Авиационные двигатели

Авиационный двигатель – тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и др.). К авиационным двигателям предъявляются весьма высокие требования: максимальная мощность (или тяга) в агрегате при минимальной массе, относимой к единице мощности (тяги), и минимальных габаритных размерах (особенно площади поперечного сечения, от которой зависит лобовое сопротивление); минимальный расход горючего и смазки на единицу мощности (тяги); надёжность, длительность и простота эксплуатации при дешевизне производства.

Процесс развития авиационных двигателей проходил несколько стадий. Первым был паровой двигатель на самолёте А. Ф. Можайского (1885). Последующие авиационные двигатели во всех странах конструировались на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания. Основными факторами, обусловившими развитие авиационных двигателей, были необходимость увеличения скорости и грузоподъёмности самолёта, требования к которым росли довольно быстро. В качестве базового был выбран бензиновый двигатель как наиболее лёгкий. Его совершенствование велось, с одной стороны, путем всемерного облегчения всех деталей за счет применения высокопрочных материалов и форсирования рабочего процесса (для чего была разработана конструкция нагнетателя для наддува двигателя), а с другой стороны, повышением кпд воздушного винта (для чего к двигателю, частота вращения которого всё увеличивалась, присоединяли редуктор, снижавший частоту вращения винта для обеспечения максимального кпд). К 40-м гг. 20 в. поршневые авиационные двигатели достигли предела своих возможностей на пути дальнейшего повышения скорости самолёта встал звуковой барьер, для преодоления которого потребовалось резкое увеличение мощности двигателя. Такой скачок стал возможным в результате перехода к газовой турбине и реактивному двигателю.

Различные типы и классы самолётов требуют различных двигателей как по мощности, так и по принципу создания тяги. Поэтому существующие авиационные двигатели подразделяются на винтовые, создаюшие тягу вращением воздушного винта, реактивные, в которых тяга возникает в результате истечения с большой скоростью рабочих газов из реактивного сопла. Комбинированные — турбовинтовые двигатели (ТВД) — основная тяга создается воздушным винтом, а довольно значительная дополнительная тяга (8—12 %) — за счет истечения продуктов сгорания.

Поршневые авиационные двигатели лучших типов, достигшие высокой степени совершенства, обеспечивали скорость до 750 км/ч. Более высоких скоростей они не могли создать вследствие большой удельной массы (массы, приходящейся на единицу мощности) и необходимости в воздушном винте, кпд которого уменьшается с увеличением скорости полёта. Поршневые двигатели устанавливаются на самолётах с невысокими скоростями полёта, соответственно 0,2—0,5 М (где М — М-число ), т.е. 200—500 км/ч, а также на вертолётах, турбовинтовые — на самолётах при скоростях полёта соответствующих 0,5—0,8 М, т. е. 500—800 км/ч и на вертолётах. Первые турбореактивные двигатели (ТРД), появившиеся в конце Великой Отечественной войны, позволили увеличить скорость до 960 км/ч.

В 1965—1967 появились весьма легкие турбореактивные авиационные двигатели для самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП). На основе ТРД и ТВД разработаны т. н. двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). Их особенностью является создание двух реактивных потоков: одного внутреннего, или центрального, из высокотемпературных продуктов сгорания, поступающих в реактивное сопло из газовой турбины, и второго, концентрически окружающего первый и состоящего из воздуха, который прогоняется компрессором второго контура.

Двухконтурные ТРД применяются на самолётах с дозвуковыми скоростями; благодаря малому расходу топлива они могут успешно конкурировать как с обычными ТРД, так и с ТВД.

Тяга ТРД при сверхзвуковых скоростях полёта возрастает. Схемы турбореактивных авиационных двигателей для дозвуковых и сверхзвуковых самолётов различны. При сверхзвуковых скоростях полёта температура воздуха и газа в турбореактивных двигателях весьма велика. Воздухозаборник, обеспечивающий наибольшее использование скоростного напора воздуха с минимальными потерями, необходимо выполнять с регулируемыми размерами и изменяемой формой. Для увеличения тяги двигателя применяют форсажную камеру. При этом реактивное сопло выполняют также с регулируемыми размерами и формой.

Авиационный двигатель представляет собой автоматическую систему, которая позволяет освободить лётчика от управления двигателем в полёте. Автоматически поддерживаются на заданном уровне давление топлива, температура газов перед турбиной и другие параметры, независимо от высоты полёта.

Дальнейшее развитие авиационных двигателей предусматривает следующие основные направления, на которых концентрируются главные усилия конструкторов в разных странах: обеспечение высоких скоростей и больших высот полёта, а также непрерывное повышение грузоподъёмности самолёта, что требует создания двигателей, развивающих большую тягу с наименьшим расходом топлива, с малой удельной массой и большим ресурсом работы (т. е. длительностью периода работы двигателя между ремонтами, выражаемого обычно в часах). Для этого приходится повышать температуру газа перед турбиной, что ведёт к применению охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток. С другой стороны, стремятся снизить расход энергии во всех элементах двигателя, для чего требуется повышение кпд компрессоров, турбин, форсажных камер и т. п. Повысить температуру газов можно применением жаропрочных материалов (ниобий, молибден) для лопаток турбины и других деталей, соприкасающихся с высокотемпературными газами. Снижения удельной массы можно достигнуть использованием материалов с низкой плотностью (титановые, бериллиевые сплавы). На крупные пассажирские и транспортные самолёты целесообразно устанавливать двухконтурные авиационные двигатели с форсажной камерой, обеспечивающие большой диапазон скоростей полёта, и двухконтурные двигатели со степенью двухконтурности (т. е. соотношением температуры первого и второго контуров) 6—8 для получения больших значений тяги при высокой экономичности.

Рис.1. Классификация авиационных двигателей