Мощность турбины самолета: Рейтинг двигателей от самого слабого до миллионов лс

Рейтинг двигателей от самого слабого до миллионов лс

Рейтинг двигателей по мощности и описание некоторых интересных двигателей.   Поршневой двигатель работающий на сжатом газе. Такой моторчик имеет очень маленькую мощность но зато не требует какой либо системы зажигания так как работает на уже накопленной энергии газа углекислоты. В качестве топливного элемента используется углекислотный баллончик и простым проворотом коленчатого вала мотор запускается и работает до полного опустошения баллона от газа. Принцип действия прост как пять копеек. По центру цилиндра находится клапан который нажимается выступом на поршне, при подходе его к верхней мертвой точке. При нажатии газ с баллона поступает в цилиндр и поршень движется вниз (давление в баллоне 70 атмосфер) В нижней мертвой точке цилиндра находится выпускное окно, при нахождении поршня внизу окно открыто и избыточные газы могут выйти из цилиндра. Далее поршень за счет инерции коленчатого вала движется вверх и снова нажимает на клапан впуска, чтоб получить новую порцию сжатого газа. После чего цикл повторяется. Регулирование мощности осуществляется вращением цилиндра находящегося на резьбе, что позволяет изменять длительность впуска сжатой углекислоты. Двигатель имеет мощность с объемом 0.27 куб/см порядка 0.02 лс.   Самыми маленькими и маломощными поршневыми двигателями внутреннего сгорания можно считать микродвигатели для моделизма. Выпускаются в основном моторчики с рабочим объемом от 1.5 до 10 куб/см и с одним единственным рабочим цилиндром. Но тем не менее, такие двигатели могут иметь мощность от 0.1 лс с 1.5 куб см объемом, до 3 лс с 10 кубовым объемом. В качестве топлива используется метиловый спирт — если двигатель с калильным зажиганием. Либо смесь керосина и эфира — если двигатель компрессионного (аналог «дизеля») зажигания. Практически все микродвигатели являются двухтактниками, поэтому требуют добавки в топливо определенных количеств масла. Рабочие обороты разных моделей варьируются от 10 до 35 тысяч об/мин !!! Благодаря высоким рабочим оборотам и двухтактной схеме получается довольно высокая удельная мощность. Есть высокооборотистые экземпляры у которых мощность с литра объема достигала бы 400 лс и это при простейшей системе подачи топлива.   Самыми мощными четырехтактными бензиновыми автомобильными двигателями, являются совершенные двигатели гиперкаров, автомобилей настолько совершенных, что их технические характеристики позволяют им уверенно двигаться на очень высоких скоростях 300 + км/час. При этом хорошо рулиться и тормозить. Мощность двигателей таких машин доходит до 1300 л/с. Но есть и более мощные бензиновые двигатели выпускаемые малыми партиями и имеющими более 13 литров рабочего объема. Такие моторы используются для силовых установок на яхтах и катерах, в драгрейсинге и аналогичных видах спорта основанных на использовании грубой мощи двигателя. Двигатели объемом 13.6 литров обладают мощностью от 700 до 1500 лошадиных сил при использовании их на бензине и без особой форсировки с небольшой степенью наддува. Высокофорсированные версии, могут иметь гораздо большую мощность (более 2500 лс) но не предназначены для длительного использования, на максимальной мощности.   В случае использования другого топлива четырехтактные двигатели могут выдавать гораздо большую мощность, например двигатели гонок на 1/4 мили Top Fuel Dragster. 8 литровый двигатель этих болидов работает на нитрометане и может кратковременно выдавать мощность 6-10 тысяч лошадиных сил и потребляет около 30 литров горючего в секунду. Такой мотор не имеет принудительного охлаждения и охлаждается поступающим в камеру сгорания топливом. Цикл работы на максимальной мощности составляет 4-5 секунд но тем не менее он успевает разогнать болид до 500 км/час ! С литра рабочего объема снимается более 1000 лошадиных сил мощности.   Авиационные бензиновые звездообразные двигатели: самым мощным из них был и остается на сегодняшний день 36 цилиндровый Lycoming XR-7755. Рабочий объем цилиндров в 127 литров позволяет развивать долговременную мощность 5000 лошадиных сил, что составляет 39 лс на литр объема. Авиационные поршневые двигатели характеризуются тем, что все время работают практически на полной мощности. Поэтому для обеспечения большой надежности при огромной мощности, приходится создавать многолитровые двигатели с небольшой снимаемой с каждого литра мощностью. Звездообразные моторы имеют некоторые преимущества для использования их в авиации и по сей день. В первую очередь это возможность создавать при той же мощности более легкие двигатели. Масса Lycoming XR-7755 2700 кг при 5000 лс то есть на 1 кг приходится около 2 лс мощности. Легкость конструкции достигается за счет более «удобной» звездообразной компоновки, в которой к примеру при 9 цилиндрах используется всего лишь одна шейка коленчатого вала, картер получается очень ажурный и короткий, в отличии от рядного или V образного двигателя. Высокая надежность достигается за счет более простой конструкции с использованием воздушного охлаждения.   Корабельные, дизельные сверхмощные двигатели. Самым мощным на сегодняшний день дизельным двигателем, является силовой агрегат под названием Wartsila RTA96. Его номинальная мощность постоянной работы составляет 107. 389 лошадиных сил при расходе дизельного топлива в качестве которого используется мазут. Компания выпускает разные вариации двигателей от 6 до 14 цилиндров в ряд. 107.389 лошадей имеет самая мощная турбированная версия с 14 цилиндрами, общим объемом 25.480 литров. Расход топлива около 13 тонн в час. номинальная мощность достигается при 102 об в мин. Крутящий момент, 7.603.850 Н.м Размеры исполинского двигателя так же потрясают воображение как и его мощность: его длинна 26.59 метров, высота 13.5 м и масса 2.200 тонн. Диаметр цилиндра 0.9 метра ход поршня около 2.5 метров и при этом, он обладает одним их самых высоких КПД, среди всех двигателей равным 50% Таким двигателем оснащаются самые большие суда в мире и его достаточно чтоб разогнать самый большой контейнеровоз на 2010 год Emma Maersk, водоизмещением 170.000 тонн до скорости 25.6 узла или 47 км /час.   Турбореактивные двигатели: При относительно малом весе, такие двигатели обладают просто колоссальной мощностью.   Самые мощные из них:   1. F135-PW-100 турбореактивный двигатель для самолета истребителя F35 обладает тягой режиме максимальной мощности в 19.500 кг что в пересчете на лс составляет около 125.000 лс при массе 1700 кг. Расход топлива составляет около 6 тонн в час в режиме максимальной мощности (на форсаже) Режим экстремальной мощности не может продолжаться долгое время так как на форсаже двигатель сжигает слишком много топлива и при том расходует его не экономично. Обычная работа двигателя, примерно в пять раз меньше максимальной мощности и это около 25 тыс лс.   2. GE90-115B Самый мощный турбовентиляторный двигатель всех времен «на 2013 год». Масса агрегата около 8 тонн, тяга 52 тонны на взлете и 10 тонн при поддержании крейсерской скорости. Максимальная мощность в пересчете на лошадиные силы около 330.000 лс и крейсерская около 66 тыс лс. Примечательно, что максимальная мощность одного двигателя больше номинальной мощности всей силовой установки авианосца Нимиц !!!   Принцип действия турбореактивного двигателя заключается в сжатии воздуха лопатками многоступенчатого компрессора до 15-25 атмосфер, после чего воздух попадает в камеры сгорания в которых происходит подача топлива и поджигание его искрой свечи, топливо сгорая расширяется и сгоревшие газы попадают на лопатки турбины, раскручивая ее вырываются в окружающее пространство. Лопатки турбины и компрессора находятся на одном валу, раскручивая турбину раскручиваются и лопаточные колеса компрессора. Двигатели истребителей оборудуются форсажными камерами. Пространство находящееся за турбиной в которое подается дополнительное топливо. Так как не весь кислород находящийся в воздухе сгорает в камерах сгорания, появляется возможность дожечь его в форсажной камере, позволяя получить больше тяги в итоге. Форсажная камера уменьшает экономичность двигателя но повышает его энерговооруженность, позволяя снять больше мощности с единицы веса двигателя. Двигатели грузовых и пассажирских самолетов оборудуют огромными вентиляторами или винтами (турбовентиляторные и турбовинтовые двигатели) стоящими перед компрессором. Такие устройства позволяют использовать не только реактивную энергию газов сгоревшего топлива и несгоревших компонентов воздуха, но создают значительный процент тяги используя образовавшийся избыток крутящего момента на валу, в результате работы самого двигателя. Турбовентиляторные двигатели значительно экономичнее аналогичных турбореактивных.   Самые енерговооруженные, двигатели обладающие просто нереальной мощью, это естественно ракетные двигатели. Самым мощным из них является американский двигатель на жидком ракетном топливе F1, используемый в прошлом, для запуска человека на луну. F1 является самым мощным однокамерным двигателем, то есть имеющим одну камеру сгорания и сопло. Часто используются объединенные двигатели состоящие из 4 однокамерных. Советский РД-170 превзошел по мощности F1 но он имеет 4 однокамерных двигателя сгруппированных вместе.   Итак приступим к описанию:   Масса двигателя 8400 кг.   Потребление топлива 788 кг литров в секунду — 47 тонн в мин   Потребление окислителя 1789 литров в секунду — 107 тонн в мин   Только на работу насосов прокачивающих топливо и окислитель, затрачивалось 55000 лошадиных сил мощности.   Мощность же самого двигателя составляла около 700 тонн тяги или около 38.000. 000 лс !!!   В составе первой ступени ракеты Апполон 5, использовалось 5 таких двигателей общей мощностью 190 миллионов лошадиных сил.   При всей мощности двигателей F1 существуют еще более мощные, на этот раз это твердотопливные ракетные двигатели (ускорители). Ускорители, применявшиеся для запуска космического челнока Шатла на орбиту. Мощность каждого в 1.8 раза больше двигателя F1 и составляет около 1260 тонн или 68 миллионов лошадиных сил. Корпуса ускорителей являются многоразовыми элементами и при «положительной дефектовке» могут использоваться повторно. Чтоб реализовать многоразовость, ускорители снабжены системой спасения, после отделения их от основного бака челнока. Система спасения подразумевает наличие нескольких парашютов с системой управления, раскрывающихся сразу после отделения. Баки опускаются на поверхность океана после чего могут быть выловлены и доставлены на базу, для осмотра, дефектовки и повторного использования, всего ускорителя полностью или частично.   Статья с авиационными, морскими и ракетными двигателями, не совсем сочетается с основным содержимым сайта zero-100.ru и создана с надеждой, что она так же будет интересна нашим читателям, как и все остальные материалы, публикуемые на страницах нашего ресурса.   Оставляйте свои отзывы ведь благодаря им мы будем лучше знать, что больше всего нравиться нашим читателям !   на главную

Двигатель для Boeing 777X официально признан самым мощным в мире

Крупнейший в мире двигатель для коммерческих воздушных судов — GE9X, устанавливаемый на новый широкофюзеляжный самолет Boeing 777X, был признан самым мощным в мире. Об этом сообщили производитель силовой установки компания General Electric совместно с представителями компании, занимающейся фиксированием показателей для «Книги рекордов Гиннесса», — в рамках празднования 100-летнего юбилея GE. 

Двигатель выработал рекордную тягу в размере 60,9 т (134,3 тыс. фунтов) в ходе испытаний 10 ноября 2017 г. на полигоне General Electric в Пиблз (штат Огайо). Для сравнения: двигатели истребителя F-16 способны произвести тягу в размере 12,2 т (27 тыc. фунтов). 

Предыдущий рекорд самого мощного двигателя для коммерческих воздушных судов принадлежал силовой установке GE90-115B. Двигатель, разработанный для Boeing 777, в 2002 г. произвел тягу в размере 58 т (127 тыс. фунтов). 

Напомним,что  в начале лета американский авиастроитель Boeing и General Electric столкнулись с технической неисправностью силовой установки GE9X. В начале июня на стадии финальных сертификационных испытаний ТРДД в передней части 11-ступенчатого компрессора высокого давления GE9X была обнаружена «аномалия». 

«Это механическая проблема, она никак не связана с общей характеристикой двигателя или с тем, как он был произведен. Это не аэродинамическая проблема», — рассказывал глава GE Aviation по программе GE9X Тед Инглинг. В результате было принято решение о переносе первого полета 777X.

На данный момент на силовую установку получено более 700 заказов от таких авиакомпаний, как ANA, British Airways, Cathay Pacific, Emirates, Etihad, Lufthansa, Singapore Airlines и Qatar Airways.  

Производитель надеется сертифицировать двигатель до конца этого года. Этап окончательных летных испытаний GE9X, подтвердивший параметры для прохождения сертификации со стороны Федеральной авиационной администрации (FAA) США, был завершен в начале мая. 

Почему авиастроительные корпорации делают одинаковые самолеты?

• Павел Аксенов
• Русская служба Би-би-си

19 июня 2017

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Конструкторы нашли оптимальную форму для пассажирского самолета

Когда в очередной раз вы видите презентацию нового авиалайнера, не появляется ли у вас ощущение дежавю, не кажется ли вам, что каждый раз из ангара выкатывают самолет, который вы уже много раз видели раньше?

В понедельник открывается парижский авиасалон Ле Бурже, где будут представлены самые последние новинки авиационного рынка. 2017 год вообще богат на премьеры — только в мае в воздух впервые поднялись российский лайнер МС-21 и китайский С919, а Boeing 737MAX и А321NEO уже поступают к первым покупателям.

Но если стереть со всех этих самолетов опознавательные знаки, ливреи, отличите ли вы на летном поле один от другого? На фото в конце этого абзаца изображены Airbus A320 и Boeing 737. Сможете ли вы, не прибегая к помощи интернета, понять, какой где?

Подпись к фото,

Проверьте себя. На этом снимке — Airbus A320 и Boeing 737. Сможете отгадать, какой где? Ответ — в последнем абзаце текста

Мы привыкли к тому, что самолеты похожи друг на друга, однако, оказывается, так было не всегда. В первые десятилетия после Второй мировой войны — во время расцвета гражданской авиации — у каждого пассажирского самолета было свое «лицо».

1950-е годы, Caravelle, Ту-104, Boeing 707, Comet — каждый из них можно было узнать по неповторимому силуэту. В 1960-е и 70-е небо было тоже более пестрым: Ил-62, Boeing 727, Ту-154. Все они были легко отличимы друг от друга даже на большом расстоянии. Посмотрите, какими разными они были:

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Британский лайнер Comet — первый серийный реактивный пассажирский самолет

Автор фото, TASS/Belozerov

Подпись к фото,

Ту-104 — первый советский реактивный авиалайнер

Автор фото, Wikimedia/Garitzko

Подпись к фото,

У германского VFW 614 двигатели располагались над крыльями — наверное, самая причудливая модель за всю историю гражданской авиации

Автор фото, Hulton Archive

Подпись к фото,

DC-10 — еще один неповторимый силуэт в гражданской авиации

Автор фото, Anatoly Yegorov/TASS

Подпись к фото,

Ил-62 — советский дальнемагистральный лайнер совершенно не похож на своего американского конкурента Boeing 707

Автор фото, Hulton Archive

Подпись к фото,

Boeing 707 — «одноклассник» Ил-62

Так что же случилось? Все очень просто. Похоже, авиаконструкторы во всем мире нашли оптимальную форму самолета. В авиации не бывает дизайна ради красоты (ну разве чуть-чуть) — каждая мелочь имеет свое объяснение и обоснование.

Русская служба Би-би-си попросила авиационных экспертов, включая представителей крупнейших мировых авиастроительных корпораций Boeing и Airbus, объяснить особенности конструкции современных авиалайнеров.

Почему у самолета крылья снизу?

Начнем с крыльев. Когда у самолета они расположены внизу фюзеляжа, он называется «низкопланом». Абсолютное большинство пассажирских самолетов -низкопланы.

В компании Boeing нам объяснили, что причин этому сразу несколько. «Расположение крыла внизу (схема — низкоплан) позволяет сделать более короткие шасси (снизить вес), расположить двигатели под крылом достаточно близко к земле, более удобно скомпоновать пассажирский салон (центральная часть крыла проходит под полом пассажирской кабины), создает условия для безопасного покидания самолета в случае аварийной посадки на воду», — рассказали в американской компании.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Низкорасположенное крыло более безопасно при аварийных посадках даже при полных топливных баках. В 2009 году А320 компании US Airways приводнился на реку Гудзон сразу после взлета. Все пассажиры и экипаж спаслись

Давайте чуть подробнее поговорим о безопасности. Центральная часть самолета — место, где крылья соединяются с фюзеляжем, — называется центроплан. Это самая прочная и самая тяжелая его часть. В ней же расположены и топливные баки. Если самолету придется совершать аварийную посадку, то, очевидно, лучше сидеть на самой прочной и тяжелой части, а не под ней, не правда ли? А если при этом самолет сядет на воду, то полупустые, или почти пустые топливные баки станут своего рода понтонами, которые будут поддерживать его на плаву.

Среди региональных и ближнемагистральных хватает высокопланов, у которых крылья находятся сверху. Есть совсем немного среднепланов, крылья которых соединяются с фюзеляжем в середине, и даже биплан — Ан-2, но это уже авиационная экзотика, хотя и весьма симпатичная.

Автор фото, AFP

Подпись к фото,

Ан-158 проще садиться на плохо подготовленные полосы

Схема «высокоплана» тоже имеет свои преимущества. Самолетам с пропеллерами удобней располагать их выше от земли, а реактивные высокопланы, такие как украинский Ан-158, могут приземляться на аэродромах с не очень хорошо подготовленной полосой, где есть опасность того, что пыль или мелкие камни могут попасть в двигатели.

Наконец, высокопланы чрезвычайно удобны для посадки и высадки — фюзеляж находится близко к земле, можно сойти на нее даже без трапа (особенно актуально как раз для плохо оборудованных аэродромов). Конструкторы транспортных самолетов от этой схемы в полном восторге — загружать такой самолет намного проще.

Почему у самолетов два реактивных двигателя, а не один, три или четыре?

Расцвет гражданской авиации пришелся на послевоенные годы, и некоторое время турбореактивные (без пропеллера) и турбовинтовые (с пропеллером) двигатели соперничали друг с другом.

Первые позволяли самолетам летать быстро, вторые — экономить топливо. Сегодня средне- и дальнемагистральные самолеты летают на турбовентиляторных реактивных двигателях, которые становятся все более экономичными, надежными и, что немаловажно, более тихими.

Тяжеловозы А380, А340 и B747 все еще используют по четыре двигателя (Россия планирует добавить к ним модернизированный Ил-96), до сих пор летают трехдвигательные DC-10 и Ту-154, но в мировой авиации давно наметилась тенденция делать пассажирские самолеты, даже большие и тяжелые, с двумя моторами.

Автор фото, Marina Lystseva/TASS

Подпись к фото,

Новейший российский лайнер МС-21 построен по схеме, ставшей классической

«Расход топлива, аэродинамическое сопротивление и вес силовой установки самолета с двумя мощными двигателями значительно меньше, чем у такого же самолета с тремя или четырьмя двигателями поменьше», — объяснили в Boeing.

Два — идеальное число двигателей авиалайнера. Оставлять один небезопасно — двигатели иногда отказывают в полете, а современный авиалайнер должен быть способен продолжить полет на одном.

Впрочем, есть еще «Мрия», у которой под крыльями целых шесть моторов. Но это особый самолет. И невероятно красивый — полюбуйтесь на него.

Почему двигатели находятся под крыльями?

За всю историю гражданской авиации конструкторы перепробовали великое множество вариантов того, как прикрепить к самолету двигатель. Их размещали в корне крыла, в хвостовой части фюзеляжа, под крыльями, встречались и более экзотические схемы — на американском широкофюзеляжном DC-10 два мотора находились под крыльями, а третий — в хвосте, а у германского Fokker 614 — над крыльями на двух стойках-пилонах.

Теперь на абсолютном большинстве новых лайнеров двигатели подвешены на пилонах под крыльями. Это может показаться странным, ведь два тяжелых авиационных мотора должны создавать большую нагрузку на крылья, которым и без того приходится поддерживать весь самолет. Не лучше ли, например, оставить их в задней части фюзеляжа, как это делали поколения авиаконструкторов?

Автор фото, AFP

Подпись к фото,

Новый Boeing 737MAX — обратите внимание, что к двигателям можно просто подойти по земле, совершенно необязательно при этом бегать за стремянкой. При этом стойки шасси настолько короткие, что гондолы двигателей пришлось в нижней части немного подрезать

«Преимущество двигателей под крылом — это в первую очередь короткий путь к топливному баку, находящемуся, опять же, в крыле. Это означает более простую и более легкую систему подачи топлива. Проще регулировать центр тяжести самолета в полете, так как масса двигателей находится практически в центре», — объяснил Би-би-си германский эксперт в области авиации Александр Вайц.

Для того чтобы обеспечить центровку лайнеров, двигатели которых расположены в хвосте, действительно надо приложить определенные усилия — у таких самолетов центр тяжести смещен назад.

В корпорации Airbus Русской службе Би-би-си объяснили, что еще одним достоинством схемы современных самолетов является то, что двигатели под крыльями работают эффективнее, поскольку находятся в «невозмущенном потоке» — вне завихрений воздуха, которые образуются в полете возле фюзеляжа.

Еще одна причина, на которую указали в Airbus, — уменьшение нагрузки на крыло. Во время полета самолет «опирается» на воздух целиком, и крыльями, и фюзеляжем, и хвостовым оперением. И чем равномернее будет распределена нагрузка по всей площади, тем лучше для всех узлов и сочленений. При этом если тяжелые двигатели будут на фюзеляже, сила притяжения будет стараться как бы «сложить» самолет подобно книге. Сделать это, конечно, не получится, но и лишняя нагрузка планеру ни к чему.

Схема расположения двигателей в хвостовой части самолета, от которой сейчас отказываются производители больших авиалайнеров, долгое время была очень популярной. Вспомним советские Ту-154, Ту-134, Як-40, Як-42, Ил-62, американский Boeing 727 и многие другие. Она имеет определенные преимущества, поскольку позволяет сделать крыло более тонким, аэродинамически более совершенным.

Кроме того, если в полете откажет один двигатель, и самолет сможет продолжать полет на втором, то в случае, если тот будет расположен под крылом, самолет неизбежно будет немного разворачивать (попробуйте толкать детскую коляску одной рукой, взявшись за ручку с краю). Это немного дискомфортно для пилота, но не так уж опасно. Когда двигатели находятся в хвостовой части, экипаж не будет испытывать даже и этого дискомфорта.

Однако когда речь заходит о комфорте во время технического обслуживания, разница между двигателями под крылом и в хвосте становится колоссальной. Инженер по техническому обслуживанию самолетов Алексей Ребик рассказал Би-би-си об обслуживании самолета на примере самой простой операции — установки на двигатель заглушки (алюминиевый щит или кусок ткани, которым закрывают воздухозаборник). Эту операцию выполняют каждый раз, когда самолет отправляется на более-менее длительную стоянку.

Автор фото, Yuri Belozerov/TASS

Подпись к фото,

1982 год, техники зимой пытаются добраться до двигателей Ту-134

Автор фото, Anatoly Sedelnikov/TASS

Подпись к фото,

1994 год. Более современный «Туполев» — Ту-204. Техникам явно намного проще с ним работать

«Если двигатель расположен высоко, значит, вы должны взять стремянку, потаскать ее вокруг всего самолета, подтащить к каждому двигателю, заглушить… А там несколько точек крепления, и с одной стремянки, бывает, не достать до всех точек — на магистральных самолетах воздухозаборник обычно диаметром не меньше двух метров. С одной стремянки вы не можете достать до всех точек, и каждый раз вам надо спуститься, переставить стремянку, прикрепить заглушку в следующей точке и повторить это еще раз», — рассказал он.

При этом в случае с Ту-154 или Boeing 727, у которых имеется третий двигатель внутри хвостовой части фюзеляжа, как рассказал инженер, для простейшего технического обслуживания надо вообще вызывать специальный автомобиль со стрелой и люлькой. На самолетах с низкорасположенными двигателями такая процедура, по его словам, делается минимум на полчаса быстрее.

А ведь установка заглушки — простая операция, при более сложном обслуживании проблемы с доступом становятся еще более острыми, а их решение — еще более длительным.

Если вы считаете, что пассажира это не очень касается, то напрасно — техническое обслуживание самолета авиакомпания обычно оплачивает по времени работы техника. И в конечном счете тот факт, что самолеты теперь стало проще и быстрее обслуживать, отразился на стоимости билетов — полеты стали более доступными.

Есть еще одна причина, по которой двигатели вешают не просто под крылом, но и поотдаль от фюзеляжа. В корпорации Airbus Би-би-си объяснили, что это делается для того, чтобы в салоне не было слышно шума от них.

Почему у самолета именно такой хвост?

Прежде чем окончательно прийти к той форме, которую обычно имеют современные самолеты (однокилевое хвостовое оперение с двумя горизонтальными плоскостями в основании), авиаконструкторы перепробовали великое множество вариантов. Самым экзотическим был, наверное, Constellation — лайнер, который выпускала с 1943 по 1958 год американская компания Lockheed. Его разрабатывали во время Второй мировой, и самолету нужен был невысокий хвост, чтобы вписываться в ворота ангаров — вместо одного большого в результате сделали три маленьких.

Автор фото, Hulton Archive

Подпись к фото,

Lockheed Constellation можно наградить призом за самый пышный хвост

За всю историю авиации хвостовое оперение приобретало самые причудливые формы — одно- и двухвостое оперение, Н-образное, V-образное, Т-образное и многие другие. Если бы конструкторы не нашли в результате оптимальную схему, они бы, наверное, перепробовали весь алфавит.

В настоящее время классическими можно считать два типа: оперение с одним вертикальным стабилизатором (рулем направления) и двумя горизонтальными (рулями высоты), которые расположены у его основания, а также Т-образное, как на Ту-134 или Boeing 727. У каждого типа есть свои преимущества и недостатки, но в результате на большинстве авиалайнеров применяется первый вариант.

Автор фото, Carl Ford / Airteamimages

Подпись к фото,

Boeing 727-225 авиакомпании Дональда Трампа Trump Shuttle (действовала с 1989 по 1992 годы). Обслуживать такое Т-образное хвостовое оперение намного сложнее, чем у самолета, стабилизаторы которого находятся на фюзеляже

Проблема тут в том, что обе схемы обладают своими достоинствами и недостатками. К недостаткам схемы, ставшей традиционной на современных лайнерах, можно отнести то, что стабилизаторы «попадают в возмущенный поток, сходящий с расположенного впереди крыла», рассказали специалисты Boeing. Другими словами, воздушные завихрения за крыльями образуются ровно в том месте, где находятся рули высоты.

Автор фото, AFP

Подпись к фото,

Новый китайский авиалайнер С919 — никаких сюрпризов в компоновке, традиционная схема с низкорасположенными стабилизаторами

Однако у Т-образной схемы недостатков больше. Как объяснили в Airbus, нижнее расположение рулей высоты продиктовано вопросами безопасности: «При сваливании стабилизаторы на вершине находятся в «тени» воздушного потока крыла, такой самолет тяжелее вывести в стабильное управляемое положение».

В Boeing тоже обращают внимание на эту проблему: «Основным недостатком этой схемы с позиций безопасности полета является возможность попадания стабилизатора и расположенных на нем рулей высоты в зону скосов потока с крыла в случае полета самолета на очень больших углах атаки».

Поясним, речь идет о положении самолета, при котором его нос сильно задран, а сам он продолжает лететь вперед — в такой ситуации крылья как бы раздвигают воздух, оставляя за собой сильно разреженный его слой. В этой «тени» и оказываются горизонтальные стабилизаторы на вершине хвоста (и двигатели, если они расположены сзади), при помощи которых можно выровнять самолет — из-за отсутствия плотного воздуха сделать это почти невозможно. В такую опасную ситуацию лайнеры попадают нечасто, но этот недостаток серьезно усугубляет весь набор проблем Т-образной схемы хвоста.

В Airbus указали еще на одну проблему такого хвостового оперения — большой вес. Горизонтальные рули и сами по себе весят немало, но сверху нужно еще разместить различные механизмы, да и сам хвост укрепить, увеличив тем самым его массу.

Наконец, судя по рассказу инженера по техобслуживанию самолетов Алексея Ребика, эта схема — настоящее наказание для техников. Он объяснил это на примере обслуживания стабилизаторов на Ту-154.

«Высота горизонтального оперения на Ту-154 — 11-12 метров. Здесь не обойдешься стремянкой. Надо вызывать машину и ждать, пока она приедет. Когда приезжает машина, у нее выдвигаются аутригеры — гидравлические подъемники, опоры, которые она ставит на землю. Это занимает время. Чтобы переместиться от одной половины стабилизатора к другой, ей нужно опустить стрелу, потом поднять аутригеры, затем вы управляете этой машиной, подъездом-отъездом, потом снова она выдвигает опоры, вы залезаете в корзину, едете наверх, выполняете работы. По сравнению с тем, как вы одну стремянку под Boeing 737 подкатили, это плюс полчаса получается», — рассказал инженер.

Что же нового в современных самолетах?

Мы точно знаем, как будет выглядеть новый авиалайнер, который представят на ближайшем авиасалоне. И человеку, далекому от авиации, будет сложно отличить новинку одного производителя от другого. Но если авиаконструкторы уже нащупали оптимальную форму самолета, как происходит эволюция самолетов, по какому пути они развиваются?

В корпорации Airbus Би-би-си сказали, что основные направления развития пассажирской авиации — экономичность, летно-технические характеристики, комфорт, удобство эксплуатации, надежность (которая не связана с безопасностью — это отдельная и большая тема, скорее связанная с обслуживанием, чем с проектированием).

Автор фото, Deniz Altindas

Подпись к фото,

Прогресс в авиации идет по малозаметному со стороны пути — использование новых материалов, новых систем управления самолетом

«Наверное, бесконечными можно назвать модификации в салоне самолета, ведущие, с одной стороны, к увеличению числа перевозимых пассажиров, с другой — к улучшению комфорта салона. Кроме того, идет активная работа по улучшению показателей экономической эффективности самолетов: это более современные двигатели, новые законцовки крыла, шарклеты, это новая геометрия крыла, как на А350, ну и, конечно же, это новые материалы. Прежде всего это композитные материалы, они более лёгкие и более надежные», — рассказал авиационный эксперт Александр Вайц.

В Boeing указали на «широкое применение новых композитных материалов, новых прочных и легких сплавов», а также прочих систем, главная задача которых — снизить вес самолета и продлить его жизненный цикл.

Кроме того, в американской компании рассказали, что в новых авиалайнерах будет «существенно более высокий уровень автоматизации полета, практически от взлета до заруливания на стоянку после посадки, автоматическая «защита» от попадания самолета в какие-либо критические ситуации в результате ошибок экипажа или/и отказов двигателя или систем».

Однако, по словам представителей корпорации, «продолжаются исследования других аэродинамических схем самолета, например: схема «летающее крыло», расположение двигателей над фюзеляжем и другие для снижения расходов топлива, уровня шума на местности и вредных выбросов».

Ах, да, и на картинке в начале текста слева — Boeing 737-700, а справа — Airbus 320.

«А вместо сердца пламенный мотор…»

22 марта 2020

«А вместо сердца пламенный мотор…», и пусть герой популярного советского фильма вкладывал в эту фразу немного иной смысл, именно она точно характеризует легендарный двигатель, который стал бестселлером на протяжении уже почти шести десятилетий. И как бы не спорили авиаторы именно двигатель и есть сердце любого самолета и вертолета. Итак, наш рассказ сегодня о легенде. Этот двигатель «поднимал», «поднимает» и будет «поднимать» в небо настоящие иконы авиастроения. Их название будоражит воображение — Air Tractor, Piaggio Avanti, Cessna Caravan, KODIAK, Piper Malibu Meridian и конечно же легендарный Pilatus PC-12. Сегодняшний наш герой РТ6 разработки Pratt & Whitney Canada, который ведет свою историю с конца пятидесятых годов прошлого столетия. С тех пор было выпущено свыше 51000 двигателей, а если учесть, что подавляющее число самолетов – одновинтовые, то это просто фантастическая цифра.

Мы решили рассказать вам эту славную историю устами самого РТ 6, и вот его воспоминания….

• 1957 – Pratt & Whitney Canada собрала команду из 12 молодых талантливых инженеров после того, как исследования показали, что на рынке авиационных двигателей турбовинтовые двигатели класса 500 л.с. (мощность на валу) работают на поршневых двигателях. P & WC увидела возможность направить часть прибыли от своего бизнеса по производству запасных частей для поршневых двигателей на разработку газотурбинных двигателей меньших, чем те, которые были получены его материнской компанией в США.
• 1963 – этот день для нас настоящий праздник. В декабре 1963 года компания P & WC отгрузила первый серийный двигатель PT6A-6 компании Beech Aircraft для установки на самолет Beech 87, который впоследствии стал King Air. PT6A-6 – это инновационная газовая турбина, которая представляет собой значительный прогресс в технологии по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, используемыми для питания небольших самолетов. Газовые турбины имеют более высокое отношение мощности к массе, чем поршневые двигатели.
• 1967 –  Pava P-31 Navajo совершил свой первый полет на PT6A-20. Piper пользовалась огромным успехом в создании легких самолетов с 1930-х годов, но P & WC потребовались годы усилий, чтобы уговорить Piper внедрить турбинные двигатели и отойти от их традиционной зависимости от поршневых двигателей.
• В конце 60-х РТ6A-27 начали устанавливать на легендарный одномоторный Pilatus PC-6 Porter, среди возможностей которого использование ультракоротких неподготовленных полос и эксплуатация в сложных климатических условиях.
• 1968 – двигатель P & WC ST6L73 (производный от PT6A без второй ступени коробки передач) введен в эксплуатацию в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ) для самолета Lockheed L1011.
• 1968 – Bell Helicopter разместил свой первый заказ на первый турбовальный вал P & WC, двигатель PT6T Twin-Pac®
• 1970 – P & WC PT6T Twin Pac® введен в эксплуатацию. Это два двигателя, соединенные в одном корпусе для двухмоторных вертолетов среднего размера.
• 1970 – Военные США заказали 294 Bell 212 под обозначением UH-1N, оснащенным турбовальными двигателями PT6T Twin-Pac®. Доставка также началась в 1970 году.
• 1973 – На РТ6А-41 была введена силовая турбина второй ступени. Это было постепенное изменение мощности и эффективности двигателя.
• 1979 – Сельскохозяйственный самолет Air Tractor приводится в движение двигателем PT6A и летит на конвенцию Национальной сельскохозяйственной авиационной ассоциации в Лас-Вегасе – впервые такая комбинация была показана публике.
• 1981 год – к этому году двигатели PT6T были установлены на 1000 вертолетах, в основном произведенные Bell Helicopter.
• 982– Cessna Aircraft Company, всемирно известная своими бизнес-джетами, выбрала двигатель PT6A-114A для своего нового многоцелевого самолета Cessna 208 Caravan. Самолет стал бы очень популярной и неутомимой рабочей лошадкой в различных применениях по всему миру. Одним из крупнейших клиентов Caravan на сегодняшний день является экспресс-перевозчик FedEx, который в настоящее время имеет парк из приблизительно 350 самолетов.
• 1984 – Piaggio Avanti стал одним из первых самолетов, оснащенных двигателем PT6A-67 (позднее — PT6A-66). На сегодняшний день это самый бустрый из сертифицированных двухдвигательных турбовинтовых самолетов, известный как «Небесный Феррари».
• 1984 – На модели PT6A-65 была внедрена технология Integral Bladed Rotor (IBR) первой ступени, что привело к уменьшению количества деталей в двигателе и повышению эффективности.
• 1985 – семейство турбовальных двигателей PT6B дебютировало с PT6B-36, которым будет оснащен двухмоторным Sikorsky S-76B. Новый двигатель увеличил мощность S-76 на 46 процентов по сравнению с предыдущими моделями самолета.
• 1987 – Socata официально представила свой самолет TBM 700 на авиасалоне в Ле Бурже, а в 1989 году компания заказала 50 двигателей PT6A-64 у P & WC. Поставка первого TBM 700, оснащенного PT6A-64, состоялась в 1990 году. Вместимостью до 7 человек, TBM 700 – это пассажирский самолет, который используется в самых разных областях.
• 1990 – поставлен последний из пассажирских самолет Embraer Bandeirante. С тех пор как в конце 1960-х годов бразильская Embraer SA установила PT6A-27 (а затем и PT6A-34) в 19-местном Bandeirante EMB110, было изготовлено около 500 самолетов. С тех пор, в течение 45 лет, Embraer выбрал более полудюжины различных моделей серии PT6A, в дополнение к моделям семейства PW100, PW600 и PW500, для питания своего турбовинтового самолета.
• 1991 – В мае впервые пилотировал Pilatus PC-12 с двигателем PT6A-67B. Он быстро стал популярным для миссий, начиная от авиалиний и службы скорой медицинской помощи до грузовых перевозок.
• 1991 – турбовинтовой двигатель PT6A-68/1 выбран для тренажера Embraer EMB-312H Super Tucano, который предназначен для работы в условиях высокой температуры и влажности в чрезвычайно пересеченной местности.
• 1993– Технология монокристаллического лезвия была впервые представлена на PT6A-67A, что привело к увеличению температурной способности двигателя, позволяя ему работать при более высоких температурах газового тракта, и обеспечивая большую мощность для двигателя такого же размера.
• 1996– ВМС США и ВВС США объединились, чтобы найти замену своим самолетам Cessna T-37 и Beechcraft T-34C, используемым для обучения пилотов начального уровня. В этом году контракт с Объединенной системой подготовки первичных самолетов (JPATS), оцениваемый в 9 миллиардов долларов США, включая контракты на поддержку, был присужден Raytheon Aircraft (как тогда назывался Beech), который предложил модифицированную систему Beech / Pilatus PC-9 Mk II, оснащенных одним двигателем PT6A-68. Присуждение контракта воздушному судну, позже обозначенному как T-6A Texan II, стало неожиданностью, поскольку в то время считалось, что он будет присужден самолету. Первый T-6A Texan II полетел в 1996 году, и к 2012 году было поставлено более 600 двигателей.
• 1998 — Продолжая тенденцию, руководители P & WC и Pilatus встретились в Нууке, Гренландия, чтобы подписать контракт после того, как Pilatus выбрал PT6A-68B для своего нового учебно-тренирово PC-21. В качестве демонстрации уверенности в совместном продукте, созданном P & WC и Pilatus, руководители P & WC совершили 11½ часовой полет туда-обратно на борту Pilatus PC-12, оснащенного PT6A-67B мощностью 1200 л.с., в то время как руководители Pilatus в Швейцарии отправились в Нуук на РС-12, пролетев более 8500 км.
• 2000 — Piper Malibu Meridien, оснащенный PT6A-42A, сертифицирован. Самолет известен своей способностью быстро и эффективно подниматься на высоту независимо от погодных условий и турбулентности.
• 2001 — PT6C, третье семейство турбовальных двигателей на базе двигателя PT6A, дебютировало в этом году с PT6C-67C для двухмоторного 15-местного AgustaWestland A139.
• 2003 — История авиации началась в этом году, когда инновационный наклонный ротор Bell / Agusta AB609 впервые полетел на двух PT6C-67. Позже переименованный в AgustaWestland AW609, наклонный ротор приземляется и взлетает вертикально, как вертолет, но курсирует как турбовинтовой двигатель.
• 2003 — В сентябре этого года Ken Borek Air совершил дерзкий спасательный полет со своей базы в Калгари, Канада, на американскую исследовательскую станцию Амундсен-Скотт в Антарктике на борту турбовинтового Twin Otter, оснащенного двигателями PT6A-34. Затем он привез больного научного сотрудника в Пунта-Аренас, Чили для оказания медицинской помощи. Самолет выдержал низкую температуру и плохую видимость в то время, обычно самолеты редко летают в этом регионе.
• 2003 — Самолет Epic LT был объявлен на ежегодной конференции EAA AirVenture в Ошкоше, Висконсин. Epic LT -это шестиместный турбовинтовой самолет в экспериментальной категории с двигателем PT6A-67A.
• 2006 — P & WC подписала пятилетнее соглашение с Blackhawk Modification для 550 новых двигателей серии PT6A в рамках Программы улучшения конверсии P & WC (CEP). В соответствии с соглашением Blackhawk Modification будет использовать двигатели P & WC для своих различных программ по модернизации двигателей серий Raytheon King Air, Cessna Conquest 1 и турбовинтового самолета Piper Cheyenne в рамках дополнительных сертификатов типа (STC).
• 2007 год — сертифицирован крупнейший самолет Air Tractor, AT-802, оснащенный PT6A-67F. Air Tractor был основан Leland Snow в 1972 году, и его самолеты теперь можно найти на сотнях ферм в Соединенных Штатах и по всему миру. У компании обширная линейка самолетов, оснащенных PT6A, которые имеют грузоподъемность от 400 до 1000 галлонов и способны распылять как жидкие, так и сухие смеси.
• 2007 — PT6C-67E был выбран для установки на Eurocopter EC175, а ввод в эксплуатацию ожидался в 2013 году. Eurocopter объявляет EC175 самым просторным, безопасным, комфортным, простым в управлении, дешевым в обслуживании, наиболее экономичным 7-тонным вертолетом в мире.
• 2007 – Viking Air возродил канадский самолет Twin Otter de Havilland, который был изготовлен в Торонто с 1965 по 1988 год. Компания Viking приобрела сертификаты типа у Bombardier Aerospace для всех снятых с производства самолетов de Havilland и возобновила производство новой серии Twin Otter 400 с мощными двигателями PT6A-34 / -35.
• 2007 — P & WC подписала пятилетнее соглашение со Standard Aero на 531 новый двигатель серии PT6A в рамках своей Программы повышения конверсии (CEP). В рамках программы Standard Aero будет использовать двигатели PT6A для различных программ модернизации турбовинтовых самолетов.
• 2008 — Компания Quest Aircraft поставила свой первый турбовинтовой двигатель KODIAK с двигателем PT6A-34. Quest был создан в 2001 году с целью разработки и производства внедорожного самолета для отдаленных районов, подходящего для различных миссий и гуманитарных организаций. Коммерческий успех KODIAK субсидирует примерно каждый десятый выпущенный самолет, который затем доставляется участвующей некоммерческой организации.
• 2010 — Компьютеризированная система визуального контроля (CVIS) была введена в производственный процесс для двигателей PT6. Это автоматизированный инструмент контроля, который проверяет целостность внешней сборки новых двигателей. CVIS включает в себя робота и камеру, которая перемещается по внешнему виду двигателя и делает до 300 снимков. Затем робот сравнивает изображения с «мастерскими» фотографиями, которые показывают, как должна выглядеть внешняя сборка. Любое отклонение идентифицируется роботом. Почти все новые двигатели P & WC теперь анализируются CVIS.
• 2011 — P & WC и Thrush Aircraft объявили о 10-летнем соглашении об общих условиях, которое охватывало широкий спектр коммерческих соглашений. Соглашение расширило партнерские отношения между P & WC и Thrush Aircraft, одним из ведущих производителей сельскохозяйственной продукции в мире.
• 2011 — TBM 700, оснащенный двигателем PT6A-64, стал первым одномоторным самолетом, когда-либо разрешенным для полетов из Гонконга в Пекин; этот полет стал частью 10-недельного путешествия по всему миру.
• 2012 — Pacific Aerospace поставила два самолета с конфигурацией парашютистов P-750 XSTOL операторам в Европе. Оснащенный двигателями PT6A-34, этот самолет популярен среди аэроклубов, занимающихся парашютным спортом, поскольку он может подняться на высоту 3658 м, разгрузить до 17 парашютистов и затем вернуться на базу за 10 минут.
• 2012 — P & WC и Viking Air объявили о заключении 10-летнего соглашения об общих условиях на поставку двигателей PT6, включая PT6A-34 для самолета Twin Otter.
• 2012 — В июле Cessna объявила, что выбрала новый сертифицированный двигатель PT6A-140 для установки на новейший самолет в линейке Cessna: Cessna Grand Caravan PT6A-140 построен на заводе P & WC в Летбридже, Канада, который в 2007 году был назначен Центром передового опыта компании по производству двигателей PT6. Двигатель, в котором используются передовые технологии, является самым мощным двигателем PT6 в своем классе и обеспечивает лучшее соотношение мощности к весу.
• 2012 год — на октябрьском съезде Национальной ассоциации деловой авиации (NBAA) в Орландо, штат Флорида, Hawker Beechcraft торжественно представила King Air с двигателем PT6A, уже 7000-й по счету, Herman and Kittle Properties из Индианаполиса. Самолет находился в непрерывном производстве с 1964 года, и к 2012 году он налетал впечатляющие 45 миллионов часов.
• 2013 год — парк двигателей PT6 превысил 380 миллионов часов полета; это в 10 раз больше часов полета, чем у ближайших конкурентов.

Новый двигатель – новые возможности!

В 2019 году новейшая модификация PT6Е-67XP (PT6 E-Series) установлена на обновленный Pilatus PC-12 NGX. Это первый турбовинтовой двигатель в АОН с двухканальной электронно-цифровой системой управления двигателем и пропеллером. Новые двигатель позволяет самолету взлетать с более коротких полос, также впервые на одномоторном турбопропе установлена система FADEC (автомат тяги), вследствие чего увеличилась скорость полета, а также есть возможность перевода режима работы винта в low speed (снижение количества оборотов, снижение шума в кабине).

«Мы рассматривали это как повышение планки в работе систем управления двигателем, интеллектуального анализа данных, сервисных решений, объединив все воедино», –говорит Ник Канеллиас, вице-президент по маркетингу АОН в P & WC, чья команда курирует программу PT6 E-Series со стороны обслуживания клиентов и основной инженерной поддержки.

В России в рамках сертификации Pilatus PC-12 NGX уже подана заявка на сертификацию двигателя, а инженерный состав в авторизованном Сервисном Центре Pilatus в Доброграде уже прошел переподготовку на заводе и готов к обслуживанию PC-12 NGX. Уже скоро он появится у клиента в России.

Самолет Boeing 777. Технические характеристики

Первые самолеты базовой модели Boeing 777-200 поступили на службу в авиакомпанию United Airlines в 1995 году. Позднее также были выпущены версии с увеличенной дальностью полета Boeing 777-200ER (extended range) и Boeing 777-200LR (longer-range).

В 1998 году на воздушные линии авиакомпании Cathay Pacific Airways вышли самолеты Boeing 777-300, отличающиеся от предыдущей модели удлиненным фюзеляжем и увеличенной пассажировместимостью. С 2004 года также выпускается версия для более дальних полетов Boeing 777-300ER.

На базе самолета Boeing 777-200LR Worldliner разработан и производится грузовая модификация Boeing 777 Freighter.
В настоящее время корпорация «Боинг» ведет разработку модернизированной версии самолета под условным обозначением Boeing 777X, которая будет оснащена новыми двигателями и крылом из композитных материалов.

Boeing 777-200 — самолет для перевозки 300-400 пассажиров на расстояние до 6 тысяч километров (базовая версия), 11 тысяч километров (777-200ER) и 14 тысяч километров (777-200LR).

Boeing 777-300 (Боинг-777-300) — версия с удлиненным фюзеляжем, вмещающим до 450 пассажиров, дальность полета от 7 тысяч до 10 тысяч километров (в варианте 777-300ER).

Кабина экипажа оснащена системой Electronic Flight Bag (EFB). Данные системы EFB, необходимые пилотам для управления самолетом, переведены в электронную форму, что упрощает работу с ними.

Помимо системы Electronic Flight Bag, на борту Боинг 777 внедрен целый ряд решений, направленных на повышение комфорта пассажиров. В частности, салон оснащен видеосистемой с экранами, вмонтированными в спинки кресел, а кресла в салоне бизнес-класса имеют откидывающиеся эргономичные спинки.

Самолет оснащен системой Matsushita System 3000i, обеспечивающей хранение более 300 часов видео- и звукозаписи, воспроизводимой по запросу пассажиров.

Важное преимущество Boeing 777 по сравнению с другими современными авиалайнерами состоит в использовании в его конструкции разнообразных легких, но прочных сплавов и композиционных материалов. Балки пола пассажирской кабины, аэродинамические обтекатели и другие детали изготовлены из композиционных материалов. Суммарная доля композитных материалов в общем весе всей конструкции самолета составляет девять процентов. Таким образом, существенно снижены вес самолета и стоимость его производства.

Авиалайнеры Боинг 777 входят в состав парков крупнейших авиакомпаний мира, включая British Airways, Air France, Alitalia, Lauda Air и El Al.

Летно-технические характеристики для модификации Boeing 777-200ER:

Размах крыла — 60,93 м

Длина самолета – 63,73 м

Высота самолета — 18,52 м

Площадь крыла — 427. 80 кв. м

Масса, пустого снаряженного самолета — 135870 кг Масса, максимальная взлетная – 262470 кг Тип двигателя — 2 ТРДД Pratt Whitney PW4073A Тяга — 2 х 33600 кгс Максимальная скорость — 965 км/ч Крейсерская скорость — 905 км/ч Практическая дальность — 8910 км

Практический потолок — 13100 м Экипаж – 2 человека Полезная нагрузка — 305-328 пассажиров в кабине трех классов, 375-400 пассажиров в кабине двух классов или 440 пассажиров в экономическом классе.

Материал подготовлен на основе информации из открытых источников

Бестопливный двигатель: автомобиль и самолет могут работать… на воздухе — Энергетика и промышленность России — № 10 (50) октябрь 2004 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 10 (50) октябрь 2004 года

Неравномерный нагрев газов, сжатых под действием гравитации, вызывает изменения давления в атмосфере, что нарушает ее равновесное состояние. При восстановлении его потенциальная и тепловая энергия воздуха преобразуются в кинетическую энергию воздушных потоков, доступную для использования. На этом принципе основано действие ветродвигателей, которые выполняют механическую работу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания. Однако у таких двигателей есть недостатки — низкая плотность энергии на единицу рабочей площади и неуправляемость процесса.

Но нарушать равновесное состояние атмосферы для преобразования потенциальной энергии воздушных масс в кинетическую можно и за счет управляемых воздействий. Например — в эжекторных устройствах. При воздействии пульсирующей активной струей в эжекторном насадке периодически создается разрежение, при котором за счет неуравновешенной силы атмосферного давления вслед за каждым импульсом активной струи ускоряется воздух.

О. И. Кудриным, одним из авторов открытия «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей», зарегистрированного в 1951 г., проведены экспериментальные исследования, показавшие эффективность этого процесса. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно, — потому, что изначально исследования были направлены на получение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиационных двигателей).

Следует отметить, что если процесс присоединения дополнительных масс применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно полученной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы — она неизбежно рассеивается в атмосфере.

Это стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать более эффективно.

Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды с использованием процесса последовательного присоединения.

Первый способ. Низкопотенциальная энергия атмосферы преобразуется в струйном двигателе с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания. В данном случае процесс присоединения состоит из повторяющихся с заданной периодичностью двух последовательных термодинамических циклов. В каждом цикле имеется свой источник энергии и рабочее тело. В первом цикле (при сгорании топлива в постоянном объеме камеры) энергия продуктов сгорания, истекающих из реактивного сопла, преобразуется в кинетическую энергию первой части реактивной массы, которая движется в эжекторном насадке как газовый поршень и создает вслед за собой разрежение, а при истечении воздействует на лопатки турбины, создавая момент на валу.

За счет полученного в насадке разрежения источником энергии во втором цикле становится потенциальная и тепловая энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха. Он под действием разности давлений втекает в насадок, расширяясь, охлаждаясь и ускоряясь как и в природном атмосферном процессе, но — в заданном направлении. При истечении из эжекторного насадка он образует вторую часть реактивной массы с расчетными термодинамическими параметрами, также воздействующую на лопатки.

В результате преобразования энергии низкопотенциального источника в предыдущем периоде создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии высокопотенциального источника в следующем периоде.

Таким образом, периодическое нарушение равновесного состояния атмосферы в эжекторном насадке воздействием пульсирующей активной струи создает в нем с заданной частотой разность потенциалов давлений, обеспечивающую, при восстановлении равновесного состояния, ускорение присоединяемых воздушных масс и увеличение скорости активной струи. А в результате объединенная масса воздействует на лопатки турбины с возросшей (по сравнению с кинетической энергией активной струи) кинетической энергией, увеличивая момент на ее валу без дополнительных затрат топлива.

Эксперименты показали, что кинетическая энергия объединенной реактивной массы значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи. При эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струей продуктов сгорания О. И. Кудриным был получен прирост реактивной силы до 140%, т.е. тяга увеличилась в 2,4 раза. Кинетическая энергия объединенной реактивной массы при этом может быть увеличена более чем в 10 раз по сравнению с кинетической энергией активной струи, так как в зависимости от параметров процесса присоединения может увеличиваться не только реактивная масса, но и ее скорость. Причем полученная кинетическая энергия не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а практически полностью используется для воздействия на лопатки турбины. Следовательно, большая часть мощности получается за счет преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации газов в кинетическую энергию воздушной массы, создающей момент на силовом валу.

Сегодня возможности повышения эффективности традиционных ГТД (со сгоранием топлива при постоянном давлении) практически исчерпаны. А комбинированные двигатели могут быть на порядок экономичнее традиционных (с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания).

Второй способ. Проведенные эксперименты показали, что оптимальное значение скорости активной струи продуктов сгорания, необходимое для увеличения кинетической энергии объединенной массы в процессе присоединения, находится в диапазоне скоростей, которые можно получать, не используя для сжатого рабочего тела дополнительный подогрев (сжигание топлива) перед его расширеним в реактивном сопле.

Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воздухом, а камеру сгорания -пневмоаккумулятором. Кинетическая энергия объединенной массы и в этом случае будет больше кинетической энергии активной струи не менее чем 2,4 раза и, — соответственно закону сохранения энергии, — больше потенциальной энергии, необходимой для получения рабочего тела — сжатого воздуха, образующего эту пульсирующую активную струю при расширении.

Совершенно очевидно, что такой баланс энергии позволяет сжимать атмосферный воздух в компрессоре за счет мощности, полученной в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, т. е. использовать обратный цикл Карно (цикл воздушного теплового насоса — холодильной машины), осуществляя привод компрессора за счет преобразованной энергии атмосферы.

При этом суммарные технологичекие энергозатраты и потери при процессе преобразований в турбине и сжатия воздуха в компрессоре, а также прочие потери энергии не превышают 25% от получаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы. В основном величина этих потерь зависит от КПД турбины и может составлять 15-20%, а удельный вес потерь в компрессоре незначителен.

Для компенсации технологических энергозатрат и потерь достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%. Т.е. для самоподдержания этого процесса кинетическая энергия объединенной массы должна быть больше кинетической энергии активной струи лишь в 1,44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями.

Согласно второму началу термодинамики, не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу – часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела — в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением и использовать, например, в системах отопления. Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального воздуха при расширении и выполнении работы понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс следующих периодов, можно получать отработавшую воздушную массу необходимой температуры — например, для использования в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройстве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в другое устройство или следующий сопловой аппарат, то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.

Данный бестопливный способ преобразования энергии атмосферы отличается от способа ее преобразования в традиционных ветродвигателях управляемостью процесса создания воздушной струи, воздействующей на лопасти (лопатки), и высокой плотностью энергии на единицу рабочей площади. Устройства для осуществления этого способа — атмосферные бестопливные струйные двигатели. Их эффективность по сравнению с известными ветровыми, солнечными и геотермальными преобразователями энергии не зависит от географических, временных и погодных условий, а удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью тепловых двигателей традиционных схем. Отсутствие жаростойких материалов и систем, связанных с использованием топлива, упрощает конструкцию и технологию производства, снижает себестоимость получения энергии.

Третий способ. Процесс последовательного присоединения можно использовать для получения мощности, высокопотенциальной теплоты и «холода» вне атмосферных условий, преобразуя низкопотенциальную тепловую энергию внешней среды в замкнутом термодинамическом цикле.

Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещен в изолированный от внешней среды объем, заполненный газом — воздухом или гелием. При работе двигателя за счет охлаждения отработавшей массы в нем понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то момент кинетической энергии объединенной массы станет недостаточно для создания расчетной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и, соответственно, скорость активной струи. Процесс присоединения постепенно «затухнет» и двигатель, «заморозившись», остановится.

Этого не произойдет, если изолированный объем используется в качестве низкотемпературного теплоприемника для истечения отработавшей газовой массы и соединен с теплообменным устройством, а выход этого устройства соединен с входами устройства присоединения и компрессора, образуя замкнутый контур. Под действием неуравновешенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за газовой массой импульсов активной струи, часть отработавшей газовой массы из этого объема направляется в теплообменное устройство. В нем, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагревается до температуры, необходимой для выполнения функции присоединяемых масс следующих периодов. Другая часть газовой массы через теплообменное устройство (или минуя его) направляется в компрессор для сжатия и дальнейшего использования в качестве высокопотенциального рабочего тела.

В результате нагрева отработавшей газовой массы в теплообменном устройстве процесс последовательного присоединения в струйных двигателях с замкнутым циклом продолжается сколь угодно долго и независимо от давления внешней среды, которая при этом выполняет функции нагревателя — источника теплоты, преобразуемой в работу.

Отличие бестопливных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым циклом заключается в организации теплообмена с внешней средой и возможности варьировать давление и температуру в теплоприемнике. Причем эффективность этих двигателей в значительной степени зависит от разности температур между источником теплоты внешней среды и теплоприемником перед нагревом отработавшей газовой массы, используемой в следующих периодах. Варьируя параметры процесса присоединения, а также давление и температуру в теплоприемнике и перед повторным использованием отработавшей массы, можно управлять мощностью двигателя и расширять диапазон температуры используемых источников теплоты внешней среды до отрицательных температур.

На основе струйных двигателей с замкнутым циклом можно создавать воздухонезависимые бестопливные энергетические системы, способные работать за счет низкопотенциальной теплоты в различных экстремальных условиях.

Четвертый способ. В двух предыдущих бестопливных способах преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды рабочее тело для получения активной струи сжимали в механическом компрессоре.

Рассмотрим варианты использования рабочего тела без механического сжатия — при его ускорении в результате нагрева за счет теплоты различных источников энергии. Например, низкопотенциальным теплом внешней среды в замкнутом объеме пневмоаккумулятора. В этом случае необходимое давление в пневмоаккумуляторе может быть получено за счет его заполнения отработавшей в предыдущих периодах низкотемпературной массой, а расчетная разность температур перед ее нагревом теплотой внешней среды достигается за счет многократного использования отработавшей массы в процессе присоединения (в двигателях с замкнутым циклом — без промежуточного подогрева в теплообменнике).

Нагревать отработавшую массу нужно по меньшей мере в двух пневмоаккумуляторах, которые должны поочередно соединяться со струйным устройством после нагрева и отсоединяться для удаления остатков нагретого рабочего тела очередного заполнения низкотемпературной отработавшей массой.

В двигателях с открытым циклом при расширении удаляемых остатков можно выполнять полезную работу.

Для данного варианта нагрева необходимы большой объем пневмоаккумуляторов и большая площадь рабочей поверхности теплообменного устройства. Поэтому он может применяться в энергетических установках, где объем и масса не играют существенной роли, и не может — в двигателях большинства транспортных средств.

В другом варианте — при использовании электрореактивного устройства для образования активной струи — низкотемпературную массу в пневмоаккумуляторе нужно нагревать лишь до минимального уровня давления или использовать иной способ, обеспечивающий поступление рабочего тела в это устройство с целью последующего ускорения за счет электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Для ускорения рабочего тела в импульсном электрореактивном устройстве можно применять различные методы (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.). При использовании такого устройства в процессе последовательного присоединения увеличивается скорость активной струи и удельная мощность бестопливного бескомпрессорного струйного двигателя.

Если за счет мощности, полученной в результате преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды, генерировать электроэнергию для ускорения активной струи и одновременно для внешнего использования, то получается универсальный источник электроэнергии с неограниченной сферой применения. Основное преимущество такого способа — простота конструкции, надежность и высокая удельная мощность двигателей для его реализации – качества, необходимые большинству двигателей транспортных средств, а особенно авиационным двигателям.

В заключение необходимо отметить, что не вся теплота внешних источников преобразуется в работу, часть ее (согласно второму началу термодинамики) в разной степени, но во всех перечисленных способах рассеивается во внешней среде при процессе преобразования энергии. Важно подчеркнуть: реактивная тяга и кинетическая энергия объединенной массы, получаемые в результате процесса последовательного присоединения, больше тяги и кинетической энергии активной струи. Это утверждение подтверждено и экспериментально, и методами численного моделирования. На нем основаны рассмотренные бестопливные способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды. Принцип увеличения кинетической энергии одинаков во всех способах. Величина прироста кинетической энергии зависит от соотношений основных параметров процесса последовательного присоединения, а также соотношения конструктивных параметров и пропорций эжекторного устройства.

Таким образом, использование процесса последовательного присоединения дополнительных масс в энергетических системах позволяет без ущерба для экологии преобразовывать неисчерпаемую, даровую природную энергию в любом месте и независимо от условий внешней среды в необходимый вид энергии, доступный для потребления непосредственно в местах выработки.

Бестопливные струйные двигатели могут иметь широкий диапазон мощностей и сферы применения. В зависимости от используемых циклов и назначения они способны работать в любых условиях внешней среды: в атмосфере, космосе, под водой. Их производство проще аналогичных традиционных, кроме того, оно возможно на большинстве машиностроительных предприятий.

О двигателях для Супер Джамбо (А380).

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Airbus A380-861 c двигателями GP7270.

В конце 90-х годов крупнейшие мировые авиастроительные компании Boeing и Airbus, оценивая состояние и возможности рынка авиационной техники, были всерьез озадачены вопросом создания самолета VLCT (Very Large Commercial Transport). Это должен был быть, в первую очередь, самолет с увеличенной пассажировместимостью (порядка 600-800 мест).

Программа американских авиастроителей носила наименование Boeing-747Х. В этой перспективе предполагались самолеты 747-500Х, -600Х и 700Х с укрупненной «горбатой» частью фюзеляжа, большей, чем у их предшественника Boeing-747-400.

Пример компоновки Boeing 747-500X и 747-600X.

Однако, этим планам помешал Азиатский финансовый кризис 1997—2000 годов. Тогда Боинг решил, что перспективы рынка в выбранном направлении слишком туманны (в первую очередь отсутствие предварительного спроса со стороны авиакомпаний), и проект 747Х был свернут.

Лишившись главного соперника и, тем самым, приобретя определенную свободу действий Airbus продолжил начатую в июне 1994 года работу по созданию собственной концепции самолета VLCT.

При этом с целью еще большего повышения конкурентноспособности нового проекта был взят курс на снижение эксплуатационных расходов на 15-20% по сравнению с уже находящимся в эксплуатации самолетом конкурентов Boeing 747-400. Более того, конструктивно был выбран такой вариант компоновки, который обеспечивал ощутимо большую пассажировместимость, в том числе и по сравнению с 400-м Боингом.

Самолет Boeing 747-400.

В декабре 2000 года программа, тогда еще носившая название А3ХХ, была запущена. Ее итогом стал самый большой в мире пассажирский авиалайнер Airbus А380-800 ( 853 пассажира в одноклассовом варианте), широко сегодня известный в мире широкофюзеляжный двухпалубный самолет, получивший впоследствии полуофициальное название Супер Джамбо (Super Jumbo).

В качестве силовой установки на новом аэробусе изначально предполагалось использовать двигатель Trent 900, как раз в это время находившийся в разработке в британской мультинациональной корпорации Rolls-Royce Group plc.

Rolls-Royce Trent – это целое семейство турбовентиляторных двигателей, получившее такое обозначение по названию реки Трент, относящейся к числу главных рек Великобритании. Один из вариантов перевода названия реки с древнекельтского языка означает что-то вроде «стремительно затапливающий». Определенная логика в сравнении с мощным воздушно-реактивным двигателем просматривается :-).

Любопытно, что это наименование Rolls-Royce уже и ранее использовал при создании новых образцов двигателей. Так, например, его получил первый в мире турбовинтовой двигатель Rolls-Royce RB.50 Trent, проходивший испытания на самолете Gloster Meteor (в варианте Gloster G.41A Meteor F.Mk.1 (EE227)).

Первый в мире турбовинтовой двигатель Rolls-Royce RB.50 Trent (музей)

Gloster Meteor E227.

В дальнейшем такое же наименование обрел первый двухконтурный двигатель Rolls-Royce, выполненный к тому же по трехвальной схеме Rolls-Royce RB.203 Trent. Он имел степень двухконтурности равную трем. Это была самостоятельная разработка на базе двигателя Rolls-Royce Turbomeca Adour , который был продуктом взаимодействия фирм Rolls-Royce и Turbomeca и устанавливался на военные самолеты SEPECAT Jaguar и Hawker Siddeley Hawk.

Истребитель-бомбардировщик французских ВВС Sepecat Jaguar.

Этот двигатель предполагался как замена существующему семейству двухконтурных двигателей с малой степенью двухконтурности Rolls-Royce Spey (RB.163/168/183 Spey, кстати, тоже название реки), устанавливавшихся как на гражданские, так и на военные самолеты в 60-х годах. Однако, в серию он не пошел, но послужил основой для создания нового семейства двигателей Rolls-Royse RB211.

Rolls-Royse RB211 стал уже массовым коммерческим турбовентиляторным двигателем. Создавался он непросто, компания в процессе работы сталкивалась с различными труднорешаемыми техническими проблемами. В результате проекционные затраты оказались значительно больше планируемых, возросла и окончательная стоимость двигателя, и проект вместе с фирмой-проектировщиком оказались в кризисе.

В январе 1971 года Rolls-Royse объявил себя банкротом. Для сохранения на плаву национальной программы L-1011 Tristar, для которой единственно и предназначался двигатель RB211, Правительство Великобритании национализировало компанию и позволило продолжить работу над двигателем.

Лайнер L-1011 Tristar.

Двигатели RB211 на крыле Boeing-747-300.

И хотя самолет L-1011 Tristar не выдержал конкуренции, и производство его было прекращено на 250-ом экземпляре, двигатель RB211 понравился эксплуатирующим авиакомпаниям и продолжал эксплуатироваться на самолетах Boeing 747/757/767 в их различных вариантах. Достаточно успешная эксплуатация продолжается и по сей день, а сам двигатель RB211 в 1990-х годах послужил основой для создания новой линии двигателей — Rolls-Royse Trent.

С началом широкого использования двигателя RB211 в коммерческой авиации авиационное подразделение компании Rolls-Royse (к тому времени уже фирма с государственным управлением) становится крупным игроком на рынке авиационного двигателестроения и занимает третье место после GE Aviation и Pratt & Whitney.

Для поддержания имеющихся позиций и дальнейшего продвижения в направлении завоевания рынка двигателестроения специалисты Rolls-Royse пошли по пути создания нового двигателя, отвечающего современным требованиям и подходящего практически для любого дальнемагистрального пассажирского лайнера или транспортного самолета.

А для снижения затрат (которые теперь жестко контролировались правительством) на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок за основу была взята уже достаточно хорошо отработанная конструктивная концепция двигателя RB211, выполненного по трехвальной схеме.

Так было положено начало линии двигателей Rolls-Royse Trent. Первый двигатель в этом семействе Trent 600 предназначался для установки на самолет McDonnell Douglas MD-11 для британских авиакомпаний British Caledonian и Air Europe. Однако, первая компания была приобретена British Airways, которая отменила заказ на MD-11, а вторая «благополучно» прекратила свое существование в начале 90-х.

Trent 600 остался без заказчиков и так и не вышел из ранга демонстационного двигателя программы Trent. Все усилия фирмы были направлены для развития следующей модификации в семействе — Trent 700 для самолета Airbus A330.

Этот двигатель был сертифицирован в январе 1994 года и стал одним из вариантов силовой установки лайнеров типа А330-200/300. При этом в мае 1996 года было достигнуто соответствие двигателя нормам ICAO ETOPS180.

Самолет A330-200 c двигателями Trent-772B-60.

Модификация Trent 800 (877, 895, 892) с мая 1995 года успешно используется на самолетах Boeing-777-200/200ER/300. В этом сегменте двигатель Rolls-Royse занимает 41% рынка двигателей. С целью улучшения тяговых характеристик был увеличен диаметр вентилятора: 2,80 м против 2,47 м у Trent 700.

Двигатель Trent 800.

Самолет Boeing-777/258ER с двигателями Trent 895.

Вариант Trent 500 с 2000-го года устанавливается на сверхдальнем пассажирском лайнере А340-500 (553), а также на модификации А340-600.

Самолет А340-642 с двигателями Trent 500.

В связи с развитием Боингом вариантов В777х увеличенной дальности Rolls-Royse разработал усовершенствованную модификацию двигателя Trent 800, получившую наименование 8104 с дальнейшим развитием ее в вариант 8115. Двигатель рассчитывался на уровень тяги до 100,000 lbf с дальнейшей возможностью преодоления этого знакового порога и увеличения его до 110,000 lbf.

На этой модификации были использованы последние инновационные разработки в области коммерческого двигателестроения, в частности вентилятор с широкохордными титановыми лопатками, имеющими особый саблевидно-стреловидный профиль (swept wide chord fan), позволяющий получить максимальную (на данном этапе) отдачу от вентилятора в плане эффективности работы, снижения массы и шумности. Фирма Rolls-Royse была пионером в этих разработках и занималась ими еще с 1970-х годов.

Однако, Trent 8104 так и остался демонстрационной моделью. Конкурентная борьба сделала свое дело. Boeing получил от GE Aviation более 500 млн.$ на развитие программы 777х с условием эксклюзивного использования в ней двигателей GE — GE90-110B и GE90-115B. Вполне понятно, что вопрос был решен в пользу General Electric.

Но сделанное, конечно, не пропало даром. Серия Trent — это сейчас наиболее популярная линия двигателей Rolls-Royce для коммерческой авиации. Все последние разработки фирмы были воплощены и в последних версиях Трентов — Rolls-Royce Trent 900, Trent 1000 ( для Boeing 787 Dreamliner )и Trent XWB (для нового самолета Airbus 350XWB). Одним из самых заметных двигателей серии стал Rolls-Royce Trent 900.

Этот двигатель с начала разработки А380 стал основным для силовой установки этого аэробуса, особенно укрепилось его положение с момента начала формирования массовых заказов на самолет. В марте 2000-го года Singapore Airlines и вслед за ней в феврале 2001 -го австралийская авиакомпания Qantas выбрали Trent 900 в качестве основного двигателя для заказанных ими лайнеров.

Двигатель Trent 900.

Решение о создании Trent 900 конкретно под самолет А380 было принято в 1996 году. В мае 2004 года двигатель был впервые испытан в воздухе в качестве одного двигателей летающей лаборатории на базе самолета А340-300. Европейский сертификат (EASA) был получен в октябре того же года, а в декабре 2006 года была пройдена сертификация в Америке (FAA).

Испытательный A340 с двигателем Trent 900.

Самолет А340 с испытуемым двигателем Trent 900.

Уже в сентябре 2007 года авиакомпания British Airways, так сказать поддерживая отечественного производителя :-), приняла решение о выборе двигателя Trent 900 для своего комплекта самолетов А380 (их всего было 12 штук). Таким образом на конец 2009 года доля этого двигателя  в двигательном парке заказанных и произведенных А380 составила 52%.

Как и у любого современнного промышленного производителя, в особенности производителя авиационной техники, у Rolls-Royce есть партнеры, риски и прибыль среди которых поделены в соответствии с их долевым участием.

Их всего шесть: компания Honeywell International, занимающаяся производством пневмоситем; итальянская компания Avio S.p.A., основной прерогативой которой является коробка приводов агрегатов двигателя; компания Volvo Aero, участвующая в производстве корпуса компрессора; компания Goodrich Corporation — корпус вентилятора и сенсорные системы; итальянская компания Industria de Turbo Propulsores S.A., занимающаяся производством турбины низкого давления; компания Hamilton Sundstrand — приборы электронного управления двигателем.

Trent 900 — трехвальный турбовентиляторный двигатель с большой степенью двухконтурности (8,7-8,5). Считается, что производство и эксплуатация такого двигателя может быть более затруднена, чем обычного двухвального ТВРД, однако в процессе работы такой движок стабильнее и устойчивее.

Схема двигателя Trent 900.

Трехвальность подразумевает наличие газогенератора с тремя независимыми друг от друга механически осевыми агрегатами. Это дает определенную гибкость в конструировании и позволяет выбирать различные комбинации исходных установок, получая при этом различные выходные параметры для различных двигателей, несмотря на внешнюю схожесть конструктивного исполнения.

Конфигурация трехвального двигателя.

Кроме того более короткие и потому более жесткие валы в трехвальном варианте позволяют точнее выдерживать оптимальные скорости обтекания лопаток, повышая тем самым эффективность работы газогенератора, запас его устойчивой, бессрывной работы. Соответственно снижается масса и размеры двигателя.

Различия в размерах двух- и трехвальных ТВРД.

Поэтому Rolls-Royce использует трехвальную конструкцию на всех коммерческих двигателях, получая в итоге целые серии двигателей одинаковой схемы, но разных размеров и тяговых характеристик.

Двигатель Trent 900 унаследовал от своего предшественника, демонстрационной модели Trent 8104, значительное количество передовых технологических решений. В частности вентилятор большого диаметра (2,95 м) с широкохордными лопатками (24 штуки) специальной саблевидно-стреловидной формы. Лопатки как бы отогнуты в сторону, обратную вращению (очень похоже на стреловидное крыло самолета).

При работе двигателя они перемещаются с окружной скоростью до 1730 км/ч, что значительно выше скорости звука. Благодаря лопаткам специфической конфигурации вентилятор и на таких скоростях работает достаточно эффективно и малошумно (один из главных нормативных параметров-требований для эксплуатантов А380), тем более, что скорость потока на входе в двигатель даже на взлетном режиме относительно низка. При этом тяга его выше аналогичного вентилятора обычной формы.

Вентилятор двигателя Trent 900.

Его общая масса почти на 15% ниже массы широкохордных вентиляторов двигателей предшествующих типов. Основная причина этого опять же в лопатках вентилятора. Они изготовлены из титанового сплава, внутри пустотелые и упрочнены по принципу фермы Уоррена (Warren girder — решетка из равносторонних треугольников). Этот делает их прочными, жесткими и одновременно легкими.

Попытки сделать лопатки вентилятора из композитных материалов на этом двигателе не удалась. Он не выдержал тестовых испытаний на попадание птиц в вентилятор.

Интересно, что поставщиком титана для двигателей Роллс-Ройса (как, впрочем, и для большинства авиационной техники, производящейся в мире) является российская корпорация «ВСМПО-Ависма».

Лопатки турбины используются как монолитные монокристаллические, так и полые с каналами и отверстиями для осуществления эффективного конвективно-пленочного воздушного охлаждения.

Теплонагруженные узлы, такие как элементы камеры сгорания, сопловые и рабочие лопатки турбины защищены специальным антитермальным покрытием (thermal-barrier coating или ТВС) ощутимо уменьшающим теплопередачу.

При профилировании газовоздушного тракта газогенератора за основу взят хорошо зарекомендовавший себя аналогичный агрегат двигателя Trent 500.

Основные компоненты двигателя:

одноступенчатый вентилятор, восьмиступенчатый промежуточный компрессор, шестиступенчатый компрессор высокого давления.

Камера сгорания кольцевая с 24-мя топливными распылителями (форсунками) так называемый тип «Tiled Рhase 5» (собственное название Rolls-Royse). Такого типа камера используется на двигателях Trent 500/800/900/1000. По количеству вредных выбросов удовлетворяет требованиям САЕР 8 с большим запасом.

Камера сгорания типа Phase 5.

Пример камеры сгорания (для Trent 500, такая же стоит на Trent 900)

Такая камера сгорания имеет определенного вида пластинчатую конструкцию стенок жаровой трубы (tiled combustor), которая позволяет в сочетании с антитермальным покрытием (ТВС) значительно улучшить их охлаждение и изоляцию от зоны сверхвысоких температур. Кроме того она обладает укороченной зоной горения и наряду с высокой термальной эффективностью обладает заметно сниженным уровнем выбросов NОх.

Турбина Trent 900 также состоит из трех независимых частей. Это одноступенчатая турбина высокого давления, одноступенчатая промежуточная турбина и пятиступенчатая турбина низкого давления, вращающая вентилятор.

Погрузка Trent 900 в самолет.

Кроме того двигатель, как и практически все современные ТВРД имеет модульную конструкцию, значительно облегчающую (и удешевляющую) его изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Как достоинство двигателя преподносится не только его модульная конструкция, но и возможность транспортировки в собранном виде в грузовом отсеке транспортного самолета Boeing-747.

Основные модули конструкции Trent 900.

Модули двигателя Trent 900.

Module 01. Узел ротора компрессора низкого давления или вентилятора. Этот ротор вместе с диском вентилятора, на нем установленном, вращает турбина низкого давления. В диске выполнены пазы по принципу «ласточкин хвост», в которых установлены лопатки вентилятора. В двигателях серии Trent их количество меняется от 26 до 20. Минимальное количество (20) у Trent 1000, у Trent 900 — 24. Лопатки могут быть заменены без съема двигателя с самолета.

Module 02. Промежуточный компрессор. Конструкция собрана из дисков и лопаток в виде барабана. На последней модели линии Trent (XWB) в этом модуле применены блиски, однако в 900-м их еще нет.

Module 03. Внутренний корпус промежуточного компрессора. Расположен между промежуточным и компрессором высокого давления. Внутри него смонтированы подшипники всех роторов. Имеет полые стойки, в которых проходят магистральные масляные и воздушные трубопроводы, а также ось привода коробки агрегатов.

Module 04. Узел (система) высокого давления. Состоит из внутренних корпусов, компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления. На двигателях Trent 500/700/800 ротор этой системы вращается в том же направлении, что и два других ротора. Начиная с двигателя Trent 900 это вращение изменено на противоположное, что позволяет существенно увеличить эффективность узла турбины в целом.

Модули двигателя Trent 900.

Module 05. Промежуточная турбина. Состоит из корпуса турбины, диска, рабочих лопаток, лопаток сопловых аппаратов и подшипников промежуточной турбины и турбины высокого давления. Сопловые аппараты вмонтированы в корпус. В лопатках соплового аппарата 1-ой ступени турбины низкого давления вмонтированы термопары для измерения температуры газа.

Module 06. Высокоскоростная коробка передач (HSGB). Расположена на корпусе компрессора низкого давления (и вентилятора) и приводится от внутренней коробки, размещенной во внутреннем корпусе. Является приводом для насосов, как самолетных, так и двигательных и самолетных электрогенераторов. Обеспечивает скорости привода свыше 15000 об/мин.

Module 07. Корпус компрессора низкого давления и вентилятора. Самый большой (по размерам) из модулей двигателя. Сформирован из 2-ух цилиндрических поверхностей и венца выходных направляющих лопаток. Передняя часть служит корпусом вентилятору. Обе цилиндрические части снабжены специальными шумопоглощающими накладками для снижения уровня шума двигателя.

Module 08. Турбина низкого давления. Специальные болтовые диски формируют ротор турбины. Она через вал низкого давления вращает вентилятор, обеспечивая при этом мощность не менее 80000 л. с., что примерно может быть равно мощности тысячи семейных автомобилей.

Для автоматического управления двигателем используется цифровая электронная система производства фирмы Hamilton Sundstrand. Кроме того на нем впервые в линии Trent применена система быстрого непрерывного мониторинга состояния двигателя Engine Health Monitoring (EHM).

Расположение двигателя на А380 с точки зрения ремонтопригодности очень удобное. Двигатель полностью «раскрывается» для обеспечения удобного подхода практически к любой точке его наружной поверхности.

Двигатель Trent 900 под крылом A380.

Двигатель Trent 900 под крылом A380.

Trent 900. Двигатель раскрыт.

Основные сертифицированные варианты двигателя на сегодняшний день.

Trent 970B- 84 с тягой 78,304 lbf (348.31 kN) устанавливаются на самолет А380-841 (цифра «4» — код двигателя Trent 900) и используются в авиакомпаниях Singapore Airlines Limited, Deutsche Lufthansa, China Southern Airlines Company Limited, Malaysia Airlines и Thai Airways International Public Company Limited.

Trent 972B- 84 с тягой 80,213 lbf (356.81 kN). Этот вариант двигателя 970 с увеличенной тягой используется на самолетах А380-842 авиакомпании Qantas.

Кроме того разработаны еще два варианта двигателя с еще большей тягой.

Trent 977B- 84 предназначен для грузовой версии Супер Джамбо — А380F и имеет тягу 83,835 lbf (372.92 kN).

Trent 980- 84 — для перспективной версии А380-900 (А380-941) с увеличенной грузоподъемностью, пассажировместимостью и дальностью полета. Тяга этого варианта двигателя 84,098 lbf (374.09 kN).

Однако, пока оба варианта самолета к выпуску не планируются.

Двигатель Trent 900 под крылом лайнера A380.

Двигатель Trent 970 под крылом самолета А380-841 компании British Airways.

Как уже говорилось, с начала проектирования самолета А380 двигатель Trent 900 рассматривался как основной для его силовой установки, однако он не остался единственным. Airbus избавился от конкурента по программе создания самолета VLCT, когда Boeing свернул свой проект 747Х, но двигатель, предназначавшийся для этого проекта остался.

Ведь для его разработки специально был образован альянс двух гигантов авиационного двигателестроения GE-Aviation и Pratt & Whitney (как часть United Technologies Corporation (UTC)). Аббревиатура ЕА – Engine Alliance.

ЕА был создан в августе 1996 года для разработки, призводства, продажи и послепродажного обслуживания новой линии двигателей для VLCT на паритетных началах (50/50). К тому времени двигателей с набором необходимых характеристик (в том числе тягой порядка 70,000-85,000 lb( 311-378 kN)) эти компании не имели.

Прогнозируя мировой спрос в этом сегменте рынка специалисты определили, что он может оказаться недостаточным, для покрытия возможных затрат на разработку новой линии двигателей (около 1$ млрд.). Однако, имеющаяся клиентская база и возможный спрос все же не были столь малыми, чтобы их совсем игнорировать.

В этом случае вполне логичным было бы образование совместного предприятия для получения взаимовыгодного результата. В противном случае эти фирмы могли бы быть только жесткими конкурентами. Предприятие было создано. Двигатель получил рабочее наименование GP7000.

Схема двигателя GP7000.

Однако, по уже описанным обстоятельствам, он лишился объекта своей установки. Но, обладая хорошими данными, проект обещал стать перспективным, и было принято решение переоптимизировать его для создававшегося как раз в это время по той же программе самолета А3ХХ, впоследствии ставшим лайнером А380.

Airbus поддержал ЕА в его изысканиях. Сначала с 1998 года по 2000-й согласно частным договоренностям, а с 19-го декабря 2000 года, когда была официально запущена программа разработки и производства А380 также официально двигатель GP7000 стал вторым возможным двигателем силовой установки этого самолета помимо Trent 900. Линия двигателей на А380 получила наименование GP7200.

Еще более прочно этот движок укрепился в своем новом положении 19 мая 2001 года, когда авиакомпания Air France при заказе своих первых 10-ти А380-800 в качестве двигателя для них выбрала GP7270.

В совместной разработке и производстве линии двигателей GP7200 помимо главных создателей Engine Alliance GE-Aviation и Pratt & Whitney принимают участие также и другие европейские авиастроительные фирмы. Это французская SNECMA (газогенератор), немецкая MTU Aero Engines (турбина низкого давления и узлы корпусов турбины) и бельгийская Techspace Aero S.A. (компрессор низкого давления, корпуса подшипников и диск вентилятора).

Наземные испытания первого двигателя линии GP7200 начались уже в апреле 2004 года, а в декабре был выполнен первый полет, в котором испытуемый двигатель установили на летающую лабораторию на базе Boeing-747. FAA сертифицировало GP7200 для коммерческого использования в январе 2006 года.

25 августа 2006 года во Франции, в Тулузе, был совершен первый тестовый полет А380, оборудованного новыми двигателями. В декабре 2007 года получен сертификат типа для использования двигателя GP7200 на самолете А380.

В итоге получился турбовентиляторный двигатель GP7200 со степенью двухконтурности 8,7. Он имеет одноступенчатый вентилятор, пятиступенчатый компрессор низкого давления, девятиступенчатый компрессор высокого давления, низкоэмиссионную кольцевую камеру сгорания, двухступенчатую турбину высокого давления и шестиступенчатую турбину низкого давления.

Один из главный принципов объединения GE и P&W в единый альянс заключался в том, чтобы использовать имеющиеся перспективные разработки обеих фирм для создания нового двигателя. Именно это направление и было принято за главное.

Двигатель GE90-115B.

Двигатель PW4084.

Двигатель GP7200.

Так, основой для разработки газогенератора GP7200 послужил двигатель от GE Aviation GE90-110B/115B, а для вентилятора и всей системы низкого давления двигатель Pratt & Whitney серии PW4000-112 (семейство с диаметром вентилятора 112 inch (2.8 м)) PW4084/84D. Оба эти двигателя предназначались для самолетов серии Boeing-777 и удовлетворяли нормам ETOPS-240.

Кроме того были использованы определенные разработки, примененные на двигателях серии CF6 и двигателях CFM. Ну и конечно же многие передовые достижения современного двигателестроения нашли свое место в конструкции нового двигателя.

Схема двигателя GP7200.

1.Вентилятор (на основе конструкции вентилятора двигателя PW4084) имеет 24 лопатки из титанового сплава. Лопатки пустотелые, упрочнены по ферменному типу. Аэродинамическая форма их выполнена с использованием 3D-дизайна. Лопатки широкохордные, стреловидные, рассчитанные для работы на сверхзвуковой скорости и исходя из условий минимальной шумности.

Детали корпуса и направляющего аппарата выполнены из алюминиевого сплава с применением кевлара из соображений прочности, малого веса, а также малой шумности. Предусмотрена достаточно быстрая замена лопаток вентилятора без съема двигателя с крыла.

2.Проточная часть компрессора низкого давления также выполнена с применением 3-D технологий, что повышает устойчивость работы компрессора, уменьшает потери и положительно влияет на уменьшение расхода топлива. Совместный дизайн вентилятора и КНД значительно уменьшает возможность попадания грязи и мелких посторонних предметов в канал КНД, что повышает надежность и срок службы двигателя.

3.9-ступенчатый компрессор высокого давления. Выполнен на базе компрессора GE-90-110B. Здесь также применены 3-D технологии, что так же повышает эффективность и возможности бессрывной работы компрессора. Рабочее колесо первой ступени выполнено в виде блиска. Лопатки широкохордные, стреловидные спрофилированы по принципу лопаток вентилятора.

4.Кольцевая камера сгорания (одинарная). Выполнена с использованием технических решений, опробованных на двигателях групп CF6 и CFM. Камера проста по конструкции, но эффективна в работе, малоэмиссионна. Удовлетворяет требованиям норм САЕР 8 с большим запасом.

5.Турбина высокого давления. Применены 3-D технологии. Раздельное охлаждение лопаток и специальное термоизоляционное покрытие ( thermal-barrier coating, ТВС) повышают срок службы лопаток и эффективность двигателя в целом. Термическая согласованность ротора и статора позволяют минимизировать зазор между рабочими лопатками и корпусом турбины. Безболтовая архитектура уменьшает количество деталей (а значит массу двигателя в целом), срок службы дисков и затраты на обслуживание.

Пример антитермального покрытия лопаток турбины GP7200.

6.Турбина низкого давления выполнена на базе 3-D технологий, позволяющих в итоге сократить расход топлива. Новые технические решения в ее конструкции повышают эффективность одновременно со снижением веса и уровнем шума.

7.Система смазки и подшипниковых опор. Простота двухвального двигателя снижает стоимость обслуживания. Специальные антифрикционные углеродные уплотнения снижают расход масла и топлива. Система имеет невысокое рабочее давление. Обслуживание и затраты на него минимизированы.

8.Двигатель управляется цифровой электронной системой последнего поколения FADEC III. Учтен опыт ее работы на двигателях GE90 и CFM. Улучшена и ускорена возможность передачи данных с диагностических датчиков с целью минимизации возможных задержек в наземном обслуживании.

9.Коробка приводов агрегатов выполнена на базе двигателя PW4084 из соображений простоты, долговечности и минимального недорогого обслуживания.

Сертифицированные варианты двигателя GP7200 – это GP7270 и GP7277. Первый предназначен для пассажирского А380-861 (цифра «6» — код двигателя) и имеет взлетную тягу 74,735 lbf (332,440 кN). Второй может быть установлен на версию А380F (в случае ее готовности) и имеет тягу 80,290 lbf (357,100 кN). Однако, уже сейчас конструктивно GP7200 может обеспечить тягу более 81,500 lbf (363 кN).

Двигатель GP7200 на самолете A380.

Взлет А380-861 в Le Burget (июнь 2013 г.).

Лайнер А380-861 в Le Burget (06.2013).

При этом постоянно ведутся работы по совершенствованию двигателя. Повышается его тяговая эффективность, исследуется возможность применения новых материалов и конструкций для снижения массы. Например, с середины 2011 года в производство двигателя включилась компания Volvo Aero. Использование ее наработок по компрессорам и турбинам позволило снизить массу двигателя на 24 кг.

Возможности транспортировки и ремонтопригодности двигателя GP7200 имеют столь же высокий уровень, как и у его предшественников и соперников. Модульная конструкция значительно повышает возможности в этом плане, а расположение двигателя на самолете (на пилоне) с открывающимися капотами и панелями делает доступ к нему и его системам практически неограниченным, позволяя проводить многие работы (в том числе и серьезные ремонты) оставляя двигатель на крыле.

Двигатели GP7200 под крылом А380.

То же самое можно сказать и о контролепригодности, причем имея ввиду оба двигателя: Trent 900 и GP7200. Один из основных видов контроля практически любого современного двигателя, на котором используется принцип эксплуатации «по техническому состоянию» — это бороскопический контроль. Оба двигателя, используемые на А380, можно сказать, идеально приспособлены для него.

Они, как уже говорилось, могут быть практически полностью открыты для обеспечения удобного доступа ко всем системам, в том числе и к специальным портам-отверстиям для осмотра лопаток и внутренних полостей компрессора, и турбины, а также полостей камеры сгорания. Могут быть осмотрены все ступени и полости без исключения, тем более, что в распоряжении инженерного обслуживающего персонала авиакомпаний есть совершенная бороскопическая аппаратура.

Это различного вида и сложности бороскопы, простые и видео, со специализированными режимами осмотра и записи изображения, с возможностями обмера обнаруженных повреждений с использованием 3-D технологий и отличной артикуляцией оптических зондов (all-way, т.е. 360°).

Кроме того, довольно широки возможности проведения местного ремонта, в частности зачистка лопаток с использованием практически единственного в своем роде оборудования немецкой фирмы Richard Wolf GmbH , которое во многих случаях позволяет устранить повреждение и избежать дорогостоящего ремонта, связанного со съемом двигателя и простоем самолета.

Большое внимание уделяется улучшению топливной эффективности. В наше время авиационная наука и двигателестроение достигли такого высокого уровня, что среди имеющихся образцов двигателей одинакового предназначения нельзя определить какой-либо один, особенно выделяющийся среди других своими выдающимися параметрами.

И это хорошо, потому что положительным образом сказывается на конкуренции. Для здорового развития нового проекта серьезная конкуренция должна присутствовать, иначе при наличии только одного поставщика двигателей к примеру сам проект А380 быстро мог бы стать нежизнеспособным.

Жесткая конкурентная борьба на рынке двигателестроения заставляет разработчиков использовать самые передовые технологии и внедрять в производство самые высокие достижения науки и техники.

Однако стоимость разработки двигателей очень высока, поэтому борьба ведется за каждый, даже самый малый прирост в доле данного производителя на рынке. Часто выбор покупателя определяет довольно небольшое преимущество, которое, однако, в дальнейшем может стать решающим.

Понятно, что все это справедливо и для силовой установки А380. Оба двигателя, и Trent 900 и GP7200, достаточно близки к друг другу по параметрам, и сейчас не прекращается постоянное соперничество между Engine Alliance и Rolls-Royce за то, чей двигатель станет более востребованным.

В наш век дефицита энергоресурсов доминирующим видом эксплуатационных затрат авиакомпаний стали затраты на авиационное топливо. И доля их в общих затратах в дальнейшем будет только увеличиваться. Поэтому любое, даже самое минимальное повышение топливной эффективности двигателя делает экономически оправданным его преимущественное использование при прочих равных условиях.

Именно такое положение сейчас существует в конкурентной борьбе между двигателями Trent 900 и GP7200. Самолет с двигателями Альянса усилиями разработчиков на данный момент имеет топливную эффективность на 1% выше, чем самолет с британскими двигателями, и американцы стараются этот разрыв по крайней мере не сокращать. Получается что компания Rolls-Royce вынуждена определенным образом играть в догонялки :-).

Цифра, вроде бы, небольшая, но на самом деле, если самолет совершает длительные перелеты (а большинство А-380-х предназначены эксплуатантами именно для этого), то за год экономия может составить до 1,7 млн. долларов на самолет и при этом выбросы СО2 могут сократиться на 4000 тонн в год.

Trent 900 имеет несколько большую тягу (около1,5-2%), меньшую массу (около 300 кг). Он немного короче своего соперника (примерно на 20 см). Но в данном случае, похоже, все это не может стать решающим фактором в определении предпочтений авиакомпаний.

Если на начальных шагах разработки А-380 двигатель Trent 900 был первым и основным, то сейчас уже около 49% всех заказанных А380 должны будут получить двигатели GP7200. Цифры говорят сами за себя и очень вероятно, что они будут расти.

Возможно на положение дел повлияли также отказы двигателя Trent 900, проявившиеся за сравнительно короткое время его эксплуатации ( при этом отказов двигателя GP7200 не наблюдалось). Особенно заметным было летное происшествие случившееся 4 ноября 2010 года с самолетом авиакомпании Qantas А380-842 (номер VH-OQH, двигатель Trent 972).

Во время выполнения рейса Сингапур-Сидней произошло разрушение турбины второго двигателя (в районе промежуточного звена и первой ступени ТНД), повлекшее за собой еще большие разрушения двигателя, мотогондолы, а также поверхностей левого крыла.

Двигатель Qantas-A380 после аварийной посадки.

Двигатель Trent 972 самолета Qantas А380-842 после посадки.

Экипаж вернул самолет в аэропорт вылета (Чанги, Сингапур) и произвел благополучную посадку. Никто не пострадал. Лайнер был полностью отремонтирован с заменой всех 4-х двигателей и полным тестированием на земле и в воздухе. Ремонт обошелся в 139$ млн. Тогда были до выяснения обстоятельств прекращены полеты не только самолетов А-380 компании Qantas, но и достаточно крупного заказчика компании Singapore Airlines.

Высказывалось мнение, что причиной происшествия стали ошибки в базовом проектировании двигателя, в частности в системе регулирования зазоров в турбине. Стоит сказать, что подобное происшествие (разрушение турбины) во время стендовых испытаний случилось и со следующим (более продвинутым) двигателем в линии Trent – Trent 1000, предназначенным для нового лайнера Boeing 787 Dreamliner.

Образно говоря, создается впечатление, что в погоне за эффективностью двигателя (которая, кстати, во многом зависит и от зазоров в турбине) конкурентная борьба может оказывать, так сказать, никем не контролируемое «давление» на продвижение инновационных технологий, которое в конце концов может привести к взрыву.

Однако, время еще, конечно, покажет, какой из двигателей достойнее. Главное, чтобы неизбежное соперничество происходило исключительно на мирной основе. А-380 летает еще только пятый год и пусть летная судьба этого на самом деле замечательного лайнера будет безупречной…

Самолет А380-841 с двигателями Trent 900.

Лайнер А380-841.

A380-861.

До новых встреч.

Фотографии кликабельны.

Силовая турбина

Эта страница предназначена для учащихся колледжа, старшей или средней школы. Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице доступны на Детская страница.

---

Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены газотурбинные двигатели, которые также называют реактивные двигатели. Существует несколько различных типов газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые детали в общем. Все ГТД имеют силовую турбину расположен после горелки для извлечения энергию горячего потока и повернуть компрессор. Работа делается на силовой турбины потоком горячих выхлопных газов из горелки.

Описание изображений

Нижний рисунка показывает:

• компьютерные чертежи ТРД с расположением турбины относительно другого двигателя компоненты, справа
• турбинная секция отдельно с центральным валом, прикрепленным к турбина слева.

На обоих рисунках турбина окрашена в пурпурный цвет. вал окрашен в синий цвет. Слева конец вала будет прикреплен к компрессор, который окрашен в голубой цвет на рисунке справа. Вот анимированная версия секции турбины:

вверху слева рисунка показывает реальную силовую турбину. Турбина, как и компрессор, состоит из нескольких рядов аэродинамические каскады.Некоторые из рядов, называемые роторами , соединены с центральным валом и вращаются на высокой скорости. Другие ряды, называемые статорами , фиксированы и не не вращать. Работа статоров состоит в том, чтобы не дать потоку закручиваться по спирали. вокруг оси, возвращая поток параллельно оси.

В зависимости от типа двигателя может наличие в двигателе нескольких ступеней турбины. ТРДД и турбовинтовые двигатели обычно используют отдельная турбина и вал для питания вентилятора и коробки передач соответственно.Такое расположение называется двухзолотниковым двигатель. Для некоторых высокопроизводительных двигателей требуется дополнительная турбина и вал присутствует для питания отдельных частей компрессора. Этот компоновка производит трехзолотниковый двигатель . Силовая турбина показанный в верхнем левом углу рисунка, относится к двухконтурному ТРДД. двигатель.

Детали конструкции

На сайте есть несколько интересных деталей конструкции турбины. этот слайд.Поскольку турбина извлекает энергию из потока, давление уменьшается через турбину. Градиент давления помогает поддерживать пограничный слой приложенный поток к поверхности лопаток турбины. Поскольку граница слой с меньшей вероятностью отделится на лопатке турбины чем на лопатке компрессора, перепад давления на одной ступени турбины может быть намного больше, чем повышение давления через соответствующую ступень компрессора. Одна ступень турбины может использоваться для привода нескольких ступеней компрессора. Из-за высокого изменения давления на турбине, поток имеет тенденцию течь вокруг кончиков лопастей. Кончики лопаток турбины часто соединяются тонкой металлическая лента для предотвращения утечки потока, как показано на картинке вверху слева.

Лопасти турбины существуют в гораздо более враждебной среде, чем лопатки компрессора. Расположенные сразу за горелкой, лопасти испытать температуру потока более тысячи градусов по Фаренгейту.Лопасти турбины должны быть изготовлены из специального материалы, способные выдерживать нагрев, либо их необходимо активно охлаждать. В в правом верхнем углу рисунка мы показываем изображение одиночного, активно охлаждаемая лопатка турбины. Лезвие полое и охлаждает воздух, который стравливается из компрессора, прокачивается через лопасть и выходит через маленькие отверстия на поверхности, чтобы держать поверхность прохладной.

---

Виды деятельности:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация ..

Домашняя страница руководства для начинающих

3 Авиационные газотурбинные двигатели | Исследование двигателей коммерческих самолетов и энергетических систем: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее. Кроме того, общая степень сжатия ² газовых турбин со временем увеличилась для улучшения термодинамического КПД. В то же время, однако, размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубляет проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолета и двигателя для полета требуется меньше мощности, поэтому размер двигателя и мощность, требуемые при постоянной мощности самолета, в будущем будут уменьшаться.

Потенциал для улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД (от расхода топлива до тяговой мощности) повысился примерно с 10 процентов до нынешнего значения, приблизившись к 40 процентам (см. рис. 3.2). Вполне вероятно, что скорость совершенствования этих двигателей может продолжаться на уровне около 7 процентов за десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии.Потенциал общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих КПД: термодинамического КПД двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам можно будет использовать газовую турбину для коммерческих самолетов, учитывая важные ограничения авиации по безопасности, весу, надежности и стоимости. Несколько авторов рассмотрели вопрос о практических ограничениях для газовых турбин простого цикла, учитывая потенциал для новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов.Их оценки отдельных пределов термодинамического и тягового КПД несколько различаются (и могут по-разному распределять потери между термодинамическим и тяговым КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достижимо. Как показано на рис. 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65–70 %, а КПД тяги — 90–95 %.

Газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для усовершенствования: общий КПД повышается на 30 и более процентов по сравнению с лучшими двигателями, эксплуатируемыми сегодня.Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших приращений, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь при охлаждении могут повысить термодинамическую эффективность на 19 процентов и 6 процентов соответственно. ³ Такого масштаба прироста нельзя добиться простым внедрением новых технологий в существующие двигатели. Скорее, это требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения.Практические циклы промежуточного охлаждения или рекуперации могут повысить эффективность еще на 4. ⁴ Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. ⁵ Конечно, практические пределы эффективности тяги нельзя рассматривать только на уровне двигателя без учета конфигурации самолета и интеграции силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для усовершенствования, с потенциалом повышения общего КПД на 30 и более процентов по сравнению с лучшими двигателями, эксплуатируемыми сегодня, при этом потенциал повышения тягового КПД примерно в два раза превышает термодинамический КПД. Этот уровень производительности потребует множества технологических улучшений и будет реализован в виде ряда относительно небольших приращений, на несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии. В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

² Коэффициент общего давления представляет собой отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

³ Д.К. Холл, 2011, «Пределы производительности ступеней осевых турбомашин», М.Диссертация S., Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс,

⁴ Дж. Вурр, 2013 г., «Архитектуры и технологии гражданских авиационных двигателей будущего», представлено на 10-й Европейской конференции по турбомашиностроению, http://www.etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

⁵ Д. Карлсон, 2009 г., «Ренессанс двигателей: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития рабочей силы», представленный на 19-й конференции Международного общества по двигателям с воздушным дыханием ISABE, Монреаль, Канада.

газотурбинный двигатель | Британика

газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего как минимум из компрессора, камеры сгорания и турбины.

Общие характеристики

Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя.Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Большое количество энергии может быть произведено таким двигателем, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью коленчатого вала, тогда как газовая турбина напрямую передает мощность вращения вала. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективной установки должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

Британская викторина

Энергия и ископаемое топливо

От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии.Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

Циклы газотурбинного двигателя

Большинство газовых турбин работают по открытому циклу, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре и затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который проходит вокруг секции горения, а затем смешивается с очень горячими дымовыми газами, требуется для поддержания достаточно низкой температуры на выходе из камеры сгорания (фактически на входе в турбину), чтобы турбина могла работать непрерывно.Если блок должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остаток доступен для подачи работы вала к генератору, насосу или другому устройству. В реактивном двигателе турбина спроектирована так, чтобы обеспечить мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины при промежуточном давлении (выше местного атмосферного давления) и подается через сопло для создания тяги.

Сначала рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаля, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C перед расширением через турбину обратно в атмосферное. давление. Эта идеализированная установка потребует мощности турбины 1,68 киловатта на каждый киловатт полезной мощности при 0.68 киловатт потребляется для привода компрессора. Тепловой КПД агрегата (чистая произведенная работа, деленная на энергию, добавленную за счет топлива) составит 48 процентов.

Фактическая производительность простого открытого цикла

Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов (, т. е. , работа идеального компрессора равна 0,8-кратной фактической работе, а фактическая мощность турбины — 0,8-кратной фактической идеальный выход), ситуация резко меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый произведенный киловатт полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатта, а работа компрессора становится равной 1,71 киловатта. Тепловой КПД падает до 25,9 процента. Это иллюстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложилось так, что разработка эффективных компрессоров была труднее, чем эффективные турбины, что задержало разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

Эффективность и выходная мощность могут быть увеличены за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбин движутся с большими скоростями и подвергаются сильным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100°C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует оптимальная степень повышения давления. Современные авиационные ГТУ с охлаждением лопаток работают при температуре на входе в турбину выше 1370°С и степени повышения давления около 30:1.

Промежуточное охлаждение, подогрев и регенерация

В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на массу и размер диаметра. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по идеализированному выше простому циклу Брайтона. Эти ограничения не распространяются на стационарные газовые турбины, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности. Улучшения могут включать (1) снижение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.

Первое усовершенствование предполагает сжатие воздуха при почти постоянной температуре. Хотя на практике этого достичь невозможно, его можно приблизить к промежуточному охлаждению (, т. е. , сжимая воздух в два или более этапа и охлаждая его водой между этапами до исходной температуры). Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха, а вместе с ним и необходимую работу сжатия.

Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения.Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье усовершенствование. Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано с большим увеличением первоначальных затрат и будет экономически выгодным только для агрегатов, которые работают практически непрерывно.

Реактивный двигатель | SKYbrary Aviation Safety

Газотурбинный двигатель

Описание

Реактивный двигатель — реактивный двигатель, т. е. двигатель, обеспечивающий движение или тягу за счет выброса реактивной массы, и работающий в соответствии с третьим законом движения Ньютона: «На каждое действие (сила) существует равная и противоположная реакция (сила) ».

Большинство реактивных двигателей, используемых в авиации, являются воздушно-реактивными, осевыми, газотурбинными.Газовая турбина представляет собой роторный двигатель, извлекающий энергию из потока продуктов сгорания. Окружающий воздух всасывается во впускной патрубок двигателя, где осевой или центробежный компрессор (или оба) повышают как давление, так и температуру воздуха перед подачей его в камеру сгорания. В камере сгорания к горячему сжатому воздуху добавляется топливо и воспламеняется. После воспламенения оно является самоподдерживающимся, поскольку постоянный поток воздуха и топлива обеспечивает непрерывное горение. Высокоэнергетический выхлопной поток (реакционная масса), образующийся при сжигании топливно-воздушной смеси, покидает камеру сгорания, проходя через одну или несколько турбин, которые служат для привода компрессора(ов).Оставшийся выхлопной газ выбрасывается через сопло, обеспечивающее тягу (силу) для продвижения самолета вперед.

Турбореактивный двигатель наиболее эффективен, когда скорость движущегося им самолета приблизительно равна скорости выхлопных газов. Во многих случаях самолеты рассчитаны на скорость, намного меньшую, чем скорость обычного реактивного выхлопа, поэтому турбины двигателей также используются для привода других компонентов, таких как вентилятор, пропеллер или другое оборудование. Таким образом, турбовинтовые, турбовентиляторные и турбовальные двигатели оптимизированы для скорости и типа самолета, на котором они работают.

Двигатели, разрабатываемые для очень высоких скоростей, устраняют необходимость в компрессоре с приводом. В «таранном» двигателе, таком как ПВРД или ГПВРД, воздух, поступающий в двигатель, сжимается из-за геометрии впускной и компрессорной секций и высокой скорости самолета. Как следствие, эти типы двигателей не требуют компрессора или турбины для его привода, но двигатель не может работать, когда самолет неподвижен.

Связанные статьи

Электростанция

• Силовая установка (двигатель) самолета обеспечивает механическую силу для питания самолета и связанных с ним аксессуаров, необходимых для полета
• Почти каждая система самолета работает от двигателя или совместно с ним
• Наиболее распространенной силовой установкой в ​​авиации общего назначения является поршневой двигатель
.
• С подсистемами зажигания и индукции
• Эти системы контролируются и управляются пилотом с помощью приборов двигателя
• Ограничения производительности поршневых двигателей могут быть увеличены за счет установки и использования турбонагнетателей
• Более совершенные самолеты используют газотурбинные двигатели
• Хотя газотурбинные двигатели имеют некоторые общие рабочие характеристики с поршневыми двигателями, они имеют разную конструкцию, требующую других контрольно-измерительных приборов и рабочих характеристик
• Хотя это и не совсем уникально, мусор постороннего предмета является одним из таких соображений
• Наконец, в такой сложной и критической системе возможны сбои и аварийные ситуации, которые требуют действий пилота
• Тип двигателя является преднамеренным выбором конструкции на основе желаемой производительности
• Двигатели могут быть размещены спереди (типично) или сзади (нетипично) самолета и заключены в кожух, называемый капотом, который направляет поток воздуха и помогает системам охлаждения силовой установки

• Поршневые двигатели являются основной силовой установкой, используемой в авиации общего назначения
• Они работают по принципу преобразования химической энергии в механическую.
  • Химическая энергия может быть топливной или технологической, гибридной или полностью электрической
  • Механическая энергия винта
• Устанавливается на противопожарную перегородку, отделяющую двигатель от кабины
• Поршневые двигатели можно классифицировать по:
  • Рабочий цикл (два или четыре)
  • Метод охлаждения (жидкостный или воздушный)
  • Расположение цилиндров относительно коленчатого вала (радиальное, рядное, V-образное или оппозитное)
• • Анимированный радиальный двигатель
  Радиальные двигатели
  • были популярны благодаря высокой удельной мощности и большой лобовой площади, обеспечивающей равномерное охлаждение; однако по мере развития технологий жидкостное охлаждение стало стандартом по нескольким причинам [Рис. 1]
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, радиальный двигатель
• • Маленькая лобовая площадь, но низкая удельная мощность
  • Охлаждение затруднено, так как задние цилиндры не получают много воздуха, что ограничивается конфигурацией с четырьмя или шестью цилиндрами
• • Обеспечивают большую мощность, чем рядные, при сохранении небольшой лобовой площади
• • Справочник пилотов по авиационным знаниям, горизонтально-оппозитный двигатель
  • Самый популярный, используется на небольших самолетах [Рисунок 2]
  • Эти системы всегда имеют четное количество цилиндров (для оппозиции)
  • Они относительно легкие, что обеспечивает более высокое отношение мощности к весу
  • Уменьшенная лобовая площадь и улучшенное охлаждение делают эти двигатели идеальными
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, горизонтально-оппозитный двигатель
• • Роторные двигатели используют трехсторонний «поршень» для выполнения движения
  • Эти двигатели будут иметь нечетное количество цилиндров
  • Это высоконадежные двигатели и выгодное соотношение мощности к массе
  • Только для небольших двигателей

• Система зажигания обеспечивает искру для воспламенения смеси в цилиндрах
• В поршневых двигателях система зажигания состоит из магнето, свечей зажигания, проводов и замка зажигания
• Турбинные системы зажигания самолетов устроены по-разному, подробное описание приведено ниже
.
• Вместе система зажигания обеспечивает либо искровое зажигание, либо воспламенение от сжатия
• • Магнето — автономные устройства с приводом от двигателя для подачи электрического тока на свечи зажигания
  • Большинство самолетов имеют двойную систему зажигания (два отдельных магнето, отдельные провода, отдельные свечи и другие компоненты для повышения надежности)
  • Если один магнето или свеча зажигания выйдет из строя, другой не пострадает и будет продолжать нормально работать с небольшим снижением мощности
  • Замок зажигания управляет работой магнето
  • Перед взлетом проводятся проверки магнето, чтобы убедиться, что провода заземления заземлены
  • • Переключатель зажигания перемещается из ОБА в положение «R» (справа) и «L» (слева), чтобы обеспечить падение числа оборотов в минуту (об/мин)
      • Перевод ключа зажигания в положение «R» означает, что вы работаете на правильном магнето
      • Перемещение ключа зажигания в положение «L» означает, что вы работаете на левом магнето
    • Падение оборотов в минуту (проверьте свой PoH на допуски на падение) указывает на то, что магнето должным образом заземлены и обесточены
    • Отсутствие падения указывает на обрыв заземляющего провода, и они останутся горячими, даже если они должны быть выключены
    • Если провод заземления магнето не остается заземленным; затем они могут стрелять в состоянии «OFF», если пропеллер вращается
      • Любое топливо, оставшееся в цилиндрах, может воспламениться, если загорится магнето, причинив серьезные травмы всем, кто находится рядом с винтом
• • Нормальное сгорание плавное и постоянное
  • Детонация — взрывное воспламенение, вызванное чрезмерными температурами и давлением, которое может привести к повреждению двигателя или использованию топлива с более низкой, чем рекомендуемая, маркой
  • Вызывает перегрев, неравномерность работы двигателя и/или потерю мощности
  • Детонация может привести к преждевременному воспламенению
  • Предварительное зажигание — это когда смесь воспламеняется до нормального воспламенения по времени
  • Горячие точки, такие как нагар, являются основной причиной преждевременного зажигания
  • Оба события происходят одновременно с одинаковыми эффектами, поэтому трудно определить, что именно происходит, снижение температуры двигателя должно решить проблему
• [Рисунок 3]
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
    Искровое зажигание
  • Высокая надежность
  • Работает по принципу магнето и свечей зажигания, аналогично автомобильному
  • Использует свечу зажигания для воспламенения предварительно смешанной топливно-воздушной смеси («вес топлива к весу воздуха»)
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
    Искровое зажигание
• • Снижает эксплуатационные расходы, упрощает конструкцию, повышает надежность
  • Часто их называют поршневыми двигателями, работающими на реактивном топливе, поскольку они используют более дешевое дизельное или реактивное топливо, которое более доступно
  • Сжимает воздух в цилиндре, повышая его температуру до степени, необходимой для автоматического воспламенения при впрыске топлива в цилиндр
• Оба используют цилиндрические камеры сжатия и поршни, которые преобразуют прямолинейное движение во вращательное движение коленчатого вала и, следовательно, гребного винта
• • Цикл сгорания состоит из четырех фаз: впуск, сжатие, мощность и выпуск
  • Цикл можно запомнить, используя расхожую поговорку «сосать, сжимать, хлопать, дуть»
  • • Такт впуска начинается, когда поршень начинает движение вниз
    • При этом впускной клапан открывается, и топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр
  • • Сжатие начинается, когда впускной клапан закрывается и поршень начинает двигаться обратно к верхней части цилиндра
    • Эта фаза цикла обеспечивает гораздо большую выходную мощность топливно-воздушной смеси при зажигании
  • • Фаза мощности начинается при воспламенении топливно-воздушной смеси
    • Зажигание вызывает резкое увеличение давления в цилиндре и толкает поршень вниз от головки цилиндра, создавая мощность, которая вращает коленчатый вал
  • • Используется для продувки баллона от отработавших газов
    • Выпуск начинается, когда открывается выпускной клапан и поршень снова начинает двигаться к головке блока цилиндров
• Непрерывная работа зависит от вспомогательных функций, перечисленных вверху этой страницы
• • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
    Четырехтактный двигатель сжатия
  • Преобразование химической энергии происходит в течение четырехтактного рабочего цикла [Рисунок 4]
  • • • Выпускные клапаны
      • Свечи зажигания
      • Поршни
• Каждый шаг, впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят в четыре отдельных такта
• Каждый цилиндр работает с разным ходом
• Даже при низкой скорости этот цикл повторяется несколько сотен раз в минуту
• • Справочник пилотов по авиационным знаниям, Двухтактный двигатель сжатия
  • Преобразование химической энергии происходит в течение двухтактного рабочего цикла [Рисунок 5]
  • Мощность сжатия на впуске и выпуске происходит только за два хода поршня
  • Будет производить больше мощности за один такт и тем самым увеличивать удельную мощность
  • Из-за неэффективной конструкции и выбросов эти двигатели были ограничены и обычно используются только в авиации
  • Благодаря современным технологиям большинство этих недостатков удалось устранить, однако четырехтактный двигатель остается наиболее распространенной конструкцией

• Системы впуска контролируют соотношение топливо/воздух и его подачу в цилиндры
• Рычаги смесителя регулируют соотношение топливо/воздух
• Дроссельные рычаги управления подачей смеси в двигатель
• Впускное отверстие всасывает наружный воздух через фильтр
• В случае засорения из-под кожуха забирается альтернативный источник, минуя фильтр
• Подробная информация о индукционных системах представлена ​​на странице
.
• • Эти системы сжимают всасываемый воздух для увеличения его плотности и увеличения мощности
  • Основное различие между ними заключается в блоке питания:
    • Нагнетатель зависит от двигателя или компрессора aiRPM
    • Турбокомпрессор (первоначально известный как турбонагнетатель) получает энергию от потока выхлопных газов, проходящего через турбину, которая, в свою очередь, вращает компрессор
  • Самолеты с этими системами имеют манометр во впускном коллекторе, который показывает давление во впускном коллекторе (MAP) во впускном коллекторе двигателя
  • При наборе высоты самолет без наддува в конечном итоге достигает высоты, при которой MAP недостаточен для нормального набора высоты
  • Этот предел высоты является практическим потолком самолета, и на него напрямую влияет мощность двигателя
  • Если всасываемый воздух, поступающий в двигатель, подвергается давлению или усилению с помощью нагнетателя или турбонагнетателя, практический потолок самолета может быть увеличен
  • С помощью этих систем самолет может летать на больших высотах с преимуществом более высокой истинной воздушной скорости и повышенной способностью преодолевать неблагоприятные погодные условия
  • Наиболее эффективным методом увеличения мощности двигателя является использование нагнетателя или турбокомпрессора
  • Если на двигатель установлены турбонагнетатели, бустер использует выхлопные газы двигателя для привода воздушного компрессора, чтобы увеличить давление воздуха, поступающего в двигатель через карбюратор или систему впрыска топлива, для увеличения мощности на большей высоте
  • Главный недостаток нагнетателя с шестеренчатым приводом — использование большой мощности двигателя для увеличения производимой мощности — устраняется с помощью турбонагнетателя, поскольку выхлопные газы двигателя приводят в действие турбонагнетатели.
    • Это означает, что турбокомпрессор восстанавливает энергию горячих выхлопных газов, которая в противном случае была бы потеряна
  • Вторым преимуществом турбокомпрессоров перед нагнетателями является способность поддерживать контроль над номинальной мощностью двигателя на уровне моря от уровня моря до критической высоты двигателя
  • Критическая высота — это максимальная высота, на которой двигатель с турбонаддувом может развивать номинальную мощность
  л.с.
  • При превышении критической высоты выходная мощность начинает снижаться, как это происходит для двигателя без наддува
  • Турбокомпрессор состоит из двух основных элементов:
    • Компрессор А;
    • Турбина
  • В секции компрессора находится крыльчатка, вращающаяся с высокой скоростью
  • По мере того как воздух проходит через лопасти рабочего колеса, крыльчатка ускоряет воздух, позволяя большому объему воздуха поступать в корпус компрессора
  • Действие крыльчатки впоследствии создает воздух под высоким давлением и высокой плотностью для подачи в двигатель
  • Выхлопные газы двигателя приводят в движение турбинное колесо, установленное на противоположном конце ведущего вала крыльчатки, тем самым приводя в движение крыльчатку
  • Направляя различное количество выхлопных газов на турбину, извлекается больше энергии, заставляя крыльчатку подавать больше сжатого воздуха в двигатель
  • Вестгейт, представляющий собой регулируемый дроссельный клапан, установленный в выхлопной системе, используется для изменения массы выхлопных газов, поступающих в турбину
  • В закрытом состоянии большая часть выхлопных газов двигателя проходит через турбину
  • В открытом состоянии выхлопные газы могут обходить турбину, вытекая непосредственно через выхлопную трубу двигателя
  • Поскольку температура газа при сжатии повышается, турбонаддув вызывает повышение температуры всасываемого воздуха
  • Многие двигатели с турбонаддувом используют промежуточный охладитель для снижения температуры и снижения риска детонации
  • Этот небольшой теплообменник использует наружный воздух для охлаждения горячего сжатого воздуха перед его подачей в дозатор топлива

• • Измеряет давление масла в двигателе
• • Измеряет температуру масла в двигателе
  • Уменьшенное количество масла, поток воздуха или чрезмерно бедная смесь вызовут повышение температуры масла
  • И наоборот, температура понизится
• • Измеряет температуру головки блока цилиндров двигателя, или CHT
• • Тахометр, иногда называемый «тахометром», измеряет обороты двигателя.
    • Это означает, что время на тахометре движется медленнее при низких оборотах и ​​быстрее при высоких оборотах
  • Эксплуатационные характеристики, такие как ожидаемые характеристики, можно найти либо в Руководстве по пилотной эксплуатации, либо в Листе данных сертификата типа
  .
  • «Время тахометра» — это, как правило, способ, с помощью которого специалисты по техническому обслуживанию измеряют 100-часовые проверки
• • Хотя это и не совсем прибор для двигателя, расходомер Hobbs работает, когда двигатель включается, пока он не выключится, используя датчик давления масла.
    • Записывает время работы двигателя
• • Давление в коллекторе указывает на разрежение внутри впускного коллектора
  • При прочих равных условиях, чем больше открыта дроссельная заслонка, тем больше требуется топлива, следовательно, требуется больше воздуха и повышается давление в коллекторе
  • Поскольку двигатель вращается быстрее, необходимо отрегулировать обороты гребного винта, чтобы поддерживать давление в коллекторе в пределах допустимых значений

• Двигатель с турбонаддувом позволяет пилоту поддерживать достаточную крейсерскую мощность на больших высотах, где сопротивление меньше, что означает более высокие истинные скорости полета и увеличенную дальность полета при экономии топлива [Рисунок 6]
• В то же время силовая установка имеет гибкость для полета на малой высоте без повышенного расхода топлива газотурбинного двигателя
• При установке на стандартную силовую установку турбокомпрессор не потребляет мощности силовой установки для работы; он относительно прост механически, а некоторые модели также могут герметизировать кабину
• Турбокомпрессор представляет собой устройство с приводом от выхлопных газов, которое повышает давление и плотность всасываемого воздуха, подаваемого в двигатель
• Состоит из двух отдельных компонентов: компрессора и турбины, соединенных общим валом
• Компрессор подает сжатый воздух к двигателю для работы на большой высоте
• Компрессор и его корпус находятся между воздухозаборником окружающего воздуха и коллектором всасывающего воздуха
• Турбина и ее корпус являются частью выхлопной системы и используют поток выхлопных газов для привода компрессора
• Турбина способна создавать давление в коллекторе выше максимально допустимого для данного двигателя
• Чтобы не превысить максимально допустимое давление в коллекторе, установлен байпас или перепускной клапан, отводящий часть выхлопных газов за борт до того, как они пройдут через турбину
• Положение вестгейта регулирует мощность турбины и, следовательно, подачу сжатого воздуха в двигатель
• Когда вестгейт закрыт, все выхлопные газы проходят и приводят в действие турбину
• Когда вестгейт открывается, некоторые выхлопные газы направляются вокруг турбины через перепускной канал и за борт через выхлопную трубу
• Привод перепускной заслонки представляет собой подпружиненный поршень, приводимый в действие давлением моторного масла
• Привод, регулирующий положение вестгейта, соединен с вестгейтом механической связью
• Центром управления системой турбонаддува является регулятор давления
• Это устройство упрощает турбонаддув до одного элемента управления: дроссельной заслонки
• После того, как пилот установил желаемое давление в коллекторе, практически не требуется регулировка дроссельной заслонки при изменении высоты
• Контроллер определяет требования к нагнетанию компрессора для различных высот и регулирует давление масла на приводе перепускной заслонки, который соответствующим образом регулирует перепускную заслонку
• Таким образом, турбонагнетатель поддерживает только то давление в коллекторе, которое требуется при настройке дроссельной заслонки
• Справочник пилотов по авиационным знаниям, Компоненты турбокомпрессора
• • По мере набора высоты самолета, оборудованного системой турбонаддува, перепускная заслонка постепенно закрывается для поддержания максимально допустимого давления в коллекторе
  • В какой-то момент вестгейт будет полностью закрыт, и дальнейшее увеличение высоты приведет к снижению давления в коллекторе.
    • Это критическая высота, установленная изготовителем самолета или двигателя
  • При оценке работы системы турбонаддува имейте в виду, что если давление в коллекторе начинает снижаться до указанной критической высоты, двигатель и систему турбонаддува квалифицированный техник по техническому обслуживанию должен осмотреть и проверить правильность работы системы.
• • Высотный турбонаддув (иногда называемый «нормализацией») использует турбокомпрессор, который поддерживает максимально допустимое давление в коллекторе на уровне моря (обычно 29–30 дюймов ртутного столба) до определенной высоты
    • Высота, указанная производителем этого самолета, является критической высотой самолета
  • Выше критической высоты давление в коллекторе уменьшается с увеличением высоты
  • Наддув на земле, с другой стороны, представляет собой применение турбонаддува, при котором в полете используется давление в коллекторе, превышающее стандартные 29 дюймов
  .
  • В различных самолетах, использующих наземный наддув, давление во взлетном коллекторе может достигать 45 дюймов ртутного столба
  • Хотя установка мощности на уровне моря и максимальные обороты могут поддерживаться до критической высоты, это не означает, что двигатель развивает мощность на уровне моря
  • Мощность двигателя определяется не только давлением во впускном коллекторе и числом оборотов в минуту Температура воздуха на впуске также является фактором
  • Впускной воздух с турбонаддувом нагревается в результате сжатия.Это повышение температуры снижает плотность воздуха на впуске, что приводит к потере мощности
  • Для поддержания эквивалентной выходной мощности потребуется несколько более высокое давление в коллекторе на данной высоте, чем если бы всасываемый воздух не сжимался турбонаддувом
  • Если, с другой стороны, система включает в себя автоматический регулятор плотности, который вместо поддержания постоянного давления во впускном коллекторе автоматически позиционирует перепускной клапан для поддержания постоянной плотности воздуха в двигателе, в результате выходная мощность в лошадиных силах будет почти постоянной
• • Справочник пилотов по аэронавигационным знаниям, выходная мощность
  • Нагнетатель — это приводимый в действие двигателем или компрессор, который подает сжатый воздух в двигатель для создания дополнительного давления всасываемого воздуха, чтобы двигатель мог производить дополнительную мощность
  • Повышает давление в коллекторе и нагнетает топливно-воздушную смесь в цилиндры
  • Чем выше давление во впускном коллекторе, тем плотнее топливно-воздушная смесь и тем большую мощность может выдать двигатель
  • В атмосферном двигателе давление в коллекторе не может быть выше существующего атмосферного давления
  • Нагнетатель способен повышать давление в коллекторе выше 30 дюймов ртутного столба
  • Пример:
    • На высоте 8000 футов типичный двигатель может производить 75% мощности, которую он мог бы производить на среднем уровне моря (MSL), потому что на большей высоте воздух менее плотный
    • Нагнетатель сжимает воздух до более высокой плотности, позволяя двигателю с наддувом создавать такое же давление в коллекторе на больших высотах, какое он мог бы создавать на уровне моря, увеличивая свой практический потолок [Рисунок 7]
    • Таким образом, двигатель на высоте 8000 футов над уровнем моря все еще может создавать давление в коллекторе 25 дюймов ртутного столба, тогда как без нагнетателя он может производить только 22 дюйма ртутного столба
    • В атмосферном двигателе давление в коллекторе не может быть выше существующего атмосферного давления
    • Нагнетатель способен повышать давление в коллекторе выше 30 дюймов ртутного столба
    • Критическая высота — это высота, на которой больше нельзя поддерживать постоянное давление в коллекторе
  • Компоненты:
    • Нагнетатели обычно устанавливаются между устройством дозирования топлива и впускным коллектором
  • Двигатель приводит в действие нагнетатель через зубчатую передачу с одной скоростью, двумя скоростями или с переменной скоростью
  • Нагнетатели могут иметь одну или несколько ступеней
  • Каждая ступень также обеспечивает увеличение давления, и нагнетатели могут быть классифицированы как одноступенчатые, двухступенчатые или многоступенчатые, в зависимости от того, сколько раз происходит сжатие
  • Ранняя версия одноступенчатого односкоростного нагнетателя может называться нагнетателем на уровне моря
  • Двигатель, оснащенный нагнетателем этого типа, называется двигателем уровня моря
  • В этом типе нагнетателя одна крыльчатка с шестеренчатым приводом увеличивает мощность двигателя на любой высоте
  • Недостатком этого типа нагнетателя является снижение выходной мощности двигателя с увеличением высоты
  • Одноступенчатые односкоростные нагнетатели используются во многих мощных радиальных двигателях и используют воздухозаборник, направленный вперед, чтобы система впуска могла в полной мере использовать напорный воздух
  • Всасываемый воздух проходит по воздуховодам к карбюратору, где расходуется топливо пропорционально расходу воздуха
  • Затем топливно-воздушная смесь направляется к нагнетателю или крыльчатке нагнетателя, которая разгоняет топливно-воздушную смесь наружу
  • После ускорения топливно-воздушная смесь проходит через диффузор, где скорость воздуха становится энергией давления (скорость уменьшается по мере увеличения давления)
  • После сжатия образовавшаяся топливно-воздушная смесь высокого давления направляется в цилиндры
  • Некоторые большие радиальные двигатели, разработанные во время Второй мировой войны, имеют одноступенчатый двухскоростной нагнетатель
  • С этим типом нагнетателя одно рабочее колесо может работать на двух скоростях
  • Низкая скорость крыльчатки часто называется настройкой низкой скорости нагнетателя, а высокая скорость крыльчатки называется настройкой высокой скорости нагнетателя
  • На двигателях, оборудованных двухскоростным нагнетателем, рычаг или переключатель в кабине экипажа активирует масляную муфту, которая переключает одну скорость на другую
  • При нормальной эксплуатации на взлете нагнетатель остается в положении нижнего нагнетателя
  • В этом режиме двигатель работает как двигатель с наземным наддувом, а выходная мощность уменьшается по мере набора высоты летательным аппаратом
  • Однако, как только самолет достигает заданной высоты, производится снижение мощности, и пилот переключает управление нагнетателем в положение высокого нагнетателя
  • Затем дроссельная заслонка сбрасывается на желаемое давление в коллекторе
  • Двигатель, оснащенный нагнетателем этого типа, называется высотным двигателем [Рисунок 6]
• • Из-за высоких температур и давлений, создаваемых в выхлопных системах турбины, неисправность турбокомпрессора требует особой осторожности.
    • Во всех случаях эксплуатации турбонагнетателя следуйте процедурам, рекомендованным производителем
    • В тех случаях, когда процедуры производителя не описывают адекватно действия, которые необходимо предпринять в случае отказа турбонагнетателя, рассмотрите следующие
  • • Неправильная регулировка скоростей
  • • Когда воздух нагнетается в цилиндры под давлением турбокомпрессора, а затем сжимается поршнем, возрастает опасность детонации (детонации)
    • Стук возникает из-за того, что при сжатии воздуха температура воздуха повышается
    • Температура может увеличиться настолько, что топливо воспламенится до того, как загорится свеча зажигания
    • Если происходит чрезмерное повышение давления в коллекторе при нормальном перемещении дроссельной заслонки (возможно, из-за неправильной работы вестгейта):
      • Немедленно плавно замедлите дроссельную заслонку, чтобы ограничить давление в коллекторе ниже максимального значения для оборотов и настройки смеси
      • Управляйте двигателем таким образом, чтобы избежать дальнейшего избыточного наддува
    • Если давление наддува действительно высокое, возможно, потребуется уменьшить степень сжатия двигателя или увеличить октановое число, чтобы избежать детонации
  • • Хотя это состояние может быть вызвано незначительной неисправностью, вполне возможно, что произошла серьезная утечка выхлопных газов, создающая потенциально опасную ситуацию:
      • Остановите двигатель в соответствии с рекомендуемыми процедурами отказа двигателя, за исключением случаев более серьезной аварийной ситуации, требующей продолжения работы двигателя
      • Если двигатель продолжает работать, используйте самую низкую мощность, требуемую ситуацией, и приземлитесь как можно скорее
    • Очень важно проводить корректирующее обслуживание после любой неисправности турбонагнетателя
• • В большинстве современных двигателей с турбонаддувом чувствительный к давлению механизм управления, соединенный с приводом, управляет положением перепускной заслонки.
    • Моторное масло, направляемое в этот привод или от него, перемещает вестгейт в положение
  • Привод автоматически позиционируется для создания желаемого МАР простым изменением положения ручки управления дроссельной заслонкой
  • В других конструкциях систем турбонаддува используется отдельное ручное управление для позиционирования перепускной заслонки
  • При ручном управлении необходимо внимательно следить за манометром коллектора, чтобы достичь желаемого MAP
  • Системы с ручным управлением часто используются на самолетах, которые были модифицированы системами турбонаддува после продажи и требуют особых условий эксплуатации.
    • Например, если вестгейт остается закрытым после спуска с большой высоты, можно создать давление в коллекторе, превышающее ограничения двигателя
    • Это состояние, называемое чрезмерным наддувом, может вызвать сильную детонацию из-за эффекта наклона, возникающего в результате увеличения плотности воздуха во время снижения
  • Хотя автоматическая система перепускного клапана с меньшей вероятностью будет испытывать состояние избыточного наддува, оно все же может произойти
  • Во избежание чрезмерного наддува осторожно продвигайте дроссельную заслонку, чтобы не допустить превышения пределов максимального давления в коллекторе
  • Например, турбина и крыльчатка турбокомпрессора могут работать со скоростью вращения более 80 000 об/мин при чрезвычайно высоких температурах
  • Подшипники постоянно снабжаются моторным маслом для снижения сил трения и высокой температуры
  • Для обеспечения адекватной смазки температура масла должна находиться в нормальном рабочем диапазоне, прежде чем будут применены высокие настройки дроссельной заслонки
  • Если питание подается, когда температура моторного масла ниже нормального рабочего диапазона, холодное масло может не вытекать из привода перепускной заслонки достаточно быстро, чтобы предотвратить чрезмерный наддув
  • Кроме того, дайте турбонагнетателю остыть и турбине замедлиться перед тем, как заглушить двигатель.
  • В противном случае масло, оставшееся в корпусе подшипника, закипит, что приведет к образованию твердого нагара на подшипниках и валу, который быстро снижает эффективность и срок службы турбонагнетателя
  • Дополнительные ограничения см. в Руководстве по летной эксплуатации самолета (AFM)/Руководстве пилота по эксплуатации (POH)
  .
  • Пилот должен внимательно следить за показаниями двигателя при изменении мощности.
    • Агрессивные и/или резкие движения дроссельной заслонки повышают вероятность чрезмерного наддува
  • Когда вестгейт открыт, двигатель с турбонаддувом будет реагировать так же, как двигатель без наддува, при изменении оборотов
    • То есть при увеличении оборотов давление в коллекторе немного уменьшится
    • При снижении оборотов двигателя давление в коллекторе немного увеличивается
  • Когда перепускной клапан закрыт, изменение давления во впускном коллекторе в зависимости от оборотов двигателя прямо противоположно тому, что наблюдается у двигателя без наддува.
    • Увеличение числа оборотов двигателя приведет к увеличению давления во впускном коллекторе, а уменьшение числа оборотов двигателя приведет к снижению давления во впускном коллекторе
  • Выше критической высоты, когда перепускной клапан закрыт, любое изменение воздушной скорости приведет к соответствующему изменению давления в коллекторе.
    • Это верно, потому что увеличение напорного давления воздуха с увеличением скорости воздушного потока усиливается компрессором, увеличивающим давление в коллекторе
  • Увеличение давления в коллекторе создает более высокий массовый расход через двигатель, вызывая более высокие скорости турбины и, таким образом, дальнейшее увеличение давления в коллекторе
  • При работе на больших высотах авиационный бензин может испаряться, не дойдя до цилиндра
  • Если это происходит в части топливной системы между топливным баком и топливным насосом с приводом от двигателя, в баке может потребоваться вспомогательный насос положительного давления
  • Поскольку насосы с приводом от двигателя подают топливо, они легко блокируются парами
  • Подкачивающий насос обеспечивает положительное давление, подталкивает топливо, уменьшая склонность к испарению
  • Управление теплом:
    • Двигатели с турбонаддувом должны эксплуатироваться продуманно и осторожно, с постоянным контролем давления и температуры
    • Две температуры, которые особенно важны:
      • Температура на входе в турбину (TIT) или в некоторых установках температура выхлопных газов (EGT)
      • Температура головки цилиндров (CHT)
    • Пределы TIT или EGT защищают элементы в горячей части турбокомпрессора, а предельные значения CHT защищают внутренние части двигателя
    • Из-за тепла сжатия всасываемого воздуха двигатель с турбонаддувом работает при более высоких рабочих температурах, чем двигатель без турбонаддува
    • Поскольку двигатели с турбонаддувом работают на больших высотах, их окружающая среда менее эффективна для охлаждения
    • На высоте воздух менее плотный и поэтому охлаждается менее эффективно
    • Кроме того, менее плотный воздух заставляет компрессор работать тяжелее
    • Частота вращения турбины компрессора может достигать 80 000–100 000 об/мин, что увеличивает общую рабочую температуру двигателя
    • Двигатели с турбонаддувом также большую часть времени работают при более высоких настройках мощности
    • Высокая температура вредна для работы поршневого двигателя
    • Его кумулятивное воздействие может привести к выходу из строя поршня, колец и головки блока цилиндров и вызвать термическую нагрузку на другие рабочие компоненты
    • Чрезмерная температура головки блока цилиндров может привести к детонации, что, в свою очередь, может привести к катастрофическому отказу двигателя
    • Двигатели с турбонаддувом особенно чувствительны к нагреву
    • Таким образом, ключом к работе турбокомпрессора является эффективное управление теплом
    • Пилот контролирует состояние двигателя с турбонаддувом с помощью манометра, тахометра, датчика температуры выхлопных газов/температуры на входе в турбину и температуры головки блока цилиндров
    • Пилот управляет «тепловой системой» с помощью дроссельной заслонки, оборотов винта, смеси и закрылков капота
    • При любой заданной крейсерской мощности смесь оказывает наибольшее влияние на регулирование температуры выхлопных газов/турбины на входе
    • Дроссель регулирует общий расход топлива, но смесь определяет соотношение топлива и воздуха
    • Таким образом, смесь регулирует температуру
    • Превышение температурных пределов при наборе высоты после взлета обычно не является проблемой, поскольку полностью обогащенная смесь охлаждается избытком топлива
    • Однако на крейсерском режиме пилот обычно снижает мощность до 75% или менее и одновременно регулирует смесь
    • Внимательно следите за пределами температуры в крейсерских условиях, потому что именно там температура, скорее всего, достигнет максимума, даже если двигатель производит меньше мощности
    • Однако перегрев при наборе высоты по маршруту может потребовать полностью открытых закрылков капота и более высокой воздушной скорости
    • Поскольку двигатели с турбонаддувом работают на высоте при более высоких температурах, чем двигатели без наддува, они более подвержены повреждениям из-за переохлаждения
    • Постепенное снижение мощности и тщательный контроль температуры необходимы на этапе снижения
    • Пилот может счесть полезным опустить шасси, чтобы дать двигателю возможность работать во время снижения мощности и дать время для медленного остывания
    • Также может потребоваться небольшое обеднение смеси для устранения шероховатости при более низких настройках мощности
  • • В турбонагнетателях и нагнетателях используются две версии перепускных клапанов
    • • Пилот контролирует давление с помощью рычага управления и должен помнить об открытии перепускной заслонки перед запуском и посадкой
    • • Изменяет положение перепускной заслонки, чтобы постоянно поддерживать постоянное давление до достижения критической высоты, при которой перепускная заслонка будет полностью закрыта

• Авиационный газотурбинный двигатель состоит из воздухозаборника, компрессора, камер сгорания, турбинной секции и выхлопной трубы
• Турбинные двигатели создают тягу за счет увеличения скорости воздуха, проходящего через двигатель.
  • Тепло по существу равно тяге; чтобы получить больше тяги от двигателя, вы увеличиваете тепло
• Турбинные двигатели очень востребованы в авиационных силовых установках
• Отличаются плавностью хода, высокой удельной мощностью и используют легкодоступное реактивное топливо
• До недавних достижений в области материалов, конструкции двигателей и производственных процессов использование газотурбинных двигателей в небольших/легких серийных самолетах было непомерно дорогим
• В настоящее время несколько авиапроизводителей производят или планируют производить небольшие/легкие самолеты с газотурбинными двигателями
• Эти небольшие самолеты с газотурбинным двигателем обычно вмещают от трех до семи пассажиров и называются очень легкими реактивными самолетами (VLJ) или микрореактивными самолетами
• • Существует четыре типа авиационных газотурбинных двигателей :
  • Путь, который проходит воздух через двигатель, и то, как вырабатывается мощность, определяют тип двигателя
  • Работа с циклом Брайтона, который аналогичен 4-тактному циклу, за исключением того, что он поддерживает непрерывное сгорание, поскольку все этапы происходят одновременно
  • Пять основных компонентов:
    • Впускной канал
    • Компрессор
    • Камера сгорания (или камеры)
    • Турбина (или турбины)
    • Выпускной узел
  • Существует три типа компрессоров: центробежный, осевой и центробежно-осевой
  • Сжатие впускного воздуха в центробежном двигателе осуществляется путем ускорения воздуха наружу перпендикулярно продольной оси машины
  • Осевой двигатель сжимает воздух с помощью ряда вращающихся и неподвижных аэродинамических профилей, перемещая воздух параллельно продольной оси [рис. 8]
  • В конструкции с центробежно-осевым потоком используются оба типа компрессоров для достижения требуемой степени сжатия
  • Справочник по авиационным знаниям для пилотов,
    Двухконтурный осевой компрессор
  • Справочник по авиационным знаниям для пилотов,
    Двухконтурный осевой компрессор
• • > Справочник пилотов по авиационным знаниям, Турбореактивный двигатель
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, Турбореактивный двигатель
  • Ускорение воздушной массы с помощью двигателя создает тягу
  • ТРД состоит из четырех секций: компрессора, камеры сгорания, турбинной секции и выхлопной [Рисунок 9]
  • Секция компрессора пропускает впускной воздух с высокой скоростью в камеру сгорания
    • Коэффициент сжатия отражает увеличение давления
    • Например, степень сжатия 10:1 означает, что компрессор увеличивает начальное значение в фунтах на квадратный дюйм (PSI), скажем, с 15 до 150.
  • Камера сгорания содержит впускное отверстие для топлива и воспламенитель для сжигания
  • Расширяющийся воздух приводит в движение турбину, соединенную валом с компрессором, поддерживая работу двигателя
  • Ускоренные выхлопные газы двигателя обеспечивают тягу
    • Это основное применение сжатия воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси, выработки мощности для поддержания работы двигателя и выхлопа для движения
  • Турбореактивные двигатели ограничены по дальности и выносливости
  • Они также медленно реагируют на приложения дроссельной заслонки при низких скоростях компрессора
• • Справочник пилотов по авиационным знаниям, турбовинтовой двигатель
  • Разработан для обеспечения требований к мощности для самолетов большего размера
  • Турбовинтовые двигатели способны развивать мощность 2/12 л.с. на фунт веса
  • Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, который преобразует большую часть энергии газа в механическую энергию, приводящую в движение воздушный винт через редуктор [Рисунок 10]
  • Выхлопные газы приводят в действие силовую турбину, соединенную валом, приводящим в движение узел редуктора
    • Редуктор преобразует высокие обороты, низкий крутящий момент в низкие обороты, высокий крутящий момент для предотвращения достижения вершинами лопастей звукового потока
  • Редуктор необходим, потому что оптимальные характеристики гребного винта достигаются при гораздо более низких скоростях, чем рабочие обороты двигателя
  Турбовинтовые двигатели
  • представляют собой компромисс между ТРД и поршневыми силовыми установками
  .
  • Турбовинтовые, вообще говоря, на высоте ограничены темпами, на малой высоте ограничены крутящим моментом
  Турбовинтовые двигатели
  • наиболее эффективны при скорости от 250 до 400 миль в час (миль/ч) и высоте от 18 000 до 30 000 футов
  • Они также хорошо работают на низких скоростях полета, необходимых для взлета и посадки, и экономичны по топливу
  • Минимальный удельный расход топлива турбовинтового двигателя обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы
  • • • Состоит из основной механики реактивного двигателя: компрессор, камера сгорания и турбины/выхлоп
    • • Электронно измеряет крутильную деформацию (скручивание), возникающую в передающем валу, соединяющем блок силовой передачи и редуктора
      • Этот поворот лошадиных сил
    • • Снижает обороты двигателя в пределах эффективных оборотов гребного винта
      • Соотношение на некоторых установках достигает 13 к 1
      • Это большое передаточное отношение необходимо, потому что газовая турбина должна работать на очень высоких оборотах для эффективного производства энергии, в то время как пропеллер не
      • Для повышения эффективности гребного винта угол наклона лопастей изменяется для увеличения или уменьшения мощности при неизменном числе оборотов двигателя
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, турбовинтовой двигатель
• • Справочник пилотов по авиационным знаниям, ТРДД
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, ТРДД
  Турбовентиляторные двигатели
  • сочетают в себе некоторые из лучших характеристик турбореактивных и турбовинтовых двигателей [Рисунок 11]
  • Самолет с ТРДД имеет меньшую взлетную дистанцию ​​и развивает большую тягу при наборе высоты, чем ТРД примерно такого же размера, что позволяет увеличить полную массу
  • ТРДД создают дополнительную тягу, отводя вторичный поток воздуха вокруг камеры сгорания.
    • Поскольку вентилятор находится внутри кожуха, на поток воздуха через вентилятор не влияет скорость самолета
  • Обводной воздух турбовентилятора создает повышенную тягу, охлаждает двигатель и способствует подавлению шума выхлопных газов.
    • Высокий байпас обычно используется для повышения эффективности, например, на коммерческих самолетах
    • Малый байпас обычно используется для высокоскоростных самолетов, таких как военные истребители
  • Регулировка байпаса обеспечивает крейсерскую скорость ТРД и снижает расход топлива
  • Впускной воздух, проходящий через турбовентиляторный двигатель, обычно разделяется на два отдельных воздушных потока.
    • Один поток проходит через ядро ​​двигателя, а второй поток обходит ядро ​​двигателя
    • За счет большого количества воздуха, который сжимается и разгоняется вентилятором, воздух полностью обходит горелочную и турбинную секции
  • Поскольку воздух не нагревается за счет сжигания топлива для получения тяги, ТРДД имеет меньший расход топлива
  • Именно этот перепускной поток воздуха отвечает за термин «двухконтурный двигатель»
  • Коэффициент двухконтурности турбовентиляторного двигателя представляет собой отношение массового расхода воздуха, проходящего через вентилятор, к массовому расходу воздуха, проходящего через сердцевину двигателя
  • Более низкая скорость газа на выходе из выхлопной трубы двигателя также означает, что турбовентиляторные двигатели могут работать тише
  • Турбовентиляторные двигатели лучше всего работают при низких температурах, высоком давлении окружающей среды и высоких оборотах
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, ТРДД
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям, ТРДД
• • Турбовальные двигатели передают мощность на вал через трансмиссию, которая приводит в движение не пропеллер (ротор) [Рисунок 11]
  • Самая большая разница между турбореактивным двигателем и турбовальным двигателем заключается в том, что в турбовальном двигателе большая часть энергии, производимой расширяющимися газами, приводит в движение турбину, а не создает тягу
  • Обладают высокой удельной мощностью
  • На многих вертолетах используется турбовальный газотурбинный двигатель
  • Вспомогательные силовые установки на больших самолетах часто представляют собой турбовальные двигатели

• Приборы для двигателей, которые показывают давление масла, температуру масла, частоту вращения двигателя, температуру выхлопных газов и расход топлива, являются общими как для турбинных, так и для поршневых двигателей
• Однако некоторые приборы предназначены только для газотурбинных двигателей
• Эти приборы показывают степень сжатия двигателя, давление нагнетания турбины и крутящий момент
• Кроме того, большинство газотурбинных двигателей имеют несколько датчиков температуры, называемых термопарами, которые обеспечивают пилотам показания температуры в секции турбины и вокруг нее
• • Пилот газотурбинного самолета не управляет двигателем напрямую
  • Отношение пилота к силовой установке соответствует отношению офицера мостика на корабле
    • Офицер мостика получает ответ двигателя, передавая приказы инженеру под палубой, который, в свою очередь, фактически перемещает дроссель двигателя
  • Органы управления определяют некоторые или все следующие параметры работы двигателя:
    • Требования пилота (положение дроссельной заслонки)
    • Температура на входе компрессора
    • Давление нагнетания компрессора
    • Давление горелки
    • Давление на входе компрессора
    • об/мин
    • Температура турбины
    • Высота
  • Регулятор подачи топлива планирует подачу топлива в камеру сгорания двигателя, автоматически обеспечивая подачу топлива в соответствии с условиями работы двигателя
  • Колебания расхода топлива ограничены для обеспечения быстрого разгона и торможения без остановки
• • Манометр степени давления в двигателе (EPR) показывает выходную мощность турбореактивного/турбовентиляторного двигателя
  • EPR – отношение давления нагнетания турбины к давлению на входе в компрессор
  • Замеры давления регистрируются датчиками, установленными на входе в двигатель и на выходе
  • После сбора данные отправляются на датчик перепада давления, который отображается на датчике ЭПР кабины экипажа
  Конструкция системы
  • EPR автоматически компенсирует влияние воздушной скорости и высоты. Изменения температуры окружающей среды требуют корректировки показаний EPR для обеспечения точных настроек мощности двигателя
• • Ограничивающим фактором в газотурбинном двигателе является температура секции турбины
  • Необходимо тщательно контролировать температуру турбинной секции, чтобы предотвратить перегрев лопаток турбины и других компонентов выхлопной секции
  • Одним из распространенных способов контроля температуры секции турбины является датчик температуры выхлопных газов.EGT — это рабочий предел двигателя, используемый для контроля общих условий работы двигателя
  .
  • Варианты систем EGT имеют разные названия в зависимости от расположения датчиков температуры
  • Обычные датчики температуры турбины включают датчик температуры на входе в турбину (TIT), датчик температуры на выходе из турбины (TOT), датчик межступенчатой ​​температуры турбины (ITT) и датчик температуры газа в турбине (TGT)
• • Измеритель крутящего момента измеряет выходную мощность турбовинтового/турбовального двигателя
  • Крутящий момент – это крутящая сила, приложенная к валу
  • Измеритель крутящего момента измеряет мощность, приложенную к валу
  • Турбовинтовые и турбовальные двигатели создают крутящий момент для привода воздушного винта
  • Измерители крутящего момента калибруются в процентах, футо-фунтах или фунтах на квадратный дюйм
• • N1 представляет собой скорость вращения компрессора низкого давления и представлена ​​на индикаторе в процентах от проектной об/мин
  • После пуска скорость компрессора низкого давления регулируется турбинным колесом N1
  • Турбинное колесо N1 соединяется с компрессором низкого давления через концентрический вал
• • N2 представляет собой скорость вращения компрессора высокого давления и представлена ​​на индикаторе в процентах от проектной об/мин
  • Турбинное колесо N2 управляет компрессором высокого давления
  • Турбинное колесо N2 соединяется с компрессором высокого давления через концентрический вал

• Большое разнообразие газотурбинных двигателей делает нецелесообразным рассмотрение конкретных рабочих процедур, но есть определенные эксплуатационные соображения, общие для всех газотурбинных двигателей
• • Самая высокая температура в любом газотурбинном двигателе возникает на входе в турбину
  • Таким образом, температура на входе в турбину обычно является ограничивающим фактором в работе газотурбинного двигателя
• • Тяга газотурбинного двигателя напрямую зависит от плотности воздуха
  • По мере уменьшения плотности воздуха уменьшается и тяга
  • Кроме того, поскольку плотность воздуха уменьшается с повышением температуры, повышение температуры также приведет к снижению тяги
  • В то время как высокая относительная влажность в некоторой степени влияет как на газотурбинные, так и на поршневые двигатели, у газотурбинных двигателей будет незначительная потеря тяги, а у поршневых двигателей значительная потеря тормозной мощности
• • Для запуска газотурбинных двигателей требуется либо внешнее наземное оборудование, либо использование вспомогательной силовой установки (ВСУ)
  • ВСУ представляет собой небольшой авиационный газотурбинный двигатель, используемый для создания источника воздуха для питания стартеров воздушной турбины или для увеличения подачи отбираемого от двигателя воздуха в систему экологического контроля

• Из-за конструкции и функции воздухозаборника газотурбинного двигателя всегда существует возможность попадания мусора
  • Этот посторонний мусор или FOD наносит значительный ущерб, в частности, секциям компрессора и турбины
• Когда происходит проглатывание мусора, это называется мусором постороннего предмета (FOD)
• Типичный FOD состоит из небольших зазубрин и вмятин, вызванных проглатыванием мелких предметов с рампы, рулежной дорожки или взлетно-посадочной полосы, но также встречаются повреждения от FOD, вызванные столкновением с птицами или попаданием льда
• Иногда FOD приводит к полному разрушению двигателя
• Предотвращение FOD является высоким приоритетом
• Некоторые воздухозаборники двигателей имеют тенденцию образовывать вихрь между землей и воздухозаборником во время наземных операций
• На эти двигатели может быть установлен вихревой рассеиватель
• Другие устройства, такие как экраны и/или дефлекторы, также могут использоваться
• Предполетные процедуры включают визуальный осмотр на наличие любых признаков FOD

• Двигатели, работающие на воздухе и топливе
• Поскольку воздух является практически данностью, когда двигатель выходит из строя, подозревают топливо
• • Погасание пламени при работе газотурбинного двигателя, при котором пожар в двигателе непреднамеренно гаснет
  • Если соотношение топливо/воздух в камере сгорания превышает предел обогащения, пламя гаснет
  • Обычно возникает из-за очень быстрого разгона двигателя, при котором чрезмерно обогащенная смесь приводит к падению температуры топлива ниже температуры сгорания.
    • Недостаточный приток воздуха для поддержки горения способствует погасанию пламени
  • Более распространенное прекращение воспламенения происходит из-за низкого давления топлива и низких оборотов двигателя, что обычно связано с полетом на большой высоте
  • Эта ситуация также может возникнуть, когда двигатель дросселируется во время снижения, что может вызвать срыв пламени в условиях бедной смеси
  • Слабая смесь может легко вызвать затухание пламени даже при нормальном обдуве двигателя
  • Любое прекращение подачи топлива может привести к срыву пламени
    • Это может быть связано с длительным нестандартным положением, неисправностью системы управления подачей топлива, турбулентностью, обледенением или нехваткой топлива
  • Симптомы возгорания обычно такие же, как и после отказа двигателя
  • Если прекращение воспламенения вызвано временным состоянием, таким как дисбаланс между потоком топлива и частотой вращения двигателя, исправьте ситуацию и попытайтесь запустить воздух
  • В любом случае пилоты должны следовать применимым аварийным процедурам, изложенным в AFM/POH
  .
  • Как правило, эти процедуры содержат рекомендации относительно высоты и воздушной скорости, при которых запуск в воздухе, скорее всего, будет успешным
• • Справочник пилотов по аэронавигационным знаниям,
    , нормальный против обычного.Искаженный поток воздуха на входе
  • Лопасти компрессора представляют собой малые аэродинамические поверхности и подчиняются тем же аэродинамическим принципам, что и любой аэродинамический профиль
  • Лопатка компрессора имеет угол атаки, который зависит от скорости воздуха на входе и скорости вращения компрессора
  • Эти две силы объединяются, чтобы сформировать вектор, который определяет фактический угол атаки аэродинамического профиля относительно приближающегося впускного воздуха [Рисунок 13]
  • Остановка компрессора — это дисбаланс между двумя векторными величинами, скоростью на входе и скоростью вращения компрессора
  • Остановка компрессора происходит, когда угол атаки лопаток компрессора превышает критический угол атаки
  • В этот момент плавный поток воздуха прерывается, создавая турбулентность с колебаниями давления
  • Остановка компрессора приводит к тому, что поток воздуха в компрессоре замедляется и застаивается, иногда меняет направление [Рис. 6-28]
  • Остановка компрессора может быть временной и прерывистой или постоянной и серьезной
  • Признаки переходного/прерывистого заклинивания обычно представляют собой прерывистый «хлопок» как обратный эффект, и имеет место реверсирование потока
  • Если срыв развивается и становится устойчивым, из-за непрерывного реверсирования потока могут возникнуть сильная вибрация и громкий рев
  • Часто датчики в кабине экипажа не показывают легкое или кратковременное сваливание, но указывают на развитое сваливание
  • Типичные показания приборов включают колебания оборотов и повышение температуры выхлопных газов
  • Большинство переходных остановок не вредны для двигателя и часто исправляются после одной или двух пульсаций
  • Немедленная возможность серьезного повреждения двигателя из-за стационарного сваливания
  • Восстановление должно быть выполнено путем быстрого снижения мощности, уменьшения угла атаки самолета и увеличения скорости полета
  • Хотя все газотурбинные двигатели подвержены остановке компрессора, большинство моделей имеют системы, которые их подавляют
  • В одной системе используется регулируемый впускной направляющий аппарат (VIGV) и регулируемые статорные лопатки, которые направляют поступающий воздух на лопасти ротора под соответствующим углом
  • Во избежание сваливания из-за давления воздуха эксплуатировать самолет в пределах параметров, установленных производителем
  • Если происходит остановка компрессора, следуйте процедурам, рекомендованным в AFM/POH
  .
  • Это происходит в газотурбинных двигателях, использующих те же принципы, что и сваливание крыла самолета
  • Компрессоры газотурбинных двигателей имеют аэродинамическую форму, и когда воздушный поток нарушается, это вызывает остановку, что создает проблемы с давлением, что приводит к видимым и слышимым остановам

• Справочник пилотов по авиационным знаниям,
  Тяга против скорости и сопротивления
• Справочник пилотов по авиационным знаниям,
  Тяга против скорости и сопротивления
• Можно сравнить характеристики поршневой силовой установки и различных типов газотурбинных двигателей [Рисунок 14]
• Для того чтобы сравнение было точным, необходимо использовать тяговую мощность (полезную мощность) поршневой силовой установки, а не тормозную мощность.
  • Использование полезной тяги для газотурбинных двигателей
• Кроме того, конфигурация и размеры самолета должны быть примерно одинаковыми
• При сравнении производительности полезны следующие определения:
  • • Тормозная мощность (BHP) — это мощность, передаваемая на выходной вал
    • Тормозная мощность — это фактическая полезная мощность в л.с.
  • • Полезная тяга, создаваемая турбореактивным или турбовентиляторным двигателем
  • • Тяга в лошадиных силах (THP) – эквивалент тяги в лошадиных силах, создаваемой турбореактивным или турбовентиляторным двигателем
  • • Что касается турбовинтовых двигателей, то сумма мощности на валу (SHP), передаваемой на воздушный винт, и THP, производимой выхлопными газами, измеряется как эквивалентная мощность на валу (ESHP)
    • На рис. 6-29 показано, как четыре типа двигателей сравниваются по полезной тяге при увеличении воздушной скорости
    • Этот рисунок носит пояснительный характер и не относится к конкретным моделям двигателей
• Построив кривую производительности для каждого двигателя, можно провести сравнение изменения максимальной скорости самолета в зависимости от типа используемого двигателя
• Поскольку график является только средством сравнения, численные значения чистой тяги, скорости самолета и сопротивления не включены
• Сравнение четырех силовых установок по полезной тяге делает очевидными определенные рабочие характеристики
• В диапазоне скоростей, показанном слева от линии А, поршневая силовая установка превосходит три других типа
• Турбовинтовой двигатель превосходит турбовентиляторный в диапазоне слева от линии C
• ТРД опережает ТРД в диапазоне левее линии F
• Турбовентиляторный двигатель превосходит поршневую силовую установку справа от линии B и турбовинтовой справа от линии C
• Турбореактивный двигатель превосходит поршневую силовую установку справа от линии D, турбовинтовой справа от линии E и турбовентиляторный справа от линии F
• Точки, в которых кривая сопротивления самолета пересекает кривые чистой тяги, являются максимальными скоростями самолета
• Вертикальные линии от каждой точки до базовой линии графика показывают, что турбореактивный самолет может развивать более высокую максимальную скорость, чем самолет, оснащенный другими типами двигателей
• Самолет, оснащенный турбовентиляторным двигателем, будет развивать более высокую максимальную скорость, чем самолет, оснащенный турбовинтовой или поршневой силовой установкой
• • Форсажные камеры работают по принципу прямоточного воздушно-реактивного двигателя, при этом распыляемое топливо, смешанное с дымовыми газами/выпускным воздухом байпасного вентилятора, создает дополнительную тягу
  • Эти системы обеспечивают вдвое большую тягу при четырехкратном сжигании топлива

• Двигатели предназначены для работы при определенной температуре
  • Таким образом, как перегрев, так и перегрев опасны для здоровья двигателя
• Чрезмерное время простоя (т.д., стремительные спуски) может охлаждать двигатель ниже рабочей температуры
• В самолетах с карбюратором это может привести к неправильному распылению топлива в карбюраторе, что приведет к нарушению топливовоздушной смеси
• Резкие (не очень плавные/постоянные) изменения дроссельной заслонки усугубляют эти ситуации

• Все двигатели выполняют четыре цикла/этапа, но способы их выполнения различаются
• Силовые установки сложны и взаимодействуют с другими системами самолета
• Обратите внимание, что в то время как капот относится к кожуху двигателя, обтекатель обычно относится к другим частям самолета, таким как шасси
• Существует множество систем запуска двигателей, и они продолжают развиваться благодаря таким технологиям, как электронные системы зажигания
.
• Такие системы включают, но не ограничиваются:
• Информацию, относящуюся к конкретному двигателю вашего самолета, можно найти в Информационном руководстве для пилота/Справочнике по эксплуатации
.
• Чтобы узнать больше о спирали, нарисованной на передней части газотурбинных двигателей, посмотрите Mentour Pilot на YouTube
• Все еще что-то ищете? Продолжить поиск:

---

Copyright © Блокнот CFI, 2022. Все права защищены.| Политика конфиденциальности | Условия обслуживания | Карта сайта | Патреон | Контакт

Авиационная газовая турбина – обзор

2.4 Керосин и альтернативные виды топлива

Название «керосин» обычно применяется к авиационному топливу, сжигаемому авиационными газотурбинными двигателями, коммерческими или военными, но спецификация керосина может меняться в зависимости от типа топлива. применение. Топливо для военных нужд имеет более широкую спецификацию и обозначается буквами JP (реактивное топливо), за которыми следует цифра от 1 до 10.Гражданский керосин относится к семействам Jet A или Jet B.

Jet B представляет собой смесь керосина и бензина в пропорции 30–70. Он легче, чем Jet A, и с ним сложнее обращаться из-за его высокой воспламеняемости. Его преимуществом является очень низкая температура замерзания — 60 ^o C, и он похож на военный JP-4. В гражданской сфере используется на Аляске, в Северной Канаде и России, в относительно небольших количествах.

Основным коммерческим керосином является семейство Jet A. Наиболее распространенным является Jet A-1 с типичной плотностью 0.804 кг/л, удельная энергия 42,8 МДж/кг, температура вспышки 38 ^o C и температура замерзания — 47 ^o C. Другой вариант, известный только как Jet A, немного тяжелее с 0,820 кг/л. плотность, практически такая же удельная энергия и температура вспышки и более высокая температура замерзания − 40 ^o C.

Ключевое отличие заключается в температуре замерзания. Коммерческие самолеты летают на крейсерских высотах, на которых температура наружного воздуха может достигать − 60 ^o C. По мере увеличения дальности полета самолета и увеличения расстояния беспосадочных перелетов время нахождения крыльев самолета при таких очень низких температурах становится больше, и требуется осторожность. следует давать во избежание блокировки замерзшим топливом топливных насосов, подающих керосин к двигателям, и прерывания подачи.Точка замерзания Jet A оказалась слишком высокой для длительных полетов над Северным полюсом и была почти полностью заменена Jet A-1. Сегодня он все еще доступен в Соединенных Штатах и ​​некоторых местах в Канаде.

Был проведен высокий уровень исследований и последующих испытаний, чтобы найти альтернативу керосину. Причины разнообразны: во-первых, нефть является невозобновляемым ресурсом и закончится в неизвестном будущем; во-вторых, наличие альтернативного источника может дать авиакомпаниям выбор и получить больше контроля над топливным рынком, чем зависимость от одного поставщика; и, наконец, альтернативное топливо должно быть более экологичным, а его производственный цикл оставлял бы меньший углеродный след, сокращая местные выбросы и выбросы, связанные с изменением климата.

Задача найти нужный товар оказывается чрезвычайно сложной. Ключевым элементом является количество изменений, которые могут потребоваться для нового и другого топлива в системе воздушного транспорта. Конструкции самолетов и аэропортов строятся на бензине, керосине или другом топливе с близкими химическими и механическими свойствами. Отказ от этого предположения приводит к серьезной перестройке всей логистики (транспортировка, распределение, хранение) и, возможно, к новым требованиям к конструкции двигателей и топливных баков.Поскольку архитектура коммерческого самолета является очень интегрированной дисциплиной, такие изменения предполагают полную переработку самолета в форме, отличной от сегодняшней трубы с крыльями.

Два основных направления исследований в этой области сосредоточены на производстве жидкости, настолько похожей на ископаемый керосин, что ее можно смешивать с ним, сохраняя те же свойства. Термин drop-in описывает этот тип топлива. Второй и относительно новый подход заключается в использовании какого-либо электрического источника энергии, если не для полной замены керосина, то для частичной замены некоторых задач, требующих энергии двигателя в современных самолетах, таких как система кондиционирования воздуха или гидравлические системы. .Вторым шагом будет гибридная концепция, когда самолет будет использовать керосин на фазах полета с высокой мощностью (взлет, начальный набор высоты) и переходить на электричество на фазах малой мощности, таких как крейсерский полет или заход на посадку.

В обоих случаях непосредственными преимуществами будут экологические преимущества, если жизненный цикл альтернативного топлива оставляет меньший углеродный след, чем ископаемый керосин, или если потребляемая электроэнергия получается из возобновляемых источников. Гипотетическое энергетическое преимущество в первом случае сомнительно, потому что самолет использует точно такое же количество энергии с той же эффективностью.Наш нынешний опыт показывает небольшое преимущество в мощности нагрева в некоторых тестируемых видах биотоплива, но всегда очень небольшое.

Систематическое использование электроэнергии недостаточно развито для установления точных цифр. Замена гидравлической и пневматической системы электрическими элементами уменьшит энергию, извлекаемую из двигателей, и, если она будет лучше, чем энергия, необходимая для транспортировки более крупных аккумуляторов, будет повышена эффективность. Как и во всех случаях сравнения веса и энергии, результат более благоприятен для моделей малого и среднего радиуса действия.Прогресс идет медленно, некоторые программы, первоначально называвшиеся «Все электрические самолеты», переходят на более благоразумное название «Больше электрических самолетов». Некоторые приложения этих технологий уже находятся в коммерческой эксплуатации. Boeing B-787 поступил на вооружение в октябре 2011 года, используя электричество для замены пневматической силовой установки и противообледенительных систем крыла. Производитель заявляет, что экономия топлива может возрасти до 3% за счет меньшего расхода топлива и меньшего веса. Некоторые важные технические проблемы с ионно-литиевыми батареями большой мощности во время первоначального использования, по-видимому, указывают на то, что этой технологии требуется еще некоторое время для созревания.

Электрические двигатели для замены турбинных или гибридных двигателей, представляющих собой комбинацию обеих силовых технологий, являются относительно новыми, поскольку соотношение энергии и веса аккумуляторов еще не достигло значений, необходимых для двигателя коммерческого самолета. Некоторые легкие модели летали с разными силовыми установками: Boeing продемонстрировал в 2008 году 770 кг. Максимальная взлетная масса (MTOM), двухместный самолет Diamond, который летал с водородным топливным элементом вместо поршневого двигателя мощностью 80 л.с. В период 2014–2017 годов Airbus провел испытания 550-килограммового MTOM E-Fan, также двухместного, с двумя электродвигателями, работающими от литий-ионных аккумуляторов.Ни одна из этих программ не была продолжена, но и Airbus, и Boeing поддерживают дополнительные исследования по гибридному региональному авиалайнеру в категории 50–80 мест.

Биокеросин или биотопливо имеют гораздо более техническое определение, основанное на многолетнем автомобильном опыте работы с этанолом, кукурузой и соевым сырьем. Многие авиакомпании выполняли регулярные рейсы на смеси био- и ископаемого керосина без каких-либо инцидентов. С 2011 года существует сертификация, одобренная биокеросином (ASTM D7566), и современные двигатели сертифицированы для использования смеси до 50% заменяемого топлива.

Ключевым моментом является отсутствие экономической целесообразности. Стоимость биокеросина может составлять порядка 200–250 долларов США за эквивалентный баррель, что в 3–4 раза превышает нынешнюю цену ископаемого керосина. Здесь проводится множество исследований по лучшему сырью, двигаясь к маслянистым растениям, не конкурирующим с производством продуктов питания, таким как ятрофа или рыжик, а позже и к микроскопическим водорослям. В любом случае масштабы производства невелики, и ожидается, что удельная стоимость может улучшиться за счет увеличения объема производства, но вряд ли удастся достичь конкурентоспособной ценовой ситуации на промышленной основе.

Автомобильное топливо имеет обязательный минимальный уровень биокомпонента внутри. Обоснование состоит в том, что экономия CO ₂ в течение жизненного цикла должна иметь свою цену. Если включить цену на углерод, аналогичная процедура регулирования может быть применена к биокеросину, чтобы добиться снижения вклада авиационного сектора в изменение климата. После ратификации Парижского соглашения в ноябре 2015 года, что произошло год спустя, усилилось давление, чтобы включить затраты на выбросы углерода в любую экономическую политику, связанную с энергетикой.

Авиационный двигатель – обзор

24.3.1 Генерация переменного тока

Система питания переменного тока обеспечивает лучшую конструкцию и позволяет более широко использовать электрические и электронные устройства. В современных гражданских самолетах используется трехфазная система питания переменного тока 115 В переменного тока с частотой 400 Гц. Основным источником ЭУР является трехфазный генератор переменного тока, приводимый в движение авиационным двигателем. Этот генератор состоит из трех отдельных блоков, состоящих из генератора с постоянными магнитами (ГПМ), генератора возбуждения и основного генератора, как показано на рис.24,5 [9].

Рис. 24.5. Электрическая схема генератора.

PMG подает однофазное питание переменного тока на регулятор напряжения. Регулятор напряжения выпрямляет и модулирует выход PMG. Этот регулируемый выход подает питание на обмотку возбуждения возбудителя, позволяя генерировать переменное напряжение на роторе возбудителя.

Главный генератор — синхронная машина с раневым полем. Обмотанный ротор при возбуждении постоянным током, подаваемым возбудителем, создает магнитный поток в воздушном зазоре между ротором и статором.Этот магнитный поток индуцирует переменное напряжение в статоре. Величина этого переменного напряжения статора пропорциональна постоянному току, обеспечиваемому ротором возбудителя. Этот постоянный ток в свою очередь зависит от напряжения статора возбудителя. Следовательно, напряжение переменного тока статора основного генератора определяется величиной напряжения статора возбудителя.

Для обычных гражданских самолетов (Airbus A340, Boeing B717, B737NG, B747, B767-400, B777, MD-12 и т. д.) трехфазные генераторы приводятся в действие двигателем через механический привод постоянной скорости (CSD).CSD представляет собой сложную механическую коробку передач, которая поддерживает постоянной механическую скорость и, следовательно, электрическую частоту на электрической шине самолета, как показано на рис. 24.6. Таким образом, эта система может обеспечивать постоянную выходную скорость, в то время как входная скорость (например, частота вращения вала двигателя) может варьироваться в зависимости от двигателя. Этот вал с постоянной скоростью приводит в движение генератор, обеспечивающий подачу электроэнергии с постоянной частотой, обычно 400 Гц. Однако стоимость покупки и обслуживания редуктора может быть высокой из-за сложности системы гидромеханического привода [16].Кроме того, использование редуктора снижает надежность системы. Следовательно, эта топология представляется не лучшим выбором.

Рис. 24.6. Система генерации постоянной частоты с использованием механической коробки передач.

На рис. 24.7 представлен альтернативный способ создания источника питания постоянной частоты с помощью генератора, подключенного непосредственно к валу двигателя. Выход генератора имеет переменную частоту, связанную со скоростью турбины. Эта электрическая частота, которая изменяется на этапах полета в ответ на изменение режима работы двигателя, обрабатывается регулируемым преобразователем мощности переменного тока в переменный и фильтруется для обеспечения подачи фиксированной частоты на EPS самолета.Преобразование мощности переменного тока в переменное может быть реализовано с использованием различных топологий силовых преобразователей, включая матричные преобразователи (MC), встречно-параллельные преобразователи со звеном постоянного тока или циклопреобразователь, как показано на рис. 24.7. Архитектура ВСЦФ с циклопреобразователем в основном используется на военных самолетах (F-18). VSCF со звеном постоянного тока использовался в B777 (резервный) и MD-90. Промежуточный контур удобен для питания высоковольтных нагрузок и зарядки аккумуляторов через преобразователи постоянного тока, в то время как громоздкий конденсатор промежуточного контура увеличивает размер и вес системы.

Рис. 24.7. Система генерации постоянной частоты с регулируемой скоростью с (A) матричным преобразователем, (B) циклопреобразователем.

В такой системе генерации VSCF не требуется редуктор между валом газовой турбины и генератором. Однако недостатком является то, что этот силовой преобразователь должен обрабатывать всю генерируемую мощность и, следовательно, должен иметь полную номинальную мощность и высокую надежность, чтобы соответствовать требуемым уровням безопасности с точки зрения авиаконструктора.

Если электрическая система и связанные с ней нагрузки могут быть адаптированы для работы с переменной частотой, то можно подключить генератор непосредственно к валу двигателя, как показано на рис.24.8. Электрический выход генератора обеспечивает питание переменной частоты с частотой, связанной со скоростью газовой турбины, обычно в диапазоне 320–800 Гц. Архитектуры EPS с таким переменным распределением частот известны как системы с «дикой частотой». Ключевым их преимуществом является прямая связь между выходом генератора и системой электроснабжения, обеспечивающая простую и потенциально очень надежную конфигурацию. Недостатком является то, что почти для всех бортовых нагрузок потребуются преобразователи мощности для управления, поскольку источник питания с переменной частотой не может использоваться напрямую некоторыми бортовыми нагрузками.Однако многие нагрузки, например приводы, требуют этого каскада преобразования мощности для управления даже при работе от источника фиксированной частоты. Наличие большого количества распределенных преобразователей мощности дает больше возможностей для безопасной конструкции авиационных систем, поскольку резервирование может быть встроено на системном уровне, что позволяет избежать каких-либо отдельных точек отказа в конструкции [5]. В новых самолетах, таких как Boeing 787, Airbus A380 и A350, эта архитектура VSVF используется [6]. В этих самолетах, хотя напряжение регулируется на уровне 115 (A380) или 230 В переменного тока (B787), частота изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя и обычно колеблется в пределах от 320 до 800 Гц [7].Это изменение парадигмы приводит к установлению преобразования мощности для многих нагрузок, включая приводы двигателей.