Реферат: Реактивные двигатели, устройство, принцип работы

Темы: Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения приразных скоростях.

Введение.

В современной авиации гражданской и военной, вкосмической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основусоздания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции,возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемогорабочего тела противоположны. При этом величина тяги пропорциональнапроизведению массы рабочего тела на скорость её отброса. Так упрощённо можноописать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современныхреактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в еёоснове  и конструкции реактивныхдвигателей лежат труды русских учёных и изобретателей, которые в развитииреактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущееместо. Конечно, к началу работ по ракетной технике  в России относится к 1690г., когда было построеноспециальное заведение при активном участии Петра 1   для производства пороховых ракет, которыегораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракетыобразца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовалисьпочти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки созданияавиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когдавоенный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростатаиспользовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработалпроект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно,это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательныхаппаратов, а конечно Н.Е.Жуковский, «отец русской авиации», впервыеразработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по правуосновоположником этой теории.

        ТрудыРоссийских и советских учёных и конструкторов вместе с трудами наших выдающихсясоотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова,  В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, чтопозволило создать высокоскоростные истребители типа……, тяжёлые транспортныесамолёты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144,  ракетоноситель Энергия и орбитальную станциюМир и многое другое, что является нашей славной историей  и гордостью России.

I. Физические основы работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных  реактивных двигателях  различных типов лежит принцип прямой реакции,т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струивытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённыхгазов.

Во всех двигателях существует два процессапреобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется втепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется длясовершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневыедвигатели  автомобилей, тепловозов,паровые и газовые турбины электростанций и т.д.

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивнымдвигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателяи рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесьвоздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивногосамолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостныхракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховыхракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурнымвыделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химическойреакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическаяэнергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения ихэлектронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядраатомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которойодни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно,перестройка электронных оболочек. В этой перестройке — источник выделяющейсяхимической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служитьлишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании)выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количествогазов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся нареакции  не на молекулярном уровне (этоуже рассмотрели выше), а на «фазах» работы. Пока сгорание неначалось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Новот пламя охватило смесь, ещё мгновение — и химическая реакция закончена.Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктовгорения, более плотно «упакованные». Избыток энергии связи,представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился.Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другиммолекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы иатомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительноболее высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переходпотенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Подобных переход осуществлялся и во всех другихтепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них вотношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

После того, как в тепловом двигателе образовалисьгорячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должнабыть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобысовершать механическую работу, что-то «двигать», приводить вдействие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль илисамолёт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую,их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, накоторую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

В случае поршневого двигателя расширяющиеся газыдавят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот ужевращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины,ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта — двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбинегазы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо — здесь отпадает нужда в передаточномкривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществтурбины

Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе,ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае незатрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в другихтепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное — создаватьреактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу сбольшой скоростью струя газов — продуктов сгорания: сила реакции этой струи иесть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должнабыть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газовв реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию — беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно заменитьсяорганизованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частейдвигателя, так называемое реактивноесопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или инойреактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателянаружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы — продукты сгораниятоплива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же послекамеры сгорания, например,  в ракетныхили прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, — газы сначала проходятчерез турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует вэтом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздухаперед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частьюдвигателя — через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, темболее, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключаетсяв той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скоростьистечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газахраспространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простойцилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должнапревосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы илиже сначала  суживающейся, а за темрасширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теорияи опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через«звуковой барьер».

II. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования

Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции,дал жизнь огромной кроне «генеалогического дерева»  семьи реактивных двигателей.  Чтобы познакомиться с основными ветвями егокроны, венчающей «ствол» прямой реакции. Вскоре, как можно видеть порисунку (см. ниже), этот ствол делится на две части, как бы расщепленный удароммолнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это делениепроизошло по тому, что все «химические» реактивные двигатели делятсяна два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающийвоздух или нет.

<img src="/cache/referats/14534/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

(ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключениясовременных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух,ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей вкамеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительнопревышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большейскоростью — именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скоростиистечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходоватьмного, такой двигатель не найдёт применения. В ТРД для сжатия воздуха служиткомпрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора.Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессорымогут иметь спасибо за пользование нашей системой меньшее или большее числоступеней сжатия, быть одно-двухкаскадными и т.д. Для приведения во вращениекомпрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-закомпрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции безкомпрессорныевоздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давленияосуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие  и прямоточные двигатели.

1.<span Times New Roman"">     

В пульсирующем двигателе дляэтого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель,когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в нейпроисходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входногоотверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газыустремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процессповторяется.

2.<span Times New Roman"">     

В бескомпрессорном двигателедругого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной решётки и давление вкамере сгорания повышается в результате скоростного напора, т.е. торможениявстречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полёте. Понятно, чтотакой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат ужелетит с достаточно большой скоростью, на стоянке он тяги не разовьет. Но затопри весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточныйдвигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любойдругой «химический» реактивный двигатель при этих условиях. Вотпочему прямоточные двигатели.

Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковыхлетательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловленаналичием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скоростьдвижения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовуючасть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установкистабилизаторов. 

Добавить про пороховые, ядерные и электрические

III.Особенности проектирования и созданиянен н  не летательного аппарата.

Рассмотрим реактивного движения  при разных скоростях возьмем два типареактивного движения: дозвуковое и сверхзвуковое. На любой скорости важную рольиграет аэродинамика летательного аппарата.

Аэродинамика — наука о движении тел в воздушнойсреде — является теоретической основной авиации. Без успехов аэродинамики невозможно было бы стремительное развитие авиации, столь характерное для нашеговремени.  Но успехи аэродинамики были бынемыслимы без проведения экспериментальных работ, в основе которыхиспользование аэродинамических труб, позволяющих  производить моделирование полёта  летательногоаппарата с учётом теории подобия, в результате чего  испытуемое изделие закреплялось стационарно,а  воздушный поток набегал на него.

Это позволило инженерам решить сложные вопросыаэродинамики крыла, оптимизировать формы фюзеляжа, решить проблемы штопора, флаттера,вопросы преодоления вниз звукового барьера и многие другие, инженерные инаучные вопросы теории газодинамики. На лабораторной базе Центрального аэрогидродинамическогоуниверситета (ЦАГУ) проводились основные исследования,  в том числе и реактивных двигателей (вернееих масштабных моделей) при дозвуковом и сверхзвуковом набегающем потоке.Результатами этих работ явились научные труды, позволившие оптимальным образамвыбирать характеристики двигателей их компоновку и  положение на корпусе фюзеляжа и многоедругое. Таким образом, в результате проектных и экспериментальных работопределялся общий вид летательного аппарата.

Но важной особенностью проектных работ являлосьвыбор двигательной установки, позволившей выполнять изделию заданныетехнические характеристики. Конечно, на самом деле вопросы выбора двигателя вистории развития авиационной технике шли как бы поэтапно от простого к сложномуи соответственно более совершенному, не уменьшая надёжности. Это на современномэтапе развития техники мы можем более грамотно (из имеющегося) выбиратькомпоновку летательного аппарата в соответствии с требуемыми задачами. Поэтомуконструктора всегда учитывают особенности двигателей при разных скоростях.

  В этихслучаях  Реактивные двигатели(прямоточные, турбореактивные) используют для своей работы кислород воздуха,поступающий из воздухозаборников, установленных на летательном аппарате.

Размеры воздухозаборных устройств, их число,характер расположения, режимы работы существенно изменяют условия обтекания иаэродинамические свойства летательного аппарата, что в свою очередь влияет натяговые и экономические характеристики двигателей.

Для обеспечения наименьших потерь полного давления исоздания тем самым лучших условий работы двигателей воздухозаборные устройствадолжны размещаться на летательном аппарате так, чтобы они не затенялиськрыльями, оперением и другими впихните свой лицо выступающими частями, т.е.чтобы в зоне входа в воздухозаборное устройство поток испытывал как можноменьшие возмущения

   С этойцелью нежелательно размещать воздухозаборное устройство вблизи поверхностикорпуса на большом удалении от носовой части, если входной канал оказывается взоне пограничного слоя с достаточно большой толщиной и поступающий воздух будетиметь большие потери полного давления

Вид аэродинамической схемы летательного аппарата среактивным двигателем зависит от расположения воздухозаборных устройств. Прибольшом удалении воздухозаборника от носовой части летательного аппарата передвходом в него должны быть предусмотрены устройства для отсоса пограничногослоя. Возможно вынесение входного сечения воздухозаборника за пределыпограничного слоя. Всё это предотвращает срыв потока воздуха и улучшаетхарактеристики работы воздухозаборников.

С целью снижения потерь давления воздуха,поступающего в двигатель, и повышения эффективности его работы воздухозаборныеустройства вместе с двигателями могут располагаться в виде гондол на крыльяхили специальных пилонах. В этом случае для повышения устойчивости и улучшенияуправляемости предусмотрено хвостовое оперение.

еще рефераты
Еще работы по авиации