Просто о сложном. Двигатель

Все вышло из воды

Двигатель – это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу.

Двигатели разделяют на первичные и вторичные.

К первичным относятся те виды двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу. Это ветряное и водяное колесо, гиревой механизм, тепловые двигатели.

Вторичные – двигатели, которые преобразуют выработанную или накопленную энергию другими источниками. К ним относят электрические, пневматические и гидравлические.

Первичные двигатели, такие как парус и водяное колесо, были известны с незапамятных времен и использовались повсеместно.

До середины XVII века человек обходился первичными двигателями и довольствовался силой воды, ветра и тяжести.

Первым шагом на пути к двигателю стала пароатмосферная машина, созданная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери, которая сама по себе не могла служить механическим приводом, и к ней необходимо было водяное колесо.

В 1763 году механик Иван Ползунов по собственному проекту изготовил стационарную паровую машину, которая хоть и была далека от совершенства, но работала без сбоев.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, которая была названа универсальным паровым двигателем.

В машине был предусмотрен жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Подача пара происходила автоматически, а поршень через кривошипно-шатунную систему вращал маховик, который обеспечивал плавность хода. Такая модификация машины Севери не была привязана к водонапорной башне и могла стать самостоятельным приводом различных механизмов. Уатт создал элементы, которые в дальнейшей истории двигателестроения в той или иной вариации входили во все паровые машины, получившие широкое распространение. Их использовали как приводы станков, экипажей для перевозки людей и грузов, судов и локомотивов на железных дорогах.

Следующим шагом в двигателестроении стала паровая турбина, изобретенная в конце XIX века, которая применялась на морских судах и на электростанциях в начале XX века.

Индустрия двигателестроения не стояла на месте, и в конце XIX века на первый план вышли двигатели внутреннего сгорания.

Первым в семействе ДВС стал механизм, созданный французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. Его конструкция представляла собой одноцилиндровый двухтактный газовый двигатель. Ленуар использовал принцип работы поршня двигателя Уатта, но рабочим телом служил не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Двигатель Ленуара стал первым в истории серийно выпускавшимся ДВС.

В 1897 году инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, который был впоследствии назван его именем.

Двигатели внутреннего сгорания стали основой развития автомобильного транспорта в XX веке.

В первой половине XX века были созданы новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 1950-х и ядерные силовые установки.

В 1834 году русский ученый Борис Якоби создал первый пригодный для практического использования вторичный двигатель – электродвигатель постоянного тока.

Двигатели можно классифицировать по источнику энергии, по типам движения, по устройству, по назначению и т.д.

Отрасль двигателестроения является одной из наиболее развивающихся. В год по всему миру подается до 50 заявок на патентование в категории «Двигатели». В основном это модификации существующих механизмов с новым соотношением элементов либо с принципиальными новинками. Новые конструкции же появляются редко.

А вместо сердца – пламенный мотор

В авиации используются в основном тепловые двигатели, которые создают тягу, необходимую для поднятия летательного аппарата в воздух.

По способу создания тяги авиационные двигатели можно разделить на три группы: винтовые, реактивные и комбинированные.

Винтовые двигатели создают тягу вращением воздушного винта, а реактивные преобразуют энергию топлива в кинетическую энергию вытекающей из двигателя газовой струи, вызывающей силу реакции, непосредственно используемой в качестве движущей силы. Воздушно-реактивные двигатели используют для сгорания кислород атмосферного воздуха.

Комбинированные создают тягу, складывающуюся из силы реакции потока продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, и тяги, создаваемой обычным или специальным воздушным винтом. Комбинированные двигатели разделяются на турбовинтовые, турбореактивные и винтовентиляторные. Также их называют газотурбинными авиадвигателями.

Такие двигатели с легкостью поднимают в небо трансатлантические лайнеры, но их мощности недостаточно для того, чтобы поднять ракету в космос.

Для ракет используют реактивные двигатели, в них для сгорания топлива используется окислитель, транспортируемый самим летательным аппаратом.

Кроме того, сила тяги реактивного двигателя не зависит от наличия окружающей среды, а также от скорости самой ракеты.

Взлетные технологии

Развитие отрасли двигателестроения в России, стремящейся к независимости от импортных механизмов, началось в 1980-х гг. Такие предприятия, как УМПО, НПП «Мотор», рыбинское НПО «Сатурн», включились в мировую гонку за создание передового двигателя, который составит конкуренцию продукции таких гигантов промышленности, как Pratt & Whitney, которой комплектуют самолеты линейки Boeing и Airbus.

В результате многолетней кропотливой работы всех предприятий и НИИ отрасли, а также интеграции частного и государственного капитала был создан авиационный двигатель ПД-14. Он предназначен для новейшего российского среднемагистрального самолета МС-21, который в конце 2017 года совершил тестовый перелет с аэродрома корпорации «Иркут» на аэродром Жуковский для проведения дальнейших испытаний.

ПД-14 представляет собой турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель. Взлетная тяга ПД-14 может достигать 18 тонн.

Эксперты сравнивают ПД-14 с двигателями для среднемагистральных самолетов компаний Pratt & Whitney и Rolls-Royce.

На базе ПД-14 ведутся разработки вертолетного двигателя ВК-2500М. Подготовка демонстрационной модели двигателя нового поколения запланирована на 2021 год. Как и в ПД-14, в конструкции ВК-2500М будут использованы новейшие материалы, что позволит облегчить массу на 15% по сравнению с существующими аналогами без потери мощности.

Первая модификация указанного двигателя ВК-2500 активно вводится в эксплуатацию, а также выводится на международный рынок путем валидации сертификатов в странах-импортерах.

«Мы наращиваем объемы производства двигателей ВК-2500 в интересах государственного заказчика, а также планируем существенно нарастить экспорт. При этом сборка ведется полностью из российских комплектующих», - отмечал Анатолий Сердюков, индустриальный директор авиационного кластера госкорпорации «Ростех».

В отличие от своего предшественника, новый вертолетный двигатель оснащен цифровой системой автоматического управления с современным электронным блоком автоматического регулирования и новейшими датчиками. Использование современных технологий и новейших материалов позволило обеспечить поддержание режимов в более широком диапазоне температур наружного воздуха, повысить ресурсы и показатели топливной экономичности. Такие двигатели позволят вертолетам семейства Ми-17 и аналогичным расширить потенциал своих возможностей в высокогорных районах и районах с жарким климатом.

Российское двигателестроение развивается в направлении как гражданской, так и военной авиации. В апреле 2018 года завершились работы по стендовым испытаниям опытного двигателя АЛ-41Ф-1.Данная разработка предприятия «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение» является двигателем первого этапа для истребителя пятого поколения Су-57. АЛ-41Ф-1 является авиационным турбореактивным двухконтурным двигателем с форсажной камерой и управляемым вектором тяги.

Несмотря на гонку технологий, существуют системы, проверенные временем и доказавшие свою эффективность даже спустя многие годы. Ракетные двигатели РД 107/108 на протяжении более полувека являются основой пилотируемой космонавтики в России.

Именно благодаря РД 107/108 Юрий Гагарин совершил свой легендарный полет. Двигатели РД-107 устанавливаются на блоках первой ступени, а РД-108 – второй.

РД-107/108 показали себя как одни из самых надежных и удачных двигателей, поднимающих космические корабли. Они стоят на серийном производстве и доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов.

Российский ракетный двигатель уже назван рекордсменом. За 60 лет использования он не утратил своего первенства в отрасли. На основе первых двигательных систем разработано 18 модификаций.

Когда в 2011 году США прекратили использование шаттлов, единственным способом отправки космонавтов на МКС остались корабли «Союз», оснащенные двигателями РД-107/108.

Выводы

· Отрасль двигателестроения является одной из наиболее востребованных и перспективных как для развития промышленности страны, так и для выхода на международный рынок.

· Внедрение частного капитала и интеграция научно-технической базы предприятий, занимающихся разработкой и производством двигательных систем и комплектующих, позволили создать полный производственный цикл отечественных двигателей, способных составить конкуренцию мировым аналогам.

Рекомендации

· Интеграция научно-технических достижений и новейших технологий в области двигателестроения для оперативного реагирования отрасли на запросы гражданской и военной авиации, а также космонавтики и своевременного ввода в эксплуатацию новых двигательных систем, отвечающих вызовам времени и не уступающих мировым аналогам.

· Создание и поддержание научно-технической базы, способной обеспечить российскую авиационную отрасль двигательными системами отечественного производства, сокращение объемов импорта, а также вывод конкурентоспособной продукции на мировой рынок.

Источник