Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство реактивного двигателя и его работа

  • » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;» rel=»nofollow»> Печать
  • E-mail

Дата Категория: Транспорт

Вращающийся воздушный винт тянет самолет вперед. Но реактивный двигатель с большой скоростью выбрасывает горячие отработавшие газы назад и тем самым создает реактивную силу тяги, направленную вперед.

Типы реактивных двигателей

Существует четыре типа реактивных, или газотурбинных двигателей:

Турбореактивные;

Турбовентиляторные — такие, как используемые на пассажирских лайнерах Боинг-747;

Турбовинтовые, где используют воздушные винты, приводимые в действие турбинами;

и Турбовальные, которые ставят на вертолеты.

Турбовентиляторный двигатель состоит из трех основных частей: компрессора, камеры сгорания и турбины, дающей энергию. Сначала воздух поступает в двигатель и сжимается при помощи вентилятора. Затем, в камере сгорания, сжатый воздух смешивается с горючим и сгорает, образуя газ при высокой температуре и высоком давлении. Этот газ проходит через турбину, заставляя ее вращаться с огромной скоростью, и выбрасывается назад, создавая таким образом реактивную силу тяги, направленную вперед.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Попав в турбинный двигатель, воздух проходит несколько ступеней сжатия. Особенно сильно вырастают давление и объем газа после прохождения камеры сгорания. Сила тяги, создаваемая выхлопными газами, позволяет реактивным самолетам двигаться на высотах и скоростях, намного превосходящих те, что доступны винтокрылым машинам с поршневыми двигателями.

Попав в турбинный двигатель, воздух проходит несколько ступеней сжатия. Особенно сильно вырастают давление и объем газа после прохождения камеры сгорания. Сила тяги, создаваемая выхлопными газами, позволяет реактивным самолетам двигаться на высотах и скоростях, намного превосходящих те, что доступны винтокрылым машинам с поршневыми двигателями.

Турбореактивный двигатель

В турбореактивном двигателе воздух забирается спереди, сжимается и сгорает вместе с топливом. Образующиеся в результате сгорания выхлопные газы создают реактивную силу тяги.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовые двигатели соединяют реактивную тягу выхлопных газов с передней тягой, создаваемой при вращении воздушного винта.

Принцип действия реактивной силы

Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.

В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.

Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Принцип работы реактивного двигателя

В реактивных двигателях струи воздушных потоков, которые попадают в двигатели, встречаются с обращающимися с колоссальной скоростью турбинами компрессоров, которые засасывают воздух из окружающей среды (при помощи встроенных вентиляторов). Следовательно, происходит решение двух задач:

  • Первичное забирание воздуха;
  • Охлаждение в целом всего двигателя.

Лопатки турбин компрессоров производят сжатие воздуха приблизительно от 30 и более раз, совершают «проталкивания» его (нагнетание) в камеру сгорания (происходит генерирование рабочего тела). Вообще камеры сгорания выполняют к тому же и роли карбюраторов, производя смешивание топлива с воздухом.

Это могут быть, в частности, смеси воздуха и керосина, как в турбореактивных двигателях современных реактивных самолетах, либо смеси жидкого кислорода и спирта, такими обладают кое-какие жидкостные ракетные двигатели, либо еще какое-то твердое топливо в пороховых ракетах. Как только образовалась топливно-воздушная смесь, происходит ее воспламенение с выделением энергии в виде тепла. Таким образом, топливом в реактивных двигателях могут быть только такие вещества, которые в результате химических реакций в двигателях (при возгорании) выделяют тепло, при этом образуя множество газов.

Читать еще:  Чем вызван стук поршней в двигателе

При возгорании совершается существенное разогревание смеси и деталей вокруг с объемным расширением. Собственно говоря, реактивные двигатели пользуются для продвижения управляемыми взрывами. Камеры сгорания в реактивных двигателях – это одни из самых горячих элементов (температурный режим в них может достигать до 2700 °С), и они требуют постоянного интенсивного охлаждения.

Реактивные двигатели снабжены соплами, через которые из них вовне с огромной скоростью вытекают накаленные газы, которые являются продуктами сгорания топлива. В некоторых двигателях газы оказываются в соплах сразу же после камер сгорания. Это относится, например, к ракетным или прямоточным двигателям.

Турбореактивные двигатели функционируют несколько иначе. Так, газы, после камер сгорания, вначале проходят турбинами, которым отдают свою тепловую энергию. Это делается для того, чтобы привести в движение компрессоры, которые послужат для сжатия воздуха перед камерой сгорания. В любом случае, сопла остаются последними частями двигателей, через которые протекут газы. Собственно они и формируют непосредственно реактивную струю.

В сопла направляют холодный воздух, который нагнетается при помощи компрессоров, чтобы охлаждать внутренние детали двигателей. Реактивные сопла могут обладать различными конфигурациями и конструкциями исходя из разновидностей двигателей. Так, когда скорость проистекания должна быть выше скорости звука, тогда соплам придаются формы расширяющихся труб или же вначале суживающиеся, а далее расширяющиеся (так называемые сопла Лаваля). Только с трубами такой конфигурации газы разгоняются до сверхзвуковых скоростей, при помощи чего реактивные самолеты перешагивают «звуковые барьеры».

Исходя из того, задействуется ли в процессе работы реактивных двигателей окружающая среда, они подразделяются на основные классы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД). Все ВРД являются тепловыми двигателями, рабочие тела которых образуются тогда, когда происходит реакция окисления горючих веществ с кислородом воздушных масс. Поступающие из атмосферы воздушные потоки составляют основу рабочих тел ВРД. Таким образом, аппараты с ВРД несут на борту источники энергии (топливо), но большая часть рабочих тел черпается из окружающей среды.

К аппаратам ВРД относятся:

  • Турбореактивные двигатели (ТРД);
  • Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);
  • Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД);
  • Гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД).

В противоположность воздушно-реактивным двигателям все компоненты рабочих тел РД находятся на борту аппаратов, оснащенных ракетными двигателями. Отсутствие движителей, взаимодействующих с окружающей средой, а также присутствие всех составляющих рабочих тел на борту аппаратов делают ракетные двигатели пригодными для функционирования в космическом пространстве. Имеется также комбинация ракетных двигателей, представляющих собой некое совмещение двух основных разновидностей.

Преимущества и недостатки реактивного двигателя

Одним из существенных преимуществ ракеты является то, что в отличие от всех других транспортных средств она может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания топлива, содержащиеся в ней самой. В то время как обычные самолеты и даже самолеты с воздушно-реактивными двигателями могут летать только в пределах земной атмосферы, реактивный двигатель баллистической ракеты может работать и в без воздушном пространстве. Другое преимущество — возможность маневрирования корабля в космическом пространстве и торможения его, благодаря изменению направления выброса струи газа. О недостатках. Если даже предположить мгновенное выброс газов из сопла ракеты и вычислять ее установившуюся скорость , то для достижения скорости ракеты, например, в 4 раза большей от скорости газа, который вырывается, топливная масса должна быть в 4 раза больше от массы оболочки, есть оболочка должна составлять пятую часть всей массы ракеты. Не следует при этом забывать, что «полезной» части ракеты является именно ее оболочка. Расчет скорости ракеты показывает, что для того, чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше от скорости газа, масса топлива на старте должно быть не в 4, а в несколько десятков раз больше массы оболочки. Если при этом дополнительно учесть, что во время запуска с Земли на ракету действуют и сила сопротивления воздуха, через которое она должна лететь, и сила тяжести, то можно сделать вывод, что отношение должно быть еще больше. Другим недостатком реактивных двигателей является относительно малая скорость выброса газов из сопла ракеты, и, таким образом, относительно малая скорость оболочки. Ракеты, созданные сегодня на компьютерах c установленной windows, не позволяют достичь скорости даже 50 км / с. И если бы могли, то с такой скоростью поездки до ближайших звезд продолжались бы миллионы лет. Все это делает даже намек на использование ракет с реактивными двигателями для межзвездных перелетов, а тем более пилотируемых перелетов, бессмысленным занятием. Для таких перелетов требуется принципиально иной тип двигателя, изобретение которого — дело далекого будущего. То есть, реактивные двигатели, такие, какие они есть на текущий момент, можно использовать для перелетов в пределах одной планеты и в пределах одной планетной системы. Когда будет найден двигатель для межзвездных перелетов, на космических кораблях будущего (а особенно на разведывательных лодочках) будут установлены реактивные двигатели — для перелетов на близкие расстояния и маневрирования.

Читать еще:  Byd flyer двигатель от чего

Синхронные реактивные двигатели (СРД)

Введение

Появление электрического двигателя во многом способствовало развитию промышленности и улучшению качества жизни населения. В рамках второй промышленной революции произошла популяризация всех видов электрических машин, и теперь для многих создается впечатление, что эти устройства всегда находились на службе у человечества. На сегодняшний день известно множество разновидностей электрических двигателей, от широко известных двигателей постоянного тока (ДПТ), асинхронных двигателей (АД), синхронных двигателей (СД) до шаговых двигателей (ШД). Несмотря на глобальные различные, все они выполняют одну функцию – являются электромеханическими преобразователями, то есть конвертируют электрическую энергию в механическую.

А теперь представьте себе электрический двигатель с максимально простой конструкцией ротора. Это сделать довольно-таки сложно из-за сложившихся стереотипов о функционировании электрической машины, но именно так можно вкратце описать набирающие популярность Синхронные Реактивные Двигатели (с англ. Synchronous Reluctance Machine, СРД). В последнее время на эти электрические машины все больше обращают внимание производители двигателей, а также инжиниринговые компании по всему миру, и не случайно. Давайте разберемся, что же из себя представляют СРД.

Синхронный Реактивный Электродвигатель – синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов – такое определение дает ГОСТ 27471-87.

Принцип работы синхронного реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается когда ротор пытается установить свою наиболее магнито — проводящую ось (d-ось) с приложенным к нему полем, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Амплитуда потока статора управляется через ось d, тогда как ток, отвечающий за момент управляется через ось q. Оси приведены к статору двигателя.

В рассмотренном исполнении ротора разницы между магнитными сопротивлениями осей добиваются за счет увеличения воздушного зазора по оси q. Амплитуда момента прямо пропорциональна разнице между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент. Математически это можно выразить с некоторыми допущениями, рассмотрев формулу электромагнитного момента для синхронной явнополюсной машины без возбуждения на роторе:

Мр = [mU 2 /(2ω1 )] (1/Хq — 1/Хd ) sin 2θ,

где m=3 для трехфазного исполнения статора, ω1- угловая скорость ротора, Xq -индуктивное сопротивление по оси q ротора, Xd — индуктивное сопротивление по оси d ротора, θ-угол между полем ротора и полем статора, характеризующий степень растянутости «магнитной пружины».

Таким образом, в отличие от синхронной машины с обмоткой возбуждения, синхронная реактивная машина в классическом представлении имела меньший момент, а также невысокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД). Объяснялось это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение происходит за счет реактивной составляющей тока. Пуск таких двигателей осуществлялся за счет демпфирующей короткозамкнутой обмотки, т.е. имел место асинхронный пуск синхронного двигателя. Но на сегодняшний день, СРД успешно эксплуатируются в комплекте с преобразователями частоты (ПЧ) YASKAWA GA700 и ПЧ GA500. Пуск происходит благодаря алгоритму, заложенному в ПЧ (управление током намагничивания id статора и током статора, отвечающим за момент iq), следовательно, необходимость асинхронного пуска устраняется. В итоге, коэффициент мощности и КПД у современных СРД заметно увеличился, а конструкция ротора стала максимально простой. В среднем у синхронных реактивных двигателей остается худший коэффициент мощности на 5-10% из-за принципиальных особенностей работы, но на 5- 8 % лучший КПД в сравнении с асинхронными двигателями как в номинальном режиме, так и при работе на всем диапазоне скоростей при регулировании скорости вниз от номинала.

Наибольший интерес у разработчиков систем электропривода вызвала конструкция СРД. Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой. То есть, статор двигателя идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя.

Особенно интересен ротор, который представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали. На роторе отсутствуют обмотки, а также постоянные магниты.
Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явно выраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

а) Ротор с явно выраженными полюсами

б) Аксиально-расслоенный ротор

в) Поперечно-расслоенный ротор

Отличительная особенность синхронных реактивных двигате­лей (СРД) — отсутствие в них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет вращающейся МДС обмотки статора.

Так как, СРД – синхронная машина, то его механическая характеристика в разомкнутой системе будет абсолютно жесткой.


Достоинства и недостатки синхронного реактивного двигателя:

Преимущества СРД:

1. Простота и надежность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки;

2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, поэтому через него не протекает активный ток с выделением тепла. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников, а также на коэффициенте полезного действия системы. Так как снижаются потери на нагрев, то номинальный ток двигателя может быть завышен, что позволяет получить (при аналогичной мощности) более высокий момент (на 20-40%), чем у асинхронного двигателя.

3. Отсутствие магнитов. Из-за этого снижается конечная цена двигателя, так как при производстве не используются редкоземельные элементы.

Читать еще:  Характеристики двигателя для dodge caravan

4. Низкий момент инерции ротора. Так как ротор представляет собой болванку без магнитов и обмоток, которые увеличивают этот показатель в асинхронных двигателях и двигателях с постоянными магнитами. Соответственно, уменьшается типоразмер двигателей. Из чего вытекает следующее преимущество.

5. Меньшие габариты при той же мощности в сравнении с АД.

6. Высокий КПД и cosφ (косинус фи). При работе от сети, а такие двигатели в старых системах работали от сети и снабжались дополнительной пусковой обмоткой на роторе, СРД демонстрировали не лучшие энергетические показатели, но применяя специализированный преобразователь частоты, например, YASKAWA GA700 и GA500, разработанный для работы с синхронными реактивными двигателями, картина в корне меняется. В таких преобразователях происходит разделение между сетью и питающим напряжением двигателя, а программное обеспечение позволяет корректировать выходной ток, создавая наиболее благоприятные условия работы двигателя (в GA700 режим EZOLV). Таким образом СРД оставляет за собой все преимущества, описанные выше, избегая недостатков возникавших ранее при работе от сети. Если все – таки происходит снижение коэффициента мощности, это может означать, что для данного применения должен быть выбран преобразователь на больший номинальный ток.

7. Абсолютно жесткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это говорит о том, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью, до тех пор, пока момент не превысит максимальное значение.

Недостатки СРД:

1. Пуск и работа СРД возможны только от преобразователя частоты. Бездатчиковая система управления отслеживания положения ротора является необходимым условием работы синхронного реактивного двигателя. Преобразователь в каждый момент времени отслеживает потребляемый ток двигателя, так как при повороте вала изменяется магнитное сопротивление в зазоре, и формирует магнитное поле в соответствии с этим изменением, добиваясь высокой производительности.

2. Низкий коэффициент мощности при работе с ослаблением поля. СРД демонстрируют лучшие энергетические показатели при работе в зоне насыщения. При выходе на повышенную скорость, необходимо уменьшить ток намагничивания машины id, в результате чего, заметно упадет момент двигателя, а коэффициент мощности резко снизится в следствие потребления большего реактивного тока. Поэтому для применений в которых осуществляется работа на повышенных скоростях такие двигатели лучше не использовать.

Заключение:

Синхронные реактивные двигатели являются перспективным направлением для интеграции в новые системы и для модернизации старых систем электропривода. Больший КПД на всем диапазоне скоростей в сравнении с СДПМ и АД способствует в пользу выбора этого двигателя при разработке новых систем, соответствующих международному стандарту энергоэффективности IE4. Простота конструкции ротора и проверенная технология изготовления статора позволяют такому двигателю легко найти свое применение в насосных агрегатах и вентиляторах, а также в применениях с постоянным моментом и регулированием скорости вниз от номинала. Единственной проблемой такого двигателя является потребление большего реактивного тока в сравнении с асинхронными двигателями, но при использовании частотного преобразователя YASKAWA GA700 и GA500 этот недостаток легко устраняется.

Сфера применения

Использование ПВРД на пилотируемых самолетах нецелесообразно, ведь для их запуска нужны дополнительные двигатели. Намного проще сразу установить, например, ТРД. Именно поэтому их применение сводится к установке на крылатые ракеты, летающие мишени и непилотируемые самолеты, летающие со скоростью в пределах от 2 до 5М. В основном это «одноразовые» двигатели, что вполне логично, учитывая их невысокую стоимость и простую конструкцию. Запуск аппаратов с ПВРД осуществляется за счет их разгона до рабочей скорости с помощью самолетов-носителей или ракетных ускорителей.

Гиперзвуковые ПВРД планируется использовать на космических аппаратах, но пока это только теория.

Несмотря на то, что использование ПВРД в настоящее время ограничено, постоянно ведутся работы по улучшению их рабочих характеристик и созданию новых моделей.

Последняя разработка является двигатель Sabre частной фирмы Reaction Engines.

Суть данного двигателя в том, что традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, для полета на гипер скоростях требуют спецрезервуаров с жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Обыкновенный воздух на таких скоростях нагревается до очень высоких температур, порядка 1000 градусов по Цельсию, что резко понижает термическое КПД. Особенность двигателя Sabre в том, что позволяет применять атмосферный воздух вместо жидкого кислорода. Когда воздух проходит сквозь двигатель, он сжимается и разогревается, в это время он попадает в холодильник, который оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием эти трубки, гелий охлаждает воздух до необходимой температуры. У двигателя Sabre есть одна особенность. Он в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. Устанавливаться он будет на самолете Skylon. Данная аппарат сможет разогнаться в атмосфере в 5 раз быстрее скорости звука и в 25 раз в открытом космическом пространстве.

Skylon готовиться как космический самолет, способный выводить спутники на низкую орбиту. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector