вівторок, 26 лютого 2013 р.

Основи дії реактивних двигунів

          План:

1. Вступ.
2. Принцип дії, пристрій і класифікація.
    2.1 Повітряно-реактивний двигун.
    2.2 Ракетний двигун.
3. Схема реактивного авіадвигуна.
4. Термодинамічні властивості .
5. Ефективність.
6. Література.
 1. Вступ.

Реактивний двигун - це двигун-рушій, що створює реактивну тягу внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні(ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.
2. Принцип дії, пристрій і класифікація.
Реактивні двигуни є основним видом силових установок авіаційних, ракетних і космічних літальних апаратів, що створюють прикладену до них реактивну тягу.
Реактивна тяга створюється двигуном, що викидає в навколишнє середовище визначену масу речовини (робочого тіла).
У залежності від способу одержання сили тяги всі реактивні двигуни поділяються на дві основні групи повітряно-реактивні і ракетні.
2.1 Повітряно-реактивний двигун — тепловий реактивний двигун, у якому як робоче тіло використовується атмосферне повітря, що нагрівається за рахунок хімічної реакції окислення   пального атмосферним киснем.
У повітряно-реактивних двигунах основним компонентом робочого тіла, що здійснює термодинамічний цикл, є атмосферне повітря, кисень якого використовується як окислювач для перетворення хімічної енергії палива в теплову.
Повітряно-реактивні двигуни поділяються на двигуни прямої і непрямої реакції. У перших вся корисна робота затрачається тільки на прискорення повітря. В інших велику частину корисної роботи (чи вся) передається рушію (наприклад, гвинту), за допомогою якого створюється тяга.
Газотурбінні двигуни (ГТД) знаходять найбільше застосування. Основні процеси в них аналогічні тим, що протікають у будь-яких газотурбінних двигунах. ГТД використовуються в основному при помірних швидкостях польоту.
Турбореактивний двигун установлюють на літаках з швидкостями близькими до швидкості звуку, польоту. Параметри робочого тіла (повітря і продуктів згоряння палива в повітрі) - тиск P, температура Т і швидкість W уздовж газоповітряного тракту ТРД змінюються так, як показаний у нижній частині. На зльоті повітря з зовнішнього середовища засмоктується через повітрозабірник. Унаслідок втрат у ньому тиск перед компресором стає трохи нижче тиску зовнішнього середовища. У польоті з великими швидкостями повітря піддається динамічному стиску у вільному струмені і надзвуковому дифузорі, потім стискується в компресорі, швидкість його трохи зменшується, а температура зростає. За камерою згоряння при визначеному коефіцієнті надлишку повітря температура Т продуктів згoрання менше температури полум'я (Тпл) і має значення, при якому забезпечується надійна робота турбіни ГТД. Тиск P продуктів згоряння в камері трохи падає, швидкість зростає.
У двоконтурному турбореактивному двигуні, вхідне у нього повітря, поділяється на два потоки. Перший контур двигуна є звичайним турбогвинтовим двигуном, однак у ньому частина потужності турбіни передається, не зростає. Отримані продукти згоряння розширюються в турбіні (перша ступінь розширення) і в реактивному соплі (друга ступінь розширення). При цьому їхня швидкість постійно зростає, температура і тиск у турбіні знижуються, а в соплі залишаються майже постійними. Турбореактивний двигун з форсажною камерою відрізняється від ТРД наявністю форсажної камери, у якій відбувається додаткове спалювання палива за турбіною.
2.2 Ракетний двигун - двигун, що використовує для роботи тільки речовини і джерела енергії, що маються в запасі на апараті.
Ракетні двигуни працюють на паливі й окислювачі, що транспортуються разом із двигуном, тому його робота не залежить від зовнішнього середовища. Рідинні ракетні двигуни працюють на хімічному рідкому паливі, що складається з палива й окислювача. Рідкі компоненти палива безупинно подаються під тиском з баків у камеру згоряння насосами (при турбонасосній подачі) чи тиском стиснутого газу (при витискній чи балонній подачі). У камері згоряння в результаті хімічної взаємодії палива й окислювача утворяться продукти згоряння з високими параметрами, при витіканні яких через сопло утвориться кінетична енергія середовища, що минає, у результаті чого створюється реактивна тяга. Таким чином хімічне паливо буде служити джерелом енергії, так і робочим тілом.
Аналогічно працюють ракетні двигуни вихідного робочого тіла, що використовують у якості твердого палива, що містить як паливо, так і компоненти, що окисляють - ракетні двигуни твердого палива (РДТТ). Якщо як паливо застосовувати тверде паливо, а як окислювач- рідку речовина, то такий двигун називається гібридним ракетним двигуном (ГРД).
До нехімічних ракетних двигунів відносяться ядерні (ЯРД) і електричні (ЕРД). Енергія ЯРД використовується для газифікації і нагрівання робочого тіла, що не змінює свого складу, минає реактивне сопло і створює тягу. Робочі тіла в ЯРД складаються із заряджених часток, що розганяються за допомогою електростатичних чи електромагнітних полів.
3.Схема реактивного авіадвигуна.

 


1) Впуск повітря
 2) Знижений тиск компресії
 3) Підвищений тиск компресії
 4) Горіння
 5) Вихлоп
 6) Гарячий тракт
 7) Турбіна
 8) Камера згорання
 9) Холодний тракт
 10) Повітрезабірник
4.Термодинамічні властивості .
 В основу більшості повітряно-реактивних двигунів як теплової машини покладено термодинамічний цикл Брайтона, в якому спочатку відбувається адіабатичне стиск робочого тіла. Потім проводиться ізобаричне підведення теплоти за рахунок спалювання палива в камері згоряння. Після чого слід адіабатично розширити під час чого і формується реактивна струмінь. Завершує цикл ізобарно відвід теплоти в процесі охолодження реактивного струменя в атмосфері.

 Найбільш раціональним є формування реактивного струменя в процесі розширення до досягнення статичного тиску робочого тіла, рівного забортному атмосферному тиску. Таким чином, для повітряно-реактивних двигунів обов'язково умова: тиск у камері згоряння перед початком фази розширення робочого тіла повинен перевищувати атмосферний, і чим більше - тим краще, тим вище корисна робота термогазодинамічного циклу і його ККД. Але в навколишньому середовищі, з якого забирається робоче тіло, діє атмосферний тиск. Отже, щоб повітряно-реактивний двигун міг працювати, необхідно тим чи іншим способом підвищити тиск робочого тіла в камері згоряння по відношенню до атмосферного.
Динаміку повітряно-реактивних двигунів можна представити таким чином: робоче тіло, надходить у двигун зі швидкістю польоту, а залишає його зі швидкістю виділення реактивного струменя з сопла. З балансу імпульсу, виходить просте вираження для реактивної тяги повітряно-реактивних двигунів : 
                          P=G(c-v)  (1)
Р- Сила тяги, 
v- Швидкість польоту,
c - Швидкість виділення реактивного струменя (щодо двигуна),
G- Секунднa витрата маси робочого тіла через двигун. Очевидно, повітряно-реактивний двигун ефективний (створює тягу) тільки у випадку, коли швидкість витікання робочого тіла із сопла двигуна перевищує швидкість польоту.
5.Ефективність.
 Ефективність реактивного двигуна визначають декілька ККД.
 Ефективність реактивного двигуна як теплового двигуна визначає ефективний ККД двигуна:                                            (2)
Q1 - кількість теплоти віддана нагрівачем,
Q2 - кількість теплоти отримана холодильником.
 
 Залежність польотного ККД від ставлення 
Ефективність повітряно-реактивного двигуна як рушія визначає польотний або тяговий ККД:   
   (3)
 Порівнюючи формули (1) і (3) можна прийти до висновку, що чим вища різниця між швидкістю витікання газів із сопла і швидкістю польоту, тим вища тяга двигуна і тим нижчий польотний ККД. При рівності швидкостей польоту і газів із сопла польотний ККД буде дорівнює 1, тобто 100%, але тяга двигуна буде дорівнює 0. З цієї причини проектування повітряно-реактивних двигунів є компромісом між створюваною ним тягою і його польотним ККД.
Загальний або повний ККД повітряно-реактивного двигуна є твором двох наведених вище ККД:
     (4)
           
            Повітряно-реактивні двигуни можна розбити на дві основні групи: повітряно-реактивний двигун прямої реакції, в яких тяга створюється виключно за рахунок реактивної струменя минає з сопла. І повітряно-реактивний двигун непрямої реакції, в яких тяга окрім або замість реактивного струменя створюється за допомогою використання спеціального рушія, наприклад пропелера або несучого гвинта вертольота. Застосовується також класифікація за ознакою наявності механічного повітряного компресора в тракті двигуна: в цьому випадку повітряно-реактивні двигуни поділяються на: безкомпресорні (прямоточний повітряно-реактивний двигун з його варіантами, пульсуючий повітряно-реактивний двигун з його варіантами)  і компресорні (де компресор приводиться від газової турбіни), а також мотокомпресорні повітряно-реактивні двигуни (в якому компресор приводиться не від турбіни, а від окремого двигуна внутрішнього згоряння з повітряним гвинтом або без нього).
6. Література:
1.  «Реактивні двигуни та великі швидкості», Л.П. Абіанц, М. 1978 р.
2.  «Теплотехніка», під ред. В.І. Крутова, М. 1986 р.
3.  «Загальна теплотехніка і теплові машини», Швець І.Т., Кіраковський І.Т. «Вища школа», 1977 р.
4.   Вікіпедія.