Этапы развития авиационного моторостроения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"МАТИ"- РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Кафедра «Управление качеством и сертификация»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические основы производства»

«Этапы развития авиационного моторостроения»

Студент Степынин Даниил Сергеевич

Группа 6УКС – 2ДС - 213

Руководитель Рыбаулин Василий Михайлович

Москва 2011

Содержание

Введение…………………………...………………….………..………3
Авиационные двигатели…………………………......………….…….4
Поршневые двигатели……………………………….………..……….5
Турбореактивные двигатели………………………………………..……...……………6
Авиационные материалы…………………………….…….….……....8
Первая половина двадцатого века…………………….….….…...….10
Середина двадцатого века…………………………….…….....……..11
Вторая половина двадцатого века………………..............………….12
Заключение…………………………………………….…..…….……13
Список литературы…………………………………….…....……….14

Введение

Развитие авиационной техники, создание различных типов летательных аппаратов теснейшим образом связаны с разработкой и применением новых, весьма разнообразных материалов.

Инженерам постоянно приходится заниматься подбором материалов, обладающих самыми различными свойствами. Одни материалы — твердые и прочные, другие — пластичные и вязкие; одни — кислотоупорные и жаростойкие, другие — быстро растворяются в кислотах и легко окисляются; одни являются жаропрочными, другие — резко теряют прочность с повышением температуры и т. д. Правильный выбор материала способствует улучшению качества авиационных изделий, увеличивает срок их эксплуатации, повышает надежность.

Цель данной курсовой работы заключается в том, чтобы показать связь между развитием материаловедения и развитием авиационного моторостроения. Для этого рассмотрим эволюцию авиационных двигателей и развитие материалов, необходимых для создания и совершенствования летательных аппаратов.

Авиационные двигатели

Авиационный двигатель – тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и др.). К авиационным двигателям предъявляются весьма высокие требования: максимальная мощность (или тяга) в агрегате при минимальной массе, относимой к единице мощности (тяги), и минимальных габаритных размерах; минимальный расход горючего и смазки на единицу мощности (тяги); надёжность, длительность и простота эксплуатации при дешевизне производства.

Основными факторами, обусловившими развитие авиационных двигателей, были необходимость увеличения скорости и грузоподъёмности самолёта, требования к которым росли довольно быстро.

Первым был паровой двигатель на самолёте А. Ф. Можайского (1885).

Последующие авиационные двигатели во всех странах конструировались на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Его совершенствование велось, с одной стороны, путем всемерного облегчения всех деталей за счет применения высокопрочных материалов и повышения мощности (для чего была разработана конструкция нагнетателя для наддува двигателя), а с другой стороны, повышением кпд воздушного винта (для чего к двигателю, частота вращения которого всё увеличивалась, присоединяли редуктор, снижавший частоту вращения винта для обеспечения максимального кпд).

К сороковым годам двадцатого века поршневые авиационные двигатели достигли предела своих возможностей. На пути дальнейшего повышения скорости самолёта встал звуковой барьер, для преодоления которого потребовалось резкое увеличение мощности двигателя. Такой скачок стал возможным в результате перехода к газовой турбине и реактивному двигателю.

Поршневые двигатели

Авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от рода применяемого топлива - на двигатели легкого или тяжелого топлива.
По способу смесеобразования - на двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и двигатели с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры).
В зависимости от способа воспламенения смеси - на двигатели с принудительным зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.
В зависимости от числа тактов - на двигатели двухтактные и четырехтактные.
В зависимости от способа охлаждения - на двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.
По числу цилиндров - на двигатели четырехцилиндровые, пятицилиндровые, двенадцатициллиндровые и т.д.
В зависимости от расположения цилиндров — на рядные (с расположением цилиндров в ряд) и звездообразные (с расположением цилиндров по окружности).

Поршневые авиационные двигатели лучших типов, достигшие высокой степени совершенства, обеспечивали скорость до 750 км/ч. Более высоких скоростей они не могли создать вследствие большой удельной массы (массы, приходящейся на единицу мощности) и необходимости в воздушном винте, кпд которого уменьшается с увеличением скорости полёта. Поршневые двигатели устанавливаются на самолётах с невысокими скоростями полёта, соответственно 200—500 км/ч, а также на вертолётах, турбовинтовые — на самолётах при скоростях полёта соответствующих 0,5—0,8 М, т. е. 500—800 км/ч и на вертолётах. Первые турбореактивные двигатели (ТРД), появившиеся в конце Великой Отечественной войны, позволили увеличить скорость до 960 км/ч.

Турбореактивные двигатели

В 1965—1967 появились весьма легкие турбореактивные авиационные двигатели для самолётов вертикального взлёта и посадки (СВВП). На основе ТРД и ТВД разработаны т. н. двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). Их особенностью является создание двух реактивных потоков: одного внутреннего, или центрального, из высокотемпературных продуктов сгорания, поступающих в реактивное сопло из газовой турбины, и второго, концентрически окружающего первый и состоящего из воздуха, который прогоняется компрессором второго контура. Двухконтурные ТРД применяются на самолётах с дозвуковыми скоростями, благодаря малому расходу топлива они могут успешно конкурировать как с обычными ТРД, так и с ТВД.

Тяга ТРД при сверхзвуковых скоростях полёта возрастает. Схемы турбореактивных авиационных двигателей для дозвуковых и сверхзвуковых самолётов различны. При сверхзвуковых скоростях полёта температура воздуха и газа в турбореактивных двигателях весьма велика. Воздухозаборник, обеспечивающий наибольшее использование скоростного напора воздуха с минимальными потерями, необходимо выполнять с регулируемыми размерами и изменяемой формой. Для увеличения тяги двигателя применяют форсажную камеру. При этом реактивное сопло выполняют также с регулируемыми размерами и формой.

Радикальное отличие скоростных характеристик РД от характеристик винтомоторной группы с поршневыми двигателями заключается в том, что у поршневых двигателей мощность на валу и, следовательно, тяговая мощность винта PV мало зависят от скорости полёта, поэтому с увеличением скорости V тяга P соответственно уменьшается. В РД в первом приближении не мощность PV, а тяга Р не зависит от скорости в широком диапазоне её изменения. Иными словами, мощность ВРД с ростом скорости полёта растёт, и именно это открыло пути радикального увеличения скорости полёта самолётов. Применение РД позволило сначала освоить околозвуковой скорости полёта, а затем достичь скоростей, в 2—3 раза превышающих скорость звука.

Дальнейшее развитие авиационных двигателей предусматривает следующие основные направления:

1)Обеспечение высоких скоростей и больших высот полёта (Для этого приходится повышать температуру газа перед турбиной, что ведёт к применению охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток. С другой стороны, стремятся снизить расход энергии во всех элементах двигателя, для чего требуется повышение кпд компрессоров, турбин, форсажных камер и т. п. Повысить температуру газов можно применением жаропрочных материалов (ниобий, молибден) для лопаток турбины и других деталей, соприкасающихся с высокотемпературными газами).

2)Непрерывное повышение грузоподъёмности самолёта (Снижения удельной массы можно достигнуть использованием материалов с низкой плотностью (титановые, бериллиевые сплавы). На крупные пассажирские и транспортные самолёты целесообразно устанавливать двухконтурные авиационные двигатели с форсажной камерой, обеспечивающие большой диапазон скоростей полёта, и двухконтурные двигатели со степенью двухконтурности (т. е. соотношением температуры первого и второго контуров) 6—8 для получения больших значений тяги при высокой экономичности).

Современный авиационный двигатель представляет собой автоматическую систему, которая позволяет освободить лётчика от управления двигателем в полёте. Автоматически поддерживаются на заданном уровне давление топлива, температура газов перед турбиной и другие параметры, независимо от высоты полёта.

Авиационные материалы

Авиационные материалы — материалы, применяемые в летательных аппаратах. В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения, определяющими параметрами которых являются специфические физико-химические свойства. По своей природе А. м. подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные; по условиям эксплуатации — на жаропрочные, для работы при низких температурах, тепло-, износо-, коррозионно-, топливо-, масло-, огнестойкие и т. д. Отдельные классы А. м., в свою очередь, подразделяются на многочисленные группы: металлические А. м. — на металлические сплавы и покрытия металлов; неметаллические А. м. — на пластики конструкционного и радиотехнического назначения, волокнистые материалы, лакокрасочные материалы и эмали, клеи, смазочные материалы, оптические материалы, декоративные материалы, керамические и металлокерамические материалы, эластомерные материалы, рабочие жидкости бортовых систем, радиопрозрачные и радиопоглотающие материалы и др. Композиционные материалы по своей природе подразделяются на волокнистые, слоистые, порошковые и смешанного типа; по виду матрицы — на материалы с металлическими и неметаллическими матрицами и полиматричные материалы.

Уже за три столетия до создания первых летательных аппаратов тяжелее воздуха люди понимали, что необходимые для них материалы должны отвечать определенному требованию — сочетанию лёгкости и прочности. Однако разработкой таких материалов не занимались, и для постройки (1883) первого в России самолёта А. Ф. Можайский использовал обычные материалы: сталь, шёлк, льняной линь и т. п. Но в начале XX в., когда в России появились заводы для строительства самолётов, А. м. были выделены в отдельную группу материалов; начали публиковаться научные работы отечественных учёных в области А. м. Основными А. м. тогда были древесина (сосна, липа, тополь и другие), одной из важных характеристик которой считалась способность надёжно держать гвозди. Для обтяжки крыльев и поверхностей применялись ткани (перкаль, шёлк), прорезиненные или с водонепроницаемым покрытием, например лаками. Алюминий только осваивался промышленностью и применялся в виде отдельных отливок, листов и тянутого материала для капотов двигателей и обшивки гондол. Некоторые детали самолётов изготавливали из магналия (сплав 90—98% алюминия и магния). В силу исторически сложившихся традиций и реальных возможностей строительства самолётов основным конструкционным материалом в авиастроении оставалась древесина, которая широко использовалась вплоть до окончания Великой Отечественной войны.

Первая половина двадцатого века

В начале 20-х годов в конструкции самолётов появился алюминий, обладающий по сравнению с другими применяемыми в то время материалами наибольшей удельной прочностью и большей долговечностью. С 1920 проводились разработки алюминиевых сплавов. В 1928—1929 наряду с алюминием в опытных самолётах начали использовать более прочный материал — сталь. Возникла потребность в высокопрочных сталях без дорогих легирующих элементов — молибдена и никеля.

В начале 30-х годов были разработаны «электроны» — лёгкие магниевые сплавы для самолётов, дающие экономию массы по сравнению с алюминием на 1/5—1/3.

Повышение уровня рабочих напряжений, температур и требований к удельной прочности и весовой отдаче самолётов привели к внедрению в авиацию в 50-х годах титановых сплавов, характеризующихся удачным сочетанием небольшой плотности, высокой прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости и превосходящих по удельной прочности большинство другие сплавов. Прочность современных титановых сплавов достигает 1600 МПа. В 50-х же годах в авиастроении начали применяться бериллиевые сплавы, которые по прочности и некоторым другим свойствам в ряде случаев превосходят алюминиевые и титановые сплавы. Находят применение в авиации медные сплавы, получают распространение сплавы на основе тугоплавких металлов.

Середина двадцатого века

Послевоенное развитие авиации потребовало создания и неметаллических А. м. с различными специфическими свойствами. Были начаты разработки полимеров как основы широкой гаммы неметаллических материалов для реактивной авиации: конструкционных пластиков и пенопластов, эластомеров и резин для уплотнений, герметиков, клеёв, рабочих жидкостей гидросистем, материалов остекления, теплозащитных материалов, теплоизоляционных материалов, звукопоглощающих материалов, облицовочных материалов.

В 50—60-х годах были созданы полимеры, ставшие основой многие теплостойких неметаллических А. м., нашедших широкое применение в авиации.

Вторая половина двадцатого века

В 60-х годах были начаты работы по созданию и применению конструкционных композиционных материалов, сложно армированных различными упрочнителями, вводимыми извне или образующимися в материале, имеющих более высокие удельные прочность и жёсткость, чем классические материалы. Разработаны новые технологические процессы, обеспечивающие высокое качество и чистоту А. м.: выплавка металла в специальных средах, регламентированная и направленная кристаллизация, использование эффекта сверхпластичности, порошковая металлургия с использованием высокоскоростной кристаллизации, газо- и гидростатическое прессование и другие.

Дальнейшее развитие А. м. определяется требованиями прогресса науки и техники. Ведущиеся исследования по применению водорода в качестве авиационного топлива охватывают и разработку А. м., способных работать в среде водорода и продуктов его сгорания, открываются перспективы улучшения свойств А. м. за счёт космической технологии, основанной на особенностях протекания в невесомости таких физико-химических явлений, как диффузия, поверхностное натяжение, теплоперенос, кристаллизация и другие. Непрерывный прогресс в области А. м. является одной из основ дальнейшего развития авиации.

Заключение

Мною рассмотрены основные этапы развития авиационных двигателей и материалов, необходимых для их совершенствования. Разработка новых и улучшение старых конструкций авиационных двигателей ведется постоянно, ищутся различные варианты более рационального использования возможностей силовых установок, пути снижения их веса, увеличение ресурса и износостойкости, повышение КПД, подъемной силы и т.д. Все это было бы невозможным без использования новых, более совершенных материалов, которые смогли бы выполнять все требования, предъявляемые к ним временем и инженерной мыслью. Эволюция авиационных моторов стимулирует появление новых видов материалов, необходимых для модернизации систем, но скачок в развитии материаловедения также может повлечь за собой появление революционных конструкций, основанных на свойствах вновь разработанных материалов или методик их обработки. Развитие этих двух отраслей проходит параллельно и они постоянно дополняют друг друга и стимулируют себя к дальнейшему развитию и совершенствованию.

Список литературы

http://binolet.ru/aviastory/583-aviacionnye-materialy-binolet.html
http://www.sinol.by/materialovedenie/
http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0132376
http://studyport.ru/tehnika/aviatsiya-istoriya-zarozhdeniya
http://revolution.allbest.ru/manufacture/00256331_1.html