Silniki lotnicze

Studia podyplomowe rok ak. 2014/15
Silniki lotnicze
Wykład nr 1
Historia i przegląd konstrukcji silników
lotniczych
Dr inż. Robert Jakubowski
e_mail: [email protected]
Literatura
• Dzierżanowski i in. Turbinowe silniki odrzutowe, WKŁ,
Warszawa 1983
• Mattingly J. D. Aircraft engine design, AIAA Education Series
• Dzierżanowski i in. Turbinowe silniki śmigłowe i śmigłowcowe,
WKŁ , Warszawa 1985
• Balicki W. i in. Lotnicze silniki turbinowe, konstrukcja –
eksploatacja – diagnostyka, Biblioteka Naukowa IL, Warszawa
2010
• Orkisz M.: Wybrane zagadnienia z teorii turbinowych silników
odrzutowych, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1995
• Gieras M. Obliczenia parametrów użytkowych lotniczych
silników turbinowych, Skrypt PW 2013
Rys historyczny rozwoju
silników lotniczych
Pierwszy silnik do samolotu moc-12KM
• Lot braci Wright, 17 grudnia 1903 roku, Kitti
Hawk, Floryda
Silnik lotniczy chłodzony powietrzem
• W 1908 r bracia Louis i Laurent
Seguin zaprojektowali i
wyprodukowali silnik chłodzony
powietrzem
Pionierski okres samolotu
• 1913 – powstaje pierwszy samolot wielosilnikowy (4
silniki) Ruskij Witiaź (z 7 pasażerami przebył w
powietrzu ok. 2 godzin)
• 1914 – Ilia Muromiec kolejny samolot wielosilnikowy
wyprodukowany w Rosji.
• Twórcą tych samolotów był Igor Sikorski
Doładowanie silnika – zwiększenie zakresu mocy
na wysokości
• Połowa lat 30-ych ubiegłego
wieku – początek silników
doładowanych w lotnictwie
• Przed II WŚ pojawiły się
silniki doładowane ze
P
sprężarką dwubiegową
• W latach 40-ych ubiegłego
wieku pojawiły się silniki ze
sprężarką dwustopniową i
chłodzeniem pośrednim
• Silniki turbodoładowane
S
iln
Sil
nik
id
o ła
Siln
iki n
ie
H
Obl
ik
ze
do
sp
r
ęż
ark
ąd
wa
n
d o ła
y
wu
b ie
go
wą
d ow
a ny
H
Największy tłokowy silnik lotniczy
• Lycoming 7755 (1944 rok)
– 9 rzędów po 4 cylindry
chłodzone wodą
– Prawie 127 dm3
pojemności skokowej
– 5 000 KM mocy
– Wymiary 3m długości,
1,5m średnica
– Waga 2740 kg
Osiągi silnika tłokowego
NIK
SIL
80
60
40
20
0
0
ZE
Z
NIK
SIL
PR
ĘŻ
AR
KĄ
S
E
R
SP
O
ED
NI
NIK
SIL
ŁA
DO
WA
NY
Sprawność śmigła [%]
100
200
400
600 800 1000
Prędkość lotu [km/h]
Ograniczenie prędkości lotu ze względu
na sprawność śmigła
ĘŻ
AR
DW
KĄ
UST
JED
OPN
NOS
.
T.
Ograniczenie wysokości lotu ze względu
na konstrukcję silnika
9
[km/h]
prędkość dźwięku
silniki tłokowe
silniki tłokowe
doładowane
silniki
odrzutowe
Samoloty wyczynowe
Samoloty wojskowe
Maksymalne prędkości samolotów w latach 1903-1945
Silnik:
9 – cylindrów
300 KM – moc startowa
Sprężarka umożliwia utrzymanie
poziomu mocy do 1800 m
Samoloty:
PZL 101- Wilga
PZL 104 - Gawron
Jak-12A
AI 14 R
Silnik:
9 – cylindrów
860 kW – moc startowa
Sprężarka umożliwia utrzymanie
poziomu mocy do 1500 m
Samoloty:
An –2
M – 18
PZL M-24 Super dromader
DC-3 Dakota
ASz 62 IR
Współczesne silnik tłokowe
Centurion 2.0 - silnik o zapłonie samoczynnym
Lotniczy silnik tłokowy typu bokser
Współczesne zastosowanie silników
tłokowych
Samolot Zlin 42 – dwumiejscowy, prędkość maksymalna 226 km/h
NAPĘD
Silnik tłokowy czterosuwowy Avia M -137 AZ, Moc: 132,5 kW ze śmigłem dwułopatowym
14
Era silników turbinowych
Lata 30-e XX w. Nowa koncepcja napędu
1. Axial compressor casing
2. Intake
3. Compressor body
4. Compressor blades
5. Stator blades
7. Centrifugal compressor
8. Compressor outlet
9. Elbow
10. Combustion chambers
11. Fuel injector
13. Turbine disk
14. Turbine blades
15. Stator blades
16. Shaft
17. Divergent nozzle ring.
Sir Frank WHITTLE
1907 - 1996
Dr Hans Joachim
PABST von OHAIN
1911 - 1998
16
Hans von OHAIN
1935 – patent na silnik odrzutowy
ze sprężarką odśrodkową
Silnik HeSHeS-3B
o ciągu 5 kN
(zastosowany w pierwszym samolocie odrzutowym He-178
pierwszy lot 27 sierpnia 1939)
Gloster E28/39 z silnikiem odrzutowym W1
oblot 15.05.1941
Silnik odrzutowy Secondo Campini
• W 1931 roku Secondo Campini przedstawił do
Ministerstwa Sił Powietrznych propozycję budowy
napędu odrzutowego „termojet” do samolotu, a 27
sierpnia 1940 roku odbył się pierwszy lot prototypu
Caproni Campini CC-2 N.1
Messerschmitt Me 262 pierwszy myśliwiec produkowany seryjnie
(z dwoma silnikami odrzutowymi Jumo 004B)
Archipow Michajlovicz Lulka twórca pierwszego koncepcji
pierwszego silnika dwuprzepływowego
Patent A.M. Lulki dwuprzepływowego
turbinowego silnika odrzutowego
( 1937 / 1941 )
Lotnictwo komunikacyjne
• Po I WŚ powstały pierwsze organizacje lotnicze
(Niemcy, Francja, Wielka Brytania, ZSSR)
• W połowie lat 30 samoloty pasażerskie osiągnęły
prędkość 300 km/h i zabierały pow. 50 pasaż.
Lotnictwo komunikacyjne
• Pierwszy odrzutowym
samolotem pasażerskim był
brytyjski De Havilland Comet
Dane podstawowe
Wielka Brytania
Państwo
De Havilland
Producent
Typ
samolot pasażerski
Załoga
2 + do 78 pasażerów
Historia
Data oblotu
27 lipca 1949
Lata produkcji 1952 - ?
Zachowane
egzemplarze
125
Dane techniczne
Napęd
4 silniki turboodrzutowe
Rolls-Royce Avon 524
Moc
każdy
46,8 kN
Wymiary
35,00 m
33,99 m
8,99 m
Rozpiętość
Długość
Wysokość
Powierzchnia
nośna
197,04 m²
Własna
Startowa
Masa
34 212 kg
73 482 kg
Osiągi
Prędkość
maksymalna
900 km/h
Pasażerskie samoloty naddźwiękowe
Tu 144
Concorde
Obniżenie zużycia paliwa we współczesnym
lotnictwie komunikacyjnym
Łopaty „śmigło-wentylatorów”
samolotu An-70 średnica 4,5 m
Moc startowa 4x10300 kW
Zużycie paliwa na poziomie 30 % niższym niż porównywalne
samoloty o napędzie odrzutowym
Nowoczesne samoloty transportowe
Boeing 787 i Airbus A380
Rozmieszczenie
siedzeń w A380
Airbus A380
Boeing 787
Napęd:
- silniki dwuprzepływowe o dużym stopniu
dwuprzepływowości
-niskie zużycie paliwa w odniesieniu do
wytwarzanego ciagu
- prędkości lotu poddźwiękowe
Samoloty transportowe krótkiego
zasięgu
Silnik poprzez turbinę wytwarza
moc, która jest wykorzystana do
napędu śmigła
F16 Fighting Falcon
Wykorzystanie dopalacza do chwilowego
zwiększenia ciągu silnika
• Metoda chwilowego
zwiększenia ciągu silnika w
granicach 30-50%
• Powoduje ok. dwukrotny
wzrost jednostkowego zużycia
paliwa
• Przyrost ciągu silnika po
włączeniu dopalacza jest
proporcjonalny do
pierwiastka ze stosunku
temperatur w dopalaczu
Wektorowanie ciągu samolotów
wysokomanewrowych
• Odchylenie strumienia
wylotowego spalin
umożliwia dodatkowe
kierowanie wektorem ciągu
przez co zwiększa się
manewrowość samolotu
• Stosowane rozwiązania
– Dysze płaskie
– Dysze osiowo-symetryczne
– Dysze klapowe
YF--22
YF
X-31
Samoloty pionowego startu i lądowania
Joint Strike Fighter (JSF)
Harier
Myśliwiec niewykrywalny przez radary F-117
Nighthawk
Śmigłowce
Śmigłowiec Paula Cornu z 1907
Mi 24
Ka-50
Silniki odrzutowe – strumieniowe
X-43A – M=6.83
(27.03.2004)
Silnik HYPOSED III 7,6 Ma
Pojazd X-43A osiągnął z silnikiem strumieniowym prędkość 9,6 Ma
Silniki odrzutowe – pulsacyjne
Silnik rakietowy
- na paliwo stałe
- na paliwo ciekłe
Napęd jonowy (plazmowy)
•
•
•
•
Napęd jonowy jest cichy, „czysty”
i bardzo wydajny.
Czynnikiem roboczym jest silnie
zjonizowany gaz (ksenon)
Silnik cechuje się dużym ciągiem
jednostkowym (prędkość
wypływających jonów 35 km/s)
jednak małą siłą ciągu ze względu
na małą masę czynnika roboczego
Jest on znacznie bardziej
efektywny w przestrzeni
kosmicznej od innych zespołów
napędowych
Podział silników lotniczych ze względu
na sposób wytwarzania ciągu
Silniki lotnicze
O działaniu bezpośrednim
Silniki odrzutowe
Przepływowe silniki
odrzutowe
Turbinowe
silniki odrzutowe
Silniki rakietowe
Pulsacyjne
Strumieniowe
O działaniu pośrednim
Silniki samolotów śmigłowych
i śmigłowcowych
Tłokowe
Turbinowe silniki śmigłowe
i śmigłowcowe