Авиационные реактивные двигатели (стр. 1 )

АВИАЦИОННЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Школа: № 303 Фрунзенского района с углубленным изучением немецкого языка имени Фридриха Шиллера

Класс: 10аш

Работу подготовил: Семенов Владислав

Цель работы :

систематизация знаний в области ВРД с использованием физических знаний.

Задачи:

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. Одним из источников вдохновения для меня послужил параграф из учебника по физике «Реактивное движение», в который хотелось бы сделать некоторые дополнения к теме применения принципа реактивного движения в авиации. В данной работе рассматривается история, применение и принцип действия двигателей, которые применяются или применялись когда-либо в авиации более подробно.

Введение

Развитие скоростной авиации привело к необходимости замены поршневых авиадвигателей, имевших ограниченя по мощности, реактивными двигателями, значительно превосходящими по этому параметру поршневые при меньшем весе.

Мощность, необходимая для продвижения самолета в воздухе, с увеличением скорости полета увеличивается, в то время как мощность силовой установки с поршневым двигателем не зависит от скорости полета и, более того, создает аэродинамическое сопротивление. Таким образом, повышение мощности увеличивало вес и габариты самолетов и было неоправданно для больших скоростей полета.

В противоположность поршневым двигателям у реактивных двигателей мощность значительно возрастает с увеличением скорости полета. Однако с ростом высоты полета мощность реактивных двигателей уменьшается. Падение мощности реактивных двигателей с высотой компенсируется в некоторой степени увеличением её с ростом скорости полета, поэтому реактивные двигатели и по высотности значительно превосходят поршневые.

Классификация тепловых реактивных двигателей

Рисунок 1 – классификация реактивных двигателей

Классификация ТРД (рис 1) прежде всего связана с родом потребляемого химического топлива, методами его получения и использования. Известно, что тепловая энергия, затрачиваемая на создание тяговой работы реактивного двигателя, высвобождается в результате термохимической реакции сгорания или окисления. Осуществление этой реакции оказывается возможным, как правило, при наличии двух компонентов топлива: горючего и окислителя. Для обеспечения непрерывной работы двигателя в полете необходимо иметь на летательном аппарате достаточный запас горючего. Окислитель можно также заранее запасать в виде различных кислородсодержащих твердых и жидких веществ. В качестве окислителя удобно использовать атмосферный воздух — вплоть до очень больших высот (30-50 км) в атмосфере содержится около 20% (по весу) кислорода.

Воздушно-реактивный двигатель

Воздушно-реактивный двигатель (ВРД) — тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые этот термин в печатной публикации, по-видимому, был использован Б. С. Стечкиным в журнале «Техника Воздушного Флота», где была помещена его статья «Теория воздушного реактивного двигателя» (1929 г.)
В английском языке этому термину наиболее точно отвечает словосочетание air-breathing jet engine (буквально — реактивный двигатель, дышащий воздухом).
Воздушно-реактивные двигатели используются, как правило, для приведения в движение воздушных летательных аппаратов.

Сила тяги в ВРД возникает в результате истечения рабочих газов из реактивного сопла. Для получения большой скорости истечения газов из сопла воздух, поступающий в камеру сгорания ВРД, подвергается сжатию. В зависимости от способа сжатия воздуха ВРД делятся на турбокомпрессорные (ТРД), пульсирующие (ПуВРД) и прямоточные (ПВРД).

Общие принципы работы ВРД

Несмотря на многообразие ВРД, существенно отличающихся друг от друга конструкцией, характеристиками и областью применения, можно выделить ряд принципов, общих для всех ВРД и отличающих их от тепловых двигателей других типов.

ВРД — как реактивный двигатель.

ВРД — реактивный двигатель, развивающий тягу за счёт реактивной струи рабочего тела, истекающего из сопла двигателя. С этой точки зрения ВРД подобен ракетному двигателю (РД), но отличается от последнего тем, что большую часть рабочего тела он забирает из окружающей среды — атмосферы, в том числе и окислитель, необходимый для горения топлива. В качестве окислителя в ВРД используется кислород, содержащийся в воздухе. Следовательно, при одной и той же массе топлива аппарат с ВРД энергетически в несколько раз более обеспечен, чем аппарат с ракетным двигателем, и на активном участке полёта может преодолеть в несколько раз большее расстояние (иногда — в десятки раз).

Рабочее тело ВРД на выходе из сопла представляет собой смесь продуктов сгорания горючего с оставшимися после выгорания кислорода фракциями воздуха. Если для полного окисления 1 кг керосина (обычного топлива для ВРД) требуется около 3,4 кг чистого кислорода, то, учитывая, что атмосферный воздух содержит лишь 23% кислорода по массе, для полного окисления этого горючего требуется 14,8 кг воздуха, и, следовательно, рабочее тело, как минимум, на 94% своей массы состоит из исходного атмосферного воздуха. На практике в ВРД, как правило, имеет место избыток расхода воздуха (иногда — в несколько раз, по сравнению с минимально необходимым для полного окисления горючего), например, в турбореактивных двигателях массовый расход горючего составляет 1% — 2% от расхода воздуха. Это позволяет при анализе работы ВРД, во многих случаях, без большого ущерба для точности, считать рабочее тело ВРД, как на выходе, так и на входе, одним и тем же веществом — атмосферным воздухом, а расход рабочего тела через любое сечение проточной части двигателя — одинаковым.

Динамику ВРД можно представить следующим образом: рабочее тело, поступает в двигатель со скоростью полёта, а покидает его со скоростью истечения реактивной струи из сопла. Из баланса импульса, получается простое выражение для реактивной тяги ВРД:

 (1)

Где — сила тяги, — скорость полёта, — скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя), — секундный расход массы рабочего тела через двигатель. Очевидно, ВРД эффективен (создаёт тягу) только в случае, когда скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя превышает скорость полёта: .

Скорость истечения газа из сопла теплового реактивного двигателя зависит от химического состава рабочего тела, его абсолютной температуры на входе в сопло, и от степени расширения рабочего тела в сопле двигателя (отношения давления на входе в сопло к давлению на его срезе). Химический состав рабочего тела для всех ВРД можно считать одинаковым, что же касается температуры, и степени расширения, которые достигаются рабочим телом в процессе работы двигателя — имеют место большие различия для разных типов ВРД и разных образцов ВРД одного типа. Во всяком случае, для каждого ВРД существует некоторая максимальная, специфическая для данного двигателя скорость истечения рабочего тела из сопла, которая ограничивает сверху диапазон скоростей полёта, при которых данный ВРД эффективен.