двигателя
Кто придумал реактивный двигатель
Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости в 1903 году российский ученый К. Э. Циолковский в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Константину Эдуардовичу потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.
Сейчас много говорят о первенстве в этом вопросе одного из цареубийц Александра 2, революционера Кибальчича. Хотя его завещание и датировались 1881 годом, но к моменту выхода работы Константина Эдуардовича еще было погребено в тюремных архивах. К тому же это были лишь наброски, тогда как ученый сумел подвести надежный грунт под теорию уже в своих ранних работах.
Принцип действия реактивной силы
Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.
В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.
Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.
Как работает реактивный двигатель
Разобравшись с реактивной силой, можно понять принцип работы реактивного двигателя. Рассмотрим классический вариант — жидкостный реактивный двигатель, или ЖРД, не претерпевший принципиальных изменений со времени его разработки Циолковским. Для создания толкающей струи или, как принято говорить, рабочего тела, в них применяют смесь топлива с окислителем.
Окислителем чаще всего выступает жидкий кислород или азотная кислота, как топливо применяют керосин. Современные криогенные ЖРД используют жидкий водород, при окислении кислородом позволяющий на 30% увеличить удельный импульс по сравнению с керосиново-кислородными. Кстати, идею применения водорода также предложил Циолковский в том же труде 1903 года, но чрезвычайная взрывоопасность и технически непреодолимые, на тот момент, трудности заставили искать другое топливо.
Поступающие из отдельных баков в рабочую камеру, компоненты превращаются в смесь, сгорающую с выделением колоссального количества тепла и давлением в десятки атмосфер. Окислитель вводится непосредственно в камеру. Топливо, проходя между сдвоенными, словно в термосе, стенками сопла и камеры, охлаждает их. Разогретое таким образом, оно впрыскивается многочисленными форсунками в зону горения. Сформированная соплом струя, вырываясь наружу, обеспечивает толкающий момент.
Почти паяльная лампа, только несколько сложнее. Ведь в предложенной схеме, не упоминаются различные компрессоры, создающие необходимое для впрыска давление, питающие их турбины, клапана и многие другие компоненты, без участия которых эксплуатация двигателя невозможна.
Несмотря на большое потребление топлива – приблизительно 1 кг смеси для подъема 200 кг груза, ЖРД продолжают использовать как основные маршевые двигатели ракетоносителей и маневровые для орбитальных станций и других космических аппаратов.
Виды ракетных двигателей
Самым экзотичным видом ракетных двигателей можно назвать электрореактивные, или плазменные движки. Принцип их действия основан не на поджигании топлива, а на использовании энергии выброса заряженного инертного газа (как правило, ксенона), который разгоняется с помощью электрического тока и магнитов. Удельный импульс у них небольшой, и на Земле они не применяются. Но зато для космических аппаратов, где масса двигателя имеет критическое значение, большая скорость выброса рабочего тела (а это означает его небольшой требуемый запас) и компактность двигателя сделало плазменный движок отличным вариантом для выполнения маневров и коррекции орбиты у малых спутников.
В авиации получили распространение другие виды РД – воздушные прямоточные и турбореактивные, но они имеют несколько иную конструкцию и рабочие характеристики.
Вентильный реактивный двигатель SRM. Снижение пульсации момента.
Вентильный реактивный двигатель (switched reluctance motor SRM ) является потенциальным кандидатом для использования его в качестве тягового двигателя электромобиля следующего поколения из-за его низкой стоимости, высокой эффективности, способности работать при высоких температурах и в других жестких условиях. Тем не менее, SRM имеют существенный недостаток – это пульсации вращающего момента, что может создавать неприятный шум в транспортных средствах. Компания Continuous Solutions использовала программное обеспечение ANSYS Maxwell для электромагнитного моделирования. В результате удалось снизить пульсации вращающего момента электрической машины на 90 процентов и общий шум на 50 процентов, что позволяет использовать SRM для электрификации транспортных средств сельскохозяйственной, горнодобывающей техники, а также для гражданского применения
Концепция коммутируемого реактивного двигателя ( SRM ) существует уже 180 лет, но до недавнего времени двигатели этого типа использовалась только в промышленных целях из-за сложной системы управления. За последние десять лет мощные микроконтроллерные интегральные схемы и вычислительно-интенсивные стратегии управления сделали SRM более жизнеспособными. Нерешенной проблемой является излучение SRM значительного шума во время работы, который недопустим в таких приложениях, как роскошные легковые автомобили, тактические транспортные средства и другие машины в суровых условиях эксплуатации.
Инженеры Continuous Solutions решают перечисленные проблемы, создавая виртуальные прототипы перспективных конструкций SRM в программном обеспечении моделирования электромагнитного поля ANSYS Maxwell. Алгоритмы управления для подавления пульсаций вращающего момента создаются и исследуются в симуляторе системного уровня ANSYS TwinBuilder , в качестве объекта управления выступает модель SRM в ANSY S Maxwell . Оптимизация пульсаций момента существенно снижает общий шум и вибрацию двигателя.
В итоге электрические машины SRM типа на 20 процентов дешевле, рабочие температуры на 50 процентов выше, чем у аналогичных двигателей с постоянными магнитами.
SRM
В основе работы SRM лежит магнитный поток. Магнитные поля аналогичны электрическому току и предпочитают путешествовать по пути наименьшего магнитного сопротивления потоку. Это объясняет, почему магнитные материалы с низким магнитным сопротивлением, такие как железо и сталь, имеют сильную тенденцию выравниваться с магнитным полем. На статоре SRM расположены концентрические обмотки фаз, а его ротор изготовлен из материала с низким магнитным сопротивлением с чередующимися зонами высокого и низкого сопротивления. При подаче напряжения на обмотку статора, магнитное сопротивление ротора создает силу, которая пытается выровнять полюс ротора, пик низкого сопротивления, с ближайшим полюсом статора. В SRM вращение поддерживается путем последовательного включения и выключения обмоток статора, таким образом, что каждое новое состояние магнитного поля статора вызывает поворот ротора.
Модель SRM в ANSYS Maxwell
Схема асимметричного мостового преобразователя и полученные формы кривых SRM
Ротор может быть изготовлен цельным стальным или набран из тонких стальных штамповок с выемками для магнитных полюсов. Отсутствие постоянных магнитов и обмоток на роторе делает SRM значительно дешевле в производстве чем обычные электродвигатели с постоянными магнитами. В роторе отсутствует токонесущие конструкции, поэтому нет необходимости в коммутаторах и обмотках якоря, как в двигателе постоянного тока, либо в короткозамкнутой обмотке из литого металла, как в асинхронном двигателе. Кроме того, отсутствие постоянных магнитов и обмоток ротора позволяет SRM работать при более высоких температурах окружающей среды, что очень важно в тяговых двигателях транспортных средств.
Пульсации момента
Одна из самых больших проблем при разработке SRM состоит в том, что индуктивность каждой фазы пропорциональна степени совмещения её с полюсами ротора. Избыточная вибрация и акустический шум возникают из-за структурной деформации и гармонических магнитных моментов, возникающих в результате взаимодействия статора и ротора. К этому добавляется относительное резкое изменение индуктивности в зависимости от положения ротора и нелинейного управления.
Результаты ANSYS Maxwell показывают зависимость потокосцепления и вращающего момента, как функции от положения ротора, при различной нагрузке
Эти взаимодействия проявляются как изменения вращающего момента, известные как пульсации вращающего момента. С точки зрения конструкции двигателя, например, дисбаланс в роторе или статоре, также могут вызывать пульсации вращающего момента. Все эти причины приводят к вибрации двигателя, которая создаёт акустический шум и сокращает срок службы механических узлов.
При разработке нового тягового двигателя целью Continuous Solutions являлось создание более дешевого двигателя и привода, которые могут работать при более высоких температурах, чем обычные двигатели с постоянными магнитами, в то же время достигая высоких показателей эффективности, плотности мощности и шума, равных двигателям с постоянными магнитами. Инженеры Continuous Solutions начали с использования собственной многоцелевой пользовательской программы оптимизации трехмерных магнитных эквивалентных цепей ( MEC ) для ускорения процесса исследования пространства проектирования и нахождения перспективных конструкций для дальнейшего исследования. Программа использует генетический алгоритм для изучения различных параметров конструкции, таких как высота зубца статора, ток возбуждения и число пар полюсов, итеративно улучшая цели проектирования, такие как повышение эффективности и уменьшение массы.
Моделирование SRM
Инженеры Continuous Solutions разработали детальные модели перспективных вариантов SRM, определенных программой оптимизации в ANSYS Maxwell . Использовался шаблонно-ориентированный инструмент проектирования RMxprt для быстрого определения геометрии двигателя. Вместо того чтобы рисовать компоненты двигателя, использовались возможности параметрического проектирования в RMxprt для определения магнитной системы SRM : количество полюсов и обмоточные данные и т.д. Корпус двигателя также добавляется к модели с помощью стандартных инструментов.
Векторный график магнитной индукции в сечении SRM
Трехмерная геометрическая модель автоматически создаётся в ANSYS Maxwell для детального анализа магнитного поля методом конечных элементов. Модель содержит все необходимые настройки: движение ротора, механическая нагрузка, коэффициенты потерь в шихтованных стальных пакетах, обмотки фаз, схема управления и многое другое. ANSYS Maxwell рассчитывает рабочие характеристики: вращающий момент в зависимости от скорости, потери мощности, индукция в воздушном зазоре, коэффициент мощности и КПД. Максвелл подготовил отчет о крутящем моменте, который показал вращающий момент двигателя в ньютон-метрах как функцию угла поворота. Для более детального диагностического рассмотрения график магнитной индукции строится в поперечном сечении ротора и статора в ключевые моменты, когда вращающий момент достигает своих экстремумов. Графики показывают, что одним из основных источников шума был является, сжимаемый к ротору силами притяжения, действующими на каждую пару полюсов. Решением этой проблемы может стать усиление статора, но это увеличивает стоимость и вес двигателя.
Разработка системы управления
Вместо того, чтобы искать конструкционное решение для минимизации пульсаций момента, вибрации, Continuous Solutions разработали алгоритм управления для подачи тока в обычно неактивные обмотки в точное время, чтобы нейтрализовать отклоняющиеся векторы силы от активных полюсов. Они разработали алгоритм управления в своих собственных аналитических инструментах и встроили его в обычный инвертор SRM , собранный в ANSYS TwinBuilder. Инвертор в TwinBuilder был подключен к модели двигателя ANSYS Maxwell , рассматривалось взаимодействие SRM со схемой управления с разработанным алгоритмом. Детальные графики нестационарного режима позволили инженерам Continuous Solutions сгладить колебания вращающего момента: как только ротор SRM собирается дергаться влево, контроллер вводит сигнал для рывка вправо, подавляя сопротивление движению в нужном направлении, удаляя волну пульсаций вращающего момента.
Контроллер Continuous Solutions 100 kW SRM MILSPEC с технологией снижения пульсаций вращающего момента
Была усовершенствована как конструкция двигателя, так и алгоритм управления, пока интегрированный двигатель и алгоритм управления не достигли всех поставленных целей. Такой подход позволил за несколько итераций завершить проектирование .
Инженеры Continuous Solutions создали и испытали прототип новой конструкции двигателя. Производительность соответствовала результатам моделирования. Кроме того, для непрерывного производства компания Continuous Solutions заключила стратегическое партнерство с Nidec Motor Corporation , чтобы сделать эту технологию коммерчески доступной. Новый двигатель на 20-50 процентов дешевле, работает на 50 процентов более высоких температурах, чем похожие двигатели с постоянными магнитами, предлагая сопоставимую эффективность, плотность мощности и шумовые характеристики.
График зависимости потокосцепления, как функция от тока и положения ротора
График зависимости момента, как функция от тока и положения ротора
Снижение пульсации крутящего момента в SRM, обеспечиваемое контроллером Continuous Solutions Torque Riple Mitigation
Применение реактивных двигателей. Дон Ветцель рассказывает о реактивных поездах-снегоочистителях, о своем рекордном заезде и «LEGO-маньяках»
Когда в 1960-х годах инженер-железнодорожник Дон Ветцель вместе с коллегами на сейчас уже несуществующей Нью-Йоркской Центральной железной дороге решил создать высокоскоростной поезд, они вернули к жизни пару реактивных двигателей GE от бомбардировщика ВВС и установили их на крышу пригородного поезда . 23 июля 1966 года Ветцель надел белый шлем пилота и пронесся по прямому железнодорожному участку в Огайо со скоростью 295 км/ч. Поезд с реактивным двигателем установил мировой рекорд среди дизель-поездов, результат был занесен в Книгу рекордов Гиннесса.
Этот рекорд скорости в США не побит до сих пор, а вот реактивного поезда уже давно нет. Александр Штайн, виртуоз конструктора LEGO , недавно воссоздал поезд из деталей LEGO. В честь этого события главный редактор GE Reports Томас Келлнер побеседовал с Ветцелем, о его рекордном заезде, реактивных снегоочистителях и «LEGO-маньяках».
Виртуоз LEGO Александр Штайн недавно воссоздал поезд Дона Ветцеля из деталей конструктора.
Томас Келлнер: Как появилась идея создать реактивный поезд?
Дон Ветцель: Я работал помощником директора по техническим исследованиям на Нью-Йоркской Центральной железной дороге. Обязанности исследовательского отдела заключались в том, чтобы делать поезда безопаснее, быстрее и дешевле. Высокоскоростные поезда только начали входить в моду, и Пенсильванская железная дорога была нашим основным конкурентом. Мы считали, что нам под силу доказать, что высокоскоростной транспорт может перемещаться по традиционным железным путям.
Т. К.: Почему вы выбрали реактивные двигатели?
Д. В.: Потому что это были самые дешевые двигатели мощностью 5000 лошадиных сил, которые мы смогли найти. Кроме этого, они были самыми надежными. Они широко применялись на многих самолетах ВВС. Мы использовали двигатели J-47-19 компании GE, снятые с бомбардировщика Convair B-36H под названием «Миротворец». Мы нашли их на базе ВВС Дэвис-Монтан в Тусоне, штат Аризона. Их сбывала компания Page Airways.
Т. К.: Звучит слишком просто. Сколько вы за них заплатили?
Д. В.: Они имелись в наличии, поэтому мы их купили. Заплатили 5000 долларов за весь контейнер, установили на тягач с прицепом и отправили из Аризоны в наше депо в Коллинвуде, рядом с Кливлендом.
Т. К.: Где вы научились работать с реактивными двигателями?
Д. В.: Я бывший военный летчик. Я изобрел и запатентовал снегоочиститель для железной дороги, на котором были установлены реактивные двигатели J-47 от компании GE, поэтому у меня было достаточно опыта работы с ними. Двигатели можно было легко переделать, чтобы они работали на дизельном топливе вместо авиационного. Снегоочистители использовали по всей стране, а также в Саудовской Аравии — чтобы сдувать песок с путей.
Запатентованный Ветцелем реактивный снегоочиститель.
Т. К.: Вы видоизменили двигатели?
Д. В.: Мы побеседовали с представителями GE Aviation в Цинциннати, и они нам дали несколько советов. Мы также проконсультировались с НАСА здесь, в Кливленде. Они помогли нам переделать двигатель в 28-вольтный стартер постоянного тока с системой зажигания.
Для поезда Команда Ветцеля использовала два турбореактивных двигателя J47-19 компании GE. Сила тяги каждого двигателя составляла 2358 кг.
Т. К.: Вы сказали, что использовали дизельное топливо. Как вы изменили топливную систему?
Д. В.: Дизельное топливо более вязкое, чем авиационное. Нам пришлось увеличить давление на топливные форсунки, чтобы топливо расщеплялось и воспламенялось в камерах сгорания. Это было легко. Мы сконструировали собственный регулятор (throttle – дроссель) подачи топлива с клапаном управления гидравлическим потоком от компании Vickers вместо сложного регулятора, который использовался в самолете.
Т. К.: Обтекаемый корпус поезда вполне мог бы стать предметом гордости Ferrari. Как вы его создавали и как нашли место для двигателей?
Д. В.: Моя жена — художник-дизайнер, это она придумала такую обтекаемую форму. Изначально по проекту реактивные двигатели находились в задней части вагона, но мы решили установить их спереди. Жена сказала, что вагон выглядит намного лучше с двигателями спереди. У летчиков есть поверье, что если самолет выглядит хорошо, то он и летает хорошо. Мы подумали, что если реактивный поезд выглядит хорошо, то и ездить он будет замечательно.
Рабочие мастерской Нью-Йоркской Центральной железной дороги в Коллинвуде, построившие и укомплектовавшие M-497, позируют у поезда перед началом испытаний.
Т. К.: Как вы приняли решение о том, каким будет вагон?
Д. В.: Мы выбрали обычный пригородный поезд. Нашли 13-летний вагон дизель-поезда Budd Beeliner в Детройте. В системе Нью-Йоркской Центральной железной дороги у него был номер М-497. Мы вытащили убрали сиденья, чтобы разместить конструкцию, поддерживающую двигатели. Приборы для измерения скорости и давления находились в багажном отсеке. Мы установили топливные баки в почтовом отделении.
Т. К.: Расскажите о рекордном заезде.
Д. В.: Насколько я помню, всего было четыре заезда. Я был инженером паровых, электрических и дизельных локомотивов, включая дизельные локомотивы, произведенные компанией GE в Эри, в штате Пенсильвания. Как я уже говорил, я бывший пилот. Думаю, учитывая мои летные навыки, ни у кого не возникло сомнений в том, кто должен управлять M-497.
Отсек контрольно-измерительной аппаратуры локомотива М-497. Кроме скорости, команда Нью-Йоркской Центральной железной дороги измеряла давление, температуру, вибрацию и другие показатели.
Т. К.: Где проходили испытания?
Д. В.: Мы вывели поезд на прямой участок к западу от Толедо, штат Огайо. Это были обычные железнодорожные пути, единственное, что небольшой участок дороги был приварен. Во время второго заезда скорость поезда достигла 315,4 км/ч, и мы как раз начали ее снижать, когда проходили через точки замера скорости. Мне сказали, что нужно, чтобы поезд прошел через них на скорости 290 км/ч. Все подумали, что будет забавно, если мы поставим мировой рекорд во время снижения скорости торможения. Когда мы проезжали через ворота, скорость составляла 294,5 км/ч.
23 июля 1966 года локомотив M-497 устанавливает рекорд скорости на североамериканской железной дороге — 294,5 км/ч.
Т. К.: Были ли моменты, когда вам было страшно?
Д. В.: Нет, но команда сказала мне, что один или два раза им показалось, что M-497 оторвался от земли. Рельсовая цепь не замкнулась, и в диспетчерской на железнодорожной станции Толедо погасли световые индикаторы занятости пути. Они очень переживали. Я знал, что на самом деле мы не отрывались от земли, мы не замкнули рельсовую цепь по причине небольшого веса M-497.
Т. К.: Что случилось с поездом потом?
Д. В.: У него была минута славы на пресс-конференции в Нью-Йорке. Но потом мы отправили его обратно в Бич Грув, штат Индиана, сняли двигатели и поместили на снегоочистители. Мы также переделали пригородный поезд, и он снова начал обслуживать линию между Пафкипси и Гарлемом (в Нью Йорке). Железнодорожная компания списала его в 1984 году.
Т. К.: У этой истории печальный конец.
Д. В.: Нет. Целью было доказать, что в США возможен высокоскоростной железнодорожный транспорт. Мы доказали, что большие скорости можно развить и на стандартном железнодорожном оборудовании.
Т. К.: Вы знаете, что M-497 теперь воплощен живет в форме модели из конструктора LEGO?
Д. В.: Да. Моя внучка, Стефани Донован, сейчас Стефани Каллум, вместе с ее мужем Дагом — настоящие LEGO-маньяки. На первое свидание Даг принес ей букетик из деталей LEGO вместо цветов. Она сразу поняла, что это ОН. У них даже была LEGO-свадьба. Все украшения были сделаны из деталей LEGO, даже бутоньерки у мужчин. Сверкающий Букет невесты был из деталей LEGO, скрепленных проводами. У них до сих пор дома тысячи деталей LEGO, включая самые последние наборы. Это они мне рассказали о поезде.
Т. К.: Еще одна замечательная история! Поздравляю и благодарю вас за интервью.
Внучка Дона Ветцеля Стефани Каллум вместе с мужем Дагом, «LEGO-маньяки». На фотографии запечатлена их свадьба в июне. Они рассказали Ветцелю о реактивном поезде из деталей конструктора LEGO.
Поезд установил мировой рекорд для дизель-поездов, который был занесен в Книгу рекордов Гиннесса
Виды реактивных двигателей
Известны следующие основные типы реактивных двигателей:
Пороховой и жидкостной ракетный двигатели для своей работы не нуждаются в кислороде из окружающего воздуха, так как необходимый для сжигания топлива кислород содержится в веществах, входящих в состав пороха, или в жидком окислителе.
При сгорании пороха или жидкого топлива в смеси с жидким окислителем образуются продукты сгорания, занимающие во много раз больший объем, чем исходные продукты, поэтому продукты сгорания в виде газов с большой скоростью вырываются из реактивного сопла наружу.
В силу закона сохранения энергии количество движения системы тел есть величина постоянная. Двигатель и заключенные в нем продукты сгорания являются системой из двух тел. И если одно из тел системы (продукты сгорания) массой т получает скорость истечения V„CT, т. е. создает количество движения, равное произведению, то и другое тело системы (двигатель) должно получить равное по величине, но обратное по направлению количество движения. Только в этом случае количество движения всей системы не изменится и не будет нарушен закон сохранения энергии. Если двигатель имеет массу, то он получит скорость V в направлении, обратном истечению газа. Количество движения двигателя, равное произведению, должно равняться количеству движения продуктов сгорания
Использование пороховых и жидкостных ракетных двигателей для вертолета затруднительно из-за ограниченного времени их действия н трудности дросселирования. Будучи запушенными, эти двигатели все время развивают одинаковую тягу до тех пор, пока не сгорит все топливо.
В жидкостных ракетных двигателях сложно регулировать подачу топлива под высоким давлением, их экономичность Невелика, а срок службы мал. Поэтому как пороховые, так и жидкостные ракетные двигатели не могут применяться как двигатели для вращения несущего вита.
Прямоточный воздушно-pеактивный двигатель использует для сгорания топлива кислород «з окружающего воздуха и состоит из следующих основных частей: воздухозаборника (входной диффузор), камеры сгорания, реактивного сопла.
Воздухозаборник служит для направления потока воздуха в двигатель. Форма входа в воздухозаборник и изменение площади проходного сечения вдоль потока выбираются такими, чтобы с минимальными гидравлическими потерями на входе обеспечить прирост давления воздуха по пути в камеру сгорания. Для уменьшения потерь на входе в воздухозаборник передняя его кромка выполнена в виде кольцевого крыльевого профиля, носик которого имеет малый радиус кривизны. Для увеличения давления воздуха воздухозаборнику придается вид расширяющегося канала (диффузора).
Преобразование тепловой энергии, заключенной в газе, в механическую работу истечения может произойти только в результате расширения газа. Поэтому воздух перед поступлением в камеру сгорания должен быть подвергнут предварительному сжатию с целью повышения его давления.
В полете воздух подходит к воздухозаборнику двигателя со скоростью, равной скорости полета. При висении вертолета эта скорость равна окружной скорости конца лопасти. Перед входом в воздухозаборник воздух несколько притормаживается, за счет чего растет его давление, а попав в расширяющийся канал воздухозаборника, еще больше уменьшает свою скорость, за счет чего продолжает увеличиваться давление.
Таким образом, в прямоточном двигателе давление воздуха повышается за счет использования кинетической энергии входящего в него воздуха. Этим объясняется невозможность работы прямоточного двигателя на месте, когда скорость набегающего потока равна нулю. Этим же объясняется увеличение тяги двигателя с увеличением скорости его движения. Несущий винт вертолета с установленными на концах лопастей прямоточными двигателями требует поэтому перед запуском двигателей предварительной раскрутки от постороннего источника энергии.
В камеру сгорания через форсунки непрерывно подается топливо. При горении топлива воздух нагревается и расширяется, за счет чего происходит увеличение его скорости. Газ выходит из реактивного сопла со скоростью, значительно превышающей скорость входа. В результате ускорения массы газа внутри двигателя образуется реактивная тяга.
Прямоточный двигатель может быть с успехом применен для вертолета, если обеспечить предварительную раскрутку винта.
Пульсирующий воздушно-pеактивный двигатель в этом отношении выгодно отличается от прямоточного, так как может создавать тягу на месте (без движения вертолета) и не требует раскрутки винта.
В пульсирующем двигателе сгорание топлива происходит не непрерывно, как в прямоточном, а периодически. Перед камерой сгорания пульсирующего двигателя установлена решетка с клапанами. Из-за наличия разности давлений воздуха в воздухозаборнике и камере сгорания клапаны открываются и пропускают в камеру сгорания порцию свежего воздуха. Одновременно с этим в камеру сгорания впрыскивается топливо и поджигается. Нагрев воздуха вызывает кратковременное повышение давления в камере сгорания, в результате чего клапаны в решетке закрываются. Газы из камеры сгорания с большой скоростью вытекают через реактивное сопло, что вызывает понижение давления
в камере сгорания, и клапаны вновь открываются, впуская в камеру очередную порцию свежего воздуха, после чего цикл повторяется. Тяга такого двигателя изменяется от максимального до нулевого значения. Однако ввиду того, что частота пульсаций очень велика, изменения тяги практически не сказываются -на равномерности вращения несущего винта. Частота пульсаций обратно пропорциональна длине двигателя. Так, если двигатель, имеющий длину 610 мм, работает с частотой пульсаций 270 циклов в секунду, то двигатель, имеющий длину 915 мм, — с частотой 180 циклов в секунду.
Следует сказать, что подача топлива к двигателям на концах лопастей не требует применения насосов для принудительной подачи. Дело в том, что возникающая при вращении несущего винта центробежная сила сама гонит топливо от втулки винта к двигателям по топливо-проводам, проложенным вдоль лопасти. Однако в этом случае трудно осуществить герметизацию подвижного соединения, через которое топливо от трубопроводов, находящихся на неподвижной части вертолета, передается на вращающуюся втулку.
Конструкция двигателя и регулировка подачи топлива и зажигания должны быть таковы, чтобы обеспечить синхронность сгорания с пульсацией столба газов.
Пульсирующий двигатель, кроме того, что может развивать тягу при работе на месте, имеет также то преимущество, что он значительно меньше расходует топлива на создание каждого килограмма тяги, чем другие типы воздушно-реактивных двигателей. При выборе двигателя для установки на концах лопастей вертолета конструкторы чаще всего останавливаются «а пульсирующем двигателе еще и потому, что этот двигатель развивает наибольшую величину тяги на каждую единицу лобовой площади.
Основным недостатком пульсирующих двигателей являются значительные вибрационные нагрузки, этим объясняется малый срок службы впускных клапанов (несколько часов) и частые усталостные поломки хвостовой трубы. Кроме того, к недостаткам относятся потребность в сжатом воздухе для запуска (для первоначальных циклов работы) и, наконец, большой шум работающего двигателя.
Турбореактивный и турбовинтовой двигатели в том виде, в котором они существуют сейчас, на концах лопастей использоваться не могут. Хотя эти двигатели и обладают наименьшим удельным расходом топлива в час на каждый килограмм тяги или на каждую лошадиную силу, но удельный вес этих двигателей, т. е. отношение веса к тяге, еще настолько велик, что не позволяет их эффективно использовать на концах лопастей. Эти двигатели могут быть применены на вертолетах в обычной силовой установке с механическим приводом к несущему винту.
Загрузка...
