Принцип работы двигателя самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Sukhoi Superjet 100

Реальность против домыслов

Разделы

Помощь

Случайные

Франция законодательница моды

В авиации применяются несколько схем расположения крыла относительно фюзеляжа (низкоплан, центроплан, высокоплан) и двигателей (например: под крылом, в хвосте)

В современных реактивных пассажирских лайнерах наибольшее распространение получила схема низкоплана с двигателями под крылом. Конечно, любая компоновка — это совокупность плюсов и минусов, но преимущества этой схемы перевешивают её недостатки. Боинг исследовал множество вариантов и остановился именно на ней для своих самолетов Б737, 747 и т. д.

Размещение двигателя в задней части фюзеляжа дает возможность повысить аэродинамическую чистоту крыла, уменьшить шумность в салоне и снизить аэродинамические эффекты от обтекания фюзеляжа реактивной струей. Так же меньше дестабилизирующий момент при отказе двигателя.

Но при этом возникают свои проблемы. Итак, несколько слов о компоновке «Двигатель в хвосте»

«Свой» писал:
1. Есть такая пакость у движков на хвосте — попадание самолёта в так называемый затяжной, «замкнутый» срыв при выходе самолёта на закритические углы атаки в 25-30° и выше. Самолет как бы «запирался»в этом положении с задранным носом, терял скорость, сваливался в штопор. Выход на закритические углы случался при попадании самолёта в мощный восходящий поток, порыв воздуха. Такие мощные порывы на больших высотах весьма редки, но каждый самолёт, как правило, в них попадает. Однако, как выяснилось, только самолёты с двигателями на хвостовой части фюзеляжа оказались неустойчивыми на этом режиме. На закритических углах атаки с крыла срывается спутная струя воздуха, которая попадает на ВЗ двигателей (что приводит к помпажу) и на горизонтальное оперение (рули высоты), делая его неэффективным.
Печальный пример:

А горизонтальное оперение у компоновки двигатели на хвосте, как известно, располагается на вершине киля (если его устанавливать на фюзеляже, то оно попало бы в струю газов из сопла двигателей). Так называемое Т-образное хвостовое оперение ещё и тяжелее обычного. Существенное утяжеление конструкции является значительным недостатком самолётов с двигателями на хвосте. Кроме тяжёлого хвостового оперения, самое большое утяжеление имеет фюзеляж, на котором крепится силовая установка, загружающая его. Как оказалось, на самолётах с двигателями на хвосте преимущества «аэродинамически чистого» крыла снижались за счёт увеличения аэродинамического сопротивления, обусловленного взаимовлиянием (интерференцией) мотогондол и хвостовой части фюзеляжа.

2. Ко всему прочему, расположение двигателей в хвосте — отбирают часть салона, этим увеличивая общую длину фюзеляжа. Сравните длину 5-рядного SSJ (29,94 м, 98 пассажиров в 19.5 рядов) и 6-рядного Ту-334 (31,26 м, 102 пассажира в 17 рядов).

3. Существует и недостаток, связаный с близостью расположения двигателей друг к другу (а так же компактностью топливопроводов в хвосте): в случае пожара одного мотора шансы, что огонь повлияет и на второй (третий) двигатель (или подачу топлива к ним) — много выше, чем у самолетов с широко разнесёнными двигателями (под крылом).

4. Если двигатель подвешен под крылом, то его вес частично уравновешивается подъемной силой крыла(в полете). А если он в хвосте — вес ничем не уравновешивается, окромя как прочностью конструкции фюзеляжа и (крыла тоже). Или, если сказать по другому, двигатели на крыльях хорошо разгружают и само крыло — подъемная-то сила стремится задрать крыло вверх.

5. Двигатели «под крылом» ГОРАЗДО удобнее обслуживать. Из интервью Жака Декло: Я хотел бы подчеркнуть, что низкое положение двигателя является огромным преимуществом для техобслуживания. Благодаря такому его расположению мы способны заменить любое оборудование в течение 20 минут, для замены двигателя потребуется менее двух часов. А стоимость техобслуживания является одним из важнейших критериев для авиакомпании-заказчика. Подробное описание проблемы, сравнение доступа к двигателям, много фото

6. Ещё один недостаток связан с большой разбежкой центровки самолетов. Расположенные сзади двигатели приводят к смещению назад центра тяжести (ЦТ) самолета. Смещается назад и крыло. В результате фюзеляж и пассажирская кабина оказываются разделёнными крылом на неравные части — длинную носовую и короткую хвостовую. При этом наличие коммерческой нагрузки (пассажиры, багаж, груз) перемещает ЦТ вперед относительно крыла, а её отсутствие (перегоночный вариант, неполная загрузка) приводит к перемещению ЦТ самолета назад. В итоге расстояние между крайними положениями ЦТ превысило у самолетов с «высоким движком» все ранее известные пределы. Как решить эту проблему? Первые создатели таких самолетов — конструкторы «Каравеллы» и Ил-62 — решили идти привычным путём. Пусть истинная разбежка огромна, но летать самолёт должен только при умеренном её значении, характерном для прежних самолетов с двигателями на крыле, следовательно, необходимо компоновать крыло и главные стойки шасси относительно переднего положения ЦТ (полная загрузка). Что же будет, когда пассажиры выйдут и ЦТ переместится назад? Самолёт перевернется на хвост? Чтобы этого избежать, на Ил-62 применили дополнительную хвостовую стойку шасси, на которую опирается пустой самолёт. Как-то во время испытаний Владимир Коккинаки забыл убрать хвостовую опору перед взлётом и при разбеге сломал ее. Он комментировал это происшествие так: «Отлетает всё, что не нужно самолету». Пилоты не любят непонятных усложнений… У «Каравеллы» роль хвостовой опоры играл бортовой пассажирский трап в хвостовой части фюзеляжа (после высадки пассажиров самолет опирается на него, пока топливозаправщик не зальет горючее в крыльевые баки). Это на земле, а как лететь, если ЦТ переместится назад и самолет окажется неустойчивым в полёте? На Ил-62 предусмотрен балластный бак в носовой части фюзеляжа, в который при отсутствии коммерческой нагрузки заливается вода. Ведь топливо не следует размещать в фюзеляже по соседству с пассажирской кабиной — это пожароопасно. На «Каравелле» в перегоночном полёте в носовые багажники грузят балласт. Это, если можно так сказать, решение проблемы «по-французски». Оно связано с эксплуатационными трудностями, опасностями ошибиться при использовании балласта. В крейсерском полёте самолёт летает при малых разбежках центровки, что требует меньших балансировочных нагрузок на горизонтальное оперение и меньших его размеров.

Вставший на хвост самолет

7. Итак, двигатели «под крылом» работают на устойчивость самолёта и на его хорошую весовую культуру (при прочих равных такой самолёт весит меньше тех, у кого движки расположены по-другому), т.е. самолёт везёт больше комм.нагрузки.

Вероятно, указанные выше ограничения не устраивали английских создателей VC-10, DH-121, ВАС 111. Они захотели решить проблему кардинально — обеспечить возможность полёта при всех имеющихся огромных разбежках центровки. При этом надо компоновать крыло и главные стойки шасси относительно заднего положения ЦТ (самолет без нагрузки). В этом случае самолет никогда не перевернётся на хвост и всегда будет устойчивым в полёте. Но проблема возникает при полной загрузке самолета. Она состоит в том, что огромное плечо главных стоек шасси относительно ЦТ затрудняет отрыв передней стойки шасси при взлете самолета. Трудно и балансировать самолёт в полёте: требуются большие усилия на горизонтальном оперении и углы его отклонения, что увеличивает сопротивление в полёте. Эти проблемы решаются только за счёт существенного увеличения площади (и массы) горизонтального оперения. Для примера сравним близкие по размерам самолеты: скомпонованный «по-французски» Ил-62 имеет площадь горизонтального оперения, составляющую 14,7% от площади крыла, а скомпонованный «по-английски» VC-10 — 23%.

Возможных компоновок двигателя для пассажирского лайнера сегодня, фактически, всего две — на хвосте и под крылом (у верхнего крыла глюков ещё больше). Естественно, выбирая между мифической опасностью «засосать в движок мусор с полосы» и хорошо известным авиаторам гемороем…

Про движки на хвосте можно сказать ещё то, что известно об одной катастрофе и двух «инцидентах» связанных с попаданием на взлёте в движки ледяной корки с крыльев. Виновата, само собой, аэродромная служба — но факт остается фактом. «Под крылом» такого не может случиться в принципе.

А расскажите так же и про минусы компоновки «движок под крылом»

1. Движок под крылом несколько портит аэродинамику
2. Движок под крылом шумит на уровне салона
3. Движок под крылом вынуждает делать высокие шасси, а значит — самолёт для высадки и посадки пассажиров нуждается в трапе, плюс большое шасси — это лишний вес.

Выводы по пунктам:

1. Движок портит аэродинамику ВЕЗДЕ . Ну, разве только сунуть его в сам фюзеляж. Но это неприемлимо потому, что он, гад, шумит, занимает место, в случае поломки может устроить пожар или мясорубку. А на пилоне — на пожар можно смотреть и идти на аварийную посадку, либо просто сбросить. (они сбрасываются, правда)
2. Вкусовщина, можно перетерпеть. А в случае «двигатель под крылом» — само крыло экранирует шум мотора.
3. С ростом размера самолёта значение этого фактора теряется. Если в авиетке бизнес-класса движки под крылом просто сунуть некуда, там высота от крыла до бетонки метр максимум, то на Ил-96 шо так, шо этак — все равно из салона не выпрыгнешь.

Соответсвенно, выбор конструктора пляшет именно от размера самолета. В среднем классе — или встроенный трап и геморой с ЦТ, или движки под крыло — но получается дверь на большой высоте.

Вот какую штуку нашел. Полюбуйтесь, как извращаются люди, лишь бы не ставить двигатель на хвост.

Валерий Попов писал: … У самолётов с размещением двигателей в хвосте есть ещё одна проблема — нелокализованное разрушение двигателя. Вероятность поражения обломками двигателя коммуникаций, генераторов, гидронасосов, элементов системы управления значительно выше, чем при размещении двигателей под крылом. Сертифицировать самолёт в такой схеме можно, но уровень безопасности будет заведомо ниже, чем для альтернативного варианта. То же отностится к пожару двигателя (читайте Ершова). Причём это нелокализованное разрушение, в отличие от попадания в двигатель посторонних предметов, реальная опасность. За последние 3-4 года в России было 2 случая — Як-42 и Ту-154. В то время, как по попаданиям посторонних предметов — проблем не припомню…

Drozdov Vadim пишет: Добавлю, что на самом распостранённом ныне Ту-154 проблему пытались решить также наклонив назад стойки основного шасси (ось тележки при этом сдвигается назад относительно заднего лонжерона). Но получили дополнительную проблему в виде необходимости усиления задней части фюзеляжа из-за появления эффекта «ножниц» при касании земли. Если посмотрите на фюзеляж за крылом — видны серьёзные усиливающие накладки. Тем не менее избавиться от проблемы полностью не удалось и перегрузка на посадке ограничена до 2,0. Это довольно небольшая величина, и усугубляет ситуацию инертное поведение машины в продольном канале, особенно при передних центровках. Поэтому требования к технике пилотирования этого самолёта весьма высоки, а цена жёсткой посадки довольно большая.

Lukas писал: двигатель под крылом — разгружает крыло. Т.е. в весовом отношении со схемой двигатель в хвосте проигрываем дважды: и крыло тяжелее, и хвост начинает весить как чугунный мост.

Экзот: Разница в топливной системе близка к принципиальной. Расходные баки/отсеки располагаются у «двигатель по крылом» также в баках или рядом с ними. И, при необходимости, топливо оттуда может поступать даже при отказе самолётных подкачивающих насосов. При расположении двигателей на хвостовой части фюзеляжа это очень сложно.

При расположении двигателей под крылом двигатели продолжают работать даже при невероятном отказе всех СПН. Если же Вы предполагаете отказ всех СПН вероятным (например, умерла вся электросистема), то даже в этом случае силовая установка продолжит работать. Чего нельзя сказать о компоновке «двигатель в хвосте».

20.06.2015 Vetrogonov пишет:

16:59 tomashomecat пишет:
чистое крыло и меньший разнос (крутящий момент) движков это для Вас пустой звук?

Совершено пустой. Они не компенсируют большое количество недостатков жопомоторов.
Это понятно каждому, кто в состоянии представить прохождение сил в полете по каркасу.

21.06.2015 tomashomecat пишет:

20.06.2015 Vetrogonov пишет:
Это понятно каждому, кто в состоянии представить прохождение сил в полете по каркасу.

1. насколько я знаю главная причина всеобщего переноса движков под крыло в 60х годах был вес тогдашних движков нужной мощности, сейчас такой проблемы нет.
1. с точки зрения геометрии центр силы тяги «жопомотора» почти идеально совпадает с центром лобового аэродинамического сопротивления что облегчает работу каркаса, чего совсем нельзя сказать про движки под крылом низкоплана. их момент на кабрирование нужно тоже как-то компенсировать конструкцией фюзеля плюс частичной потерей эффективности крыла.
2. «жопомотор» не должен создавать никаких проблем для конструкции каркаса современного пасс-самоля с мощной палубой посреди фюзеля.

21.06.2015 Посторонним В пишет:
Котик, ты бы лучше в историю авиации не вдавался! 😉
В 60-е годы как раз шло массовое «перемешивание» двигателей в хвост — по примеру «Каравеллы». Даже Боинг после В-707 создал 727-й по таккой схеме. И главным фактором было уменьшение шума в пассажирском салоне.

21.06.2015 asp пишет:

09:51 aosta63 пишет:
главная причина переноса движков под крыло — масса возникающих плюсов. Крыло разгружается от действующей подъемной силы, и его масса становится ниже. Хвостовая часть фюзеляжа тоже становится легче так как не должна воспринимать тягу. Доступ к двигателям проще.
и еще я смутно помню, что двигатель под крылом играет роль своеобразного противофлаттерного груза
на вход в двигатель не попадают возмущения с крыла и он не затеняется. все это способствует устойчивости работы двигателей.

… а еще на мотогондолы работают как запасное шасси, и после поездок на них самолет можно использовать снова 🙂

21.06.2015 Посторонним В пишет:

К плюсам компоновки «двигатель под крылом» можно отнести и то, что при увеличении тяги возникает дополнительный кабрирующий момент — в отличие от компоновки «двигатели в хвосте», где в той же ситуации наоборот — создаётся пикирующий момент.
Вспоминается Туношна…
Понятно, что не из-за этого, но, может, именно этой малости и не хватило… (

21.06.2015 B_A_K пишет:

tomashomecat,
Я так вижу, вы прям всезнайка в авиации 🙂 И где только таких делают?

«В плюс» схемы «двигатели в хвосте» можно отнести, по большому счёту, только «чистое крыло» и меньшую шумность в передней части салона. Во всём остальном эта схема проигрывает традиционной начисто!

Работа силовой схемы фюзеляжа (а не каркаса!) на растяжение-сжатие далеко не самое главное. Я бы сказал, несущественное. Основное нагружение фюзеляжа — это изгиб. Эпюра изгибающих моментов, действующих на фюзеляж, определяется разносом масс. Чем весомей некий агрегат (двигатель, к примеру) и чем дальше он расположен от точки приложения аэродинамических сил от крыла (1/4 САХ), тем больше
изгибающий момент, тем больше металла вы туда заложите. Размещение двигателей в хвосте приводит к заметному перемещению центра тяжести конструкции. Как следствие — уменьшается плечо горизонтального и вертикального оперения. Вряд ли вы знаете, что в горизональном установившемся полёте статически устойчивого самолёта стабилизатор создаёт отрицательную подъёмную силу. Это нужно для парирования момента, создаваемого парой сил: вес самолёта и подъёмная сила. Поскольку плечо стабилизатора уменьшилось, силу на стабилизаторе приходится увеличивать, что, соответственно, сказывается на ЛТХ самолёта в целом.
Как справедливо было отмечено выше одним из авторов, выдвинутые вперёд двигатели при установке их на крыле служат противофлаттерными грузами. Вкупе с разгрузкой крыла это позволяет применить более тонкие профили, что, как учили нас в институтах, снижает аэродинамическое сопротивление (со всеми вытекающими последствиями).
Есть ещё масса нюансов, например, увеличение веса топливной системы, бОльшая трудоёмкость обслуживания и, не поверите, двигатели в хвосте охотнее собирают с ВПП всякую бяку. Так что поменьше гонора в суждениях, есть резоны, про которые не пишут в «мурзилках», и только разработчик самолёта, прикидывая хрен к носу, определяет, чем он может пожертвовать, а чем нет, чтобы его самолёт покупали.

21.06.2015 Engineer_2010 пишет:

Krendel V.M. пишет: …задачей про пластинку бесконечного размаха на крутильной пружинке проблема флаттера не исчерпывается ))

Это точно, если учесть, что ко всем крутильно-машущим колебаниям консолей ОЧК ещё добавляется возбуждающий фактор от поперечно-вертикальных колебаний мотогондол. Кстати, на ролике про частотные испытания SSJ наглядно можно увидеть, как на определённых частотах начинают «мотыляться» движки: http://www.youtube.com/watch?v=mIUUncpPnyM
Я слышал от спецов по флаттеру из ЦАГИ, что в своё время, как на Ил-86 (или 96, точно не помню), так и на Ту-204, пришлось изрядно попотеть над решением проблем взаимодействия крыло-мотогондола. По их же рассказам, китайские товарищи сознательно выбрали для своего «пробного шара» в лице ARJ-21 компоновку с двигателями в ХЧФ, чтобы не связываться с этой непростой задачей.
p.s. Кадры с «трясучкой» мотогондол примерно на 5 мин 45 сек.

20 Jun 2012 14:07 (опубликовано: skydiver000)

Если вам понравилась статья, не забудьте поставить «+»