Как работает самолетный двигатель: АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ • Большая российская энциклопедия

Глава первая Закат славы поршневого авиационного двигателя. Воздушно-реактивные двигатели

Глава первая

Закат славы поршневого авиационного двигателя

Ноябрь 1935 года. Известный советский летчик Владимир Коккинаки поднимает свою стальную птицу на высоту 14 575 ж, установив этим новый мировой рекорд высоты. Безотказно работает двигатель его самолета на огромной высоте, в крайне разреженном воздухе, в условиях, в которых не пришлось еще побывать ни одному другому двигателю в мире.

Июнь 1937 года. Весь мир, затаив дыхание, следит за небывалым полетом краснозвездного самолета Валерия Чкалова через Северный полюс из Советского Союза в Америку (рис. 1). 63 часа летит самолет над неисследованными просторами ледяных полей Арктики, сквозь туман и снег, сквозь штормы и непогоду. И все это время неутомимо, как часы, работает двигатель самолета, радуя экипаж своим мощным, ровным гулом.

— Замечательный мотор! — говорит Чкалов после посадки.

Тысячи километров без посадки пролетели советские самолеты в известных дальних перелетах Чкалова, Громова, Коккинаки, Гризодубовой и других советских летчиков. Эти победы советской авиации были бы невозможны без совершенных, мощных и экономичных авиационных двигателей, созданных отечественной авиационной промышленностью.

В годы Великой Отечественной войны советская авиация покрыла себя неувядаемой славой в борьбе за свободу и независимость нашей Родины. Десятки тысяч самолетов Военно-воздушных сил нашей страны громили тогда в воздухе фашистских стервятников. На этих самолетах были установлены поршневые авиационные двигатели различных типов, построенные на советских авиационных заводах.

Неудивительно, что поршневой авиационный двигатель стяжал себе большую славу и обеспечил авиации столько замечательных побед. В результате полувекового развития этот двигатель стал высокосовершенной машиной.

Рис. 1. Маршруты дальних перелетов В. П. Чкалова

Представьте себе, что вы находитесь на зеленом ковре Тушинского аэродрома в один из традиционных дней авиации еще в предвоенный период.

Вот над вашей головой стремительно пронесся истребитель, наполнив воздух густым, могучим ревом. Мгновение — и высоко в небе вы видите только серебристую точку, которая вскоре сливается с общим голубым фоном. Там, в бездонной глубине неба, в четком строю проплывают какие-то большие самолеты. Это летят воздушные «линкоры» — тяжелые бомбардировщики. Даже большая высота не скрывает огромных размеров этих многотонных машин.

Что же это за могучая сила, которая поднимает в воздух на многокилометровую высоту воздушные корабли весом в несколько десятков тонн и делает кажущуюся такой неповоротливой на земле машину похожей на стремительную птицу, молнией пересекающую голубой купол небосвода?

Эта сила создается воздушным винтом. Он вращается с огромной скоростью, совершая каждую минуту более тысячи оборотов: его лопасти сливаются в один сверкающий диск (рис. 2).

Рис. 2. Лопасти вращающихся винтов сливаются в сплошные диски (советский тяжелый бомбардировщик в период Великой Отечественной войны в полете)

Каким же образом воздушный винт создает движущую силу, или тягу, как ее называют? Почему он способен служить «движителем», т. е. устройством, создающим движущую силу?

Мы не можем видеть того, как создается тяга винтом, ибо окружающий нас воздух прозрачен. Однако, если захотим, мы можем почувствовать это. Станьте позади работающего винта — на вас тотчас обрушится стремительный поток воздуха, сильнее любого урагана. Но сделайте два шага в сторону, и вы выйдете из сферы действия воздушного потока — «ураган» исчезнет. Этот «ураган» создается винтом. Оказывается, винт — это мощный вентилятор. Он засасывает спереди окружающий неподвижный воздух и с огромной скоростью отбрасывает его назад.

Если бы мы могли сделать воздух видимым, например, окрашенным в зеленый цвет, причем не просто окрашенным, а так, что по мере ускорения движения воздуха окраска его становилась бы все темнее, то мы увидели бы необыкновенно красивое зрелище.

Вот в светлозеленом океане начал вращаться воздушный винт. Взволновался океан перед винтом, и со всех сторон — спереди, сбоку, сверху, снизу — стали притекать к прозрачному диску вращающегося винта воздушные струйки, образуя огромную зеленую воронкообразную чашу. Чем ближе к винту, тем уже и темнее эта чаша. Вот струйки прошли через едва различимую преграду — диск вращающегося винта; за ним огромная воздушная воронка стала темнозеленой. Воздушный поток — «ураган» — стал видимым. Винт оказался работающим внутри образованной им в воздушном океане своеобразной «аэродинамической трубы», заполненной быстро движущимся воздухом (рис. 3).

Рис. 3. Такую невидимую воздушную струю образует воздушный винт

Вот, оказывается, в чем заключается действие винта — он неустанно отбрасывает назад воздух так же, как мы с вами могли бы бросить камень или мяч.

Но ведь «бросить» —это значит толкнуть. Чем тяжелее камень и чем большую скорость он приобретает при толчке, тем большей должна быть сила толчка. Винт отбрасывает каждую секунду сотни и тысячи килограммов воздуха со скоростью в десятки метров в секунду, поэтому он действует на воздух с огромной силой в сотни и тысячи килограммов.

Но в природе всегда и неразрывно связаны между собой действие и противодействие — силы, равные по величине друг другу, но противоположно направленные. Так и гласит один из основных законов механики, установленный создателем этой науки — Ньютоном (третий закон Ньютона): действие равно противодействию.

Следуя этому закону, воздух сопротивляется действию винта, оказывает ему противодействие. Если винт толкает воздух, то воздух с такой же силой толкает винт.

Вот это противодействие воздуха, т. е. та сила, с которой отбрасываемый воздух действует на винт, и есть движущая сила винта, его тяга. Значит, тяга винта — это сила реакции отбрасываемого им воздуха (по латыни «реакция» и есть противодействие). Мы здесь встречаемся, следовательно, с движущим устройством, использующим принцип реактивной отдачи.

Так как вращающийся воздушный винт непрерывно отбрасывает с большой скоростью огромную массу воздуха, то легко видеть, что для вращения его нужно затрачивать большую работу. «Ураган», бушующий за винтом, обходится недешево.

Для приведения во вращение воздушного винта и устанавливается на самолете авиационный поршневой двигатель. Вместе они образуют силовую установку, без которой самолет не может совершать полет. Двигатель развивает необходимую для совершения полета мощность, а воздушный винт использует эту мощность для создания силы тяги, движущей самолет.

Понятно, какое огромное значение имеет для самолета совершенство установленного на нем двигателя. Не зря говорят, что двигатель — это сердце самолета. Чем надежнее, мощнее, легче и меньше по размерам двигатель, чем меньше топлива он расходует, тем быстрее, выше и дальше может летать самолет.

Наши ученые, конструкторы, инженеры и рабочие авиационной промышленности настойчиво развивали и совершенствовали авиационные двигатели, обеспечивая высокое качество советской авиации.

Три четверти века назад был создан авиационный поршневой двигатель внутреннего сгорания. С тех пор этот двигатель прошел замечательный путь развития. Современные поршневые авиационные двигатели так же не похожи на первые двигатели, как и современные самолеты не похожи на «летающие этажерки» и «летающие гробы» начала нашего века.

Вот перед нами на взлетной полосе аэродрома стоит готовый к взлету самолет с поршневым двигателем (рис. 4). Уже получено разрешение на взлет; сейчас летчик «даст газ» — передвинет рычаг управления вперед, двигатель перейдет на полную мощность и самолет начнет разбег для взлета.

Но задержим самолет на взлетной полосе, положив под его колеса деревянные колодки. Теперь, сколько ни будет «газовать» летчик, самолет не тронется с места. Воспользуемся возможностью и познакомимся с двигателем самолета.

Рис. 4. Самолет Як-18 перед взлетом

Двигатель установлен в передней части фюзеляжа. Его совсем не видно, так как он укрыт капотом — обтекателем, создающим самолету плавные обтекаемые формы. Из-под капота наружу выглядывают только небольшие выхлопные патрубки, из которых вырываются языки голубоватого пламени. Это выбрасываются в атмосферу из цилиндров двигателя раскаленные газы, продукты сгорания бензина, на котором работает двигатель.

В цилиндрах двигателя происходят очень сложные процессы. Много раз в секунду осуществляется в каждом из них рабочий цикл: засасывается свежий воздух, который на пути в цилиндры перемешивается с топливом — бензином; бензовоздушная смесь сжимается и мгновенно сгорает, при этом образуются раскаленные газы высокого давления. В этих-то газах и заключена вся тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в них источник той силы, которая неутомимо вращает воздушный винт. Но путь энергии от газов к винту весьма сложен. Газы расширяются и давят на поршни, движущиеся вверх-вниз в цилиндрах; поршни связаны шатунами с коленчатым валом. Так с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма энергия расширяющихся газов сообщается коленчатому валу двигателя. От коленчатого вала двигателя, обычно через шестеренчатую передачу — редуктор, получает вращение воздушный винт.

Если бы капот самолета и стенки двигателя были стеклянными, то мы все равно не смогли бы разобраться в том, что происходит внутри двигателя. Протекающие в нем различные процессы чередуются так быстро, что потребовалась бы «лупа времени», замедленная киносъемка для того, чтобы уловить направление движения частей двигателя или разобраться в последовательности происходящих в нем явлений.

Рис. 5. Отечественный поршневой авиационный двигатель АШ-82

Современный поршневой авиационный двигатель (рис. 5) состоит из тысяч различных деталей. Он развивает мощность до нескольких тысяч лошадиных сил, способен работать десятки часов подряд, даже в разреженной атмосфере, на высотах в 15 км и более, выдерживает огромную нагрузку, которой подвергается в полете при выполнении фигур высшего пилотажа или в воздушном бою. И вместе с тем он во много раз легче и меньше любого другого двигателя внутреннего сгорания такой же мощности.

Поршневой авиационный двигатель — это сложнейшая машина, исключительно точная, изготовленная из особо высококачественных материалов; в нем воплощены достижения различных отраслей пауки и техники. Только страны с высокоразвитой тяжелой индустрией в состоянии строить такие машины.

Десятилетия служил поршневой двигатель авиации, завоевав всеобщее признание, достигнув вершины славы. И тем стремительнее было падение этого двигателя, хотя неизбежный закат его славы ученые предсказывали еще тогда, когда она находилась в самом зените.

Что же послужило причинами этому падению?

Таких причин было по существу две, хотя обе они касаются одного и того же.

Дело в том, что поршневой авиационный двигатель не смог решить задачу резкого увеличения скорости полета, задачу, которая поставлена перед авиацией всем ходом ее развития. И в то же время появился новый двигатель, который обеспечивает решение этой задачи.

Нет ничего удивительного в том, что именно борьба за скорость полета решила участь поршневого двигателя.

Увеличение скорости полета — одно из важнейших направлений развития авиации. Весь опыт, накопленный авиацией за полвека ее развития, подтверждает правильность слов, ставших за последнее время крылатыми: кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе.

Но почему же именно дальнейшее увеличение скорости стало неразрешимой задачей для поршневого двигателя? Ведь этот двигатель выдержал немало испытаний еще совсем в недалеком прошлом; он одержал немало побед и в борьбе за скорость полета. Непрерывное усовершенствование двигателя было одной из причин непрерывного увеличения скорости полета самолетов. К концу минувшей войны истребители с поршневыми двигателями обладали скоростью полета 700—750 км/час — это в 15 раз больше скорости полета самолетов начала нашего века. Замечательный успех! Ни в одном другом виде транспорта не было таких темпов роста скоростей движения.

Конечно, достигнутый рубеж в борьбе за скорость полета не является еще пределом для поршневого авиационного двигателя. Настойчивая работа по дальнейшему совершенствованию этого двигателя вместе с совершенствованием самого самолета привела бы к увеличению скорости полета, и достигнутый рубеж можно было бы перейти. И все же предел возможностей поршневого двигателя в борьбе за скорость полета существует; к концу второй мировой войны авиация, выражаясь военным языком, была уже на ближних подступах к этому пределу.

Предел, через который не может перешагнуть самолет с поршневым двигателем, это — полет со скоростью звука.

Еще в прошлом веке русский ученый профессор Н. В. Маиевский указал на тот качественный рубеж, который представляет собой полет со скоростью звука, т. е. с той скоростью, с которой в воздухе распространяются звуковые волны, звуковые колебания. Эта скорость вблизи земли равна примерно 1225 км/час.

В начале нашего века другой русский ученый, глава советской школы аэродинамиков С. А. Чаплыгин в своей магистерской диссертации первым в мире раскрыл суть процессов, происходящих при полете со скоростью, близкой к скорости звука или больше звуковой.

Теперь эти процессы изучены и теоретически, и практически. Хорошо известно, что когда скорость полета приближается к звуковой, то сопротивление, оказываемое воздухом летящему самолету, резко увеличивается. При этом характер обтекания воздушным потоком самолета, прежде всего его крыла, резко изменяется. Секрет этих изменений обусловливается сжимаемостью воздуха.

Когда скорость полета начинает приближаться к звуковой, то в воздухе, обтекающем самолет, появляются зоны сильного местного сжатия и правильное обтекание нарушается. Сопротивление, которое приходится преодолевать летящему самолету, при этом резко увеличивается. Преодолеть такое сопротивление поршневой двигатель с винтом оказывается не в состоянии.

Опыт показывает, что с увеличением скорости полета сопротивление летящему самолету увеличивается пропорционально квадрату скорости, если скорость полета остается значительно меньшей скорости звука; при увеличении скорости вдвое сопротивление возрастает вчетверо и т. д. Но если сопротивление увеличивается пропорционально квадрату скорости, то и тяга, развиваемая винтом, должна расти пропорционально квадрату скорости полета, ибо в установившемся горизонтальном полете тяга равна лобовому сопротивлению самолета. В действительности тяга, развиваемая поршневым двигателем и винтом, с ростом скорости полета не только не увеличивается, а даже, как это будет показано ниже, уменьшается. Уже одно это говорит о том, что поршневой двигатель непригоден для скоростного полета.

Вся мощность, получаемая на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается на вращение воздушного винта. Большая часть этой мощности расходуется на создание тяги, т. е. на отбрасывание воздуха винтом. Другая, меньшая часть мощности расходуется на завихрение воздуха, закрутку воздушного потока за винтом и другие виды потерь. Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия винта (к. п. д.), который показывает, какая доля мощности, получаемой на валу поршневого авиационного двигателя, затрачивается полезно, т. е. на создание тяги. Коэффициент полезного действия воздушного винта в обычных условиях достигает 80— 85%; остальные 15—20% мощности двигателя — это энергия, теряемая воздушным винтом без совершения полезной работы.

Если, допустим, мощность двигателя, передаваемая им винту, равна 1000 л. с., а к. п. д. винта равен 80%, то мощность, равная 200 л. с., теряется винтом бесполезно, а 800 л. с. затрачивается на полезную работу винта. Когда этот двигатель с винтом установлен на самолете, то полезной работой его в полете является работа продвижения самолета в окружающей воздушной среде, т. е. работа, затрачиваемая на преодоление воздушного сопротивления. Как известно, работа есть произведение силы на пройденный в направлении ее действия путь, а мощность, являющаяся секундной работой, может быть представлена как произведение силы на скорость движения. В нашем случае силой, производящей работу, является сила тяги. Поэтому полезная мощность N в лошадиных силах равна произведению силы  тяги Р в килограммах на скорость полета V в метрах в секунду, т. е.

(деление на 75 связано с переходом от килограммометров к лошадиным силам). Если, например, скорость полета самолета V равна 100 м/сек, т. е. 360 км/час, то полезная мощность может быть выражена формулой

Значит, сила тяги Р, развиваемая винтом, будет равна

Если же скорость полета V увеличится до 200 м/сек, т. е. станет вдвое большей (720 км/час), то при той же полезной мощности 800 л. с. сила тяги винта будет равна

т. е. уменьшится вдвое.

Таким образом, тяга, развиваемая воздушным винтом, приводимым во вращение поршневым авиационным двигателем, и тяга, потребная для осуществления полета самолета, с ростом скорости полета меняются неодинаково, как это нужно было бы для непрерывного роста скорости. Мало того, их изменения оказываются диаметрально противоположными: потребная тяга быстро растет, а тяга воздушного винта падает.

Это расхождение между тягой, развиваемой воздушным винтом, и тягой, потребной для полета, и является той причиной, вследствие которой поршневой авиационный двигатель оказывается малопригодным для полета на больших скоростях. Чтобы получить большую тягу, потребную при увеличении скорости полета, на самолете необходимо установить и более мощные двигатели.

Но увеличение мощности двигателя скоростного самолета возможно лишь за счет значительного увеличения его размеров и веса. При этом неизбежно увеличиваются и размеры самолета, растет его сопротивление и, как следствие, снова увеличивается потребная тяга.

Поэтому установка нового, более мощного двигателя на самолете сравнительно немного увеличивает скорость его полета. Чем больше скорость полета, тем труднее, с помощью поршневого авиационного двигателя добиться нового увеличения скорости. Но еще хуже обстоит дело, когда скорость полета приближается к скорости звука. Из-за потерь, связанных со сжимаемостью воздуха при скоростях полета, близких к скорости звука, сопротивление летящему самолету увеличивается уже пропорционально не квадрату, а пятой и даже шестой степени скорости полета. Это значит, что для увеличения скорости полета всего на 10% винт должен развивать тягу, увеличенную почти на 80°/о. А так как мощность двигателя, как указывалось выше, при неизменном к. п. д. винта пропорциональна произведению тяги на скорость полета, то она должна при этом возрасти примерно в 2 раза!

Кроме того, следует учесть, что при значительном увеличении скорости полета и винт также начинает работать хуже. Это объясняется тем, что при движении лопасти винта с околозвуковой скоростью появляются известные нам неприятности, связанные с сжимаемостью воздуха. В результате при той же тяге на вращение винта приходится затрачивать большую мощность — к. п. д. винта падает.

Следовательно, при увеличении скорости полета на 10% мощность двигателя должна возрасти более чем в 2 раза. При этом размеры и вес двигателя должны остаться прежними, иначе потребная тяга увеличится и весь расчет придется начинать сначала.

Понятно, почему увеличение скорости полета и приближение ее к скорости звука оказались роковым для поршневого двигателя. Пробить «звуковой барьер» (рис. 6) поршневому двигателю не под силу. Для решения этой задачи потребовался двигатель принципиально другого типа. Слава поршневого двигателя как основного двигателя авиации закатилась.

Это не значит, конечно, что поршневые двигатели стали вовсе непригодными для авиации. Они все еще находят широкое применение и будут применяться в авиации долгое время. Но их применение ограничится самолетами с малой скоростью и главным образом большой продолжительностью полета. При этих условиях поршневые авиационные двигатели сохраняют свои достоинства.

Таким образом, поршневые авиационные двигатели уже не только перестали быть единственными двигателями авиации, какими они были в течение почти полувека ее развития, но и не занимают в ней ведущего положения, они отошли на второй план. Основное внимание уделяется теперь не им, а тем новым двигателям, которые пришли им на смену.

Рис. 6. «Звуковой барьер» — непреодолимое препятствие для самолетов с поршневыми двигателями (с увеличением высоты температура воздуха понижается, поэтому скорость звука уменьшается)

Что же это за двигатели, вызвавшие техническую революцию в авиации?

Это — реактивные двигатели.

Глава первая

Глава первая
Час назад их было трое: летчик, врач и болезнь.Она, врач, делала все, что велел долг, чему выучил опыт. И еще она улыбалась пострадавшему, произносила какие-то малозначащие утешительные слова, старалась отвлечь человека от боли, вселить надежду и бодрость,

Затянувшийся закат гладкоствольной артиллерии (Гладкоствольная артиллерия в западных русских крепостях)

Затянувшийся закат гладкоствольной артиллерии (Гладкоствольная артиллерия в западных русских крепостях)
ВАРШАВАГладкоствольная артиллерия Варшавской крепости 1868–1915 гг. 3-пудовые бомбовые пушкиВ 1864 г. в Варшавскую крепость были назначены 9 чугунных 3-пудовых пушек

Глава первая

Глава первая
Вопросы к себе
Прочитав первые две книги, можно попробовать применить к себе некоторые изложенные в них рекомендации. Чтобы помочь читателю в достижении этой цели, мы предлагаем небольшой практикум по теме. Все изложенные здесь задания можно разделить на 3

Глава первая

Глава первая
Придумать себе костюм оказалось не так-то просто. Приглашая Джорджа на маскарад, Эрик Беллис, сосед-учёный, сказал: «Нарядись своим любимым космическим объектом». Но у Джорджа было столько любимых космических объектов — попробуй выбери!Может, одеться

Глава первая.

Глава первая.
Необычное заданиеУгасал неяркий осенний день. Холодное октябрьское солнце бросало жидкие отсветы заката на золотые кресты церквушек Зарядья, на блеклую листву сквера, тянувшегося вверх к Ильинским воротам. По площади Ногина, звеня, поворачивал трамвай. Все

Подвиг «Славы»

Подвиг «Славы»
Летом 1915 года немцы наступали вдоль побережья Балтики по территории нынешней Латвии, подошли к начальным, южным излучинам Рижского залива и… остановились. До сих пор их балтийский флот, свободно получавший крупные силы из Северного моря, оказывал

Выхлоп двигателя дымный. В картер двигателя поступает повышенный объем газов

Выхлоп двигателя дымный. В картер двигателя поступает повышенный объем газов
Диагностирование двигателя по цвету дыма из выхлопной трубы
Сине-белый дым – неустойчивая работа двигателя. Рабочая фаска клапана подгорела. Оценить состояние газораспределительного

Глава четвертая Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя

Глава четвертая
Достоинства и недостатки турбореактивного двигателя
Турбореактивный двигатель уже давно вышел из «младенческого возраста» и стал совершенной и надежной машиной. Послевоенные годы были годами невиданного по размаху и быстроте технического

Глава восьмая Рождение прямоточного двигателя

Глава восьмая
Рождение прямоточного двигателя
Прямоточный двигатель — это двигатель сверхзвукового полета, двигатель завтрашнего дня в авиации и реактивной артиллерии. Мы имеем все основания гордиться тем вкладом, который внесла наша страна в дело создания этого

Глава 1 Проблемы зимнего пуска двигателя

Глава 1
Проблемы зимнего пуска двигателя
Почему затруднен зимний пуск
Современный автомобиль предоставил его владельцу и пассажирам невиданные ранее комфорт и свободу передвижения. И все было бы ему, автомобилю, нипочем, если бы не зимняя стужа и заснеженные дороги.

Глава 3 Неавтономные подогреватели двигателя

Глава 3
Неавтономные подогреватели двигателя
Устройство и характеристики
Принципы работы
В основе работы неавтономных подогревателей лежат два хорошо известных физических явления: подогрев с помощью электрической энергии и теплообмен в жидкой среде, называемый

Глава 4 Автосигнализации с дистанционным запуском для подогрева двигателя

Глава 4
Автосигнализации с дистанционным запуском для подогрева двигателя
Назначение и функции систем
Дополнительная электроника, встроенная в автомобильные сигнализации, может помочь, чтобы автомобиль зимой не превратился в бесчувственный снежный ком. Идея не нова,

Глава первая

Глава первая
Художник Н. А. Шеберстов
Белая ночь совсем сбила меня с толку. Я приехал в Таллин, сразу же позвонил Лехту по телефону и в этот момент через стекло будки автомата увидел, что стрелка башенных часов приближается к одиннадцати. Конечно, вечера. Хоть с полным

Глава первая

Глава первая
У каждого изобретателя, даже не претендующего на крупные открытия, есть и друзья и недруги. Это кажется естественным. Не все могут сразу понять и оценить новое. Особенно когда речь идет о сложных проблемах техники. Или — науки. Или — новых явлениях природы,

✈ Почему во время дождя не глохнет двигатель самолета

Вспоминая, какой-нибудь фильм про самолет, часто бывает, что отказывает, то один, то другой двигатели. В иллюминатор пассажир видит, как перестает работать двигатель и в салоне паника… Эмоции — это то, что заставляет нас смотреть фильмы.

А что в реальности? Как работает двигатель и почему не глохнет во время дождя, если учесть, что в обычном полете, в двигателе не используются свечи зажигания? Для начала, нужно понять, как он работает.

Немного о том, как работает двигатель


Посмотрим на двигатель самолета в разрезе и разберемся, что к чему. Постараюсь объяснить доступным языком.

В начале находится большой вентилятор, который втягивает воздух в двигатель. Далее он разделяется, часть проходит по боковому каналу, а около 20% оставшегося воздуха, идет в компрессор высокого давления, сжимаясь в десятки раз. Там воздух нагревается больше 100 ℃.

После этого, нагретый воздух, попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливной смесью и при этой температуре — воспламеняется. Температура становится больше, тем самым еще больше увеличивается давление.

Далее этот поток воздуха, под огромным давлением, попадает на компрессор низкого давления, который снова раскручивает вентилятор и цикл повторяется.

Что происходит с водой при попадании в двигатель


Двигатель самолета сомоподдерживает горение и свечи зажигания, в обычном полете, не используются. Двигатель самолета в среднем втягивает в себя воздуха около 900 м2/сек, это около 297 кг/сек. А если идет сильный дождь? Вместе с воздухом, в двигатель попадает огромное количество воды. Почему же он не глохнет?

Так как воздух в двигателе, нагревается больше 100 ℃, то и вода, попавшая туда, тоже нагревается. А при такой температуре — вода испаряется!

Мало того, вода, испарившись, создает еще большее давление, чем обычный воздух! Получается двигатель, будет работать еще лучше. Есть разработки двигателей, в которых предусмотрена подача воды. Например, в военных самолетах, эту технологию уже испытывали.

Неужели все двигатели самолетов могут работать при сильном дожде?


Нужно заметить, что не все двигатели, способны бесперебойно работать при сильном дожде. Поэтому, в двигатели, для большей надежности, установили аналоги свечей зажигания. Если по прогнозам обещают сильный дождь, то пилот переводит двигатели, в работу с использованием свечей зажигания.

То есть современному самолету, не важно, идет дождь или нет. Все продумано до мелочей, чтобы самолеты могли летать в любую погоду! Поэтому можете быть спокойны и планировать свои путешествия, не обращая внимания на капризы природы.

Автор: Николай Кабанов

Как работает ваш двигатель

Джеймс Уильямс

Источник: Брифинг по безопасности FAA, январь/февраль 2020 г.

Двигатель самолета ближе всего к сердцу. Двигатель обеспечивает энергию, которая не только приводит в движение самолет, но и приводит в действие все остальные системы. Двигатель вращает генератор, который обеспечивает электричество. Он управляет различными насосами, питающими такие системы, как гидравлика, нагнетание давления и т. д.

Для большинства из нас, работающих в авиации общего назначения, двигатель означает двигатель внутреннего сгорания. В частности, это означает поршневой двигатель, термин, который просто обозначает возвратно-поступательное движение поршней. Задача двигателя — преобразовать потенциальную энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию, приводящую в движение ваш самолет, с помощью воздуха.

Базовая анатомия

Двигатель состоит из нескольких основных компонентов. Во-первых, это цилиндр, где происходит сгорание. Далее идет поршень, который вставляется внутрь цилиндра снизу и обеспечивает сжатие и поглощение энергии сгорания. Поддерживает поршень шатун, который передает энергию вниз к коленчатому валу, передавая ее из двигателя, обычно к гребному винту.

Как следует из названия, головка блока цилиндров расположена сверху цилиндра и содержит важные компоненты, такие как клапаны и свечи зажигания. Клапаны открываются, чтобы впустить топливно-воздушную смесь в цилиндр (впускной клапан) и выпустить сгоревшие газы (выпускной клапан). Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и воздух, преобразуя эту химическую энергию в механическую энергию, которая вращает коленчатый вал и гребной винт. Теперь, когда мы знаем основы, давайте посмотрим, как эти части работают вместе.

И раз, два, три, четыре, повтор!

Авиационные двигатели, за некоторыми исключениями, представляют собой четырехтактные двигатели с четырьмя отдельными фазами: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Во время такта впуска поршень опускается из верхней части цилиндра, а впускной клапан открывается, чтобы впустить топливно-воздушную смесь. Такт сжатия начинается, когда впускной клапан закрывается и поршень начинает подниматься к верхней части цилиндра. Рабочий ход начинается, когда свеча зажигания воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь, вызывая сгорание, которое с силой толкает поршень вниз. Такт выпуска начинается, когда поршень достигает нижней мертвой точки и снова начинает подниматься, чтобы вытолкнуть сгоревшие газы через открытый выпускной клапан. Потом начинаем все заново. Хотя мы разбиваем процесс на отдельные этапы, реальность такова, что это скорее непрерывный процесс.

Опорный гипс

Охлаждение двигателя — одна из систем, которая помогает вашему двигателю работать. Двигатели внутреннего сгорания превращают большую часть энергии сгорания в отработанное тепло. В то время как большая часть этого выбрасывается через выхлопные газы, остается значительное количество тепла. Наши двигатели обычно имеют воздушное охлаждение, поэтому логика подсказывает, что чем больше воздуха, тем лучше охлаждение. Следовательно, гондола содержит воздуховоды и перегородки, которые направляют воздушный поток равномерно по охлаждающим поверхностям двигателя, тем самым поддерживая сбалансированную рабочую температуру двигателя. Если эти перегородки сняты или повреждены, чрезмерное накопление тепла в части двигателя может привести к дополнительному износу и, возможно, выходу из строя.

Помимо охлаждения двигателю нужен воздух и топливо. Впускной коллектор направляет смесь в цилиндр, а топливо добавляется через карбюратор или топливные форсунки. Карбюратор остается наиболее распространенным решением. Карбюраторы — это более старая технология, но они имеют то преимущество, что они являются хорошо проверенными, менее сложными и очень надежными решениями.

Впрыск топлива обеспечивает больший контроль и большую эффективность, но является более сложным. У карбюраторов есть один явный недостаток: обледенение карбюратора может задушить двигатель. Углеводное тепло — простое решение этой конкретной проблемы, но вам нужно активировать его.

Затем идет выхлопная система, которая выводит отработавшие газы и тепло из цилиндра. Выхлопная система безопасно выводит горячие газы сгорания из моторного отсека в глушитель. Несмотря на свое скромное описание, выхлопная система абсолютно важна для безопасности.

Одним из способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества воздуха и топлива в цилиндре во время сгорания. Это можно сделать с помощью принудительной индукции, чаще называемой турбонаддувом или наддувом. Турбонаддув более распространен в современных самолетах АОН, но оба метода, по сути, делают одно и то же. Они сжимают всасываемый воздух, чтобы нагнетать в двигатель больше воздуха и топлива, чем позволяют нормальные атмосферные условия. Разница в том, что турбонаддув использует выхлопные газы двигателя для питания компрессора, а нагнетатель использует выходную мощность двигателя.

Здоровье сердца

Теперь, когда мы знаем, как работает двигатель самолета, давайте посмотрим, как это «сердце» может столкнуться с проблемами. Во время предполетной подготовки важно проверить наличие утечек или повреждений топливных или маслопроводов. Визуально проверьте соединения в максимально возможной степени; незакрепленные провода или линии могут натереться и быстро превратить незначительную проблему в серьезную аварийную ситуацию.

Никогда не забывайте проверять масло, которое является источником жизненной силы двигателя. Он помогает передавать тепло от горячих частей двигателя к областям, где его можно безопасно рассеять. Что еще более важно, оно смазывает двигатель, чтобы он мог эффективно работать. Масляное голодание, будь то из-за утечки, возгорания или просто поломки, является одной из частых причин «сердечных» событий в самолетах. Также имейте в виду, что масло со временем разлагается, становясь менее эффективным в своей работе. Независимо от причины, недостаточная смазка может привести к серьезным повреждениям. Контроль не только количества масла, но и его состояния во время предполетной подготовки имеет решающее значение.

Современная авионика и системы слежения за двигателем сделали обнаружение проблем более упреждающим процессом. Анализ данных может позволить вмешаться до возникновения чрезвычайной ситуации. В сочетании с лучшим пониманием работы двигателя и тщательной предполетной проверкой они могут стать большой положительной силой. Всегда лучше искать проблему в данных, а не в воздухе.

Узнать больше

Справочник пилота по авиационным знаниям — Глава 7 bit.ly/354k5ex

Джеймс Уильямс — заместитель редактора FAA Safety Briefing и фоторедактор. Он также является пилотом и наземным инструктором.

«Самые удивительные машины из когда-либо созданных»: как работают реактивные двигатели

Когда вы садитесь в самолет, вы могли заметить этот маленький водоворот или белую мешанину в самом центре двигателя, медленно вращающуюся, как оптическая иллюзия. За этим водоворотом скрывается, вероятно, самая сложная инженерная конструкция из когда-либо созданных: один из реактивных двигателей, приводящих в движение ваш самолет.

«Контакта металл-металл нет. Они могут работать тысячи часов — 60 000 часов — в зависимости только от воздуха и топлива. Компоненты невероятно долговечны», — сказал доктор Магди Аттиа, профессор аэрокосмической техники в Авиационный университет Эмбри-Риддла.

Чудо современной техники (Фото Даррена Мерфа / The Points Guy)

Я поговорил с доктором Аттией и Джеймсом Спейчем, директором по маркетингу Pratt & Whitney Commercial Engines, чтобы понять, как работает реактивный двигатель.

Аттиа — давний эксперт в области аэрокосмической техники; у него есть несколько аэрокосмических патентов на его имя, а также множество рецензируемых публикаций. Он также руководит исследовательским центром газовых турбин в университете. Спейч — инженер-механик, проработавший в Pratt 45 лет; он набрался опыта, работая над ранними компьютерными моделями реактивных двигателей и над PW4000, преемником первого двигателя, разработанного Праттом для Boeing 747. Подробнее об этом позже.

Думаю, мы в надежных руках.

Перво-наперво: много воздуха. Действительно много.

Принцип работы реактивных двигателей состоит в том, что они всасывают воздух, много воздуха, смешивают его с топливом и выбрасывают образовавшиеся газы наружу с большой скоростью. Это двигает двигатель вперед за счет реакции, а также прикрепленный к нему самолет.

Но современные реактивные двигатели работают не совсем так. На самом деле, большая часть тяги, создаваемой современным реактивным двигателем, возникает просто за счет перемещения невероятного объема воздуха одновременно и очень быстро. Полный 90% воздух, поступающий в двигатели, проходит насквозь, не смешиваясь с топливом и не воспламеняясь. Лопасти вентилятора в передней части являются рабами ядра двигателя, и это ядро ​​заставляет эти вентиляторы выполнять всю тяжелую работу.

На заре реактивного двигателя в самолетах использовался тип реактивного двигателя, который больше не предназначен для коммерческого использования: турбореактивный двигатель, в котором весь воздух, всасываемый двигателем, проходит через его сердцевину. В наши дни реактивные самолеты вместо этого используют турбовентиляторные двигатели, которые выталкивают почти весь воздух, который они заглатывают9.0075 вокруг ядра двигателя. Они тише и намного эффективнее турбореактивных двигателей.

Самые большие реактивные лайнеры, находящиеся в эксплуатации сегодня, имеют двигатели с чрезвычайно высокой степенью двухконтурности, где существует высокое соотношение между воздухом, ускоряемым в двигателе (в обход ядра), и воздухом, поступающим в ядро ​​самого двигателя. Огромный диаметр этих двигателей, таких как у Boeing 777, связан с необходимостью иметь гигантский вентилятор спереди.

Посетитель фотографирует General Electric GE90 самолета Boeing 777-300ER Qatar Airways на авиашоу в Фарнборо в июле 2018 года. (Фото ADRIAN DENNIS/AFP/Getty Images)

гражданских турбореактивных двигателя перестали летать с Concorde, которые даже использовали то, что можно найти только на сверхзвуковых истребителях и бомбардировщиках: форсажные камеры — буквально впрыскивая топливо в выхлопную трубу для создания огромной тяги — чтобы помочь ускориться на взлете, а позже в полете — преодолеть звуковой барьер.

Конкорд взлетает с включенными форсажными камерами (Фото: Aviation-images.com/UIG через Getty Images)

В наши дни вы не увидите, как пламя вырывается из хвостовой части гражданских самолетов при взлете.

Энергия тяги — это ключ

Теория, применяемая на практике с турбовентиляторными двигателями, называется эффективностью тяги. Гораздо эффективнее перемещать большой объем воздуха с относительно низкой скоростью, чем перемещать небольшой объем воздуха с более высокой скоростью. (Аттия повторял мне это изречение наизусть). «Как правило, при взлете от 70% до 80% тяги обеспечивается байпасом, а около 20% — самой активной зоной. Когда самолет достигает крейсерской высоты, эта величина стремится к 9От 5% до 100% тяги обеспечивается байпасом», — сказал Аттиа. Турбореактивные двигатели, как и на «Конкорде», вообще не имели байпаса, что делало их очень дорогими в эксплуатации. Чтобы заставить этот реактивный рев , двигатели должны были сжигать много топлива

Сосать, сжимать, хлопать и дуть

«Сосать, сжимать, хлопать, дуть» — так пилоты запоминают различные этапы работы двигателя

Упрощенный макет Сердечник реактивного двигателя и вентилятор Изображение предоставлено Pratt & Whitney, изменено автором

Всасывание

Передний вентилятор всасывает воздух. 10 процентов этого воздуха уходит в так называемую «сердцевину» двигателя. 90 процентов ускоряются и перемещаются вокруг ядра.

Сжатие

Воздух, попавший в ядро, проходит через ряд маленьких вращающихся лопастей, прикрепленных к валу, называемому компрессором . Акт вращения воздуха вызывает крутящий момент, который заставляет воздух ускоряться и увеличивает его давление.

Взрыв

Затем топливо впрыскивается в сжатый воздух и воспламеняется в камере сгорания.

Выдувание

Затем быстро расширяющаяся горячая газовая смесь проходит через другой набор лопастей вентилятора, называемый турбиной . Эти газы улавливаются маленькими лопастями турбины, заставляя турбину вращаться.

Невероятная турбина.

Вращающаяся турбина вращает вал, который заставляет компрессоры вращаться и вращает вентилятор в самом начале. Ключевой вывод: весь смысл сердечника двигателя в том, чтобы крутить вентилятор спереди, а не обеспечивать большую часть тяги самому.

«Турбина преобразует тепловую энергию, вырабатываемую при сгорании, обратно в механическую энергию. Это маленькие лопасти турбины, которые вращаются и соединены с валом, который соединен с самим компрессором и вентилятором», — объяснил Аттиа. Этот вал турбины вращается со скоростью около 20 000 об/мин, что очень, очень быстро.

Итак, сколько воздуха необходимо, чтобы обеспечить движение вперед, достаточное для работы крыльев и создания подъемной силы?

53 грузовика UPS

Обычный реактивный двигатель пропускает 53 грузовика UPS воздуха в секунду. (Фото Дэвида Л. Райана/The Boston Globe через Getty Images)

Типичный реактивный двигатель потребляет около 1500 кг воздуха в секунду. Плотность воздуха на уровне моря составляет около 1,2 килограмма на кубический метр. Доктор Аттиа для нашей выгоды быстро подсчитал: типичный грузовик ИБП имеет объем 23 кубометра, и, соответственно, реактивный двигатель тянет в объеме примерно 53 грузовика ИБП воздуха — в секунду.

— Массовый расход воздуха — самая важная часть уравнения тяги, — сказал Аттиа. Спейч согласился с этим, отметив, что компания Pratt & Whitney в течение 20 лет сосредоточилась на эффективности тяги: «нагнетая много воздуха», как он выразился.

Лопасти вентилятора

Энергия, создаваемая лопастями вентилятора, ошеломляет. И у каждого производителя двигателей, кажется, есть красочный способ объяснить энергию, заключенную в одной лопасти. Один производитель сказал, что энергия одной работающей лопасти вентилятора может запустить небольшой автомобиль над семиэтажным зданием. Другой: достаточно поднять девять двухэтажных автобусов (или 13 слонов-быков)9.0003 Я лично познакомился с турбовентиляторным двигателем с редуктором P&W (1900G) на самолете Embraer E2-190. Изображение предоставлено Embraer.

Лопасти вентилятора двигателей Pratt изготовлены из высокопрочного алюминиевого сплава с титановой передней кромкой. Другие производители реактивных двигателей используют полые титановые лопасти или лопасти, обернутые углеродным волокном. Забавный факт: сами лопасти вентилятора представляют собой мини-крылья, создающие подъемную силу.

Когда вы приближаетесь к двигателю, вы замечаете, насколько близко концы вентилятора расположены к корпусу двигателя. На самом деле, P&W изготовила их с такой точностью, что они немного трутся о внутреннюю резиновую оболочку, миллиметры, что создает небольшую канавку в резине. Допуски должны быть невероятно малы.

Наконечники сверхзвуковых вентиляторов и решение для турбовентиляторных двигателей с редуктором

В полете лопасти вентилятора вращаются со скоростью около 3000 об/мин. Чуть выше — и наконечники вентиляторов начинают работать на сверхзвуке, производя огромное количество шума в виде пронзительного гула. Напротив, вал низкого давления вращается со скоростью 12 000 об/мин, а вал высокого давления — около 20 000 об/мин. Итак, как вы замедляете это вращение — переходя от высоких оборотов в задней части двигателя к более низким оборотам в передней части?

Назад к конструкции двигателя.

Прямо через середину сердечника проходит «вал внутри вала». Один вал вращает турбину низкого давления, компрессор низкого давления и вентилятор, которые вы можете видеть на схеме выше. Другой вал вращает турбину высокого давления и компрессор высокого давления. Каждый компонент должен вращаться с разной скоростью для каждого этапа.

Чтобы замедлить передний вентилятор, «вам нужно больше ступеней более низкого давления, чтобы вентилятор работал на более низкой скорости, чем вал высокого давления», — сказал Спейч, имея в виду обычный двухконтурный двигатель. дизайн. Эти дополнительные ступени увеличивают вес и отрицательно сказываются на эффективности использования топлива.

И здесь на помощь приходит турбовентиляторный двигатель с редуктором, или GTF. Это самое значительное достижение в технологии двигателей за последние 20 лет.

Во-первых, со временем P&W придумала, как сделать легкую коробку передач. Текущая коробка передач весит около 250 фунтов; первые попытки были ближе к 600 фунтам. Редуктор снижает скорость вращения в три раза. Если вал низкого давления работает со скоростью 10 000 об/мин, коробка передач будет уменьшать скорость вращения самого вентилятора до 3 000 об/мин, но — что очень важно — без добавления дополнительных ступеней более низкого давления. Пратт работал над ним с тех пор, как Спейч присоединился к компании, и активно тестировал его в течение 20 лет.

«С шестерней вы можете вращать вентилятор медленнее, но позволить остальным компонентам вращаться с наиболее эффективной для них скоростью», — объяснил Спейч. В свою очередь, вам нужно меньше ступеней низкого давления и меньший вес компонентов, чтобы вентилятор работал на этой более низкой скорости.

«Шестерня пробралась в двигатель», сказал Спейч. «Все эти знания… и, наконец, сегодня технология догнала нас».

Повышение эффективности с течением времени

JT9D — первый двигатель для Boeing 747. Изображение предоставлено Pratt & Whitney.

Спейч работает в P&W с середины 1970-х годов и присоединился к ней сразу после того, как P&W запустила JT9D, на котором был установлен первый Boeing 747. «У этих первых двигателей коэффициент двухконтурности был примерно 4,5:1», — сказал Спейч. Они также были сделаны со стальными корпусами вентиляторов и компонентами из кованой стали, что было довольно тяжелым.

Сравните это с двигателем GTF, который может похвастаться коэффициентом двухконтурности 12:1. Сообщается, что двигатель обеспечивает 15-процентный прирост эффективности использования топлива. «Это огромно в этом пространстве», — решительно сказал Аттиа.

Спейх отметил, что его компания добилась повышения эффективности более чем на 15%. «Я помню, когда повышение эффективности использования топлива на один-два процента означало находку для золотой жилы», — сказал он, вспоминая свою карьеру в компании. В настоящее время GTF летает на пяти платформах: серии Airbus A320Neo, Airbus A220, самолетах Embraer E-2, российском Иркут МС-21 и Mitsubishi MRJ. (Последние два еще не находятся в коммерческой эксплуатации.) Вы будете летать на них в США вместе с Hawaiian, Delta и Spirit среди прочих.