Содержание
Пламенный мотор
Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, а также сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.
История
Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.
Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.
Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки
Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche.
Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.
Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.
В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.
Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.
М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).
Принцип работы
Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по принципу обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.
При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы.
Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.
Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.
Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.
Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину.
Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.
После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.
Поколения турбореактивных двигателей
Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.
К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15 и на самолеты ИЛ-28, ТУ-14.
Истребитель МИГ-15
ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.
Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.
Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.
Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.
Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором
Турбореактивные двигатели, или сокращенно ТРД, по праву можно считать основой современной авиации. Именно ими оснащены практически все военные и большинство гражданских самолетов, хотя есть и исключения. ТРД относятся к семейству газотурбинных двигателей (ГТД) – тепловых машин, вырабатывающих энергию за счет сжигания топлива в камере сгорания. Все моторы этого семейства объединяет общий принцип работы и схожая конструкция с обязательным наличием турбины, о чем легко догадаться по их названиям.
История авиационных реактивных двигателей началась в 30-хх годах, когда стало понятно, что возможности поршневых двигателей, первоначально устанавливаемых на самолеты, далеко не безграничны и уже достигли своего предела. Громоздкие и тяжелые ДВЗ стали обузой для конструкций самолетов, в которых играет роль каждый лишний килограмм, а использование воздушного винта для создания тяги не давало возможности преодолеть звуковой барьер.
Именно тогда конструкторы и обратили свое внимание на небольшие и легкие газотурбинные двигатели в целом и турбореактивные двигатели в частности. Отсутствие у них воздушного винта, создание тяги только за счет реактивных сил, а также небольшой вес и компактные размеры сделали ТРД основными силовыми установками в авиастроении, и они остаются таковыми и сейчас.
Устройство и принцип работы
Как и все газотурбинные двигатели, ТРД состоит из следующих основных узлов: компрессора, камеры сгорания, приводной турбины и сопла. Среди видов ГТД есть моторы, оснащенные также рабочим валом, который использует свободную энергию, не потраченную на вращение турбины, для вращения воздушных винтов или других элементов, создающих тягу. У ТРД такого вала нет, что значительно упрощает его конструкцию и снижает вес.
Компрессор турбореактивного двигателя может быть осевым или центробежным. Первый меньше по размерам и более эффективный, поэтому в большинстве случаев именно ему и отдается предпочтение.
Центробежный компрессор постепенно уходит в прошлое авиации из-за своей громоздкости, единственное его преимущество – более простая конструкция (в случае, когда он одноступенчатый). Именно центробежным компрессорам оснащались первые реактивные двигатели, но при появлении их осевых конкурентов им пришлось уступить свое место.
Центробежный компрессор – это колесо с закрепленными на нем лопатками, которые при вращении захватывают воздух и, придавая ему угловое вращение, отбрасывают его на периферию – к стенкам корпуса. Это действие центробежных сил, отталкивающих поток воздуха от центра вращения.
В центре центробежного компрессора установлен ротор с лопатками, который находится в корпусе (диффузоре). Корпус в свою очередь тоже оснащен лопатками, только уже неподвижными, и помещен в еще один, внешний, корпус, выполненный в форме улитки. Воздух сначала попадает в ротор, где под действием подвижных лопаток закручивается и сжимается. Затем он попадает на неподвижные лопатки и при этом еще больше сжимается, после чего под давлением проходит «улитку» и попадает в камеру сгорания.
Камера сгорания ТРД может быть кольцевой, трубчатой или комбинированной. Кольцевая камера «обволакивает» корпус, ее формируют стенки наружного и внутреннего кожуха. На входе установлена жаровая труба, на конце которой – завихрители с форсунками.
Трубчатая КС
Кольцевая КС
Трубчатая камера сгорания представляет собой отдельную жаровую трубу, соединенную с наружным кожухом. В ее передней части размещаются завихрители и форсунки, а вся ее поверхность имеет перфорацию для более качественного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В случае, если жаровых труб несколько, они соединяются между собой патрубками, обеспечивающими одновременный процесс горения во всех трубах. Для воспламенения топливного заряда используются запальные устройства, расположенные в камерах.
Комбинированная камера сгорания – это кольцевая камера, в которой размещаются жаровые трубы.
Основой любого ГТД является турбина – вал, на котором закреплены металлические диски с рабочими лопатками на концах.
Перед рабочими лопатками устанавливаются неподвижные, которые обеспечивают осевую подачу газов, выпрямляя их движение. Совокупность направляющих и рабочих лопаток – это одна ступень, и таких ступеней на турбине может быть несколько: от 1 до 6. Как несложно заметить, принципы работы компрессора и турбины похожи, только в первом случае лопасти компрессора сами приводят в движение поток воздуха, а во втором – газы вращают лопатки турбины. Скорость вращение турбины, а значит и компрессора, составляет 20-30 тыс. об//мин.
Ступень турбины (статор и ротор в сборе). 1 Колесо турбины, 2 Вал, 3 Лопатки, 4 Направляющий аппарат.
Выпуск продуктов сгорания наружу обеспечивается выпускным устройством, которое состоит из конусоподобной выпускной трубы, стойки и сопла. Обычные реактивные сопла имеют постоянный диаметр и направлены в определенную сторону. На некоторых двигателях используются регулируемые сопла, в которых можно менять сечение в зависимости от режимов работы, а также контролировать направление реактивной тяги за счет их поворотов.
Но не только механика дает возможность управлять ТРД. Современные моторы оснащены сложнейшей системой автоматики, которая постоянно контролирует параметры работы, устанавливает нужные режимы в зависимости от нагрузок. Пилот управляет двигателем с помощью одного только рычага, но на каждое его движение отзываются множество датчиков.
Принцип работы ТРД характерный для двигателей всего семейства ГТД. Компрессор затягивает воздух в корпус, сжимает его и направляет в камеру сгорания. От количества воздуха и его давления на выходе из компрессора напрямую зависит степень сжатия, а значит и мощность мотора. В камере сгорания устанавливаются топливные форсунки, через которые подается топливо – авиационный керосин. Топливо воспламеняется, образуя газы, обладающие высоким зарядом энергии. Расширяясь, продукты сгорания действуют на лопасти турбины, вращая их, а сама турбина при этом вращает компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Но далеко не вся энергия потребляется турбиной, большая ее часть под давлением вырывается наружу, проходя через сопло, что создает реактивную тягу.
Процесс сжигания топлива в ТРД непрерывный, что отличает эти типы двигателей от поршневых 2- или 4-тактных моторов, у которых в каждом рабочем цикле есть рабочий такт, которому предшествует воспламенение топливного заряда.
Использование двигателя. Преимущества и недостатки
Современные ТРД практически не оснащаются центробежными компрессорами. В сравнение с осевым у центробежного компрессора каждая ступень сжатия более эффективная, но общее КПД при этом ниже. Это объясняется тем, что многоступенчатые центробежные компрессоры имеют очень сложную конструкцию и большие габариты, что увеличивает и их вес, тогда как многоступенчатость осевых компрессоров – не проблема. Именно поэтому они нашли широкое применение не в авиации, а «на земле» в силовых установках, используемых в системах вентиляции, на газотранспортных магистралях и т.д. Из самолетов, на которых использовались реактивные двигатели с центробежными компрессорами, можно отметить HeS 3, которым был оснащен первый реактивный самолет, английский Power Jets W.
1, который использовался в первом британском истребителе, Rolls-Royce Nene, ставшим в последствии прототипом советского РД-45. Использование таких двигателей было характерным для «зари» авиастроения, сейчас же практически везде используются двигатели с осевыми компрессорами.
Несмотря на то, что реактивные двигатели устанавливаются на большинстве современных самолетов, все же и они далеко не идеальные. Есть у них и недостатки: высокая себестоимость и повышенный расход топлива. Первый недостаток объясняется тем, что для изготовления отдельных элементов реактивного двигателя нужны сверхпрочные и жаростойкие материалы, которые бы могли работать при очень высоких давлениях и температурах. Что касается расхода топлива, он действительно выше, чем, например, у его ближайшего «родственника» турбовинтового двигателя, ну а от расхода топлива напрямую зависит стоимость перелетов. Поэтому в случаях, когда нет необходимости развивать сверхзвуковые скорости, самолеты оснащаются ТВД, что дает возможность снизить цены на перелет.
В основном это пассажирские и грузовые самолеты, которые летают на большие расстояния. А вот в военной авиации практически всегда используются ТРД, ведь здесь не так важна экономия, как скорость.
Турбокомпрессоры — AOPA
Улучшенная работа двигателя на высоте
C. Hall «Skip» Jones
Двигатель Apiston вырабатывает максимальную мощность, когда вдыхает воздух с давлением на уровне моря. Поскольку давление и плотность воздуха уменьшаются с высотой, двигатель становится все более задыхающимся по мере набора высоты. В результате его мощность снижается. Турбокомпрессоры с выхлопными газами решают эту проблему, поскольку они сжимают разреженный воздух, восстанавливая его плотность, до того, как двигатель вдыхает его.
Большинство поршневых самолетов, предназначенных для полетов на большой высоте, имеют турбокомпрессор. Некоторые самолеты, такие как одномоторный Piper Malibu/Mirage, имеют два турбонагнетателя, по одному на каждый ряд из трех цилиндров.
Турбокомпрессоры также могут подавать сжатый воздух в салон. Это метод, используемый для наддува самолетов с поршневыми двигателями.
Критическая высота
Турбокомпрессоры увеличивают критическую высоту поршневого двигателя, то есть максимальную высоту, на которой двигатель может поддерживать полную номинальную мощность. Поскольку максимальная мощность двигателя без наддува (без турбонаддува) достигается в стандартных условиях на уровне моря, уровень моря является критической высотой для этого двигателя. Однако, поскольку большинство аэропортов находится над уровнем моря, двигатели без наддува, на которые приходится подавляющее большинство поршневых авиационных двигателей, в том числе почти на всех учебных самолетах, не развивают полную номинальную мощность на взлете. Вот почему диаграммы характеристик самолетов содержат данные о характеристиках для различных барометрических высот.
Турбокомпрессор сжимает всасываемый двигателем воздух для поддержания давления во взлетном коллекторе на уровне моря и полной номинальной мощности вплоть до критической высоты двигателя.
Эта высота зависит от конкретной установки двигателя/турбокомпрессора. Но когда самолет поднимается выше критической высоты, давление в коллекторе и результирующая мощность уменьшаются, как это происходит с двигателем без наддува при наборе высоты от уровня моря.
Ручное давление
Турбокомпрессор состоит из круглого корпуса, в котором находится небольшое турбинное колесо, соединенное валом с небольшим рабочим колесом. (Турбина и крыльчатка представляют собой миниатюрные версии турбины и колес компрессора, которые составляют основные компоненты реактивного двигателя.) Выхлоп двигателя направляется непосредственно в турбонагнетатель, где он вращает турбину. Турбина приводит в движение рабочее колесо, которое сжимает (нагнетает) всасываемый двигателем воздух, прежде чем он попадет во впускной коллектор двигателя. Чем быстрее вращается турбина, тем больше она сжимает всасываемый воздух и тем выше возможное давление в коллекторе.
Выхлопные газы вращают турбину так же, как ручей или ручей вращают водяное колесо.
Скорость вращения турбины (об/мин) зависит от количества выхлопных газов, проходящих через нее. В простейших системах пилот регулирует количество выхлопных газов, проходящих через турбину, поворачивая отдельную ручку управления в кабине, которая, в свою очередь, регулирует клапан, обычно называемый вестгейтом. Вестгейт расположен перед турбиной (между выпускным коллектором двигателя и турбокомпрессором) и регулирует количество выхлопных газов, поступающих на турбину. Когда пилот закрывает вестгейт, к турбине поступает больше выхлопных газов, и турбина вращается быстрее.
Крыльчатка турбокомпрессора обычно вращается с той же скоростью, что и турбина. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем больше давление всасываемого двигателем воздуха и, следовательно, выше мощность двигателя. Таким образом, существует прямая зависимость между объемом выхлопных газов, поступающих на турбокомпрессор, и выходной мощностью двигателя.
Сегодня не так много самолетов с турбонаддувом и ручными вестгейтами.
Обычно они встречаются на самолетах без наддува, оснащенных турбокомпрессором. Такой самолет, вероятно, будет иметь отдельные органы управления дроссельной заслонкой, частотой вращения винта, смесью и турбокомпрессором.
Управляя самолетом с ручным вестгейтом, вы должны понимать систему и уделять особое внимание манометру коллектора. Если вы закроете вестгейт и таким образом повысите давление на впуске при взлете в аэропорту с низкой высотой, вы можете легко превысить допустимое давление в коллекторе и повредить двигатель. Точно так же, если вы работали на большой высоте с полностью закрытым вестгейтом, но забыли открыть его при спуске, возрастающее давление окружающего воздуха приведет к чрезмерному наддуву.
Автоматическое давление
Возможность чрезмерного наддува двигателя с турбонаддувом значительно снижается, когда вестгейт работает автоматически, а не через панель управления. Обычно эта система находится в двигателе с турбонаддувом, установленном на заводе.
Автоматический перепускной клапан управляется давлением моторного масла и контроллером абсолютного давления (АРС). APC — это устройство, которое измеряет давление воздуха, нагнетаемого компрессором турбонагнетателя, и использует эти показания для управления давлением масла на перепускной клапан. Пружина пытается держать вестгейт открытым, тем самым сбрасывая давление на впуске, в то время как APC использует давление масла, чтобы попытаться закрыть его, увеличивая давление на впуске.
Когда двигатель работает на холостом ходу, давление нагнетания компрессора турбонагнетателя — известное как давление на верхней палубе — низкое, и пружина способна удерживать вестгейт открытым. Когда вы увеличиваете дроссельную заслонку, давление на верхней палубе увеличивается, и APC перекачивает больше масла в контроллер вестгейта, чтобы перегрузить пружину и закрыть вестгейт. Это увеличивает давление в коллекторе до желаемой степени, исходя из манометра в кабине. При взлете APC автоматически ограничивает максимальное давление в коллекторе, чтобы предотвратить избыточное давление наддува.
В качестве резерва система имеет клапан сброса давления, который открывается при заданном давлении, чтобы предотвратить чрезмерный наддув двигателя.
Давление на верхней палубе снижается по мере набора высоты из-за снижения давления окружающего воздуха. APC ощущает постепенное падение давления и компенсирует это, постепенно закрывая вестгейт, чтобы поддерживать давление в коллекторе, соответствующее выбранной вами мощности набора высоты. В конце концов самолет набирает высоту, при которой перепускная заслонка полностью закрыта, а турбокомпрессор не может поддерживать максимальное давление в коллекторе. Это критическая высота двигателя. Если самолет поднимется выше этой высоты, давление в коллекторе уменьшится, как и в двигателе без наддува.
В дополнение к APC некоторые системы турбокомпрессора также включают регулятор перепада давления (иногда называемый регулятором отношения). Он измеряет давление как на верхней палубе, так и в коллекторе и ограничивает разницу между двумя давлениями до заданного максимума.
Контроллер перепада давления устраняет состояние, называемое «самозагрузкой». Это может произойти, когда давление в коллекторе колеблется вверх и вниз или колеблется, вызывая соответствующий дрейф давления выхлопных газов, который вызывает дрейф скорости турбины турбонагнетателя и крыльчатки, что вызывает дрейф давления в коллекторе и т. д. Хотя это не вредно для двигатель, самозагрузка (или колебания мощности) могут раздражать пилотов и пассажиров.
Работа с турбонаддувом
Если вы летите на двигателе с турбонаддувом, вам необходимо знать, как работает система, и знать несколько важных приемов эксплуатации. Поскольку давление масла закрывает вестгейт, вы должны дать двигателю и маслу время полностью прогреться перед взлетом. Если давление масла низкое или масло холодное и вялое, перепускная заслонка может медленно закрываться, что означает, что двигатель не будет развивать полную номинальную мощность во время взлета и набора высоты.
Кроме того, моторное масло смазывает турбокомпрессор, который может вращаться со скоростью более 30 000 об/мин на взлетной мощности.
При нормальной работе через подшипники турбокомпрессора каждую минуту проходит несколько галлонов масла. Холодное масло не течет должным образом. Если вы применяете настройки высокой мощности до того, как масло нагреется до нужной температуры, масло может недостаточно смазывать турбонагнетатель.
Питание должно подаваться плавно и относительно медленно. Если дроссельная заслонка быстро прижимается к брандмауэру на взлете, механизмы управления турбокомпрессором могут не успеть нормально функционировать, вызывая помпаж двигателя и, возможно, чрезмерный наддув.
Для двигателей с турбонаддувом обычно требуется бензин с октановым числом 100 из-за высокого давления в цилиндрах. Использование топлива с более низким октановым числом может привести к детонации, которая вызывает большую озабоченность в двигателе с турбонаддувом, чем в двигателе с более низкой степенью сжатия без наддува.
Двигатели с турбонаддувом обычно нагреваются сильнее, чем двигатели без наддува, потому что сжатие всасываемого воздуха также нагревает его.
Экстремальная жара очень вредна для авиационного двигателя с воздушным охлаждением, поэтому самолеты с турбонаддувом оснащены датчиками температуры головки блока цилиндров и температуры выхлопных газов. У некоторых также есть датчик температуры на входе в турбину. Важно внимательно следить за этими температурами.
Смесь важна при эксплуатации двигателя с турбонаддувом. При обеднении смеси температура на входе в головку блока цилиндров и турбину турбонагнетателя значительно и быстро повышается. Справочник пилота по эксплуатации самолета (POH) рекомендует правильную процедуру обеднения и дает максимальные температуры головки блока цилиндров и турбины на входе. Производители, как правило, не рекомендуют работать на обедненной смеси, когда мощность двигателя превышает 75 процентов.
Вам также следует подумать о тепловом ударе или ударном охлаждении. Самолеты с турбонаддувом летают на больших высотах, где температура окружающей среды может быть на 100 градусов ниже температуры поверхности.
Если вы резко уменьшите мощность на высоте, двигатель может остыть так быстро, что цилиндры деформируются. Деформированные цилиндры вызывают низкую компрессию и высокий расход масла, что требует капитального ремонта или замены. Вы можете избежать этой проблемы, постепенно уменьшая мощность, что позволяет двигателю охлаждаться более постепенно.
Кроме того, вы должны дать турбонагнетателю время медленно остыть после приземления. Помните, что турбина турбонагнетателя и рабочие колеса быстро вращаются и смазываются моторным маслом. Если вы заглушите двигатель, что приведет к прекращению подачи смазочного масла до того, как турбокомпрессор успеет замедлиться и остыть, результатом может стать преждевременный выход из строя подшипников.
Механики должны следить за утечками во впускной и выпускной системах двигателя с турбонаддувом. Поскольку давление в системе впуска может превышать барометрическое давление окружающей среды, утечки на впуске после турбонаддува могут вызвать потерю давления в коллекторе, что снижает критическую высоту и не позволяет двигателю развивать полную номинальную мощность.
Утечки выхлопных газов перед турбонагнетателем могут снизить давление выхлопных газов, приводящее в движение турбину. Это снижает скорость турбины, что снижает потенциальное максимальное давление в коллекторе.
Турбокомпрессоры являются относительно простыми устройствами, но их рабочие скорости и температуры требуют внимания для продолжительной и надежной работы. Если вы понимаете, как работает система и процедуры, которые поддерживают ее работоспособность, вы получите удовольствие от надежных высотных и высокоскоростных круизов.
Как работает турбокомпрессор | Boldmethod
Википедия/НАСА
У полетов на большой высоте есть несколько преимуществ, таких как уменьшение лобового сопротивления, более высокая истинная воздушная скорость и, если вы укажете правильное направление, более сильный попутный ветер. Но у безнаддувных двигателей есть один существенный недостаток: нехватка кислорода.
Проблема высокогорья
По мере увеличения высоты атмосферное давление уменьшается, и снижается быстро.
На самом деле, , если вы летите на высоте 18 000 футов, 50% атмосферы находится под вами. Это означает, что вашему двигателю нужно сжигать меньше воздуха, и намного меньше лошадиных сил, выходящих из передней части вашего самолета.
Решение проблемы разреженного воздуха
Турбокомпрессоры решают проблему разреженного воздуха в поршневых двигателях за счет сжатия всасываемого воздуха до того, как он достигнет цилиндра. Сжимая воздух, ваш двигатель может работать так, как будто он находится на уровне моря или ниже, даже если он работает на эшелонах полета.
Принцип работы турбокомпрессора
Турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов:
- Турбина
- Компрессор
- Вал, соединяющий их вместе
Турбина
Все начинается с турбины, которая приводится в движение (вращается) выхлопными газами, выходящими из вашего двигателя. Когда выхлоп выходит через выпускной коллектор, он проходит над турбиной и раскручивает ее.
Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее вращается турбина. Примерно так это и работает, по крайней мере, на данный момент.
Вал
Вал соединяет турбину и компрессор, поэтому, когда турбина начинает вращаться при запуске двигателя, компрессор тоже начинает вращаться.
Компрессор
Компрессор отвечает за всасывание воздуха снаружи самолета, его сжатие и последующую подачу в двигатель. Как вы уже читали, компрессор крутится, потому что он соединен с турбиной через вал.
Теперь, когда вы знакомы с основами турбокомпрессора, осталось еще кое-что рассказать.
Выброс воздуха через перепускной клапан
Турбокомпрессоры хорошо повышают давление воздуха во впускном коллекторе вашего двигателя, известное как давление в коллекторе . Но иногда они слишком хороши. Турбокомпрессоры способны создавать слишком большое давление в коллекторе, что может повредить или разрушить ваш двигатель.
Так как же турбонагнетатели предотвращают попадание слишком большого количества воздуха в двигатель? С чем-то под названием вестгейт .
Некоторые вестгейты автоматические, а другие управляются вручную пилотом, но теория всегда одна и та же. Вестгейт открывается и закрывается, чтобы регулировать количество выхлопных газов, проходящих через турбину, и предотвращает слишком быстрое вращение турбины. Чем быстрее вращается турбина, тем быстрее вращается компрессор, а это означает, что в двигатель поступает больше воздуха.
Сколько воздуха может выдержать ваш двигатель?
Итак, сколько воздуха действительно может выдержать ваш двигатель? Это зависит от двигателя, но есть два основных типа турбонаддува: высотный турбонаддув и наземный наддув.
Высота наддува
Высотный турбонаддув, который иногда называют «нормализацией», позволяет вашему двигателю работать так, как будто он находится на уровне моря, как можно дольше. Это зависит от двигателя, но большинство высотных турбокомпрессоров поддерживают давление в коллекторе в пределах 29-30 дюймов ртутного столба (давление на уровне моря) по мере набора высоты.
Но, в конце концов, по мере увеличения высоты ваш турбокомпрессор не может сжимать достаточно воздуха, чтобы поддерживать давление в коллекторе на уровне моря. Это называется критическая высота , и это самая высокая высота, на которой ваш двигатель может развивать максимальную мощность, на которую он рассчитан (мощность двигателя оценивается на уровне моря).
С этого момента, чем выше вы поднимаетесь, тем меньше воздуха поступает в ваш двигатель. Это означает, что вы будете производить меньше лошадиных сил. Но он все же намного эффективнее, чем обычный атмосферный двигатель.
Ускорение грунта
Наземный наддув аналогичен высотному турбонаддуву, но требует большего давления. Системы с наддувом обычно работают при давлении в коллекторе от 31 до 45 дюймов ртутного столба, что намного больше, чем у высотных турбокомпрессоров. Идея проста: больше давления = больше воздуха, поступающего в двигатель = больше мощности.
Но недостаток большой: много тепла .
Boldmethod
Турбокомпрессоры и их тепловые проблемы
Когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Это один из самых больших недостатков любого турбокомпрессора. Авиадвигатели и так работают при высоких температурах, а горячий всасываемый воздух усугубляет их. Чтобы решить эту проблему, многие турбокомпрессоры используют нечто, называемое промежуточным охладителем .
Интеркулер — это мини-кондиционер, который устанавливается между турбонагнетателем и двигателем. По мере того, как горячий воздух движется от турбины к двигателю, он проходит через интеркулер, и температура значительно падает. Этот более холодный воздух делает ваш двигатель намного счастливее и поддерживает его плавную работу.
Википедия
Преимущество на большой высоте
Турбокомпрессоры являются ключом к полетам на большой высоте в самолетах с поршневым двигателем. Хотя они усложняют двигательную систему, они — единственное, что может поднять поршневой самолет до эшелонов полета при сильном попутном ветре, более высокой истинной скорости полета и таких видах:
Boldmethod
Стать лучший пилот.