II. Методические указания

Изучение дисциплины «Конструкция самолета и вертолета» является важнейшим этапом в подготовке специалистов, умеющих выполнять работы по эксплуатации самолета.

Это обучение позволяет закрепить и углубить знания, наиболее сложных вопросов касающихся летательных аппаратов, а также взаимодействие всех их систем.

На занятиях учебный материал излагать применительно к практическим навыкам встречающимся при эксплуатации ЛА и вертолетов.

Основной формой проведения практических занятий считать осмотр самолетов и вертолетов, их вспомогательных агрегатов той или иной системы на стендах.

Эти занятия проводить в специально оборудованных аудиториях, в классе оборудованном компьютерами, а также на учебных сборах в ангарах, где производиться техническое обслуживание самолетов и вертолетов.

В процессе обучения на лекциях и практических занятиях использовать учебные кинофильмы, специальные программы на ПЭВМ по соответствую-щей тематике самолета.

В ходе проведения занятий широко использовать программный опрос обучающихся, проекционную аппаратуру, средства интерактивного обучения, а также использовать оборудование специальных классов.

В ходе проведения занятий широко использовать программный опрос обучающихся, проекционную аппаратуру, средства интерактивного обучения, а также использовать оборудование специальных классов.

ЗАНЯТИЕ – 1. Основы теорий турбореактивных двигателей.

УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ:

- Знание физических основ, устройства и работы, эксплуатационных характеристик.

ВРЕМЯ: 2 часа (90 минут).

ВИД ЗАНЯТИЯ: групповое занятие

МЕСТО: аудитория.

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:

Мультимидийные средства обучения.

Литература:

1. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. карпов. Москва «машиностроение» 1989г. Глава 1, 13.

2. Л.М. Антонюк, В.С. Марусенко. Теория газотурбинных двигателей. Часть 1.

3. В.М. Нечаев, Ф.И. Ткачёв, В.К. Францев. Авиационные газотурбинные двигатели. Часть 1. Гл. 1.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ И РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ

№ пп	Вопросы занятий	Время (мин)
I	Организация занятия
II	Учебные вопросы:
	1. Рассмотрение законов энергообмена в ГТД.
2. Основные задачи в развитии современных ГТД. Общие технические требования предъявляемые к авиационным двигателям.
III	Заключительная часть

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ.

Проверка подготовки студентов к занятию:

Принять доклад дежурного по взводу.

Проверить наличие студентов.

Проверить готовность взвода к занятию.

Объявить тему и учебные цели занятия.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1-й учебный вопрос. Рассмотрение законов энергообмена в ГТД.

Любой газотурбинный двигатель можно рассматривать, во-первых, как тепловую машину, в которой за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива (керосин), вырабатыва­ется определенная полезная работа цикла L_e;

во -вторых, как средство преобразования работы цикла в полезную работу силы тяги.

Анализируя газотурбинный двигатель с первой точки зре­ния, нет необходимости учитывать тип двигателя, так как в основе всех газотурбинных двигателей лежит один и тот же цикл: с изобарным (в идеальном случае) подводом и отводом тепла. Следовательно, газогенераторная часть (газогенера­торный модуль) всех ГТД должна содержать идентичные уз­лы, последовательность происходящих процессов в которых представляется следующим образом.

Воздух, предварительно сжатый за счет скоростного на­пора через входное устройство 1 (рис. 1.), поступает в ком­прессор 2, где происходит его дальнейшее сжатие. Сжатый до определенного давления воздух поступает в камеру 3, куда впрыскивается топливо и происходит сгорание топливо-воз­душной смеси: воздух + керосин.

Рис. 1. Турбореактивный двигатель:

1- Компрессор;

2- Камера сгорания;

3- Турбина;

4- Выходное устройство (сопло).

Образовавшиеся в камере сгорания газообразные продук­ты, имеющие высокие температуру и давление, поступают в рабочий тракт газовой турбины 4, где при расширении энер­гия продуктов сгорания преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. Дальнейшее преобразование энер­гии потока происходит в реактивном сопле 5.

В результате осуществления перечисленных процессов вы­рабатывается полезная работа цикла.

Различные типы ГТД отличаются способом преобразова­ния работы цикла в работу силы тяги.

В турбореактивном двигателе (ТРД) работа термодинами­ческого цикла используется только для увеличения кинетиче­ской энергии рабочего тела.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) полезная работа термо­динамического цикла используется в основном для вращения воздушного винта и лишь незначительная ее часть использу­ется для увеличения кинетической энергии рабочего тела.

При рассмотрении ГТД как тепловой маши­ны можно отвлечься от конкретного типа и назна­чения двигателя, т.к. в большинстве рассмотренных выше схем ГТД реализуется одинаковый термоди­намический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.

Простой цикл состоит из следующих термо­динамических процессов:

адиабатическое сжатие рабочего тела (возду­ха) в воздухозаборнике (отрезок Н-В на диаграмме) и в компрессоре (отрезок В-К) от атмосферного дав­ления ^Р_Н до давления Р*_К. В авиационных ГТД при скорости полета равной нулю (V_n = 0) и в наземных ГТД динамическое сжатие в воздухозаборнике от­сутствует и весь процесс сжатия осуществляется в компрессоре;

подвод тепла при постоянном давлении к по­току рабочего тела в камере сгорания (КС) за счет сгорания топлива (отрезок К-Г). Фактически дав­ление в камере сгорания несколько снижается от Рk* до Рг* из- за гидравлических и тепловых потерь;

адиабатическое расширение продуктов сго­рания в турбине (отрезок Г-Т) и сопле (Т-С) от дав­ления Рг* до атмосферного Р_н. Для вертолетных и наземных ГТД точки Т и С практически совпа­дают, т.к. расширение газа в турбине происходит до атмосферного давления;

отвод тепла к внешнему источнику (в атмос­феру) при постоянном давлении Р_н (отрезок С-Н).

Реальный газотурбинный цикл является ра­зомкнутым циклом - в дальнейшем выхлопные газы не участвуют в периодически совершаемой работе и не попадают на вход в двигатель. Цикл осуществляется рабочим телом с переменной теп­лоемкостью и химическим составом. Является переменным и расход рабочего тела из-за добавки массы топлива в камере сгорания во время цикла. Также влияние на объем рабочего тела оказывает система вторичных потоков внутри ГТД.

Основными показателями цикла являются удельная работа (работа, отнесенная к 1 кг ра­бочего тела) и эффективный к.п.д. равный от­ношению работы цикла L к количеству теплоты Q подведенному с топливом к камере сгорания.

Параметрами реального цикла, определяющи­ми уровень его показателей являются тем­пература газа перед турбиной (как правило, используется температура перед первым рабочим колесом - Т*_сд, суммарная степень сжатия (n *_Е), уровень аэродинамического совершенства лопаточ­ных машин и гидравлических потерь по тракту, а также расход циклового воздуха на охлаждение турбины.

Важнейшим параметром, определяющим со­вершенство цикла и ГТД в целом, как теплового двигателя, является температура газа перед турби­ной.

С увеличением температуры пропорциональ­но увеличивается удельная работа цикла, а также повышается эффективный к.п.д. Зависимость по­казателей цикла от степени сжатия более сложная: с увеличением удельная работа и эффективный к.п.д. цикла сначала увеличиваются, а затем, дос­тигнув максимума снижаются.

2-й учебный вопрос. Основные задачи в развитии современных ГТД. Общие технические требования предъявляемые к авиационным двигателям.

Газотурбинные двигатели (ГТД) начали применяться в авиации в конце Великой Отечественной войны. За сравнительно короткий срок поршневые двигатели были совершенно вытеснены из скоростной авиа­ции и заменены газотурбинными двигателями. Причины такого быстрого внедрения ГТД в авиацию заключаются в том, что во многих отношениях они оказались более совершенными, чем поршневые. В ГТД можно было получить весьма большую силу тяги при малом весе, при этом поперечные габаритные размеры, отнесенные к силе тяги, оказались во много раз меньшими, чем у лучших поршневых двигателей. Установка газотурбинных двигателей на самолете позволила резко повысить ско­рость полета.

Характерной особенностью современных ГТД является широкое применение автоматизации, благодаря чему ряд величин, например, тем­пература газов перед турбиной, обороты двигателей и другие параметры, поддерживаются автоматическими устройствами с высокой точностью. Это значительно облегчает эксплуатацию двигателя.

По мере развития и совершенствования газотурбинных двигателей указанные параметры существенно изменяются таким образом, что тяга двигателей непрерывно возрастает, улучшается экономичность, сни­жается их вес, приходящийся на 1 дан тяги, уменьшаются габаритные размеры, увеличивается ресурс.

Малая удельная масса является важнейшим требованием для авиа­ционных двигателей, так как масса двигателя в сильной степени сказы­вается на качестве самолета, определяющем его скороподъемность и дальность полета.

Снижение массы двигателей достигается разными способами, кото­рые учитываются при конструировании двигателя и его агрегатов. К числу главнейших из этих способов относятся:

- конструктивное совершенствование двигателя и его узлов (при­менение лопаток в компрессоре и турбине с малой хордой, применение лопаток, валов, дисков с малыми размерами поперечных сечений и демп­фирующих устройств для борьбы с колебаниями этих деталей, приме­нение охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток в турбине и др.);

- повышение параметров процесса и показателей работы отдель­ных агрегатов (увеличение степени повышения давления воздуха в одной ступени компрессора, приводящее к уменьшению числа ступеней, не вы­зывающее увеличение их массы, увеличение температуры газа, увеличе­ние теплоперепада, срабатываемого в одной ступени турбины, приводя­щее к уменьшению числа ступеней турбины, и др.);

- применение новых материалов — новых жаропрочных материа­лов для узлов и деталей двигателя, подвергающихся воздействию высо­ких температур, применение легких материалов с высокими механиче­скими качествами для деталей и узлов, работающих при сравнительно небольшом нагреве (титановые сплавы, стеклопластики для дисков, Лопаток и корпусов осевого компрессора) и др.;

- применение новых технологических приемов при изготовлении деталей, например сварных стальных и титановых корпусов, литых соп­ловых и рабочих лопаток турбины, применение электрохимического спо­соба обработки турбинных лопаток и др.

Применение указанных мероприятий, а также и многих других, которые подсказывает практика конструирования и доводки авиадвига­телей, позволяет создать новые образцы авиадвигателей, имеющих зна­чительно лучшие данные.

К числу общих требований, которым должен удовлетворять новый двигатель, относятся:

- обеспечение надежной работы на установившихся и переходных режимах на земле и в полете в широком диапазоне климатических усло­вий и сохранение стабильными во время эксплуатации его основных показателей — тяги, мощности и расхода топлива;

- обеспечение надежного запуска в различных климатических условиях, а также повторного запуска в полете;

- удобство осмотра в процессе эксплуатации двигателя состояния его отдельных деталей без снятия двигателя с самолета (рабочих лопа­ток компрессора и турбины, деталей камеры сгорания, форсажной ка­меры и др.), для чего предусмотрены специальные окна, позволяющие проверить все части двигателя визуально, с помощью бороскопа и путем получения рентгеновских снимков; возможность профилактического обнаружения дефектов путем контроля появления стружки в масле, контроля тряски двигателя и др.; выполнение регламентных работ, пред­усмотренных инструкцией по эксплуатации.

Совершенствование реактивных сопел будет осуществляться применением новых газодинамических и конструктивных схем. Предусматривается требование реверсирования и управления вектором тяги. Кроме этого, как мера повышения «выживаемости» самолета, предусматривается реализация меро­приятий по уменьшению интенсивности инфракрасного излучения и радиолокационной заметности.

Разработка гиперзвуковых летательных аппаратов и силовых установок для них требует значительного прогресса в аэродина­мике, конструкции и материалах. Достаточно сложные проблемы необходимо решить при конструировании топливной системы так как в качестве топлива предполагается применение криогенных жидкостей, как-то: водород, метан и др.