Современные воздушно-реактивные двигатели

Двигатель является основной частью силовой установки большинства летательных аппаратов. Все наиболее весомые достижения и успехи в этой области были всегда связаны или с появлением новых типов двигательных установок, или с коренным улучшением существующих.

В современном двигателестроении используются воздушно-реактивные двигатели нескольких типов. Их разделяют на прямоточные воздушно-реактивные двигатели и газотурбинные двигатели (ГТД). Газотурбинные двигатели, в свою очередь, подразделяются на турбореактивные, турбовинтовые и турбовентиляторные или двухконтурные двигатели.

Прямоточные двигатели имеют наиболее простую конструкцию. Однако, поскольку сжатие воздуха в них происходит за счёт действия скоростного напора набегающего потока, они могут создавать тягу только при достаточно большой скорости движения аппарата и использоваться либо в комбинации с другими двигателями, либо на летательных аппаратах, которым предварительно сообщается достаточная начальная скорость, что является их самым существенным недостатком.

В газотурбинных двигателях сжатие воздуха производится специальным компрессором с приводом от газовой турбины, на турбовинтовых двигателях для создания дополнительной тяги устанавливается воздушный винт, а на турбовентиляторных двигателях – специальный вентилятор.

Установка воздушного винта на турбовинтовых двигателях и специального вентилятора на турбовентиляторных двигателях существенно усложняет и утяжеляет их конструкцию, однако делает их более экономичными на дозвуковых скоростях полета.

Турбореактивные двигатели обладают меньшим весом, чем турбовинтовые или турбовентиляторные двигатели, большей надежностью, просты в эксплуатации и могут использоваться при больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

К основным недостаткам газотурбинных двигателей можно отнести их небольшую удельную тягу и невысокий КПД.

Указанные параметры определяются давлением и температурой рабочих газов на входе в реактивное сопло. Чем больше их значения, тем больше удельная тяга и КПД двигателя. Однако добиться их существенного увеличения у существующих ГТД не представляется возможным. Это обусловлено тем, что они, в свою очередь, зависят от температуры и давления рабочих газов в камере сгорания и доли их энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора. Температура в камере сгорания при этом не может быть существенно увеличена, так как не может превышать некоторых относительно невысоких предельных значений, обусловленных необходимостью обеспечения механической прочности лопаток газовой турбины, находящихся в высокотемпературной зоне, и низкой эффективностью систем их внутреннего воздушного охлаждения. Увеличение же давления в камере сгорания свыше определенных значений приводит к резкому увеличению энергии, отбираемой турбиной для обеспечения работы компрессора, уменьшению температуры и давления рабочих газов на входе в реактивное сопло и, соответственно, удельной тяги двигателя. В связи с этим существуют оптимальные значения давления в камере сгорания, при которых удельная тяга ГТД достигает относительного максимума.

Система внутреннего воздушного охлаждения ГТД используется, в основном, для охлаждения рабочих лопаток турбины, состоит из устройства подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборного, выпускного устройств и представляет из себя совокупность сообщающихся каналов, выполненных в корпусе и деталях двигателя, уплотнений в местах перехода воздуха от неподвижных деталей к подвижным, дефлекторов и замковых устройств охлаждаемых лопаток. Заборное устройство выполнено в виде кольцевого канала или отверстий, обеспечивающих отвод части воздуха от одной из промежуточных ступеней компрессора, а выпускное устройство – в виде отверстий или окон для выпуска воздуха в проточную часть двигателя позади турбины или непосредственно во внешнюю среду /1,2/.

Низкая эффективность систем внутреннего воздушного охлаждения ГТД при этом обусловлена малой площадью обдуваемых воздухом поверхностей охлаждаемых деталей и невысокой скоростью его движения. К их недостаткам следует также отнести безвозвратный унос значительной части тепла охлаждающим воздухом во внешнюю среду, что существенно снижает их КПД.

В настоящее время большое распространение получили турбореактивные двигатели с форсажной камерой. Они отличаются от обычных турбореактивных двигателей наличием ещё одной камеры сгорания, размещённой между турбиной и реактивным соплом. Эта камера называется форсажной и предназначена для сжигания дополнительного топлива, в результате которого температура газа перед реактивным соплом повышается, что влечет за собой увеличение скорости истечения газа из него и, соответственно, тяги и удельной тяги двигателя. Преимуществом турбореактивных двигателей с форсажной камерой является возможность увеличения тяги без существенного изменения массы и габаритов двигателя, однако приводит к резкому возрастанию расхода топлива и позволяет повысить его тягу не более, чем на (30-40)%. КПД двигателя при этом в связи с использованием дополнительного топлива не увеличивается. Вследствие отмеченного, обычно разрешается лишь кратковременное включение форсажной камеры.

Известна также идея создания комбинированного воздушно-реактивного двигателя путем оснащения его компрессора приводом, выполненным в виде самостоятельного двигателя, установленного между компрессором и входным устройством /3/. Его использование вместо газовой турбины устраняет основное препятствие, ограничивающее возможность повышения температуры и давления в камере сгорания, позволяет существенно повысить их значения и увеличить за счет этого не только удельную тягу, но и КПД двигателя. Попытки использования в качестве такого привода поршневых двигателей внутреннего сгорания потерпели неудачу, так как они при своих габаритах не обладают необходимой мощностью и приводят к резкому утяжелению двигателя.

Нами предложено в качестве привода компрессора воздушно-реактивного двигателя использовать новый турбороторный двигатель внутреннего сгорания. Указанный двигатель при малых габаритах обладает высоким собственным КПД и удельной мощностью, в несколько раз превосходящую удельную мощность поршневых ДВС, хорошо вписывается в контур воздушно-реактивного двигателя. Его масса, как и у турбины, распределена, в основном, по периметру, вследствие чего не будет значительно превосходить массу турбины. Увеличение удельной тяги и КПД воздушно-реактивного двигателя при этом целесообразно добиваться за счет повышения температуры в камере сгорания при относительно небольшом давлении, что позволит дополнительно уменьшить суммарную массу воздушно-реактивного двигателя за счет уменьшения массы компрессора. Все сказанное, в целом, позволяет рассчитывать на получение приемлемых массогабаритных характеристик предлагаемого двигателя.

Список использованных источников

1. Штода А.В., Алещенко С.П., Иванов А.Я.и др. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1961 г.
2. И.И. Кулагин. Основы теории авиационных газотурбинных двигателей, Воениздат МО СССР, М., 1967 г.
3. Патент РФ №2140001 по кл. МПК А 02 К 5/02, 1999 г.