О входных устройствах ГТД…. Какая польза от воздухозаборника на капоте, как установить своими руками Вопросы выбора и замены воздухозаборников
Когда вы совершаете свой вечерний моцион вокруг самолёта, то невольно оглядываетесь в поисках интересного для поржать.
И конечно же, у вас при этом возникают много вопросы.
Ну, несомненно, что это за штука там торчит, или для чего, впрочем, нужна вот эта дырка?
Именно поэтому сегодня мы поговорим о системе кондиционирования воздуха.
Надо под сказать, что система кондиционирования воздуха (СКВ) на самолётах обычно считается довольно сложной.
Но я постараюсь, чтобы все даже поняли, зачем оно там растёт и как работает. Не говоря уже о с важным видом объяснить соседу по полати.
Поэтому сначала обучимся теории, а там и до фоток дойдёт.
1. Для чего это нужно?
Человек любит дышать. Ему это как-то надо. Всё время.
Дышать ему надо в определённом диапазоне давления и температуры воздуха, иначе к счастливым родственникам долетят не все. Ведь на высоте давления воздуха мало, и он ещё и очень холодный.
Человеков в салуне много.
И вот это много надо снабдить воздухом в потребном количестве и комфортной температуры (и давления).
Этим, собственно, и занимается СКВ.
2. Из чего ён состоит и где находится?
В составе СКВ много всяких разных штук, но принципиально мы имеем следующее:
2.1. Систему отбора воздуха от двигателей и вспомогательной силовой установки (ВСУ).
2.2. Систему подготовки воздуха.
2.3. Систему распределения воздуха до потребителей.
Сегодня мне интересно рассказать о большей части именно что второго кусочка этой всем хорошей системы.
3. Как оно выглядит и работает.
Как всем нам давно уже стало понятно, бОльшая часть работы по подготовке воздуха выполняется как раз установками кондиционирования (Air Conditioning Packs), так что про эти самые паки (иже херувимы) я сейчас и немножко покажу и расскажу.
Паки обычно находятся под салоном, в районе центроплана. Вот мы как раз и откроем створочку:
Видим мы там примерно следующее:
два здоровых теплообменника (воздухо-воздушных радиатора = ВВР) серебристого цвета
, левее - чёрные пластиковые кожухи для прососа воздуха через ВВРы, и много труб.
Тут вот какая штука.
Воздух для работы системы отбирается от компрессора ВСУ или от компрессоров двигателей (если они запущены).
Там он очень горячий - сотни градусов. Если бы мы жили только зимой, то всё было бы попроще - охладили бы его, да и подали в салон.
Но у нас ведь бывают и весьма положительные температуры, при которых хочется салон не то чтобы не сильно подогреть, а очень даже и охладить.
Поэтому в СКВ мы должны поиметь холодильник неслабой такой производительности (салон на 170 горячих парней - ага?), причём желательно, чтобы он работал без привлечения сторонних ресурсов вроде электроэнергии.
Такая задача хорошо решилась с привлечением законов физики.
Как известно, воздух, как и любой газ, охлаждается при расширении. А ещё лучше он охлаждается, если у него ещё и отобрать энергию принуждением к работе.
Оба два этих способа используются в устройстве, называемом "турбохолодильник" (по-английски используют термин Air Cycle Machine = ACM). Вот он серенький такой чуть левее середины:
В нём бывший горячий воздух (а сейчас слегка уже охлаждённый в ВВР), но всё ещё под давлением, совершает работу по вращению турбины, и при этом расширяется и охлаждается.
Теперь можно уже упрощённо объяснить работу СКВ в целом.
Горячий воздух отбирается от ВСУ или двигателей,
предварительно охлаждается в теплообменниках (ВВР),
затем приводит турбину турбохолодильника и охлаждается там до температуры чуть выше нуля (чтобы не замёрзли пары воды),
а потом к нему подмешивается горячий воздух в количестве, необходимом для получения заданной из кабины температуры.
И в результате мы получаем в салоне прохладный воздух летом или тёплый - зимой.
Ещё немного деталей.
Вот такой хитрой формы воздухозаборник имеется практически у всех самолётов.
Через него забирается воздух на продувку ВВР. По этому характерному виду можно сразу понять, где у самолёта находятся паки кондиционирования.
У большинства самолётов паки находятся снизу центроплана.
А вот у Ан-148 - сверху:
(заборник воздуха - в правом верхнем углу фото)
Ну, и ещё у некоторых оригиналов они бывают в носу.
Проходное сечение канала воздухозаборника регулируется. На 737 - подвижной стенкой входной части канала со стороны фюзеляжа.
Этим регулируется охлаждение ВВР - ведь на высоте набегающий поток очень холодный (-60 градусов) и скоростной, так что створочку лучше прикрыть.
Характерным для 737 является наличие щитка перед каналом воздухозаборника:
Его установили, чтобы меньше всякой гадости попадало на разбеге - ведь фюзеляж у 737 сидит довольно низко, а грязь из-под передних колёс иногда летит.
У Эйрбасов входники находятся гораздо выше, и там таких щитков нету.
Между паком и нишей шасси, снизу, находится выходное отверстие для продувочного воздуха:
Оттуда дует слегка тёплым, и зимой там может быть интереснее, чем вокруг.
Кстати, во время стоянки, когда нет набегающего потока для продувки ВВРов, воздух через них просасывается вентилятором, который приводится той самой турбиной турбохолодильника.
Вот и полезная работа, которую он совершает при охлаждении воздуха. Сам себя обеспечивает, так сказать:)
При охлаждении воздуха содержащиеся в нём парЫ воды конденсируются в капли. Эта вода отводится из холодного воздуха, и впрыскивается в поток, направляемый на ВВРы. Таким образом, испаряя эту воду, они охлаждаются ещё сильнее.
Тэк-с... воздух мы с горем пополам охладили.
Теперь как бы порегулировать и вообще в тепло.
Регулировка температуры воздуха производится подмешиваением к холодному воздуху горячего.
На 737-800 вся герметичная часть фюзеляжа разделена на три условных зоны: кабина экипажа, передняя и задняя части пассажирского салона. Тремя же клапанами и подмешивается горяченькая.
Соответственно, в кабине экипажа, на потолочной панели, имеются три задатчика температуры:
(вот они внизу фотки)
Над ними находятся индикаторы отказа соответствующих каналов контролирующей аппаратуры.
Ещё выше - выключатель подмешивания горячего воздуха.
Слева вверху - прибор для контроля температуры воздуха в магистралях и в салоне.
Вверху справа - переключатель для выбора, а чего, собственно, температуру смотреть будем.
При отказе регулирования температуры воздуха паки сами перейдут на выдачу какой-то средней температуры вроде +24 градусов.
Для того, чтобы поэкономить на воздухе, обычно работают вентиляторы рециркуляции воздуха в пассажирской кабине.
Вот их выключатели как раз присели на соседней панели сверху:
Вентиляторы сосут воздух из салона через боковые нижние панели, затем он очищается фильтрами и подмешивается к свежему воздуху из паков.
Воздух же в кабину пилотов всегда подаётся только свежий.
Ниже выключателей, посредине, виден прибор, показывающий давление воздуха в магистралях.
Под ним - тумблер клапана кольцевания левой и правой воздушных магистралей. Как видно, воздух от каждого двигателя подаётся к своему паку, а ВСУ подключена к левой магистрали.
По сторонам от него - тумблеры включения паков.
Ниже - сигнальные табло неисправностей разных частей системы подготовки воздуха.
И в самом низу - включение отбора воздуха от ВСУ и двигателей.
В заключение залезем на территорию системы регулирования давления воздуха внутри самолёта.
Воздух внутрь салона подаётся через паки под постоянным давлением.
Регулирование давления внутри салона производится автоматической системой, регулирующей стравливание воздуха через выпускной клапан.
Он находится справа сзади самолёта, примерно под задней правой дверью (обведён красным):
Клапан представляет собой две створки, которые могут приводиться от трёх разных электродвигателей (для запаса на случай отказа).
На случай, когда вообще всё плохо, предусмотрены ещё два совсем уж аварийных чисто механических клапана, открывающихся при превышении определённого давления внутри фюзеляжа по отношению к забортному.
Вот эти клапаны выше и ниже выпускного клапана:
Если же вдруг давление внутри фюзеляжа станет ниже, чем снаружи, то клапаны отрицательного перепада откроются и выровняют этот перепад, впустив воздух внутрь самолёта:
Также на случай разгерметизации багажников имеются вышибные панели на потолке багажников.
Если вдруг образуется слишком большой перепад давления между багажниками и салоном, панели выдавятся и пустят воздух для выравнивания этого перепада.
Это нужно для того, чтобы не сложился пол салона.
Пожалуй, теперь про паки я вкратце рассказал.
Для работы двигателей КАМАЗ необходим большой объем воздуха, поэтому они оснащаются высокопроизводительной системой питания, в которой за подачу воздуха отвечает специальный компонент — воздухозаборник. О системе питания дизеля и воздухозаборнике, его роли, устройстве и работе читайте в данной статье.
Роль системы питания воздухом дизельного двигателя
Сгорание любого топлива возможно только в присутствии воздуха, который служит источником необходимого для горения кислорода. Поэтому в состав двигателя входит система питания воздухом, которая решает несколько задач:
Отбор воздуха из атмосферы;
. Очищение воздуха от загрязнений;
. Подача и распределение воздуха по цилиндрам.
Необходимо отметить, что часто систему питания воздухом не выделяют в отдельную систему, а рассматривают в качестве одной из составляющих системы питания двигателя, в которую входит и топливная система. Также с системой питания взаимодействует и система выпуска отработанных газов, которая выступает в качестве источника разрежения для работы некоторых агрегатов. Но здесь будет удобнее рассмотреть отдельно систему питания двигателя воздухом.
Устройство и работа системы питания воздухом
Система питания воздухом двигателей КАМАЗ имеет несложное устройство, в нее входит несколько основных компонентов:
Воздухозаборник и труба воздухозаборника (в некоторых моделях);
. Уплотнитель;
. Воздушный фильтр с входным и выходным воздухопроводом;
. Впускной воздухопровод двигателя;
. Трубопровод отсоса пыли из воздушного фильтра;
. В некоторых моделях — турбокомпрессор (точнее — только его компрессорная часть).
Работа системы происходит следующим образом: атмосферный воздух через воздухозаборник по воздухопроводу поступает в фильтр, где очищается от пыли и далее направляется либо сразу к цилиндрам двигателя, либо сначала в турбокомпрессор, а затем под давлением в цилиндры. При этом в двух местах система питания воздухом взаимодействует с выхлопной системой: во-первых, с выхлопной трубой связан воздушный фильтр, а, во-вторых, отработанные газы обеспечивают вращение турбокомпрессора.
Отметим, что на автомобилях КАМАЗ используется три схемы построения системы питания двигателя воздухом:
С вертикальным расположением воздушного фильтра — данная схема использовалась на старых моделях грузовиков, она предусматривала необходимость применения развитой системы воздухопроводов, так как фильтр обычно крепился довольно низко по отношению к двигателю;
. С горизонтальным расположением воздушного фильтра и с высокой установкой воздухозаборника (на длинном воздухопроводе) — наиболее распространенная сегодня схема, в которой фильтр находится чуть выше мотора, а воздухозаборник установлен на задней части кабины;
. С горизонтальным расположением воздушного фильтра и низкорасположенным воздухозаборником — данная схема применяется на самосвалах, воздухозаборник устанавливается непосредственно на воздушном фильтре, и находится в пространстве между кабиной и передней частью самосвальной платформы.
О некоторых деталях системы питания воздухом нужно сказать подробнее.
Уплотнитель. Необходимость и важность данной детали диктуется конструктивными особенностями кабины автомобилей КАМАЗ. Обычно воздухозаборник монтируется непосредственно на кабине, в ее задней части, а воздушный фильтр и его входной воздухопровод — на раме. Но кабина у КАМАЗа откидывается вперед, что делает невозможным жесткое соединение воздухозаборника с входным воздухопроводом фильтра. Поэтому между воздухозаборником и входным воздухопроводом фильтра предусмотрен уплотнитель, который обеспечивает герметичность соединения в транспортном (опущенном) положении кабины. В некоторых моделях камских грузовиков (например, в самосвалах КАМАЗ-55111) воздухозаборник имеет небольшую высоту и установлен непосредственно на фильтре, поэтому уплотнитель в них отсутствует.
Воздушный фильтр. В автомобилях КАМАЗ, а также и в большинстве других отечественных грузовиков, применяется двухступенчатый сухой воздушный фильтр. Первая ступень — центробежная, пыль отделяется за счет центробежных сил, возникающих при вращении барабана (он приводится во вращение набегающим потоком воздуха). Пыль собирается в бункер, ее удаление происходит через трубопровод малого сечения, соединенный с выхлопной трубой — в выхлопной трубе создается разрежение воздуха (отработанных газов), за счет которого и происходит отсос пыли из фильтра. Вторая ступень фильтра — стандартный бумажный фильтрующий элемент, который по мере загрязнения можно быстро заменить.
Впускной воздуховод двигателя. Это система воздуховодов, которые подводят очищенный воздух к каждому из цилиндров. Обычно воздуховоды располагаются в развале двигателя, сбоку от цилиндров.
Отдельно расскажем про воздухозаборники, которые находят применение в автомобиле КАМАЗ.
Назначение и роль воздухозаборника в системе питания двигателя КАМАЗ
Как нетрудно понять по названию, воздухозаборник отвечают за отбор воздуха из атмосферы и его подачу к воздушному фильтру. Однако здесь возникает вопрос — зачем грузовику специальный воздухозаборник, если очень многие автомобили, особенно легковые, нормально работаю без этой детали? В действительности воздухозабрник на автомобилях КАМАЗ играет важную роль, а его необходимость обусловлена особенностям конструкции и эксплуатации автомобиля.
Обычно грузовики эксплуатируются в сложных условиях — при сильной запыленности, в грязи и т.д. Поэтому отбор воздуха для двигателя необходимо производить так, чтобы в фильтр и в систему питания попадало как можно меньше пыли, грязи, насекомых и т.д. Как раз эту задачу и решает воздухозаборник, он обычно располагается в самом «чистом» месте — за кабиной. Здесь за счет турбулентности воздух содержит меньше загрязнений, а его количества достаточно для нормальной работы двигателя, в том числе и с турбокомпрессором.
Благодаря наличию воздухозаборника также легко решается вопрос расположения фильтра и других компонентов питания двигателя воздухом — они могут монтироваться в любом удобном месте, и от этого их работа не ухудшается. Так что наличие воздухозаборника решает сразу несколько проблем различного характера, от него зависит нормальная работа двигателя, а также состояние фильтра и других деталей системы питания.
Типы, устройство и работа воздухозаборников КАМАЗ
На сегодняшний день существует три основных типа воздухозаборников КАМАЗ:
Классические круглые воздухозаборники, монтируемые на кабину;
. Современные воздухозаборники прямоугольного сечения («плоские»), монтируемые на кабину;
. Короткие воздухозаборники, монтируемые непосредственно на фильтр.
Воздухозаборники всех типов очень просто устроены, и содержат минимум деталей.
Круглые воздухозаборники состоят из трубы (воздуховода), в верхней части которого установлен собственно воздухозаборник — колпак или козырек, повышающий площадь входного отверстия. Входное отверстие обязательно закрыто сеткой, которая препятствует проникновению в систему крупных загрязнений, камней, насекомых, листьев и т.д.
Помимо обычных, существуют еще и вращающиеся цилиндрические воздухозаборники, выполненные в виде барабана, установленного на воздуховоде. Вращаясь, такой барабан выступает в роли центробежного фильтра, отбрасывающего более или менее крупные загрязнения, не давая им застрять в сетчатом фильтре. Вращение барабана обеспечивается набегающим потоком воздуха.
Однако сегодня все более широкое применение находят современные плоские воздухозаборники, которые занимают минимум места за кабиной, и при этом обеспечивают эффективный отбор воздуха из атмосферы. Существует два типа таких воздухозаборников:
Для установки в горизонтальном положении;
. Для установки в вертикальном положении.
Отличие между этими деталями заключается в положении входного отверстия, которое располагается так, чтобы после установки воздухозаборника оно «смотрело» вбок, то есть — отбор воздуха производится с правой или с левой стороны кабины. Независимо от расположения, входное отверстие закрыто защитной решеткой (пластиковой или металлической) или жалюзи.
Сегодня все чаще применяются воздухозаборники, изготовленные из пластика — они отличаются крайне низкой стоимостью, надежностью и эффективностью работы. А в случае поломки быстро и без лишних затрат могут быть заменены.
Методы модульного конструирования
На рис. 1.12 показан способ разделения двигателя на несколько модулей.
Рис. 1.12. Элементы модульной конструкции
Применение самолетов все больших и больших размеров означает удешевление воздушных перевозок. Данная концепция является успешной, когда эффективно работают самолеты. Однако, если один из компонентов большого самолета, имеющий ограничения, например, двигатель, становится неработоспособным, тогда стоимость перевозки трехсот или четырехсот пассажиров на борту становится непомерно высокой.
Изготовители двигателей для минимизации финансовых расходов потребителей своего оборудования в случае отказа начали применение методов модульного конструирования, которые позволяют замену модулей двигателя, вместо замены двигателя целиком.
ГЛАВА 2 – ВОЗДУХОЗАБОРНИКИ
· Постановка самых важных задач воздухозаборника двигателя.
· Описание геометрии дозвукового воздухозаборника скоростного напора.
· Описание изменения газовых параметров в воздухозаборнике скоростного напора на разных скоростях.
· Обоснование назначения вторичных створок воздухозаборника.
· Описание назначения и принципа работы многоскачковых воздухозаборников на сверхзвуковых скоростях полета.
· Перечисление различных типов многоскачковых воздухозаборников и определение их на различные самолеты.
· Описание причин и опасностей следующих эксплуатационных проблем, связанных с воздухозаборниками двигателей:
Отделение потока, особенно при боковом ветре на земле;
Обледенение воздухозаборника;
Повреждение воздухозаборника;
Всасывание посторонних предметов;
Сильная турбулентность в полете.
· Описание действий пилота для парирования перечисленных проблем.
· Описание условий и обстоятельств во время наземных операций, когда возникает опасность всасывания посторонних предметов или людей в воздухозаборник.
2.1. ВОЗДУХОЗАБОРНИК
Воздухозаборник двигателя встроен в конструкцию планера или является частью гондолы. Он разработан таким образом, чтобы обеспечивать относительную защиту от подачи турбулентного воздуха на фронтальную плоскость КНД или вентилятора. Конструкция канала воздухозаборника оказывает серьезное влияние на характеристики производительности двигателя на всех воздушных скоростях и углах атаки для предотвращения помпажа компрессора.
Простейшей формой воздухозаборника является канал с одним входом и округлым поперечным сечением типа «пито» (скоростного напора). Он обычно имеет прямолинейную форму у двигателей, расположенных на крыле, но может иметь и S-образную форму у расположенных в хвосте двигателей (например, 727, TriStar). Для S-образного канала характерна нестабильность воздушного потока, особенно во время взлетов с боковым ветром.
Воздухозаборник типа «пито» оптимизирует использование скоростного напора и подвержен минимальным потерям давления скоростного напора с увеличением высоты. Эффективность воздухозаборника данного типа снижается из-за образования на кромке скачков уплотнения при приближении скорости самолета к звуковой.
Дозвуковой воздухозаборник обычно имеет расширяющийся канал, позволяющий снизить скорость и повысить давление на входе компрессора при увеличении воздушной скорости.
Давление внутри воздухозаборника ГТД при работе двигателя на стоянке ниже атмосферного. Это происходит из-за высокой скорости потока через входной канал. При движении самолета давление в воздухозаборнике начинает расти. Момент, когда давление в воздухозаборнике сравнивается с атмосферным, называется восстановлением давления скоростного напора . Этот момент обычно наступает на скорости около 0,1 М до 0,2 М. При дальнейшем увеличении скорости самолета, воздухозаборник создает все большее сжатие от скоростного напора, и степень повышения давления в компрессоре от этого увеличивается. Это приводит к повышению тяги без увеличения расхода топлива. Это показано ниже. Вторичные створки воздухозаборника позволяют подавать в компрессор дополнительный воздух во время работы на высокой мощности, когда самолет находится на стоянке или на низких воздушных скоростях/больших углах атаки (Диаграмма Харриера).
Рис. 2.1. Восстановление давления скоростного напора
2.2. СВЕРХЗВУКОВЫЕ ВОЗДУХОЗАБОРНИКИ
Сверхзвуковые самолеты должны иметь соответствующего типа воздухозаборники, т.к. передняя часть компрессора не может справиться со сверхзвуковым потоком. На дозвуковых скоростях воздухозаборник должен обладать свойствами восстановления давления дозвукового воздухозаборника, но на сверхзвуковых скоростях он должен понижать скорость потока воздуха ниже скорости звука и контролировать образование скачков уплотнения.
Площадь сечения сверхзвукового диффузора от передней части к задней постепенно уменьшается, что способствует снижению скорости потока ниже значения 1М. Дальнейшее снижение скорости достигается в дозвуковом диффузоре, площадь сечения которого увеличивается по мере приближения к входу компрессора. Для правильного замедления потока в скачках уплотнения очень важно контролировать их образование в воздухозаборнике. Применение воздухозаборников изменяемой геометрии позволяет правильно контролировать скачки уплотнения; они также могут иметь перепускные створки для спуска воздуха из воздухозаборника без изменения его скорости.
Рис. 2.2. Воздухозаборник с изменяемым горлом (основан на оригинальном чертеже Rolls-Royce)
Рис. 2.3. Воздухозаборник с внешним/внутренним сжатием (основан на оригинальном чертеже Rolls-Royce)
2.3. ПОДВИЖНЫЕ ВОЗДУХОЗАБОРНИКИ
У подвижных воздухозаборников изменяется площадь входного поперечного сечения (Concorde) с помощью подвижного центрального конуса (SR 71). Это позволяет контролировать скачок (скачки) уплотнения на входе компрессора.
2.4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ
Взлет . Воздухозаборник двигателя разработан для поддержания стабильного воздушного потока на входе компрессора; любые нарушения потока, вызывающие его турбулентность, могут вызвать срыв потока или помпаж компрессора.
Воздухозаборник не может справиться с большими углами атаки и поддерживать стабильный поток воздуха. Один из наиболее критических моментов возникает во время ускорения двигателя до взлетной тяги. На поток воздуха в воздухозаборнике может повлиять любой боковой ветер, особенно на двигатели, установленные в хвосте и имеющие воздухозаборники S-образной формы (TriStar, 727). Для предотвращения возможного срыва потока и помпажа в эксплуатационных руководствах предусмотрена процедура, которым необходимо следовать. Она обычно заключаются в поступательном перемещении самолета перед плавным повышением режима работы до взлетного, примерно 60 – 80 узлов (взлет без остановки).
Обледенение . В определенных условиях может произойти обледенение воздухозаборника. Обычно это происходит, когда температура наружного воздуха ниже +10°, присутствует видимая влажность, стоячая вода на ВПП или дальность видимости на полосе менее 1 000 м. Если данные условия присутствуют, пилот должен включить антиобледенительную систему двигателя.
Повреждение . Повреждение воздухозаборника или любая шероховатость внутри его канала может вызвать турбулентность входящего потока воздуха и нарушить поток в компрессоре, вызывая срыв или помпаж. Будьте внимательны к повреждениям и неравномерной шероховатости поверхности панелей обшивки при осмотре воздухозаборника.
Всасывание посторонних предметов . Всасывание посторонних предметов во время нахождения самолета на земле или вблизи нее неизбежно вызывает повреждение лопаток компрессора. Уделяйте достаточное внимание зоне на земле перед воздухозаборниками двигателей перед их запуском, чтобы гарантировать отсутствие валяющихся камней и другого мусора. Это не относится к двигателям, установленным на хвосте, чьи воздухозаборники расположены над фюзеляжем; они намного меньше страдают от всасывания посторонних предметов.
Турбулентность в полете . Сильная турбулентность в полете может не только заставить пролить кофе, но и нарушить воздушный поток в двигателях. Использование механической скорости для прохождения турбулентности, указаннойв эксплуатационном руководстве, и правильного значения RPM/EPR поможет снизить вероятность неисправности в компрессоре. Также может быть целесообразно или необходимо активировать непрерывное зажигание для снижения вероятности срыва пламени в двигателе.
Наземные операции . Большинство повреждений компрессора вызвано всасыванием посторонних предметов. Повреждение лопаток компрессора приводит к изменению геометрии системы, что может повлечь ухудшение производительности, срыв потока в компрессоре и даже помпаж двигателя. Для предотвращения возникновения таких повреждений важно принимать предварительные меры по удалению мусора (обломков) из зоны стоянки. Далее пилот во время предполетного осмотра должен убедиться в отсутствии посторонних предметов в воздухозаборниках двигателей. Ответственность на этом не заканчивается, после полета необходимо установить заглушки на входные и выхлопные каналы для предотвращения накапливания загрязнений и авторотации.
Во время запуска, руления и реверсирования тяги в воздухозаборник могут всасываться посторонние предметы, и для предотвращения потенциального повреждения необходимо применять минимальную тягу.
Во время работы ГТД происходили серьезные повреждения и некоторые с летальным исходом из-за всасывания персонала в воздухозаборники. При необходимости выполнять работы в непосредственной близости от работающего двигателя необходимо соблюдать особую осторожность.
ГЛАВА 3 – КОМПРЕССОРЫ
Для работы двигателя внутреннего питания необходим воздух, который отбирается из атмосферы с помощью специального устройства — воздухозаборника. О том, что такое воздухозаборник и для чего он нужен, каких типов бывает и как устроен, а также о правильном выборе и замене этой детали — читайте в статье.
Что такое воздухозаборник?
Воздухозаборник (заборник воздуха) — деталь системы питания транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания; трубы различной формы, сечения и конструкции для забора воздуха и его направленной подачи на воздушный фильтр и далее в карбюратор или дроссельный узел.
На воздухозаборник возложено несколько функций:
- Отбор атмосферного (холодного) воздуха для подачи на двигатель;
- Отбор теплого воздуха для питания двигателя в момент холодного запуска и при прогреве (преимущественно в холодное время года);
- Направленная подача воздуха к фильтру независимо от его расположения (это позволяет удобно располагать фильтр и другие детали системы питания);
- Некоторые типы воздухозаборников — защита системы питания двигателя от попадания в нее воды и грязи;
- В некоторых автомобилях и при тюнинге — выполнение функций декоративного элемента.
Воздухозаборники являются важными деталями системы питания двигателя, так как от их конструкции, места установки и общего технического состояния зависят объем и стабильность подачи воздуха к двигателю. Поэтому при поломке данной детали ее необходимо отремонтировать или заменить. Чтобы сделать верный выбор воздухозаборника для автомобиля, необходимо разобраться в их типах, конструкции и особенностях.
Типы, конструкция и применяемость воздухозаборников
Конструктивно все заборники воздуха одинаковы — это труба круглого, прямоугольного или более сложного сечения, которая одной стороной устанавливается на корпусе воздушного фильтра, а другой выходит в наиболее удобное место внутри кузова или снаружи автомобиля. Под действием разряжения, возникающего во впускном тракте системы питания двигателя, воздух всасывается через наружную часть заборника, поступает к фильтру и далее в систему.
Воздухозаборники можно разделить на две группы по месту установки на транспортном средстве:
- Наружные;
- Внутренние.
Наружные заборники устанавливаются за пределами кузова автомобиля — над капотом, над крышей, за задней поверхностью кабины и т.д. Для установки выбирается такое место, где наблюдается нормальное или повышенное давление воздуха во время движения транспортного средства, избегая зон турбулентности (завихрений) с пониженным давлением.
Внутренние заборники располагаются в подкапотном пространстве в непосредственной близости от двигателя. Для подачи воздуха в моторный отсек служат отверстия в капоте, крыльях или в иных деталях кузова. Данные воздухозаборники делятся на два типа по назначению:
- Для забора холодного воздуха;
- Для забора теплого воздуха.
Заборники первого типа располагаются на некотором удалении от двигателя, обеспечивая подачу к фильтру воздуха с температурой окружающей среды. Заборники второго типа располагаются у наиболее нагретых частей двигателя (обычно монтируется непосредственно на выпускной коллектор), обеспечивая подач к фильтру теплого воздуха. Система из двух заборников воздуха облегчает зимнюю эксплуатацию двигателя, ускоряя его прогрев. Как правило, такая система содержит терморегулятор с заслонкой, изменяя положение которой можно смешивать теплый и холодный воздух для достижения оптимальной температуры поступающей в цилиндры топливно-воздушной смеси.
Схема воздушного тракта системы питания двигателя легковых автомобилей
Схема воздушного тракта системы питания двигателя грузовых автомобилей
Воздухозаборники наружные и холодного воздуха делятся на две группы по способу подачи воздуха:
- Пассивные;
- Активные.
Пассивные заборники воздуха — это простые устройства в виде пластиковых или металлических труб различной конфигурации, которые обеспечивают лишь подвод воздуха к фильтру. Такую конструкцию имеет большинство воздухозаборников легковых автомобилей и очень многих грузовиков. На наружной стороне данных устройств могут располагаться различные вспомогательные устройства — «грибки» для защиты от пыли и грязи, резонаторы для формирования потока воздуха определенной структуры, сетки, жалюзи и т.д.
Активные заборники воздуха — это более сложные устройства, которые не просто доставляют воздух к фильтру, но и решают одну или несколько вспомогательных задач. Наибольшее распространение имеют два вида активных воздухозаборников:
- Моноциклоны — заборники с завихрителями (неподвижными лопастями, расположенными поперек оси потока воздуха), которые придают потоку воздуха вращение для дополнительной очистки от пыли (за счет центробежных сил) и лучшей наполняемости системы питания. Примером моноциклона служит типичный воздухозаборник тракторов МТЗ в виде грибка, также несколькими циклонами оснащаются современные заборники грузовых автомобилей, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенной запыленности;
- Вращающиеся заборники — устройства, на наружной стороне которых установлен вращающийся сетчатый барабан с крыльчаткой и завихрителем. Барабан приходит во вращение под действием набегающего потока воздуха, благодаря этому происходит отсеивание крупного мусора и формирование завихренного потока воздуха в системе питания. Также вращение обеспечивает самоочистку наружной поверхности барабана от застревающих частиц загрязнений, поэтому данные устройства используются на автомобилях и различной технике (тракторы, комбайны), эксплуатируемой в условиях повышенной запыленности.
Оба этих воздухозаборника, а также и все заборники с сетками на входе, считаются фильтрами грубой очистки воздуха, которые устраняют проникновение в систему питания крупных частиц (камней, травы и т.д.) и значительно продлевают ресурс воздушного фильтра.
В отдельную группу выделяются воздухозаборники специального назначения — шноркели (шнорхели). Эти устройства используются на внедорожниках и другой технике, которой в процессе эксплуатации приходится преодолевать глубокие водные преграды и двигаться по бездорожью (военная техника, раллийные автомобили). Шноркель представляет собой герметичную трубу, вынесенную на уровень крыши автомобиля — расположение в самой высокой точке автомобиля обеспечивает защиту от воды и грязи. Обычно шноркели оборудуются поворотным заборником, который можно развернуть по ходу или против хода движения автомобиля, он имеет сетку и может оснащаться вспомогательными деталями (для отвода воды, для завихрения воздуха и т.д.).
Воздухозаборник на капот
Наконец, существует большая группа капотных воздухозаборников легковых автомобилей, которые выполняют две функции — формирование направленного потока воздуха и украшение. Эти устройства имеют разнообразный дизайн и привносят во внешний вид автомобиля новые ноты, и, в то же время, обеспечивают интенсивную подачу воздуха в подкапотное пространство или непосредственно к внутреннему заборнику воздуха. Но сегодня распространение получили и чисто декоративные воздухозаборники, которые помогают придать автомобилю более агрессивный, спортивный вид, но практически не оказывают никакого влияния на работу воздушного тракта его системы питания.
Вопросы выбора и замены воздухозаборников
В процессе эксплуатации транспортного средства воздухозаборник не подвергается большим нагрузкам, однако он может быть поврежден вследствие удара (чему особенно подвержены наружные заборники грузовых автомобилей, тракторов и другой техники) или вибраций, либо потерять свои характеристики от старения (особенно этому подвержены пластиковые детали). При неисправности деталь следует заменить, иначе может нарушиться режим работы двигателя, повыситься интенсивность засорения фильтров и т.д.
На замену следует выбирать только те воздухозаборники, которые подходят для данного автомобиля или трактора — это легко сделать по типу и каталожному номеру детали. Замена возможна только в тех случаях, когда на разной технике используются одинаковые детали — как, например, заборники всех автомобилей КАМАЗ, «грибки» на воздухозаборники, моноциклоны и вращающиеся заборники многих тракторов и грузовиков, и т.д.
Замена заборника обычно сводится к демонтажу старой детали и установке новой, для этого требуется выкрутить несколько винтов, демонтировать пару хомутов и снять один или два уплотнителя. При монтаже следует соблюдать правильность установки уплотнителей и обеспечивать максимально герметичный монтаж, чтобы избежать подсоса воздуха через щели. Все работы следует выполнять в соответствии с инструкцией по ремонту и ТО автомобиля.
Выбор декоративного воздухозаборника сводится к подбору детали, подходящей по месту установки и внешнему виду. Монтаж заборника может выполняться различными способами, в том числе и без выполнения сверления капота и иных кузовных деталей — в каждом конкретном случае следует придерживаться приложенной инструкции.
При верном подборе и замене воздухозаборника двигатель будет получать необходимое количество воздуха и нормально работать в любых условиях.
Основными параметрами, характеризующими двигатель как силовую установку самолета, являются развиваемая им тяга и удельный расход топлива. Эти параметры определяются на основании характеристик внутридвигательных процессов, которые в случае турбореактивного двигателя зависят главным образом от работы компрессора и турбины. Однако с увеличением скорости полета остальные узлы и агрегаты начинают оказывать на работу двигателя все большее влияние. Это в первую очередь относится к воздушному каналу, форма которого зависит не только от конструкции и назначения двигателя, но также и от его местоположения на планере. С увеличением скорости полета потери давления в воздушном канале увеличиваются, вследствие чего происходит уменьшение тяги двигателя и увеличение удельного расхода топлива.
Рис. 1
Следовательно, определяющими для самолета являются характеристики двигательной установки в целом, а не одного только двигателя. Это утверждение в первую очередь относится к сверхзвуковым самолетам, так как различие между соответствующими характеристиками двигательной установки и двигателя возрастает с увеличением скорости полета. Поэтому для двигательной установки вводится понятие «эффективная тяга», под которой понимается результирующая сил, действующих на внешние и внутренние поверхности двигателя. Характер и величины сил, создаваемых внутренним давлением, и сил трения, обусловленного вязкостью рабочего тела, определяются процессами, происходящими внутри двигателя. Силы же, действующие на внешние поверхности, определяются характером обтекания двигателя внешним потоком и зависят от местоположения и способа установки двигателя на планере, а также от скорости полета. Воздухозаборник и воздушный канал, обычно составляющие часть планера, более других элементов влияют на силу тяги, создаваемой двигательной установкой. Они обеспечивают подвод воздуха, необходимого для нормальной работы двигателя, в требуемом количестве и с определенными скоростью и давлением. При малых скоростях полета сжатие воздуха перед камерой сгорания происходит главным образом в компрессоре. С ростом же скорости полета, а особенно после достижения сверхзвуковых скоростей, появилась возможность использования кинетической энергии потока для повышения давления воздуха, подводимого к двигателю. При таких скоростях роль воздухозаборника существенно возрастает, поскольку использование кинетической энергии набегающего потока воздуха приводит к уменьшению расхода энергии на привод компрессора. Такое входное устройство является фактически предварительным бестурбинным компрессором.
В околозвуковых самолетах достаточно хорошо выполняет свою функцию воздухозаборник постоянной геометрии с закругленной передней кромкой. Тщательное профилирование воздухозаборника обеспечивает малые потери, а также однородное поле скоростей потока перед компрессором. Однако при сверхзвуковой скорости перед таким воздухозаборником на расстоянии толщины ударного слоя образуется неприсоединенный прямой скачок уплотнения, за которым скорость уменьшается до дозвукового значения. Такому скачку сопутствует большое волновое сопротивление, поэтому воздухозаборники постоянной геометрии с закругленной передней кромкой могут использоваться только до М ‹ 1,14-1,2.
Для сверхзвуковых самолетов потребовалось разработать воздухозаборники иной формы и иного принципа действия. Ввиду широкого диапазона эксплуатационных скоростей этих самолетов их воздухозаборники и воздушные каналы должны одинаково хорошо работать в разных условиях, обеспечивая как простой подвод воздуха при взлете, так и создание оптимальной системы скачков уплотнения в полете с максимальной скоростью. Таким образом, конструкция воздухозаборника зависит от скорости полета и расположения двигателя на планере, а также от формы и принципа действия входного устройства двигателя.
В построенных до настоящего времени сверхзвуковых самолетах нашли применение воздухозаборники:
- 1) центральные (лобовые), т.е. размещенные по оси симметрии самолета (или оси гондолы), либо боковые (по бокам фюзеляжа);
- 2) нерегулируемые либо регулируемые, т.е. воздухозаборники, внутренняя геометрия которых постоянна или может изменяться в зависимости от условий полета;
- 3) с внешней, внутренней или комбинированной компрессией, т.е. воздухозаборники, в которых сжатие воздуха путем преобразования кинетической энергии потока в статическое давление происходит соответственно перед воздухозаборником либо в воздушном канале;
- 4) плоские либо трехмерные, т.е. воздухозаборники, форма поперечных сечений которых близка к прямоугольной либо круглой (полукруглой, эллиптической и т.п.).
Из этих данных следует, что на 33 самолетах применен лобовой воздухозаборник (в том числе на 13 нерегулируемый), а на 52-боковой (в том числе на 17 нерегулируемый). Три самолета с ракетным двигателем, естественно, не имели воздухозаборника. Лобовые воздухозаборники в 21 случае размещены в фюзеляже и в 12-в гондолах. Среди фюзеляжных воздухозаборников в 18 случаях они находятся в носовой части фюзеляжа, а в остальных 3 применен надфюзеляжный (в самолете YF-107A) или под фюзеляжные (в самолетах «Гриффон» и F-16). Боковые же воздухозаборники обычно размещаются перед передней кромкой крыла в его плоскости, над крылом либо под ним в зависимости от принятой аэродинамической схемы самолета. Первый вариант характерен для среднепланов, а второй и третий - соответственно в низкопланах и высокопланах.
Центральные воздухозаборники в фюзеляже или в индивидуальных гондолах выполнены почти исключительно круглыми по форме поперечного сечения, и только в редких случаях использована овальная форма (F-100, «Дюрандаль» и др.) Преимуществом воздухозаборников двигателей, размещенных в гондолах, является их непосредственное соединение с компрессором, благодаря чему они имеют малую массу, малые потери давления и равномерное поле скоростей потока. В крейсерском полете со сверхзвуковыми скоростями для круглых воздухозаборников характерна, кроме того, постоянная система скачков уплотнения, соответствующая расчетным условиям работы.
К недостаткам круглых воздухозаборников относится снижение их эффективности с увеличением угла атаки, обусловленное изменением системы скачков уплотнения. В случае центральных фюзеляжных воздухозаборников воздушный канал оказывается длинным и сложным по форме, что требует значительного объема фюзеляжа и затрудняет размещение топлива, оборудования и т.п. Кроме того, такой воздухозаборник исключает возможность применения радиолокационной антенны большого диаметра, величина которого ограничена габаритами центрального тела, размещенного внутри входного устройства.
Недостаток надфюзеляжного и подфюзеляжного воздухозаборников состоит в снижении их эффективности при больших углах атаки (соответственно положительных или отрицательных) ввиду того, что воздухозаборник заслоняется фюзеляжем и крылом.
Боковым воздухозаборникам свойственно значительно большее разнообразие форм поперечного сечения. В начальный период развития сверхзвуковых самолетов обычно применялись воздухозаборники полуэллиптические, полукруглые или составляющие четверть круга. В последнее время почти повсеместно применяются плоские боковые воздухозаборники прямоугольной формы с закругленными углами. Отказ от полукруглых воздухозаборников объясняется стремлением не искажать профиль корневых частей крыла и плоскую форму несущего фюзеляжа. Размещение воздухозаборников по бокам фюзеляжа позволяет не только значительно укоротить воздушные каналы, но и занять всю носовую часть фюзеляжа оборудованием, в том числе оборудованием радиолокационной станции. Плоские боковые воздухозаборники работают очень эффективно во всем диапазоне эксплуатационных скоростей и углов атаки.
Основными недостатками боковых воздухозаборников являются затенение одного из них фюзеляжем во время выполнения маневров со скольжением при сверхзвуковой скорости полета и влияние на их работу пограничного слоя, который является основным источником неравномерности поля скоростей в воздухозаборнике и воздушном канале. Пограничный слой возникает в результате вязкого трения воздушного потока на обтекаемых поверхностях самолета, причем скорость потока у обшивки резко падает до нуля. При сверхзвуковом обтекании скачки уплотнения, взаимодействуя с пограничным слоем, вызывают местный отрыв потока от обтекаемой поверхности с резким увеличением толщины пограничного слоя 1. и т.д., где 1. Толщина пограничного слоя зависит от скорости полета, коэффициента вязкости воздуха, а также от длины обтекаемого участка поверхности. Принимается, что толщина пограничного слоя составляет 1% длины обтекаемого участка при сверхзвуковой скорости полета и возрастает с уменьшением скорости.
Неравномерность распределения скорости изза пограничного слоя возрастает так значительно, что, например, в самолете с воздухозаборниками, непосредственно прилегающими к обшивке фюзеляжа, при скорости полета М = 2,5 тяга уменьшается на ~ 45%, а удельный расход топлива увеличивается на ~ 15%.
Рис. 2
а-боковой воздухозаборник самолета F-4 (видны подвижная передняя и неподвижная-с системой отвода пограничного слоя-части клина); б-боковой воздухозаборник самолета «Мираж» III (видны щель для отвода пограничного слоя с поверхности фюзеляжа и генератор скачков уплотнения в виде полуконуса); в-подфюзеляжный воздухозаборник самолета F-16.
Аналогичная проблема существует и для лобовых воздухозаборников, оснащенных конусами или клиньями, а также для воздухозаборников с внутренней или комбинированной компрессией. Помпаж воздухозаборника или двигателя, вызванный отрывом потока, может привести к аварии. Для устранения этого нежелательного и опасного явления применяют устройства для отвода пограничного слоя с поверхности фюзеляжа (крыла) перед боковым, под- или надфюзеляжным воздухозаборником, а также отверстия для отсоса пограничного слоя с поверхности конуса или клина, что благоприятствует безотрывному обтеканию. При этом воздух пограничного слоя отводится во внешний поток либо используется для охлаждения двигателя. турбореактивный двигатель воздухозаборник генератор
Таким образом, проблема работы воздухозаборника самолета с М ‹ 1,1-1,2 весьма сложна, и поэтому входное устройство должно быть спроектировано несколько иначе, чем в дозвуковом самолете.
В диапазоне малых сверхзвуковых скоростей еще применимы нерегулируемые воздухозаборники, выполняемые с заостренными входными кромками, на которых возникает локальный присоединенный прямой скачок уплотнения.
Скорость потока за таким скачком уменьшается до дозвуковой, но она еще так велика, что необходимо дальнейшее замедление потока до значения скорости, требуемого для компрессора. Происходит это в расширяющемся диффузоре. Использование входных острых кромок препятствует возникновению в воздухозаборнике толстого пограничного слоя и последующему отрыву этого слоя, ухудшающему работу двигателя. За локальным присоединенным скачком уплотнения скорость воздуха уменьшается до дозвукового значения так же резко, как и за неприсоединенным головным скачком, однако вследствие его локальности большая часть кинетической энергии переходит в статическое давление (остальная преобразуется в тепловую энергию). Тем не менее с увеличением скорости полета интенсивность скачка и соответственно потери в процессе динамического сжатия возрастают, вследствие чего снижается тяга двигательной установки. Поэтому воздухозаборники такого типа применяются в самолетах с максимальной скоростью, не превосходящей М = 1,5. При более высоких скоростях хорошая эффективность динамического сжатия на бегающего потока может быть достигнута только в системе косых скачков уплотнения, для которых характерна меньшая интенсивность, т.е. меньшее падение скорости и меньшие потери давления. Скорость потока за косым скачком еще остается сверхзвуковой, и если она соответствует числу Маха, не превышающему 1,5-1,7, то дальнейшее торможение потока может происходить в прямом скачке. Потери в таком слабом скачке невелики, а дозвуковая скорость за ним уже приемлема для воздушного канала. Двухскачковый воздухозаборник работает эффективно до скорости полета М = 2,2. При дальнейшем увеличении скорости набегающего потока возрастает также число Маха за косым скачком. Если оно превышает 1,5-1,7, то поток воздуха следует дополнительно сжать в еще одном косом скачке, чтобы его скорость перед замыкающим прямым скачком имела приемлемое значение. Воздухозаборник с такой системой скачков называется трехскачковым и может применяться до М ~ 3.
Требуемую систему скачков можно создать путем выдвижения из воздухозаборника вперед элемента с острой вершиной (независимо от использованного принципа компрессии) либо путем использования воздухозаборника с острыми входными кромками и соответствующим образом спрофилированного диффузора (во входных устройствах с внутренней или комбинированной компрессией).
Конструктивные элементы внутри воздухозаборника, используемые для создания косых скачков уплотнения, называются генераторами скачков. На практике нашли применение генераторы в форме конусов, полуконусов, четвертьконусов и клиньев. На их вершинах при сверхзвуковом полете образуется присоединенный скачок с углом наклона, зависящим как от угла при вершине тела, так и от числа Маха. Поскольку в косом скачке изменение параметров потока, как уже упоминалось выше, происходит менее резко, чем в прямом, значительно меньше и потери, а тем самым выше создаваемое статическое давление. Статическое давление заторможенного потока тем больше, чем выше скорость полета и число косых скачков уплотнения, в которых происходит преобразование энергии.
На практике используются двух-, трех- и даже четырехскачковые системы. Второй и последующие косые скачки могут создаваться генератором с ломаной образующей или в результате отражения волн возмущения от внутренних стенок диффузора. Первый способ создания скачков характерен для воздухозаборников с внешней компрессией, а второй-с комбинированной.
Рис. 3.
а -«Сюпер-Мистэр» В.4; 6-F-100; e-F-104; г-F.D.l; d-F-8; е-В-58.
Рис. 4
В воздухозаборниках с внутренней компрессией скачки индуцируются внутри неосесимметричного воздушного канала благодаря соответствующему профилю поперечных сечений диффузора.
Описанные выше способы создания скачков уплотнения различаются между собой местом образования скачков относительно плоскости входа в воздухозаборник. Общей чертой их является многоступенчатость процесса торможения потока, благодаря чему обеспечиваются максимальное использование динамического сжатия, минимальные потери и равномерное распределение скорости.
На первых сверхзвуковых самолетах с воздухозаборниками, оснащенными генераторами косых скачков уплотнения, использованы входные устройства с внешней компрессией. По сравнению с другими они довольно просты в регулировке и имеют малую массу. Генератор размещается относительно входа в воздухозаборник таким образом, чтобы генерируемый им первичный скачок касался входной кромки воздухозаборника в расчетных условиях полета, что позволяет получить максимальный захват воздуха, минимальные потери в процессе сжатия и минимальное внутреннее сопротивление входного устройства.
Однако существенными недостатками входных устройств этого типа по сравнению с другими являются большое (наибольшее) внешнее сопротивление, связанное с изменением направления движения потока, а также наименьший прирост статического давления и большая лобовая площадь из-за того, что внутри воздухозаборника необходимо разместить генератор скачков. Теоретически наиболее рационально использование входных устройств с внутренней компрессией, которые наиболее эффективны и обладают минимальным внешним сопротивлением. Однако такие входные устройства пока не нашли практического применения ввиду сложности конструкции профилированного воздушного канала и необходимости плавного изменения его внутренней геометрии в соответствии с изменяющимися условиями полета и работы двигателя. В настоящее время все шире применяются входные устройства с комбинированной компрессией, которые при относительно простой конструкции отличаются довольно высокой эффективностью.
Представленные примеры геометрии и конструкции воздухозаборников свидетельствуют о возможности индивидуального подхода к задаче проектирования воздухозаборника с учетом изменяющихся условий его работы. Показанные на рис. 1.45 и 1.46 воздухозаборники принципиально различаются по форме и внешнему виду, но они аналогичны по характеру работы при определенной скорости. Разница в деталях обычно связана с принятыми теоретическими предпосылками, результатами экспериментов и вкусами конструкторов.
Например, британский экспериментальный самолет F.D.2, на котором в 1956 г. был установлен мировой рекорд скорости (1822 км/ч), имел весьма специфичный воздухозаборник. Его верхняя входная кромка заострена и выдвинута вперед относительно закругленной нижней. С одной стороны, это приводит к возникновению на верхней кромке присоединенного косого скачка, который проходит на определенном расстоянии перед нижней кромкой, не позволяя возникнуть около нее неприсоединенному прямому скачку. С другой же стороны, выдвижение верхней кромки вперед позволяет увеличить лобовое сечение воздухозаборника в полетах на больших углах атаки, когда скорость полета мала, а требуемый расход воздуха в двигателе велик.
Кроме того, получили распространение устройства дополнительного подвода или отвода воздуха, входящие в систему воздухозаборника. К таким устройствам относят впускные (взлетные) и перепускные створки, которые обычно располагаются либо вблизи регулирующего элемента (конуса, рампы, клина), либо по длине воздушного канала и открываются или закрываются в зависимости от требуемого для двигателя расхода воздуха. На рис. 1.47 показаны положения элементов воздухозаборника самолета F-14 на различных режимах полета.
При взлете и полете с небольшими скоростями передняя и задняя части подвижной рампы воздухозаборника подняты, а взлетно-перепускная створка открыта, благодаря чему обеспечивается поступление к двигателю требуемого количества воздуха, несмотря на малую скорость набегающего потока. С увеличением скорости полета и давления воздуха на входе в компрессор направление воздушного потока, протекающего через взлетную створку, меняется на противоположное, и излишний воздух из воздушного канала перепускается в атмосферу. При полете с околозвуковой скоростью пропускная способность створки оказывается недостаточной, и для ограничения поступления воздуха в компрессор задняя часть рампы отклоняется вниз, вследствие чего уменьшается проходное сечение воздухозаборника, а размеры канала для отвода воздуха увеличиваются. При полете с большими сверхзвуковыми скоростями передняя и задняя части рампы еще больше отклоняются вниз, обеспечивая поступление в двигатель оптимального количества воздуха. Щель между передней и задней частями рампы используется для отвода пограничного слоя.
Из представленного выше обсуждения следует, что сверхзвуковые воздухозаборники с генератором косых скачков должны профилироваться таким образом, чтобы при расчетной скорости полета первичный скачок касался входной кромки. Такое положение скачка обеспечивает наибольшую эффективность работы входного устройства, поскольку при этом расход воздуха максимален, потери в процессе сжатия и входное сопротивление минимальны, а двигатель работает наиболее устойчиво. Очевидно, что такие условия существуют лишь при определенном числе Маха. Это означает, что данному числу Маха соответствует определенное положение генератора скачков относительно входной кромки воздухозаборника, а на других режимах работы характеристики воздухозаборника ухудшаются. Таким образом, в широком диапазоне сверхзвуковых скоростей набегающего потока удовлетворительные характеристики работы двигателя с нерегулируемым воздухозаборником обеспечить не удается.
Этот недостаток является следствием несоответствия постоянной геометрии воздухозаборника, рассчитанной для определенных условий течения, оптимальным параметрам внутреннего и внешнего потоков при нерасчетных условиях. Этот недостаток может быть устранен частично или полностью путем изменения геометрии воздухозаборника (входного, критического и/или выходного сечений) в соответствии с изменяющимися скоростью и высотой полета. Обычно это осуществляется посредством плавного автоматического перемещения регулирующего элемента, что обеспечивает требуемый расход воздуха при малом внешнем сопротивлении в широком диапазоне скоростей полета, соответствие пропускной способности входного устройства производительности компрессора и соответствие системы скачков конфигурации воздухозаборника. Это исключает также возможность возникновения неприсоединенного прямого головного скачка - основной причины неудовлетворительной работы воздухозаборника и воздушного канала в целом.
В заключение следует отметить, что расположение двигателей и воздухозаборников на самолете, как и выбор типа входного устройства, являются предметом комплексных исследований, учитывающих не только требования обеспечения наилучших условий работы двигательной установки, но и характеристики самолета в целом.
С массовым появлением реактивных авиационных двигателей в 40-х годах, важнейшую роль в конструкции самолетов стали играть воздухозаборники.
Их можно сравнить с легкими человека. Так же как кислород в легких служит для жизнеобеспечения всех живых материй в организме человека, так и воздух из воздухозаборников служит для жизнеобеспечения «сердца» самолета - его силовой установки (двигателей).
Воздушно-реактивные двигатели работают на горючем (сегодня это преимущественно сжиженный газ). Для того, чтобы произошло внутреннее возгорание газа, его необходимо окислить (хотя больше сюда подойдет слово «испарить»). Окислителем в данном случае является кислород, количество которого в воздухе составляет 23%. Получается, что пригодным для работы двигателя воздухом является только четверть, но куда девается остальной воздух? Остальные 77% воздуха используются для охлаждения камеры горения, а также сопла, из которого выходят в атмосферу раскаленные продукты горения. Специалисты называют этот воздух вторичным или вентиляционным. Он помогает защитить стенки камеры и турбины от повреждений: трещин, обугливания и, в самом крайнем случае, плавления.
Воздухозаборник, затем специальный компрессор, служащий для сжатия воздуха, а также камера сгорания представляют собой единую систему в любом современном реактивном двигателе. Взаимодействуют они следующим образом: сначала воздух поступает в воздухозаборник, где сжимается и нагревается до температуры от 100 до 200 єС (такая температура обеспечивает достаточное испарение топлива и практически полное его сгорание), далее воздух попадает в компрессор, где проходит еще одну стадию сжатия и нагревания, и наконец, в уже готовом виде оказывается в камере сгорания вместе с газом, где мощная электрическая искра воспламеняет смесь из кислорода и газа. Скорость, с которой воздух поступает в камеру сгорания, составляет 120 - 170 м/сек. Этот поток в 3 - 5 раз сильнее порыва ветра при самом мощном урагане, способном разрушать здания.
В воздушно-реактивных двигателях современных сверхзвуковых самолетов (от 1400 км/ч и более) компрессор утратил свою актуальность, так как при высокой скорости воздухозаборник сам достаточно эффективно нагревает и сжимает воздух.
Cовременные воздухозаборники состоят из трех слоев: двух металлических пластов и, расположенного между ними, стеклотканного сотового заполнителя. Вероятнее всего, выбор авиаконструкторов пал на такую конструкцию по следующим причинам: во-первых, использование сотового заполнителя обеспечивает большую прочность конструкции, хотя на первый взгляд может показаться, что это отнюдь не так; во-вторых, сотовый заполнитель является хорошим звуко-и теплоизолятором. В углублении на первом плане устанавливается вентилятор, который равномерно распределяет поток воздуха.
Воздухозаборники различаются и по размерам, и по форме, и по расположению на корпусе. Точных данных об их размерах нет, но можно сказать, что в среднем воздухозаборники современных самолетов в диаметре достигают, как минимум, 1 метра, но немало и исключений, это касается легких военных самолетов с небольшими габаритами. На больших транспортных и пассажирских самолетах их диаметр составляет более двух метров.
Традиционно на самолетах устанавливаются круглые и квадратные (или прямоугольные) воздухозаборники, однако, встречаются и исключения в виде овалов и дуг.
Если форма воздухозаборников выбирается для каждого самолета отдельно на основе летно-технических характеристик исключительно данного самолета, то при их расположении необходимо отталкиваться от строгих правил проектирования самолетов.
Различают три вида воздухозаборников по их расположению на самолете: лобовые, боковые и подкрыльные (или подфюзеляжные). Правда, фактически сегодня осталось только два вида. Лобовые воздухозаборники стали достоянием истории (F-86 « Sabre», Су-17 или МиГ-21).
Главным преимуществом лобовых воздухозаборников авиаконструкторы считали равномерную скорость потока воздуха, поскольку в отличие от всех остальных видов воздухозаборников они первыми встречаются с потоком воздуха. В остальных случаях первыми с потоком воздуха встречаются или носовая часть фюзеляжа или крылья.
Наиболее распространенным видом воздухозаборников в современной авиации являются боковые. Причина кроется в том, что важнейшей деталью любого современного боевого самолета стало радиолокационное оборудование. Располагается оно в носовой части фюзеляжа, поэтому, когда на самолетах стояли лобовые воздухозаборники для разведывательного оборудования места практически не оставалось.
Последний, менее распространенный вид воздухозаборников, - подкрыльные (подфюзеляжные). Об их расположении говорит само название. Они ничем не хуже боковых и также могут устанавливаться и на двухдвигательных и на четырехдвигательных самолетах, однако, специалисты в области авиастроения отмечают один серьезный недостаток. Подкрыльные воздухозаборники малоэффективны при больших отрицательных углах атаки, то есть, когда самолет находится не в горизонтальном полете, а совершает маневры с резким подъемом или сваливанием.
Стоит также отметить, что воздухозаборники далеко не всегда представляют собой статичное отверстие, в которое постоянно попадает воздух вне зависимости от того, требует этого ситуация или нет. На многих современных самолетах (да практически на всех), таких как истребители Су-33, Су-35, МиГ-29, бомбардировщик-ракетоносец Т-4 и других, установлены регулируемые (автоматически) воздухозаборники, что позволяет контролировать мощность потока воздуха и приспосабливать воздухозаборник к его направлению. На тот случай, если автоматическое управление воздухозаборниками выйдет из строя, предусмотрено ручное управление.
Литература
- 1. Авиационное оборудование / под ред. Ю. П. Доброленского. -- М.: Военное издательство, 1989. -- 248 с. -- ISBN 5-203-00138-3
- 2. Л.Л.Селяков "ТЕРНИСТЫЙ ПУТЬ В НИКУДА. Записки авиаконструктора."
- 3. С.М. Егер, В.Ф.Мишин, Н.К.Лисейцев. Проектирование самолетов. (М.: Машиностроение, 1983)
- 4. С.М. Егера, И.А. Шаталова «Основы авиационной техники».
