Развитие авиационных двигателей в России

Корнеева Виктория Романовна – магистр Донского государственного технического университета.

Аннотация: Двигатель является главным элементом силовой установки машины. История авиационных двигателей в России началась с поршневого двигателя с воздушным винтом. Качества такого двигателя со временем перестали удовлетворять требованиям летательных аппаратов. Вскоре они были заменены на современные воздушно-реактивные двигатели.

Ключевые слова: Силовая установка, двигатель, летательный аппарат, поршневой двигатель, качества машин, воздушно-реактивный двигатель.

Любая машина состоит из множества систем. Например, в конструкцию летательного аппарата входят топливная система, система охлаждения, масляная система и др. Одной из главных систем является энергетическая, а точнее силовая установка (СУ). Именно двигатель является основным элементом СУ. Что же такое двигатель?

Двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию топлива в кинетическую энергию реактивной струи и механическую работу на валу двигателя. Существует множество видов и типов двигателей. Но все двигатели обладают качествами, которые определяют качества тех машин, в которые они устанавливаются. Развитие двигателестроения определяет технический прогресс станы.

Каким был первый авиационный двигатель? Как улучшались качества двигателей со временем? Какие двигатели используются в силовой установке современных летательных аппаратов?

История авиационных двигателей в России началась с поршневого двигателя с движителем в виде воздушного винта. Движитель – это устройство, использующее полученную с помощью двигателя энергию для движения летательного аппарата в пространстве [1]. Такой двигатель применялся на самолетах до 50-х годов XX века. По принципу работы он соответствовал бензиновому двигателю внутреннего сгорания (ДВС).

С началом Великой Отечественной войны потребовались летательные аппараты с высокими летными качествами. Самолеты должны были стать «глазами» во многих разведывательных операциях, а для этого они должны были обладать высокими максимальными скоростями, высотой и дальностью полета. К сожалению, поршневые двигатели не удовлетворяли необходимым заданным качествам авиационных двигателей. Они обладали малой мощностью, большими габаритами и большим весом. Обстановка в стране обязывала конструкторов изобрести новые схемы авиационных двигателей. Так появились газотурбинные двигатели.

Первые авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) были созданы в начале сороковых годов и в небольшом количестве применялись в конце Великой Отечественной войны. В дальнейшем ГТД чрезвычайно быстро совершенствовались, поэтому в 50-х годах газотурбинный двигатель становится основным типом авиационного двигателя, сначала в военной, а затем и в гражданской авиации [2].

Одним из родоначальников авиационных двигателей стал прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Он являлся простым по схеме и выполнял две важные функции реактивного двигателя:

• при выделении тепла из топлива развивал работу;
• использовал эту работу для разгона газов в двигателе.

ПВРД имел много недостатков, главный из которых – большой расход топлива. Кроме того, данный двигатель не мог разогнать самолет, а использовался лишь в воздухе, когда возникали достаточно высокие скорости потока воздуха, создающие большие газодинамические силы.

Чтобы исключить главный недостаток ПВРД ученые разработали пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). В конструкцию такого двигателя была встроена клапанная решетка, в которой после повышения давления в камере сгорания закрывались клапаны. При такой схеме двигателя газ вытекал через сопло порциями, создавался пульсирующий характер рабочего процесса. ПуВРД развивал тягу на старте. Но данные двигатели получились менее экономичными, громоздкими, чем ПВРД. Это связано с тем, что прерывное (порционное) поступление воздуха в камеру сгорания привело к тому, что в полете такие двигатели имели меньший расход воздуха. А добавка в схему клапанной решетки только утяжелила вес двигателя.

После применения различных схем воздушно-реактивного двигателя и выявления его недостатков, ученые поняли, что конструкцию ВРД необходимо преобразовывать, добавляя элементы для лучшего сжатия и расширения воздуха. И лишь установка компрессора позволила повысить качества ВРД, а самое важное – качества самих летательных аппаратов.

Первый компрессор был изобретен в Центральном Институте авиационного моторостроения (ЦИАМ). В 1939 году была собрана монография «Нагнетатели и наддув авиационных двигателей», автором которой является профессор В.И.Дмитриевский. Он обобщил опыт по теории и проектированию центробежных компрессоров, накопленный многими учеными.

Компрессор представляет собой лопаточную машину, которая приводится во вращение лопаточной турбиной [1]. Лопаточная турбина, является расширительной машиной, точнее газовой турбиной, пропускающей большие расходы газа. Газовый поток создает крутящий момент на валу турбины, расширяясь и воздействуя на вращающиеся лопатки. При этом компрессор и турбина вращаются на общем валу с одинаковой частотой вращения, что делает конструкцию двигателя легкой и простой.

Компрессорные ВРД можно разделить по способу создания тяги на одноконтурные турбореактивные (ТРД), турбореактивные двухконтурные (ТРДД) и турбовинтовые (ТВД) двигатели.

В компрессоре ТРД происходит сжатие воздуха, при этом повышается давление, тем самым увеличивается экономичность по сравнению с бескомпрессорными ВРД.

Если сравнивать ТРД с поршневыми двигателями по потерям, то первые по-прежнему уступают вторым. Это связано с тем, что кинетическая энергия выходящего газа из сопла обуславливает значительное увеличение тяги работы, что и является основной причиной худшей экономичности. Первые турбореактивные двигатели имели на старте при одинаковой тяге в 20 раз больший расход воздуха и в 5 раз больший расход топлива, чем поршневые. Однако данные двигатели позволили увеличить скорость до 700-900 км/ч и стали применятся на истребителях.

Применение ТРД на пассажирских самолетах было невыгодным. Во-первых, снижение веса конструкции не компенсировало возрастающий вес запаса топлива, а во-вторых, гражданские самолеты не требовали высоких скоростей полета, по сравнению с военными ЛА. Тогда ученые применили сочетание воздушного винта и ТРД. При дозвуковых скоростях такая конструкция стала более экономичной и эффективной. В результате при одинаковом расходе воздуха ее преимуществом перед ТРД был меньший вес топлива, а перед поршневыми двигателями – меньший вес конструкции.

В середине 60-х годов и по настоящее время ТВД были вытеснены турбореактивными двухконтурными двигателями (ТРДД). Что же представляет собой конструкция данного двигателя?

ТРДД имеет два контура – внутренний (первый) и внешний (второй). Основа двигателя – первый контур, он служит для получения работы при сжигании топлива и содержит все основные элементы по типу ТВД. Во втором контуре вместо винта установлен вентилятор, вращающийся за счет энергии, поступающей от первого контура. При этом видно, что в ТРДД два движителя, а тяга вырабатывается в двух контурах.

Что же способствовало разработке таких двигателей? Во-первых, авиа перелеты стали широко использоваться по всему миру, все больше людей «стало летать», во-вторых, появились первые тяжелые гражданские самолеты с большой грузоподъемностью, рассчитанных до 300 человек.

Заключение

Этапы развития авиационных двигателей характеризуются теми качествами, которые общество пыталось получить от летательных аппаратов. Такая область науки, как двигателестроение постоянно обновляется, что подтверждают рассмотренные ранее примеры. С течением времени двигатели устаревают, их качества снижаются, появляются новые, улучшенные модификации, обеспечивающие гражданские и военные летательные аппараты высокой скоростью, дальностью и высотой полета. А также грузоподъемностью.

Список литературы

1. Гарькавый, А.А. Двигатели летательных аппаратов : учеб.пособ. для техникумов/ А.А. Гарькавый, А.В.Чайковский, С.И.Ловинский - М.: Машиностроение, 1987. – 287 с.

2. Скубачевский, Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей: учеб. пособ. для вузов/ Г.С. Скубачевский – М:1969.- 560 с.

3. Заикин, А.Е. Авиационные двигатели: конструкция и расчет деталей: учеб.пособ. для вузов /А.Е.Заикин, В.Г. Гаршин, А.Е.Воронцов и др. - М.: издат. оборонной промышленности, 1941. – 618 с.