Как сделать самолеты еще менее прожорливыми?
Реактивная гражданская авиация, во многом определившая облик современного мира, по-прежнему остается источником озабоченности для экологов и поднимает ряд проблем перед авиакомпаниями и авиапромышленностью
Новое, более «зеленое» поколение лайнеров должно потреблять меньше топлива, производить меньше вредных выбросов и меньше шума — с этим согласны все. Однако достичь всех этих целей одновременно крайне непросто.
Стандартом современной гражданской авиации являются турбовентиляторные двигатели. По сути это разновидность двухконтурного турбореактивного двигателя, общий принцип работы которого достаточно прост. При полете самолета набегающий воздух всасывается внутрь двигателя компрессором низкого давления (имеющего привод от вала турбины). Далее часть воздуха направляется внутрь двигателя и участвует как окислитель в сжигании топлива, а другая часть идет в обход камеры сгорания и вырывается назад через сопло, создавая реактивную тягу.
Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя. Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности». Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.
Новый взгляд
Пока «винтовентиляторы» нового поколения находятся на ранних стадиях проектирования, интерес к ним растет и появляются первые эскизы самолетов, которые будут сконструированы специально под этот тип двигателя. На картинке показан проект Королевского британского общества аэронавтики с двумя двигателями, оснащенными винтами толкающего типа. Год назад авиаконцерн Airbus запатентовал концепцию самолета «с пониженным вредным воздействием на окружающую среду». Эскизы представлены для одно- и двухмоторного вариантов, причем в тексте специально указано, что предпочтение будет отдано двигателям с открытым ротором. Силовые установки будут поставлены над задней частью фюзеляжа (примерно как в британском проекте) на специальную защитную плиту. Она послужит заслоном для шума винтов. На картинке — компьютерная модель винтовентиляторного двигателя с открытым ротором, который разрабатывается альянсом NASA, General Electric и SAFRAN.
Преимущества турбовентиляторного двигателя также хорошо известны. Во‑первых, если б? льшая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во‑вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.
Но совершенству нет предела, и как только цены на нефть, а значит, и на авиационный керосин начинают расти, авиаперевозчики и авиаконструкторы сразу задумываются о том, как бы сделать самолеты еще менее прожорливыми.
Пусть жжет и дует
Одно из направлений поисков — повышение термоэффективности двигателей, то есть увеличение КПД за счет роста температуры и давления в камере сгорания и сопле. Естественный барьер на этом пути — прочность и термоустойчивость конструкционных материалов, из которых делают лопатки турбин, стенки камеры сгорания и сопла, так что прорыв здесь возможен прежде всего благодаря прогрессу в области создания материалов с более оптимальными свойствами.
Другое направление — повышение КПД, а значит, и экономичности двигателя путем увеличения степени двухконтурности. Если на килограмм сожженного топлива мы сможем продуть через двигатель еще больше воздуха, создающего реактивную тягу, но не принимающего участия в сжигании керосина, можно нарастить мощность силовой установки, не увеличивая расход топлива. Или уменьшить расход топлива, сохраняя прежнюю тягу.
Лежащее как бы на поверхности решение — увеличение диаметра вентилятора — имеет серьезные «но». Большой вентилятор повлечет за собой увеличение размера и веса мотогондолы, и тут о себе во весь голос заявят два главных врага авиаконструктора — вес и лобовое сопротивление. На преодоление этих двух факторов потребуется дополнительная мощность двигателя, и может получиться так, что весь экономический эффект от роста степени двухконтурности сойдет на нет. О том, как справиться с этой проблемой, конструкторы думают уже несколько десятилетий.
Вентилятор — на свободу!
В середине 1980-х в небе над калифорнийской пустыней Мохаве можно было видеть очень странный летательный аппарат. Вернее, сам аппарат имел знакомые очертания пассажирского лайнера MD-80, вот только один из его двигателей был обычным «турбовентилятором», а другой имел на заднем конце двухрядный винт. Разумеется, никто бы не пустил такой гибрид в рейс, и над пустыней взлетала и садилась всего лишь летающая лаборатория MD-81, на которой испытывался двигатель GE-36 типа Ultra High Bypass (UHB, ультравысокая двухконтурность), произведенный корпорацией General Electric. Другое название силовой установки — Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтекателя»). Собственно, этим о конструкции двигателя все сказано. Для радикального повышения степени двухконтурности вентилятор значительно увеличили в диаметре, при этом ради снижения веса и лобового сопротивления с него сняли кольцевой обтекатель.
Нетрудно заметить, что в этом случае вентилятор фактически становится воздушным винтом (в случае с UDF- толкающим), а двигатель, который на Западе называют propfan, а в нашей литературе винтовентиляторным, обнаруживает родство со старым добрым турбовинтовым мотором.
В турбовентиляторном двигателе PW 1000G компании Pratt&Whitney для оптимизации скоростей вала турбины низкого давления и вентилятора увеличенного диаметра применяется планетарный редуктор.
PW 1000G представляет еще одно направление современной конструкторской мысли, нацеленное на усовершенствование турбовентиляторных двигателей. К продуктам Pratt&Whitney серии Pure Power («чистая энергия») уже проявили интерес японская корпорация Mitsubushi и канадский концерн Bombardier. Недавно корпорация «Иркут» официально объявила о том, что двигатель PW 100G принят в качестве одного из вариантов силовой установки для перспективного российского среднемагистрального лайнера MC-21.
То, что турбовинтовые двигатели экономичнее турбореактивных, было известно и ранее. В гражданской авиации от них почти повсеместно отказались лишь по двум причинам. Первая — высокий уровень шума, создаваемого винтом. Вторая — скоростные ограничения. Дело в том, что при увеличении скорости вращения винта до такого значения, при котором концы лопастей приближаются к скорости звука, эффективность винта резко падает и дальнейшее повышение числа оборотов не дает адекватного прироста тяги. Таким образом, скоростной барьер турбовинтовых самолетов — примерно 650−700 км/ч.
UDF компании GE-36 как раз имел задачу преодоления скоростных ограничений для винтовых моторов, что позволило бы ему на равных конкурировать с турбовентиляторными двигателями. Этому способствовали, во‑первых, саблевидные лопасти винта — такая форма позволяет справляться с возникающим при сверхзвуковом движении кончиков лопастей «волновым кризисом». Кроме того, в конструкции был применен биротативный винт (он же вентилятор). Это означало, что пропеллер состоял из двух рабочих колес (по восемь лопастей на каждом), вращавшихся в противоположные стороны. Биротативная схема значительно повышает эффективность винта — масса отбрасываемого назад воздуха увеличивается и соответственно растет тяга. Испытания показали, что двигатель новой конструкции по показателям топливной эффективности может на 30−35% превзойти «турбовентиляторы».
Когда клюет петух?
Интерес к энергосберегающим технологиям в авиадвигателестроении проснулся не случайно. В 1970-х мировую экономику лихорадило из-за энергетических кризисов, вызванных событиями на Ближнем Востоке, которые привели к заметному росту цен на нефть, съедавшему прибыли авиакомпаний. Инициатором разработки экономичных двигателей выступило агентство NASA, которое предложило свою конструкцию винтовентиляторного двигателя, а также сподвигло на свершения уже упомянутую General Electric и ее конкурента Pratt&Whitney. P&W в сотрудничестве с компанией Allison Engines предложила силовую установку под названием Pratt & Whitney/Allison 578-DX. В ней также использовался толкающий винт с саблевидными лопастями, однако механизм привода пропеллера более напоминал традиционные турбовинтовые двигатели (вращение передавалось с вала компрессора низкого давления через редуктор, а у GE винты были связаны непосредственно с валом компрессора низкого давления и с вращающимся в противоположном направлении статором того же компрессора). В 1986—1987 годах двигатель GE был протестирован на летающих лабораториях MD-81 и Boeing 727. P&W обкатывал свою конструкцию на том же MD-81.
Однако летные испытания винтовентиляторных двигателей совпали по времени с серьезным падением цен на топливо, и соображения экономичности отошли на второй план. А на первый вышла проблема акустического загрязнения. Никому не хотелось без особого резона возвращаться в эру винтовой авиации с ее ужасным шумом. И агентство NASA завершило программу жирной точкой.
Петух клюнул два десятилетия спустя, когда в последний докризисный год цены на нефть добрались до $180 за баррель, и примерно тогда же гранды мирового двигателестроения заговорили о винтовентиляторах вновь.
PW 1000G Pure Power. Тип: турбовентиляторный двигатель в редуктором. Степень двухконтурности: 12. Компрессор НД: 2−3 ступени. Компрессор ВД: 8 ступеней. Турбина НД: 3 ступени. Турбина ВД: 2 ступени.
Битвы за тишину
General Electric расконсервировала испытательные стенды, на которых тестировались GE-36. К делу вновь подключилась NASA (обеспечивая 50% финансирования), и было объявлено о том, что новый прототип двигателя с открытым вентилятором (по мотивам GE-36) пройдет испытания в аэродинамической трубе. В проекте (а конкретно в разработке лопастей биротационного винта) принимает участие французская промышленная группа SAFRAN в лице двигателе-строительного подразделения Snecma). GE и SAFRAN давно сотрудничают в рамках совместного предприятия CFM. Кстати, сообщалось и о том, что Snecma привлекала в качестве партнера по разработке перспективных двигателей для гражданской авиации российских ученых из Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).
О собственном проекте винтовентиляторного двигателя с открытым биротативным вентилятором (open rotor) объявила и корпорация Rolls Royce.
Можно было бы с уверенностью говорить о возрождении винтовой авиации, если бы не одно «но»: за прошедшие десятилетия требования к уровню шума для гражданских авиадвигателей только ужесточились. Смогут ли винтовентиляторные двигатели вписаться в эти жесткие стандарты?
И представители партнерства NASA-GE-SAFRAN, и конкуренты из Rolls Royce в один голос заявляют, что оптимизация шумовых характеристик новых двигателей для них первостепенная задача. Технологические тонкости этих изысканий пока публике не предъявлены, но общее направление более-менее ясно. Шум винта находится в прямой зависимости от скорости вращения пропеллера, а также длины и ширины лопастей. Значит, лопасти следует сделать короче и тоньше. При высокой эффективности биротативного винта с большим количеством саблевидных лопастей он может обеспечивать достаточную тягу, имея меньшую скорость вращения. Применение редуктора позволит лопастям не раскручиваться до сверхзвуковых скоростей, что значительно уменьшит шум.
Конечно, неверно было бы сказать, что гранды мирового авиапрома связывают будущее авиации исключительно с винтовентиляторными двигателями. Существуют и альтернативные конструкции, также направленные на повышение топливной эффективности при снижении шумовых характеристик. Корпорация Pratt&Whitney, в 1980-х конкурировавшая с GE в области двигателей с открытым толкающим ротором, сегодня двигает на рынок несколько иной перспективный продукт. Он называется PurePower PW1000G и по сути является турбовентиляторным двигателем классической схемы, где вентилятор заключен в кольцевом обтекателе. При этом с целью повышения степени двухконтурности диаметр вентилятора существенно увеличен. Но, как известно, при увеличении длины лопаток вентилятора растет линейная скорость на их концах, что делает двигатель слишком шумным. Решить эту проблему за счет снижения скорости вращения вала турбины низкого давления (именно он вращает вентилятор) нельзя, так как это скажется на термоэффективности двигателя и приведет к снижению КПД. Выход был найден в планетарном редукторе, поставленном между валом турбины и вентилятором. В итоге вентилятор вращается медленнее и по уровню шума вписывается в современный стандарт (20 дБ).
Еще одна из существующих концепций повышения степени двухконтурности двигателя предусматривает установку внутри кольцевого обтекателя аналога биротативного пропеллера.
Победит ли какая-то из ныне конкурирующих конструкций или им уготовано мирное сосуществование — очевидно, что в основе их всегда будет оставаться компромисс между топливоэффективностью и уровнем шума. А цены на нефть, как всегда, сыграют здесь не последнюю роль.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2010).Турбина всему голова
Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.
Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.
Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.
Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.
K. Aainsqatsi / wikipedia.org
Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.
Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.
В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.
Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.
Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.
Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300
Boeing
Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором
Hamilton Sundstrand Corporation
Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.
Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором
avia-simply.ru
Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составит около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняется недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.
Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.
В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.
Д-27
green-stone13.livejournal.com
Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.
Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.
Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.
Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.
С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.
Василий Сычёв
Турбовентиляторный двигатель — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 июля 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 июля 2019; проверки требует 1 правка.
Анимация двухвального турбовентилятора с высокой степенью двухконтурности. A. Ротор низкого давления
B. Ротор высокого давления
C. Компоненты статора
1. Гондола
2. Вентилятор
3. Компрессор низкого давления
4. Компрессор высокого давления
5. Камера сгорания
6. Турбина высокого давления
7. Турбина низкого давления
8. Сопло газогенератора
9. Сопло вентилятора
Турбовентиляторный двигатель CFM56-3 
Вентилятор двигателя ПС-90А. Вид спереди 
Схема турбовентиляторного двигателяТурбовентиляторным двигателем в популярной литературе обычно называют турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) с высокой (выше 2) степенью двухконтурности. В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полёта, включая низкие скорости при взлёте и посадке. По причине большого диаметра вентилятора сопло внешнего контура таких ТРДД становится достаточно тяжёлым и его часто выполняют укороченным, со спрямляющими аппаратами (неподвижными лопатками, поворачивающими воздушный поток в осевом направлении). Соответственно, большинство ТРДД с высокой степенью двухконтурности — без смешения потоков. Экономичность турбовентиляторных двигателей обусловлена тем, что в отличие от обычного ТРДД энергия реактивной струи в виде давления и высокой температуры не теряется на выходе из двигателя, а преобразуется во вращение вентилятора, который создает дополнительную тягу, тем самым повышается КПД. В турбовентиляторном двигателе вентилятор может создавать до 70-80 % всей тяги двигателя.[1][2]
Устройство внутреннего контура таких двигателей подобно устройству турбореактивного двигателя (ТРД), последние ступени турбины которого являются приводом вентилятора.
Внешний контур таких ТРДД, как правило, представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, заканчивается внешний контур соплом.
По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе невысока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора.
ТРДД с высокой степенью двухконтурности имеют двух- или трёхвальную конструкцию.
Главным достоинством таких двигателей является их высокая экономичность.
Недостатки — большие масса и габариты. Особенно — большой диаметр вентилятора, который приводит к значительному лобовому сопротивлению воздуха в полёте.
Область применения таких двигателей — дальне- и среднемагистральные коммерческие авиалайнеры, военно-транспортная авиация.
- Elliot, Simon. Power Progress: World Turbine Engine Directory (англ.). // Flight International. — 13-19 October 1993. — Vol. 144 — No. 4391 — P. 29-38 — ISSN 0015-3710. (справочник с техническими данными и сравнительной характеристикой [1], [2], [3], 40 турбовентиляторных двигателей гражданской авиации (commercial turbofans), 49 турбореактивных газотурбинных двигателей военной авиации (military turbofans/jets), ведущих мировых производителей-предприятий зарубежного двигателестроения)
Турбовинтовентиляторные реактивные двигатели гражданской авиации ближайшего будущего
Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров. Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.
Воспользуйтесь нашими услугами
Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.
Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло. K. Aainsqatsi / wikipedia.org
Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.
Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.
Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.
В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.
НК-93 avia-simply.ru
Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.
Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.
Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300 Boeing
Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.
Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором Hamilton Sundstrand Corporation
Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.
Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.
thinkdefence.co.uk
Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.
Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором avia-simply.ru
Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составит около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняется недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.
Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.
Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.
В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.
Д-27 green-stone13.livejournal.com
Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.
Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.
Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.
Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.
С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.
Василий Сычёв
Источник: https://zen.yandex.ru/
Воспользуйтесь нашими услугами
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Роторный двигатель — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Роторный двигатель — наименование семейства близких по конструкции тепловых двигателей, объединённых ведущим признаком — типом движения главного рабочего элемента. Роторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, в котором главный подвижный рабочий элемент двигателя — ротор — совершает вращательное движение.
Двигатели должны давать на выходе вращательное движение главного вала. Именно этим роторные ДВС отличаются от наиболее распространенных сегодня поршневых ДВС, в которых главный подвижный рабочий элемент (поршень) совершает возвратно-поступательные движения. В роторных моторах, где главный рабочий элемент и так вращается, не требуется дополнительных механизмов для получения вращательного движения. В поршневых же моторах приходится применять громоздкие и сложные кривошипно-шатунные механизмы для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. Самый первый тепловой двигатель в истории — эолипил Герона Александрийского (I в. н. э) также относится к роторным двигателям. В XIX веке, вместе с массовым появлением поршневых паровых машин, начинают создаваться и активно использоваться и роторные паровые двигатели. К ним можно отнести как паровые роторные машины с непрерывно открытыми в атмосферу камерами расширения — это паровые турбины, так и паровые машины с герметично запираемыми камерами расширения: к ним, например, можно отнести «коловратную машину» Н. Н. Тверского, которая успешно эксплуатировалась во многих экземплярах в конце XIX века в России.
С началом массового применения ДВС в первые десятилетия XX века начались и работы по попыткам создать эффективный роторный ДВС. Однако эта задача оказалась большой инженерной трудностью, и лишь в 1930-х годах была создана работоспособная дизельная турбина, которая по классификации относится к роторным ДВС с непрерывно открытой в атмосферу камерой сгорания.
Работоспособный роторный ДВС с герметично запираемой камерой сгорания удалось создать лишь в конце 1950-х годов группе исследователей из немецкой фирмы NSU, где Вальтер Фройде и Феликс Ванкель разработали схему роторно-поршневого двигателя.
В отличие от газовых турбин, которые широко и массово применяются уже более 50 лет, роторный двигатель Ванкеля и Фреде не показал очевидных преимуществ перед поршневыми ДВС, а также имел заметные недостатки, которые и сдерживают массовое применение этих моторов в промышленности. Но потенциально широкий набор возможных конструктивных решений создают широкое поле для инженерных поисков, которые уже привели к появлению таких конструкций, как роторно-лопастной двигатель Вигриянова, трёхтактный и пятитактный роторные двигатели Исаева и 2-тактный роторно-поршневой двигатель
Главное деление роторных двигателей происходит по типу работы камеры сгорания — запирается она на время герметично, или имеет постоянную связь с атмосферой. К последнему типу относятся газовые турбины, камеры охлаждения которых отделены от выхлопного сопла (от атмосферы) лишь густым «частоколом» лопастей роторной крыльчатки.
В свою очередь, роторные ДВС с герметично запираемыми камерами сгорания делятся на 7 различных конструкционных компоновок:
- роторные двигатели с неравномерным разнонаправленным (возвратно-вращательным) движением главного рабочего элемента;
- роторные двигатели с неравномерным однонаправленным (пульсирующе-вращательным) движением главного рабочего элемента;
- роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками-лопастями, движущимися в роторе. Частный случай — с заслонками-лопастями, отклоняющимися на шарнирах на роторе;
- роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с уплотнительными заслонками, движущимися в корпусе;
- роторные двигатели с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов;
- роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего элемента, без применения отдельных уплотнительных элементов и спиральной организацией формы рабочих камер;
- роторные двигатели с планетарным вращательным движением главного рабочего элемента и без применения отдельных уплотнительных элементов.
Роторные двигатели Фройде и Ванкеля,и 2-тактный роторно-поршневой двигатель, которые не вполне корректно с технической точки зрения называют «роторно-поршневыми», относятся к 7-й классификационной группе.
- Н. Ханин, С. Чистозвонов. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. — М., 1964.
- Е. Акатов, В. Бологов и др. Судовые роторные двигатели. — Л., 1967.
Устройство автомобиля. Как работает роторный двигатель
Роторный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, устройство которого в корне отличается от обычного поршневого двигателя.В поршневом двигателе в одном и том же объеме пространства (цилиндре) выполняются четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Роторный двигатель осуществляет те же такты, но все они происходят в различных частях камеры. Это можно сравнить с наличием отдельного цилиндра для каждого такта, причем поршень постепенно перемещается от одного цилиндра к другому.
Роторный двигатель изобретен и разработан доктором Феликсом Ванкелем и иногда называется двигатель Ванкеля или роторный двигатель Ванкеля.
В этой статье мы расскажем о том, как работает роторный двигатель. Для начала рассмотрим принцип его работы.
Принцип работы роторного двигателя
Ротор и корпус роторного двигателя Mazda RX-7. Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны и распредвал поршневого двигателя.
Как и поршневой, роторный двигатель использует давление, которое создается при сгорании топливовоздушной смеси. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и приводит поршни в движение. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.В роторном двигателе, давление сгорания образуется в камере, сформированной частью корпуса, закрытой стороной треугольного ротора, который используется вместо поршней.
Ротор вращается по траектории, напоминающую линию, нарисованную спирографом. Благодаря такой траектории, все три вершины ротора контактируют с корпусом, образуя три разделенных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Это обеспечивает поступление топливовоздушной смеси в двигатель, сжатие, полезную работу при расширении газов и выпуск выхлопа.
Далее мы расскажем о строении роторного двигателя, но, прежде всего, рассмотрим некоторые автомобили с таким типом двигателя.
Mazda RX-8
Mazda стала пионером в массовом производстве автомобилей с роторным двигателем. RX-7, который поступил в продажу в 1978 году, был, пожалуй, наиболее успешным автомобилем с роторным двигателем. Но ему предшествовал целый ряд автомобилей, грузовиков и даже автобусов с роторным двигателем, начиная с Cosmo Sport 1967 года. Однако RX-7 не производится с 1995 года, но идея роторного двигателя не умерла.Mazda RX-8 оснащена роторным двигателем под названием RENESIS. Этот двигатель был назван лучшим двигателем 2003 г. Он является атмосферным двухроторным и производит 250 л.с.
Строение роторного двигателя
Роторный двигатель имеет систему зажигания и систему впрыска топлива, схожие с используемыми в поршневых двигателях. Строение роторного двигателя в корне отличается от поршневого.Ротор
Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых выполняет роль поршня. Каждая сторона ротора имеет углубление, что повышает скорость вращения ротора, предоставляя больше пространства для топливовоздушной смеси.На вершине каждой грани расположена металлическая пластина, которая разделяет пространство на камеры. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер.
В центре ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев. Оно сопрягается с шестерней, закрепленной на корпусе. Такое сопряжение задает траекторию и направление вращения ротора в корпусе.
Корпус (статор)
Корпус имеет овальную форму (форму эпитрохоиды, если быть точным). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три изолированных объемах газа.В каждой части корпуса происходит один из процессов внутреннего сгорания. Пространство корпуса разделено для четырех тактов:
- Впуск
- Сжатие
- Рабочий такт
- Выпуск
Порты впуска и выпуска расположены в корпусе. В портах отсутствуют клапаны. Выпускной порт непосредственно соединен с выхлопной системой, а впускной порт — с дросселем.
Выходной вал
Выходной вал (обратите внимание на эксцентриковые кулачки)
Выходной вал имеет закругленные выступы-кулачки, расположенные эксцентрично, т.е. смещены относительно центральной оси. Каждый ротор сопряжен с одним из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. При вращении ротор толкает кулачки. Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.Сбор роторного двигателя
Роторный двигатель собирается слоями. Двухроторный двигатель состоит из пяти слоев, удерживаемых длинными болтами, установленными по кругу. Охлаждающая жидкость проходит через все части конструкции.Два крайних слоя имеют уплотнения и подшипники для выходного вала. Они также изолируют две части корпуса, в которых расположены роторы. Внутренние поверхности этих частей являются гладкими, что обеспечивает надлежащее уплотнение роторов. Впускной порт подачи расположен в каждой из крайних частей.
Часть корпуса, в которой расположен ротор (обратите внимание на расположение выпускного порта)
Следующий слой включает корпус ротора овальной формы и выпускной порт. В этой части корпуса установлен ротор.Центральная часть включает два впускных порта — по одному для каждого ротора. Она также разделяет роторы, поэтому ее внутренняя поверхность является гладкой.
В центре каждого ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев, которое вращается вокруг меньшей шестерни, установленной на корпусе двигателя. Она определяет траекторию вращения ротора.
Мощность роторного двигателя
В центральной части расположен впускной порт для каждого ротора
Как и поршневые двигатели, в роторном двигателе внутреннего сгорания используется четырехтактный цикл. Но в роторном двигателе такой цикл осуществляется иначе.За один полный оборот ротора эксцентриковый вал выполняет три оборота.
Основным элементом роторного двигателя является ротор. Он выступает в роли поршней в обычном поршневом двигателе. Ротор установлен на большом круглом кулачке выходного вала. Кулачок смещен относительно центральной оси вала и выступает в роли коленчатой рукояти, позволяя ротору вращать вал. Вращаясь внутри корпуса, ротор толкает кулачок по окружности, поворачивая его три раза за один полный оборот ротора.
Размер камер, образованных ротором, изменяется при его вращении. Такое изменение размера обеспечивает насосное действие. Далее мы рассмотрим каждый из четырех тактов роторного двигателя.
Впуск
Такт впуска начинается при прохождении вершины ротора через впускной порт. В момент прохождения вершины через впускной порт, объем камеры приближен к минимальному. Далее объем камеры увеличивается, и происходит всасывание топливовоздушной смеси.При дальнейшем повороте ротора, камера изолируется, и начинается такт сжатия.
Сжатие
При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, и происходит сжатие топливовоздушной смеси. При прохождении ротора через свечи зажигания, объем камеры приближен к минимальному. В этот момент происходит воспламенение.Рабочий такт
Во многих роторных двигателях установлено две свечи зажигания. Камера сгорания имеет достаточно большой объем, поэтому при наличии одной свечи, воспламенение происходило бы медленнее. При воспламенении топливовоздушной смеси образуется давление, приводящее ротор в движение.Давление сгорания вращает ротор в сторону увеличения объема камеры. Газы сгорания продолжают расширяться, вращая ротор и создавая мощность до момента прохождения вершины ротора через выпускной порт.
Выпуск
При прохождении ротора через выпускной порт, газы сгорания под высоким давлением выходят в выхлопную систему. При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, выталкивая оставшиеся выхлопные газы в выпускной порт. К тому моменту, как объем камеры приближается к минимальному, вершина ротора проходит через впускной порт, и цикл повторяется.Необходимо отметить, что каждая из трех сторон ротора всегда вовлечена в один из тактов цикла, т.е. за один полный оборот ротора осуществляется три рабочих такта. За один полный оборот ротора, выходной вал совершает три оборота, т.к. на один оборот вала приходится один такт.
Различия и проблемы
По сравнению с поршневым двигателем, роторный двигатель имеет определенные отличия.Меньше движущихся деталей
В отличие от поршневого двигателя, в роторном двигателе используется меньше движущихся деталей. Двухроторный двигатель включает три движущиеся детали: два ротора и выходной вал. Даже в простейшем четырехцилиндровом двигателе используется не менее 40 движущихся деталей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны, клапанные пружины, коромысла, ремень ГРМ и коленвал.Благодаря уменьшению количества движущихся деталей, повышается надежность роторного двигателя. По этой причине некоторые производители вместо поршневых двигателей используют роторные на своих воздушных судах.
Плавная работа
Все части роторного двигателя вращаются непрерывно в одном направлении, а не постоянно меняют направление движения, как поршни в обычном двигателе. В роторных двигателях используются сбалансированные вращающиеся противовесы, предназначенные для гашения вибраций.Подача мощности также обеспечивается более плавно. В связи с тем, что каждый такт цикла протекает за поворот ротора на 90 градусов, и выходной вал совершает три оборота на каждый оборот ротора, каждый такт цикла протекает за поворот выходного вала на 270 градусов. Это значит, что двигатель с одним ротором обеспечивает подачу мощности при 3/4 оборота выходного вала. В одноцилиндровом поршневом двигателе, процесс сгорания происходит на 180 градусах каждого второго оборота, т.е. 1/4 каждого оборота коленвала (выходной вал поршневого двигателя).
Медленная работа
В связи с тем, что ротор вращается со скоростью, равной 1/3 скорости вращения выходного вала, основные движущиеся детали роторного двигателя движутся медленнее, чем детали в поршневом двигателе. Благодаря этому, также обеспечивается надежность.Проблемы
Роторные двигатели имеют ряд проблем:- Сложное производство в соответствии с нормами состава выбросов.
- Затраты на производство роторных двигателей выше по сравнению с поршневыми, так как количество производимых роторных двигателей меньше.
- Расход топлива у автомобилей с роторным двигателей выше по сравнению с поршневыми двигателями, в связи с тем, что термодинамический КПД снижен из-за большого объема камеры сгорания и низкого коэффициента сжатия.
Изобретатели роторного двигателя нового типа заключили контракт с DARPA / Habr
Компания LiquidPiston получила для финансирования своего проекта средства от DARPA. Проект представляет собой улучшенный мотор внутреннего сгорания роторного типа под названием X1. Во главе компании, работающей в городе Блумфилд штата Коннектикут, стоят инженеры, отец и сын, Николай и Александр Школьники.
Изобретатели заявляют множество уникальных свойств своего изделия. Например, тепловой КПД их мотора равен 50% (по сравнению с 20-30% обычного бензинового ДВС). Правда, если взять дизельный двигатель, добавить в него турбонаддув и промежуточное охлаждение, мы также получим КПД порядка 50%. Но при этом дизельный двигатель будет очень много весить.
Как утверждает Александр Школьник, типичный дизельный генератор на 3 кВт имеет размеры 100х60х60 см и весит более 70 кг. При этом генератор на основе двигателя X1 аналогичной мощности будет весить 15 кг (сам мотор – 4 кг), а размер его будет составлять 30х30 см. Фактически, такой генератор будет умещаться в рюкзаке.
Изобретатели постарались взять лучшее от разных тепловых циклов и уменьшить потери энергии двигателя. Теоретический предел КПД нового двигателя – 75%, но пока инженеры трудятся над достижением реального показателя в 57%.
Работа двигателя X1 напоминает процесс работы известного роторного двигателя Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор закреплён на эксцентрическом валу, и содержит в себе каналы для впуска газовой смеси и выпуска отработавших газов. Расположенные по углам равностороннего треугольника свечи отрабатывают по разу за один оборот вала.
Двигатель работает на прямом впрыске и обеспечивает высокую степень сжатия — 18:1. Не меняющийся во время сгорания объём камеры позволяет сжигать топливо дольше и полнее. Отработавшие газы достигают почти атмосферного давления перед выходом, в связи с чем успевают отдать почти всю свою энергию ротору.
Высокая эффективность также позволяет отказаться от водяного охлаждения двигателя. Работая под нагрузкой, двигатель может пропускать циклы зажигания и засасывать воздух, который будет охлаждать его. Рассматривается даже вариант впрыска в камеру сгорания воды, которая будет охлаждать двигатель, уменьшать выбросы отработавших газов и одновременно превращаться в пар, толкающий ротор.
Слева — двигатель Ванкеля, справа — X1
Компактность и мощность двигателя заинтересовали военных, которым требуются портативные энергетические системы. В случае успешного внедрения двигатель найдёт множество применений — переносной электрогенератор, двигатель для беспилотных аппаратов, и многое другое.
Инженеры придумали новый двигатель ещё в 2003 году. К 2012 году был построен первый прототип, о котором написали в журнале «Популярная механика». В 2015 году компания не только заключила контракт с DARPA, но и приступила к разработкам мини-версии двигателя.
