Турбогвинтовий двигун

Турбогвинтовий двигун (ТВД), авіаційний газотурбінний двигун, в якому основна тяга створюється повітряним гвинтом, а додаткова тяга (до 8—12%) — струменем газів, витікаючих з реактивного сопла . ТВД використовуються на до звукових літаках і вертольотах. Атмосферне повітря, що поступає в ТВД при польоті, стискується в повітрозабірнику і далі втурбокомпресорі, а потім подається в камеру згорання, в яку упорскує рідке хімічне паливо (зазвичай авіаційний гас). Гази, що утворилися при згоранні палива, розширюються в турбіні, що обертає компресор і повітря гвинт; остаточне розширення газів відбувається в реактивному соплі. Для узгодження швидкості обертання ротора турбокомпресора і повітряного гвинта або (у вертольотів) для передачі моменту, що обертає, на гвинт, вісь якого розташована під кутом до осі турбіни, використовується редуктор . Привід компресора і повітряного гвинта у вертолітних ТВД зазвичай здійснюється механічно не зв'язаними турбінами. 

Повітряно-реактивний двигун

Повітряно-реактивний двигун — тепловий реактивний двигун, у якому як робоче тіло використовується атмосферне повітря, що нагрівається за рахунок згоряння пального в атмосферному кисні.

Повітряно-реактивні двигуни використовуються, як правило, як рушії повітряних літальних апаратів.

Попри велику кількість ПРД(повітряно ракетний двигун), які дуже відрізняються один від одного конструкцією, характеристиками і областю використання, можна виділити ряд принципів для всіх ПРД і тих, які відрізняють його від всіх інших теплових двигунів інших типів.

Повітряно-реактивний двигун розвиває тягу за рахунок реактивного струменя робочого тіла, витікаючого з сопла двигуна. З цієї точки зору ПРД схожий до ракетного двигуна (РД), але відрізняється від нього тим, що більшу частину робочого тіла він забирає з атмосфери, в тому числі і окиснювач, необхідний для горіння палива. Завдяки цьому ПРД має переваги в порівнянні з РД при польотах в атмосфері, оскільки йому не потрібно нести з собою окиснювач, маса якого в 2-8 раз більша маси палива.

Робоче тіло ПРД на виході з сопла являє собою суміш продуктів згорання з залишками повітря після вигорання кисню. Якщо для повного окиснення 1 кг керосину (звичайного палива ПРД) потрібно близько 3,4 кг чистого кисню, то, враховуючи що масова частка кисню в повітрі становить 23%, для повного окиснення палива потрібно 14,8 кг чистого повітря і, відповідно, робоче тіло на 94% своєї маси складається з атмосферного повітря. На практиці ПРД, як правило, має надлишок використання повітря, наприклад, в ТРД маса палива в робочому тілі становить 1-2%. Це дозволяє при аналізі роботи ПРД враховувути, що робоче тіло ПРД як на вході так і на виході є однією речовиною.

Динаміку ПРД можна викласти наступним чином: робоче тіло входить в двигун зі швидкістю польоту, а покидає його з швидкістю реактивного струменя. 

Швидкість витоку газу з теплового реактивного двигуна залежить від хімічного складу робочого тіла, його абсолютної температури на вході в сопло і від ступеню розширення робочого тіла в соплі двигуна.

З урахуванням вищесказаного можна сформулювати і головні недоліки ПРД в порівнянні з РД:

ПРД здатний працювати лише в атмосфері, а РД в будь-якому оточенні і в пустоті.ПРД ефективний лише до певної, специфічної для даного двигуна, максимальній швидкості польоту, А тяга РД не залежить від польоту.

Двигун Ванкеля

Двигун Ванкеля, роторний бензиновий двигун, сконструйований німецьким інженером Феліксом Ванкелем у 1950-х. Працює за тим же принципом, що і чотиритактний бензиновий двигун, але такти проходять у різних секторах камери в просторі між стінками двигуна і трикутним поршнем-ротором. Двигун Ванкеля має простішу конструкцію і менші розміри, ніж поршневий чотиритактний двигун, при його використанні енергія обертання виникає відразу ж (без участі колінчатого вала).

Особливість двигуна - застосування тригранного ротора (поршня), що має вигляд трикутника Рело, що обертається усередині циліндра спеціального профілю, поверхня якого виконана по епітрохоїді(можливі й інші форми ротора і циліндра).

Двигун Ванкеля використовує чотирьохтактний цикл:

І такт: Паливно-повітряна суміш через впускне вікно надходить до камери двигуна

ІІ такт: Ротор обертається та стискає суміш, що запалюється електричною іскрою

ІІІ такт: Продукти горіння тиснуть на поверхню ротора, передаючи зусилля на циліндричний ексцентрик

IV такт: Ротор, що обертається, витискує відпрацьовані гази у випускне вікно

Цикл двигуна Ванкеля: впускання (блакитний), стиснення (зелений), робочий хід (червоний), випускання (жовтий)

Реактивні двигуни

Реакти́вний двигу́н — двигун-рушій, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалюванняпалива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.
На відміну від поршневих двигунів, робочий процес у реактивних двигунах здійснюється безупинно. У камеру згоряння авіаційних реактивних двигунів роздільно подаються паливо з паливних баків і повітря, що забирається з атмосфери. Повітря піддається стиску, проходячи через дифузор (у прямоточних реактивних двигунах) чи турбіну. Відповідно до перетворень, яким піддається горюча суміш, камеру згоряння умовно поділяють на три зони. У першій паливо випаровується й утворює горючу суміш. У другій відбувається згоряння паливно-повітряної суміші. У третій продукти згоряння, температура яких досягає 2 300 °C, розбавляються повітрям, після чого їх можна подавати на турбіну, не побоюючись зруйнувати її лопаті. На виході з турбіни гази попадають у форсажну камеру. Сюди при необхідності подається додаткова порція палива, при згорянні якої одержують додаткову потужність.

Згоряння реактивних палив супроводжується утворенням нагару на форсунці, головці і стінках робочої камери. Нагар утворюється тим більше, чим вище температура кипіння, в'язкість і густина палива, а також вміст у ньому ароматичних вуглеводнів. Нагароутворення змінює гідравлічні характеристики форсунок, якість розпилення погіршується, що приводить до підвищеної димності двигуна.Робочий процес у газотурбінних установках подібний до процесу, що протікає в реактивних двигунах. В тому і в іншому випадку в камеру згоряння роздільно подають паливо і стиснене повітря. У першій зоні відбувається сумішоутворення, потім виникають зони активного горіння і догорання суміші. Продукти згоряння обертають колесо газової турбіни. Істотною відмінністю є те, що в газотурбінних установках немає форсажної камери. У газових турбінах продукти згоряння також розбавляються великою кількістю повітря, у результаті чого температура знижується з 1 800-2 000 °C до 600-850 °C. Таким чином, загальна кількість повітря, що витрачається, у кілька разів більша за стехіометрично необхідну. Однак кількість первинного повітря, яке подається в камеру згоряння, становить 25-35% від усієї кількості, так що коефіцієнт його надлишку при горінні дорівнює 1,1-1,5. Через великі втрати тепла ККД найпростіших газотурбінних установок становить 20-26%, комбінованих (обладнаних дизель-генератором з наддувом) – до 40%.

Стаціонарні газотурбінні установки при відповідній підготовці можуть споживати усі види палива, включаючи тверде (пилоподібне) і газоподібне.

Схема реактивного авіадвигуна:
1) Впуск повітря
2) Знижений тиск компресії
3) Підвищений тиск компресії
4) Горіння
5) Вихлоп
6) Гарячий тракт
7) Турбіна
8) Камера згорання
9) Холодний тракт
10) Повітрязабірник

Двигун Стірлінга

Двигун Стірлінга (ДС) — тепловий двигуніз зовнішнім підводом тепла. Він працює за замкненим термодинамічним циклом Стирлінга. Незмінна кількість робочої речовини циркулює між двома камерами із різними температурами, де по черзі нагрівається та охолоджується. За рахунок цього робоча речовина міняє свій об'єм і рухає робочі поршні. Роберт Стірлінг запатентував цей тип двигуна у1816 році.

Власне, двигуни із зовнішнім підводом тепла винахідники пропонували і раніше. Та двигун Стірлінга має суттєву відмінність — це так званий «економ», аборекуператор. Рекуператор відбирає тепло, коли робоче тіло переміщується з камери нагрівача до охолоджувача, і підігріває робоче тіло, коли воно рухається в зворотній бік.

Принцип дії

З двома циліндрами

Однією з можливих конструкцій двигуна Стірлінга є розташування його циліндрів під кутом 90° (як на ілюстрації циклу вище).

У кожному циліндрі переміщується поршень: у гарячому – як робочий, а в холодному — як витискач. Поршні поєднано із кривошипом колінчастого валу шатунами.

Гаряча порожнина сполучається з холодною через регенератор і охолоджувач. Регенератор є тепловим акумулятором, що призначений для запобігання втратам теплоти. Він одержує теплоту робочого тіла при перетіканні із гарячої порожнини до холодної і віддає її при зворотному перетіканні робочого тіла. Матеріал регенератора повинен мати високу теплоємність та низьку теплопровідність для уникання передачі теплоти до охолоджувача. Охолоджувач одержує основну частину теплоти, яка відводиться від двигуна, що зумовлено замкненим циклом двигуна Стірлінга. Порівняно із дизелем, у системі охолодження двигуна Стірлінга відводиться вдвічі більше теплоти і тому, продуктивність системи охолодження має бути вдвічі вищою.

Під час руху поршня до верхньої мертвої точки, відбувається стискання повітря у всіх порожнинах двигуна. Робоче тіло через регенератор відбирає накопичену теплоту і перетікає до гарячої порожнини. Теплота до робочого тіла в гарячій порожнині підводиться ззовні через стінки циліндра від продуктів згоряння, що утворюються у камері згоряння. Нагрівання робочого тіла в гарячій порожнині зумовлює підвищення його тиску в усіх сполучених між собою порожнинах двигуна. Під дією цього тиску робочий поршень переміщується до нижньої мертвої точки, здійснюючи робочий хід, а робоче тіло проходить через регенератор, віддає йому частину теплоти, охолоджується в охолоджувачі і потрапляє до холодної порожнини. Завдяки зниженню температури зменшується тиск.

Далі цей цикл повторюється.

Регулювання потужності може здійснюватись, наприклад, зміною додаткового об'єму, для чого до двигуна додають додатковий поршень із ґвинтовою передачею.

З одним циліндром

Іншою можливою конструкцією двигуна Стірлінга є використання єдиного циліндра, який вміщує як камеру нагріву, так і камеру охолодження (як на ілюстрації). Це є так звана бета-конфігурація.

Такий двигун краще тим, що його ущільнення працюють при низьких температурах, але питома потужність бета-стірлінга майще вдвічи менша за альфа-стірлінг. Це пов'язано із тим, що співвідношення гарячого та холодного об'єму у бета-стірлінга гірші за альфа-стірлінг. Цей показник ще гірший у гамма-конфігурації.

Проте, перевагою єдиного циліндру є також те, що поршень-витискувач може виконувати функції рекуператора. В такому разі поршень виготовляється у вигляді порожнього циліндра, заповненого металічною сіткою, дротом, гранулами або фольгою. Або ж поршень має значний зазор зі стінками циліндра. Або поршень має продольні прорізи вздовж осі, в яких протікає робоче тіло.

Газова турбіна

 Газова турбіна
— це тепловий двигунбезперервної дії, на лопатках якого енергіястисненого і нагрітого газуперетворюється в механічну роботу навалу.

Складається з компресора, сполученого безпосередньо з турбіною, і камерою згоряння між ними. (Термін Газова турбінаможе також відноситься до самого елементу турбіна.)

Стиснуте атмосферне повітря зкомпресора надходить в камеру згоряння, де змішуючись з паливом і відбуваєтьсягоріння суміші. У результаті згоряння зростає температура, швидкість і обсяг потоку газу. Далі енергія гарячого газу перетворюється в роботу. При вході всоплову частину турбіни гарячі гази розширюються, і їх теплова енергіяперетвориться в кінетичну. Потім, у роторній частині турбіни, кінетична енергія газів змушує обертатися ротор турбіни. Частина потужності турбіни витрачається на роботу компресора, а решта є корисною вихідною потужністю. Газотурбінний двигун приводить в обертання високошвидкісний генератор за допомогою валу. Робота, споживана цим агрегатом, є корисною роботою ГТД. Енергія турбіни використовується літаках,потягах, кораблях та танках.

Принцип дії
У газових турбінах спалювання палива відбувається в спеціальній камері згоряння. Паливо до неї подається насосом через форсунку. Повітря, необхідне для горіння, нагнітається в камеру згоряння за допомогою компресора, що встановлений на одному валу з газовою турбіною. Продукти згоряння через напрямний апарат надходять на лопатки робочого колеса турбіни. Кінетична енергія газів змушує обертатися ротор турбіни, перетворюючи енергію газу у механічну роботу. Частина потужності турбіни витрачається на приведення у дію компресора, а решта є корисною вихідною потужністю.

Газові турбіни мають лише обертові рухомі елементи, у зв'язку з чим можуть працювати на високих частотах обертання. Крім того, на лопатках турбіни можна повніше використати енергію гарячих газів. Основним недоліком газових турбін є порівняно невисока економічність і робота лопаток у середовищі газу з високою температурою (зниження температури газів для підвищення надійності лопаток погіршує економічність турбіни).

Газові турбіни широко використовуються як допоміжні агрегати в поршневих і реактивних двигунах, а так само як самостійні силові установки. Застосування жаростійких матеріалів дозволяє підвищити показники газових турбін і розширити область їхнього використання.

Дизельний двигун

Ди́зельний двигу́н — двигун внутрішнього згорання, у якому використовується легке нафтове пальне. Це поршневий двигун типу бензинового, але тільки повітря (а не пально-повітряна суміш) заходить у циліндр при першому такті поршня. Поршень піднімається і стискає повітря до дуже високої температури. У цей момент насос вприскує пальне, і через високу температуру повітря воно загорається. Поки воно горить, поршень опускається вниз (робочий хід). Двигун економічний, названий іменем свого винахідника,Рудольфа Дізеля. Цикл роботи ДВЗ складається з процесів стискання, згоряння, розширення, випуску відпрацьованих газів. У теоретичних циклах приймається, що впуск паливної суміші відбувається миттєво, що відповідає точці початку стискання.

Цикли карбюраторних та дизельних двигунів відрізняються характером процесу підведення тепла(згоряння). Слід зазначити, що на практиці цикл реальних ДВЗ відповідає комбінованому циклу або узагальненому, в якому перша частка тепла підводиться при V=пост., а друга при Р=пост.

Дизельні двигуни мають більший ресурсдо капітального ремонту — 200–800 тис. км.

Характерним є звук помпи, яка під тиском вприскує пальне в циліндри.

Двигун внутрішнього згорання

Механічна система двигуна внутрішнього згоряння сконструйована таким чином, що його робота розбивається на послідовність періодичних циклів, кожен із яких складається з кількох тактів. Один із тактів — робочий, під час цього такту розширення гарячих стиснених газів призводить до руху поршня, інші виконують допоміжні функції, серед яких всмоктування суміші палива із повітрям або тільки повітря, звільнення робочої камери від відпрацьованих газів та продуктів згоряння тощо. Найпоширеніші конструкції двигунів внутрішнього згоряння — двотактні та чотиритактні
двигуни.
Винахідником одного із двотактних двигунів був українець родом з ГаличиниМихайло Кос, двигун запатентований під назвою «Кос-мотор».

Серед різноманітних конструкцій двигунів внутрішнього згоряння найчастіше зустрічаються дизельні, інжекторні (з моно- чи розподіленим впорскуванням) такарбюраторні. В дизельних двигунах паливо впорскується безпосередньо в циліндр і загоряється у процесі впорскування за рахунок високого тискустисненого повітря. В інжекторних — пальне впорскується у впускний колектордвигуна, через який разом з повітрям потрапляє у циліндри. З'явились бензинові інжекторні двигуни, у яких пальне впорскується безпосередньо в циліндр (безпосереднє впорскування). В карбюраторних двигунах використовується спеціальний пристрій,карбюратор, у якому створюється суміш палива та повітря. Стиснена робоча суміш в карбюраторних та інжекторних двигунах потребує примусового запалювання від електричної іскри.

Принцип дії двигуна внутрішнього згоряння можна розглянути на прикладі чотиритактного карбюраторного двигуна. Основним елементом такого двигуна єциліндр, усередині якого відбувається згоряння палива. Як правило, їх кілька. Тому кажуть про одно-, дво-, чотири-, п'яти-, шести-, восьми-, дванадцяти-, шістнадцяти та навіть вісімнадцятициліндрові двигуни. У кожному циліндрі встановлено рухомий поршень.

Циліндр має два чи більше отворів зклапанами — впускними і випускними. Робота двигуна внутрішнього згоряння ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються. Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того, як поршень досягне нижньої мертвої точки, чи після її проходження, всмоктування палива припиняється і впускний клапан закривається. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, внаслідок чого її тиск і температура підвищуються. У верхній мертвій точці положення поршня (чи близько неї) суміш запалюєтьсяелектричною іскрою від свічки запалювання. Суміш миттєво спалахує, через значне нагрівання повітря, і продукти згоряння розширюються й тиснуть на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогоюшатунного механізма рух поршня передається колінчастому валу, який з'єднано з колесами автомобіля за допомогою трансмісії. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої мертвої точки або близько неї відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору продукти згоряння палива витісняються із циліндра через випускний клапан, який закривається після проходження поршнем верхньої мертвої точки. Протягом короткого проміжку часу і випускний і впускний клапани перебувають у відкритому стані. Цей стан називають «перекриттям клапанів».