Устройство турбореактивного двигателя: Принцип работы реактивного и турбореактивного двигателя самолета и ракеты

Принцип работы реактивного и турбореактивного двигателя самолета и ракеты

Современный мир трудно представить без самолетов. Авиация прочно вошла в нашу жизнь и помогает путешественникам преодолевать тысячи километров за считанные часы, что, в еще недавнем прошлом, казалось фантастикой. Не говоря уже о полетах в космос и путешествиях к дальним планетам. Все это стало возможным благодаря изобретению реактивных двигателей. Давайте разберемся в принципе их работы.

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Общество сразу по достоинству оценило преимущества использование простейших двигателей и в последующие годы многие ученые трудились над разработкой моделей, работа которых не зависела бы от природных и погодных условий, усталости животного, выступающего в качестве источника энергии. Гюйгенс ван Зейлихем Наибольшего успеха на этом поприще добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, который в 1687 году первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. Согласно замыслу, в двигателе создавалась камера внутреннего сгорания, в которой должен был сжигаться порох, а выделенная в результате горения энергия, преобразовываться в силу, приводящую определенный элемент в движение. Порох являлся первым прототипом современного топлива.

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Шло время, наука не стояла на месте. На смену простейшим механическим двигателям пришли паровые, топливные, электрические.

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Таким образом, мы постепенно подошли к рассмотрению самого распространенного в самолетостроении и ракетной отрасли типа двигателя – реактивный двигатель.

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

• закон сохранения импульса;
• третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

• компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
• камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
• турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
• сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

В преддверии Мировой Войны, ученые ведущих стран старательно трудились над разработками самолетов с реактивными двигателями, которые бы позволили их странам безоговорочно диктовать свои условия на небесном фронте.

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

После освоения неба человечество поставило перед собой задачу покорить космос.

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Пламенный мотор

Реактивные авиадвигатели во второй половине

XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, а также сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.

История

Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.

Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки

Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.

В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.

Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).

Принцип работы

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по принципу обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.

При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.

Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.

 

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.

После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.

Поколения турбореактивных двигателей

Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.

К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15 и на самолеты ИЛ-28, ТУ-14.

Истребитель МИГ-15

ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.

Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.

Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.

Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.  

Турбореактивный двигатель. Элементы конструкции. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Здравствуйте, друзья!

Турбореактивный двигатель.

В этой  статье вернемся к моим любимым двигателям. Я уже ранее говорил о том, что турбореактивный двигатель в современной авиации – основной. И упоминать его в той или иной теме мы еще будем часто.  Поэтому пришла пора окончательно определиться с его конструкцией. Конечно же не углубляясь во всевозможные дебри и тонкости :-). Итак авиационный турбореактивный двигатель. Каковы основные части его конструкции, и как они взаимодействуют между собой.

1.Компрессор   2.Камера сгорания  3.Турбина  4. Выходное устройство или реактивное сопло.

Компрессор сжимает воздух до необходимых величин, после чего воздух поступает в камеру сгорания, где подогревается до необходимой температуры за счет сгорания топлива и далее уже получившийся газ поступает на турбину, где отдает часть энергии вращая ее (а она, в свою очередь компрессор), а другая часть при дальнейшем разгоне газа в реактивном сопле превращается в импульс тяги, которая и толкает самолет вперед. Этот процесс достаточно хорошо виден в ролике в статье о двигателе, как тепловой машине.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.

Компрессоры бывают трех видов. Центробежные, осевые и смешанные. Центробежные обычно представляют собой колесо, на  поверхности которого выполнены  каналы, закручивающиеся от центра к периферии, так называемая крыльчатка.При ее вращении воздух отбрасывется по каналам центробежной силой от центра к периферии, сжимаясь сильно разгоняется и далее попадая в расширяющиеся каналы (диффузор) тормозится и вся его энергия разгона тоже превращается в давление. Это немного похоже на старый аттракцион, который раньше в парках был, когда люди становятся по краю большого горизонтального  круга, опираясь спиной на специальные вертикальные спинки, этот круг вращается, наклоняясь в разные стороны и люди не падают, потому что их держит (прижимает) центробежная сила. В компрессоре принцип тот же.

Этот компрессор достаточно прост и надежен, но для создания достаточной степени сжатия нужен большой диаметр крыльчатки, что не могут себе позволить самолеты, особенно небольших размеров. Турбореактивный двигатель просто не влезет в фюзеляж. Поэтому применяется он мало. Но в свое время  он был применен  на двигателе ВК-1 (РД-45), который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.

Крылчатка центробежного компрессора на одном валу с турбиной.

Крыльчатки центробежного компрессора.

Двигатель ВК-1. В разрезе хорошо видна крыльчатка центробежного компрессора и далее две жаровые трубы камеры сгорания.

Истребитель МИГ-15

В основном сейчас используется осевой компрессор. В нем на одной вращающейся оси (ротор) укреплены металлические диски (их называют рабочее колесо), по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». А между венцами вращающихся рабочих лопаток размещены венцы неподвижных лопаток ( они бычно крепятся на наружном корпусе), это так называемый направляющий аппарат (статор). Все эти лопатки имеют определенный  профиль и несколько закручены, работа их в определенном смысле похожа на работу все того же крыла или лопасти вертолета, но только в обратном направлении. Теперь уже не воздух действует на лопатку, а лопатка на него. То есть компрессор совершает механическую работу (над воздухом :-)). Или еще более нагляднее :-).  Все знают вентиляторы, которые так приятно обдувают в жару. Вот вам пожалуйста, вентилятор и есть рабочее колесо осевого компрессора, только лопастей конечно не три, как в вентиляторе, а побольше.

Примерно так работает осевой компрессор.

Конечно очень упрощенно, но принципиально именно так. Рабочие лопатки «захватывают» наружный воздух, отбрасывают его внутрь двигателя, там лопатки направляющего аппарата определенным образом  направляют его на следующий ряд рабочих лопаток и так далее. Ряд рабочих лопаток вместе с рядом следующих за ними лопаток направляющего аппарата образуют ступень. На каждой ступени происходит сжатие на определенную величину. Осевые компрессоры бывают с разным количеством ступеней. Их может быть пять, а может быть и 14. Соответственно и степень сжатия может быть разная, от 3 до 30 единиц и даже больше.  Все зависит от типа и назначения двигателя (и самолета соответственно).

Осевой компрессор достаточно эффективен. Но и очень  сложен как теоретически, так и конструктивно.  И еще у него есть существенный недостаток:  его сравнительно          легко повредить. Все посторонние предметы с бетонки  и птиц вокруг аэродрома он       как говорится принимает на себя и не всегда это обходится без последствий.

Камера сгорания. Она опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб (они называются жаровые трубы). Для организации процесса горения в комплексе с воздушным охлаждением она вся «дырчатая». Отверстий много, они разного диаметра и формы. В жаровые трубы подается через специальные форсунки топливо (авиационный керосин), где и сгорает, попадая в область высоких температур.

Турбореактивный двигатель (разрез). Хорошо видны 8-ми ступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, 2-ухступенчатая турбина и выходное устройство.

Далее горячий газ попадает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. ЕЕ раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку- пропеллер. Неподвижные лопатки в ней находятся не за вращающимися рабочими, а перед ними и называются сопловым аппаратом. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Больше и не надо, ведь для привода компрессора хватит, а остальная энергия газа потратится в сопле на разгон и получение тяги. Условия работы турбины мягко говоря «ужасные». Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения (до 30000 об/мин). Представляете какая центробежная сила действует на лопатки и диски! Да плюс факел из камеры сгорания с температурой от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Вобщем ад :-). Иначе не скажешь. Я был свидетелем, когда при взлете самолета Су-24МР оборвалась рабочая лопатка турбины одного из двигателей. История поучительная, обязательно о ней расскажу в дальнейшем. В современных турбинах применяются достаточно сложные системы охлаждения, а сами они (особенно рабочие лопатки) изготавливаются из особых жаропрочных и жаростойких сталей. Эти стали достаточно дороги, да и весь турбореактивный двигатель в плане материалов очень недешев. В 90-е годы, в эпоху всеобщего разрушения на этом нажились многие нечистые на руку люди, в том числе и военные. Об этом тоже как-нибудь позже…

СУ-24МР

После турбины – реактивное сопло. В нем, собственно, и возникает тяга турбореактивного двигателя. Сопла бывают просто сужающиеся, а бывают сужающе-расширяющиеся. Кроме того бывают неуправляемые (такое сопло на рисунке), а бывают управляемые, когда их диаметр меняется в зависимости от режима работы. Более того сейчас уже есть сопла, которые меняют направление вектора тяги, то есть попросту поворачиваются в разные стороны.

Турбореактивный двигатель – очень сложная система. Летчик управляет им из кабины всего лишь одним рычагом – ручкой управления двигателем (РУД). Но на самом деле этим он лишь задает нужный ему режим. А все остальное берет на себя автоматика двигателя. Это тоже большой и сложный комплекс и еще скажу очень хитроумный. Когда еще будучи курсантом изучал автоматику, всегда удивлялся, как конструкторы и инженеры все это понапридумывали:-), а рабочие-мастера изготовили.  Сложно… Но зато интересно 🙂 …

Вот и все пока. Вкратце опять  не получилось :-). Но я все же надеюсь, что вам было интересно. До следующей встречи.

P.S. А вот вам напоследок атракцион, о котором я выше писал. Я на нем в детстве-то не катался, а сейчас их просто нет у нас. Так что знаю только в теории :-).

Вот такой он был, может и сейчас где-то работает…

Фото кликабельны.

Турбореактивный двигатель — это… Что такое Турбореактивный двигатель?

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Схема работы ТРД:
1. Забор воздуха
2. Компрессор низкого давления
3. Компрессор высокого давления
4. Камера сгорания
5. Расширение рабочего тела в турбине и сопле
6. Горячая зона;
7. Турбина
8. Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания
9. Холодная зона
10. Входное устройство

Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин — turbojet engine) — Воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним, и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счёт торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счёт совершаемой компрессором механической работы. В камере сгорания производится подвод теплоты. Часть энергии рабочего тела отнимается турбиной. В реактивном сопле формируется реактивная струя.

Ключевые характеристики

Ключевые характеристики ТРД следующие.

1. Создаваемая двигателем тяга.

2. Удельный расход топлива. (Масса топлива потребляемая за единицу времени для создания единицы тяги/мощности)

3. Расход воздуха. (Масса воздуха проходящего через каждое из сечений двигателя за единицу времени)

4. Степень повышения полного давления в компрессоре

5. Температура газа на выходе из камеры сгорания.

6. Масса и габариты.

Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90). Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными. Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своей турбиной. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последней (самой низкооборотной) турбиной, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (высокого давления). Каскады двигателя также именуют роторами низкого и высокого давления.

ТРД J85 производства компании General Electric. Между 8 ступенями компрессора и 2 ступенями турбины расположена кольцевая камера сгорания.

Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.

Первичный воздух — поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.

Вторичный воздух — поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путём создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.

Третичный воздух — поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя её в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после неё расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.

ТРД ВК-1 КБ Климова, с редко использующимися центробежным компрессором и трубчатой камерой сгорания. Использовался на самолётах МиГ-15, МиГ-17

Благодаря компрессору ТРД (в отличие от ПВРД) может «трогать с места» и работать при низких скоростях полёта, что для двигателя самолёта является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счёт компрессора.

При повышении скорости полёта давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счёт роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве (так же, как в ПВРД) и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.

Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещён в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат «турбина-компрессор», позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полёта, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:

• Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведёт к уменьшению работы, производимой им при расширении.

Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счёт применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счёт организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.

• Турбина поглощает часть энергии рабочего тела перед поступлением его в сопло.

В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД^[1]

, (1)

где  — сила тяги,
 — секундный расход массы рабочего тела через двигатель,
 — скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя),
 — скорость полёта,
ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями 2,5—3М. На этих и более высоких скоростях полёта торможение встречного потока воздуха создаёт степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и ещё бо́льшее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полёта (при M>3) агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создаёт дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Форсажная камера

Форсажная камера ТРД General Electric J79. Вид со стороны сопла. В торце находится стабилизатор горения с установленными на нём топливными форсунками, за которым видна турбина. F-18 Hornet на форсаже взлетает с палубы авианосца

Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удаётся реализовать напрямую — увеличением расхода горючего в камере — из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолётами при полетах на высоких скоростях. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолётов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.

Скоростной разведчик SR-71 с гибридными ТРД/ПВРД.

Гибридный ТРД / ПВРД

Турбопрямоточный двигатель J58

В 1960-х годах в США был создан гибридный ТРД / ПВРД Pratt & Whitney J58, использовавшийся на стратегическом разведчике SR-71 Blackbird. До скорости М=2,4 он работал как ТРД с форсажем, а на более высоких скоростях открывались каналы, по которым воздух из входного устройства поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась, и она начинала работать, как ПВРД. Такая схема работы позволяла расширить скоростной диапазон эффективной работы двигателя до М=3,2. В то же время двигатель уступал по весовым характеристикам как ТРД, так и ПВРД, и широкого распространения этот опыт не получил.

Регулируемые сопла

Регулируемое сопло ТРДДФ F-100 самолёта F-16 створки максимально открыты Регулируемое сопло ТРДФ АЛ-21 регулируемые створки максимально закрыты

ТРД, скорость истечения реактивной струи в которых может быть как дозвуковой, так и сверхзвуковой на различных режимах работы двигателей, оборудуются регулируемыми соплами. Эти сопла состоят из продольных элементов, называемых створками, подвижных относительно друг друга и приводимых в движение специальным приводом, позволяющим по команде пилота или автоматической системы управления двигателем изменять геометрию сопла. При этом изменяются размеры критического (самого узкого) и выходного сечений сопла, что позволяет оптимизировать работу двигателя при полётах на разных скоростях и режимах работы двигателя. [1]

Область применения

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).

• Образцы летательных аппаратов, оборудованных ТРД

• Штурмовик Су-25 УБ с двумя ТРД Р-95Ш.

• Сверхзвуковой авиалайнер Конкорд с четырьмя ТРДФ Rolls-Royce/Snecma Olympus 593

• Сверхзвуковой авиалайнер — летающая лаборатория Ту-144ЛЛ с четырьмя ТРДФ НК-321

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Схема ТРДД с малой степенью двухконтурности.
1 — Вентилятор.
2 — Компрессор низкого давления.
3 — Компрессор высокого давления.
4 — Камера сгорания.
5 — Турбина высокого давления.
6 — Турбина низкого давления.
7 — Сопло.
8 — Вал ротора высокого давления.
9 — Вал ротора низкого давления.

На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года). В основу двухконтурных ТРД (далее — ТРДД), в англоязычной литературе — Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД.

Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора.

Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур.

, (2)

где  — степень двухконтурности,
и  — расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.

Принцип присоединения массы можно истолковать следующим образом.
Согласно формуле полетного КПД ВРД

, (3)

его повышение в ТРДД достигается за счёт уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета .
Уменьшение тяги, которое, согласно формуле (1), вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счёт увеличения расхода воздуха через двигатель. Увеличение расхода воздуха через двигатель достигается увеличением площади фронтального сечения входного устройства двигателя (увеличением диаметра входа в двигатель), что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности — тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.

Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М.

Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением потоков за турбиной и без смешения.

В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.

Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолёте Як-40 — 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолёте L-39 — 3358 мм.

ТРДД как и ТРД могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолётов.

Управление вектором тяги (УВТ) / Отклонение вектора тяги (ОВТ)

Отклоняемые створки сопла с ОВТ. ТРДД Rolls-Royce Pegasus поворотные сопла которого позволяют осуществлять вертикальные взлет и посадку. Устанавливается на самолёте Harrier.

Специальные поворотные сопла, на некоторых ТРДД, позволяют отклонять истекающий из сопла поток рабочего тела относительно оси двигателя. ОВТ приводит к дополнительным потерям тяги двигателя за счёт выполнения дополнительной работы по повороту потока и усложняют управление самолётом. Но эти недостатки полностью компенсируются значительным повышением маневренности и сокращением разбега самолёта при взлете и пробега при посадке, до вертикальных взлета и посадки включительно. ОВТ используется исключительно в военной авиации.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности / Турбовентиляторный двигатель

Порою в популярной литературе ТРДД с высокой степенью двухконтурности (выше 2) называют турбовентиляторными. В англоязычной литературе этот двигатель называется turbofan с добавлением уточнения high bypass (высокая двухконтурность), сокращённо — hbp. ТРДД с высокой степенью двухконтурности выполняются, как правило, без камеры смешения. По причине большого входного диаметра таких двигателей их сопло внешнего контура достаточно часто делают укороченным с целью снижения массы двигателя.

Область применения

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день в самолётном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространённым классом ВРД, используемых на самолётах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолётов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

• ТРДД с высокой степенью двухконтурности TF-39 (вид сзади)

Як-44 с винтовентиляторными двигателями Д-27

Винтовентиляторный двигатель

У винтовентиляторного двигателя поток холодного воздуха создаётся двумя соосными, вращающимися в противоположных направлениях, многолопастными саблевидными винтами, приводимыми в движение от турбины через редуктор. Степень двухконтурности таких двигателей достигает 90.

На сегодня известен лишь один серийный образец двигателя этого типа — Д-27 (ЗМКБ «Прогресс» им. академика А. Г. Ивченко, г. Запорожье, Украина.), использовавшийся на самолёте Як-44 с крейсерской скоростью полёта 670 км/ч, и на Ан-70 с крейсерской скоростью 750 км/ч.

Турбовинтовой двигатель (ТВД)

Турбовинтовой двигатель. Привод винта от вала турбины осуществляется через редуктор Устройство турбовинтового двигателя

Турбовинтовые или турбовальные двигатели (ТВД) относятся к ВРД непрямой реакции. Конструктивно ТВД схож с ТРД, в котором мощность, развиваемая последним каскадом турбины, передаётся на вал воздушного винта (обычно через редуктор). Этот двигатель не является, строго говоря, реактивным (реакция выхлопа турбины составляет не более 10 % его суммарной тяги), однако традиционно их относят к ВРД.

Турбовинтовые двигатели используются в транспортной и гражданской авиации при полётах с крейсерскими скоростями 400—800 км/ч.

Вариант этого двигателя с вертикальным выходным валом редуктора используется для привода винтов вертолётов, такие двигатели называют также турбовальными.

Примечания

1. ↑ Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В.  М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 17 ноября 2011.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором

 

Турбореактивный двигатель (ТРД) – это наиболее известный и востребованный тип газотурбинных двигателей (ГТД), который широко используется в гражданской и военной авиации. ТРД, как и все остальные виды ГТД, относятся к тепловым машинам, а это значит, что выработанная ими энергия получена в результате сжигания топлива. Именно эти двигатели стали первыми газотурбинными двигателями, которые заменили собой поршневые в авиастроении.

История ТРД берет начало в 30-х годах, когда в СССР и Европе были проведены исследования и созданы первые опытные образцы турбореактивных двигателей для самолетов: отечественные АЛ, немецкий HeS3B, английский W. Вскоре интерес к ним проявили и авиаконструкторы из США и Японии. Первый советский турбореактивный истребитель ЯК-15, оснащенный двигателем РД-10 появился сразу после Второй Мировой Войны – в 1946 году. С тех пор практически все военные самолеты летали именно на реактивных двигателях.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

Все модели двигателей семейства ГТД имеют схожее строение, а их работа основывается на вращении турбины, что и дало название всему семейству. Строение турбореактивного двигателя с одной стороны проще, чем у других видов, но с другой имеет ряд особенностей. Итак, ТРД состоит из компрессора, камеры (или нескольких камер) сгорания, турбины и сопла. Другие виды ГТД имеют еще и дополнительные валы, выполняющие определенную полезную работу, но в данном случае их нет, что и упрощает конструкцию, а также снижает вес.

Принцип работы ТРД соответствует принципу работы всех ГТД. Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней воздух перемешивается с впрыснутым форсунками топливом, образуя топливный заряд, который при сгорании расширяется. Расширенные газы направляются в сторону турбины, вращая ее, а остатки неиспользованной энергии выходят через сужающееся сопло, образуя реактивную тягу, которая и является движущей силой. Турбина, вращаясь, приводит в движение компрессор, связанный с ней механически.

Теперь более подробно о каждой составляющей ТРД. Турбореактивные двигатели отличаются между собой по типу компрессоров, которые в них устанавливаются. Они могут быть осевыми, центробежными или комбинированными. В данной статье будут рассматриваться ТРД с осевым компрессором.

Элементы двигателя

Осевой компрессор

Осевой компрессор представляет собой вал с подвижными дисками, на концах которых закреплены рабочие лопатки, называемый ротором, а между этими дисками находятся неподвижные направляющие лопатки, закрепленные на внутренней стороне корпуса, — статор. Ротор работает, как обычный вентилятор, только лопастей у него больше и скорость вращения выше. Поток воздуха, пройдя через подвижные лопатки, закручивается, и чтобы его выровнять, используется статор. Неподвижные лопатки статора тормозят воздух и придают ему нужный вектор движения, направленный вдоль оси вала. Именно поэтому компрессор и называется осевым.

Каждая пара рабочих и направляющих лопаток формирует одну ступень компрессора. Таких ступеней обычно несколько (их число может достигать 15) и расположены они одна за другой. В результате получается чередование подвижных и неподвижных лопаток, расположенных вдоль вала. Одна ступень увеличивает давление воздуха в незначительной степени, но при прохождении всех их оно достигает нужного значения. Уменьшение скорости на статоре увеличивает давление и температуру, так что на следующую ступень воздух поступает уже сжатым и нагретым. С каждой последующей ступенью давление и температура в компрессоре повышаются. Количество ступеней определяется при проектировании двигателя и зависит от требуемого значения степени сжатия в камере сгорания.

Для получения большего значения величины давления корпус компрессора может постепенно сужаться, что дополнительно увеличивает напор внутри и контролирует осевое направление движения потока. С этой же целью ротор может иметь конусную форму, а в некоторых случаях сечение канала сужается путем комбинирования конусной формы и корпуса, и ротора.

Компрессор может быть одно- или многокаскадным. Первый тип представляет собой ротор и статор с необходимым числом ступеней. Он используется в обычных турбореактивных двигателях. Многокаскадный компрессор – это два и более узла, каждый из которых оснащен своей приводной турбиной. Его использование позволяет более точно и эффективно управлять режимами работы двигателя и настраивать их под определенную нагрузку. Такие компрессоры нашли применение как на обычных, так и на двухконтурных ТРД.

Если сравнивать осевой и цетробежный компрессоры, более эффективным считается первый. КПД осевого компрессора может достигать 90%, к тому же он более легкий и компактный и имеет большую производительность. Именно поэтому авиаконструкторы чаще отдают предпочтение именно ему.

Камера сгорания

Камера сгорания газотурбинных двигателей в основном представлена 3 типами. Камера сгорания представляющая собой «кольцо», которое охватывает корпус мотора, или же отдельные трубы, называемые жаровыми, а вот гибрид этих двух КС, так называемый трубчато-кольцевая камера сгорания использовалась в переходный момент от трубчатой КС к кольцевой КС и редко где встречается. Поверхность камеры сгорания имеет своеобразную перфорацию для эффективного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В ней расположены форсунки, подающие топливо (в самолетах это авиационный керосин). При контакте с сжатым горячим воздухом оно воспламеняется, в результате чего образуются расширенные газы с высоким зарядом энергии.

Трубчатая КС

Кольцевая КС

Основная функция камеры сгорания, это подвод тепловой энергии к воздушному потоку, получаемой в результате химической реакции окисления топлива кислородом воздуха, то есть попросту его сгорания. Дополнительная энергия подводимая к потоку, проходящему через камеру сгорания в частности и всецело через двигатель, позволяет уравновесить потери, и разогнать этот поток в сопле с целью получения достаточной тяги для придания движения двигателю и как следствие, летательному аппарату.

Турбина

Турбина – это «компрессор наоборот»: если лопасти компрессора вращаются, чтобы затягивать воздух в корпус, то лопасти турбины вращаются, потому что на них воздействуют расширенные газы. По своей структуре турбина практически не отличается от компрессора, имея неподвижные лопатки статора и подвижные ротора. Но в ее случае статор находится впереди, а ротор – за ним (сначала поток газов выпрямляется, а затем попадает на рабочие лопатки). Ступеней у турбины меньше, обычно их количество не более 4-х, а то и меньше; есть даже одноступенчатые модели. Работает турбина следующим образом: из камеры сгорания расширенные газы попадают на рабочие лопатки и вращают их. Поскольку основная и единственная задача турбины ТРД – вращение компрессора, ей достаточно небольшого количества ступеней. Излишек энергии, не потраченный на вращение турбинного ротора, в прямом смысле слова «вылетает в трубу», то есть в сопло, обеспечивая реактивную тягу.

Сопловой аппарат

Сопла ТРД тоже бывают разными. Они могут иметь переменное сечение, сужаясь к выходу, а могут сначала сужаться, а затем расширяться. В некоторых моделях самолетов можно регулировать сечение сопла и направление тяги, могут быть устройство реверса или отклонения вектора тяги, различные шумопоглощающие устройства или  приспособления для снижения инфракрасной заметности. Сопловой аппарат это так же и форсажная камера.

Основная задача сопла — это формирования необходимых параметров потока газа, выходящего из двигателя. Срабатывание энергии газа в поступательную энергию двигателя и движение самолета. Сопла для реактивных двигателей бывают 2 видов, в зависимости от расчетной скорости полета самолета. Для двигателей самолетов, летающих с дозвуковой скоростью применяют сопло со сужающимся сечением к срезу сопла. Сопло для двигателей сверхзвуковых самолетов применяют уже с расширяющимся сечением к срезу сопла, так называемое сопло Лаваля.

1 — обычное жесткое сужающееся сопло, 2 — сопло Витошинского, 3 — сопло Лаваля

В современной авиации из соображений наибольшей оптимальности работы двигателей на всех режимах полета самолета (максимального приближения к расчетному режиму), то есть обеспечения большой тяги с минимальными потерями, сверхзвуковые сопла делаются регулируемыми.

Система управления двигателем

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, турбореактивный двигатель – это сложная система, которой практически полностью управляет «умная» автоматика. Пилот определяет нагрузку с помощью одного только рычага, тогда как многочисленные датчики и регуляторы выполняют остальную работу, настраивая двигатель на нужный режим работы.

Преимущества и недостатки

Турбореактивными двигателями с осевым компрессором оснащаются большинство самолетов с ТРД. К ним относятся большинство современных гражданских самолетов, а также военные истребители и бомбардировщики. Такое широкое применение объясняется наличием у турбореактивного двигателя ряда преимуществ, выгодно выделяющих их среди других видов моторов. Во-первых, их конструкция наиболее простая среди ГТД, во-вторых, они имеют компактные габариты и малый вес, в-третьих, они менее шумные, чем турбовинтовые (ТВД) или турбовальные (ТВаД) двигатели. Но главным их преимуществом является возможность преодолевать звуковой барьер, что особенно важно в военной авиации.

К недостаткам ТРД можно отнести их «прожорливость». Среди моторов семейства ГТД они занимают первое место по расходу топлива, так что порой намного выгоднее заменить их теми же ТВД. Это объясняет то, что они редко используются на самолетах с низкими скоростями, летающими на дальние расстояния. Еще один недостаток – их дороговизна. Достаточно представить, в каких условиях работает турбина, чтобы понять: обыкновенные материалы не смогут выдержать таких нагрузок. Для изготовления лопастей турбин используются сверхпрочные жаростойкие материалы, способные выдержать «адские» условия работы, а стоят они, соответственно, немало.

В последнее время традиционные турбореактивные двигатели начали вытесняться другими своими подвидами, например, двухконтурными ТРД. Прогресс не стоит на месте, а авиаконструкторы постоянно борются за повышение мощности и эффективности моторов в комплексе с уменьшением их веса, что так важно для авиации. И все же ТРД рано списывать со счетов – они по-прежнему востребованы, о чем свидетельствует их широкое применение.

Небольшое видео, представленное ниже про работу турбовентиляторного двигателя, продемонстрирует работу турбореактивного двигателя с осевым компрессором, т.к. принцип у них одинаков.

Авиационные газотурбинные двигатели / Хабр

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

• турбореактивные двигатели (ТРД)
• двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
• Турбовинтовые двигатели (ТВД)
• Турбовальные двигатели (ТВаД)

Притом, ТРД и ТРДД могут содержать в себе форсажную камеру, в таком случае они будут ТРДФ и ТРДДФ соответственно. В этой статье мы их рассматривать не будем.

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.

Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

• Входное устройство
• Компрессор
• Камеру сгорания
• Турбину
• Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.

Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу. Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.

ТРДД самолета Boeing 757-200. На переднем плане видно входное устройство и вентилятор

На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Тогда двигатель получается трехвальным. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)

Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.

Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.

Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.

Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.
Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.

Турбовальный двигатель

Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.

Схематичная конструкция турбовального двигателя

Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал

Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Спасибо за внимание.

Как работают турбореактивные двигатели? Какие бывают ТРД?

Турбореактивный двигатель (периодически мы будем его называть сокращенно ТРД) — сколько в этом названии величественного, сразу представляются самолеты, ракеты, космос. Безусловно тот толчок научно-технического прогресса, который произошел благодаря изобретению реактивного двигателя, сыграл очень большую роль в развитии транспорта, и не только авиационного. Также на близкой нашему порталу железной дороге за счет турбореактивной тяги работают такие локомотивы как газотурбовозы, и РЖД считает их довольно перспективными, правда в рамках «штучной» эксплуатации. Водный транспорт тоже не уступает, в мире полно всяких авторских катеров с газотурбинными установками, способными развивать бешенное ускорение, и конечно экранопланы, вроде заржавевшего «Каспийского монстра», используют реактивную тягу для движения.

В данном материале мы не будем обсуждать трехэтажные формулы, учить фамилии конструкторов и первооткрывателей. Особенностью рубрики является попытка простого объяснения работы сложных технических устройств в области транспорта. Также поговорим о видах и принципах работы турбореактивных двигателей. Но начнем мы с обратного: как же ТРД удается перемещать летательные аппараты и экранопланы, что дало толчок к развитию ТРД?

Как турбореактивные двигатели перемещают летательные аппараты и экранопланы

Представьте себе ситуацию, будто вы сидите посреди большой пустой комнаты на стуле с колесиками, но дотянуться ногами до пола не можете, и предметов вокруг, от которых можно оттолкнуться тоже нет, а вам нужно как-то переместиться в сторону выхода. Задача эта совершенно не решаема, если у вас нет при себе никаких предметов, включая одежду. Но если при вас есть хоть что-то, обладающее массой, вы можете со всей силы отбросить это в сторону, противоположную выходу. Удивительным образом стул двинется в сторону выхода, и если вдруг в кармане вы обнаружите пару гантелей или гирю, особых проблем с путешествием не будет.

Главный принцип здесь заключается в следующем: если мы бросаем какой-либо предмет в сторону, на нас действует точно такая же сила, как и на предмет, только противоположно направленная. Если мы хотим кинуть волейбольный мяч, придав ему ускорение рукой, то наша рука почувствует удар — это и есть та сила, действующая в противоположном полету мяча направлении. Поскольку мяч гораздо легче, чем человек, он вынужден отлететь на большое расстояние, при приложенной силе. Но если с той же силой удара, что приложена к мячу, долбануть по гире, которая всего в четыре раза легче человека, то сила удара уже заставит кости сломаться.

Когда человечество получило доступ к поршневым двигателям высокой на тот момент мощности, пришла идея создания летательных аппаратов, известных ныне как самолеты. На валу поршневого движка внутреннего сгорания устанавливался винт с лопастями, отбрасывающий большой объем воздуха, в противоположном полету направлении. Однако скорость полетов на ДВС с воздушным винтом была весьма ограничена, а растущей индустриализации требовались все большие скорости, и тогда вспомнили про газовую турбину.

Движение летательного аппарата с турбореактивными двигателями происходит за счет отбрасывания двигателем газовой смеси с высокой скоростью и в большом объеме, в противоположную движению самолета сторону. Все довольно просто. Воздух — это газовая смесь, и каждый газ, входящий в данную смесь, обладает массой, плотностью, объемом и температурой. Реактивная сила, создаваемая двигателем, зависит от скорости истекания газовой струи и ее массе (или объема при заданной плотности). Чем выше любой из множителей, тем выше сила отталкивания самолета в противоположном направлении.

Принцип действия турбореактивного двигателя

Академическое понятие ТРД выглядит так:
Турбореактивный двигатель — газотурбинный двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Поясним некоторые моменты: газотурбинный двигатель — это основа любого ТРД, рассматривая далее виды турбореактивных двигателей, данный факт будет хорошо прослеживаться. Под химической энергией имеется в виду высвобождение большого количества теплоты за счет сгорания топлива в присутствии кислорода. Что же касается сопла, то струя газа не всегда имеет максимальную кинетическую энергию при выходе из него, почему — рассмотрим далее.

Основной принцип работы любого газотурбинного двигателя — тепловое расширение воздуха за счет сгорания топлива, и как следствие образование реактивной струи — быстродвижущегося потока газов.

Как это работает

Турбина — это колесо с лопатками (своего рода лопастями), направленных к потоку газов под некоторым углом. Соответственно чем быстрее движется этот поток, тем большее усилие воздействует на лопатки, заставляя их поворачивать турбинное колесо. Надо сказать, что справедливо и обратное утверждение: если турбинное колесо вращается не за счет реактивной струи, то лопатки начинают увлекать за особой воздушный поток, словно вентилятор. Кстати лопасти винта самолета, мельницы или ветрогенератора используют похожий принцип, что и турбинное колесо, только в последнем случае давление, температура и скорость потока куда выше.

Обратите внимание на иллюстрацию работы классической турбореактивной установки, или иначе говоря газотурбинной установки. Мы видим общий вал, на котором расположены кольца (колеса) с лопатками (их все можно также назвать турбинными кольцами (колесами), так как они ни чем не отличаются). С левой стороны изображена «холодная» а справа «горячая» части турбины. Давайте рассмотрим рабочий процесс данного двигателя, слева на право, с самого момента запуска:

• Изначально окружающий воздух через воздухозаборник контактирует с компрессором низкого давления. Специальный турбостартер (в случае больших двигателей) за счет создания высокого давления воздуха, подаваемого на лопатки одного из турбинных колец, раскручивает вал турбины, приводя в движение компрессор низкого и высокого давления, а также турбинные колеса.
• Лопатки компрессора низкого давления начинают «проталкивать» воздушный поток к лопаткам компрессора более высокого давления, которое в свою очередь перемещает воздух к следующему компрессору, и с каждым последующим переходом давление воздуха продолжает расти, а также растет и скорость потока. Проходя через лопатки последнего компрессора поток оказывается в просторной камере сгорания, в которой расположены топливные форсунки и свечи для поджига топлива, словно в автомобиле, только гораздо мощнее.
• Как только давление и скорость потока воздуха достигнут необходимых показателей, через форсунки начинает подаваться жидкий керосин, либо любой горючий газ, а свечи зажигания дают искру. После воспламенения топлива в камере сгорания резко возрастает давление, так как весь объем газовой смеси (включая воздушную смесь), вынужден увеличиться в несколько сотен раз за счет температурного расширения. В этот момент турбостартер (или электростартер), раскручивающий вал турбины, отключается.
• Весь горячий газ из камеры сгорания под огромным давлением и скоростью встречает на своем пути главную часть двигателя — турбинные колеса, которые вращают вал всей турбины (либо напрямую, либо через редуктор). За счет того, что турбинные колеса изначально вращаются гораздо медленнее, не соответствуя скорости только что разогретого в камере сгорания газа, поток начинает раскручивать турбину, теряя при этом часть кинетической энергии. Таким образом турбина работает самостоятельно, без участия стартера.
• Пройдя последнее турбинное колесо поток газа вырывается наружу через специально созданное сужение, называемое соплом. За счет сужения скорость потока газа увеличивается еще немного, что создаст большую реактивную силу.

Турбореактивный двигатель

Виды турбореактивных двигателей в авиации

Турбореактивные установки используются сейчас во многих областях техники, сохраняя единый принцип действия. В основе различий в типах ТРД лежит использование кинетической энергии газа, оставшейся после прохождения турбинных колес. Ее можно использовать как напрямую — то есть как реактивную струю, а можно направить еще на ряд турбинных колес, только уже вращающих другие валы. С каждым таким колесом струя газа будет терять энергию, и последующее использование ее реактивных качеств будет уже неоправданным, но как оказалось большим самолетам лучше всего летать не за счет непосредственно реактивной струи газа из камеры сгорания, а за счет большого винта, либо за счет вентилятора огромного диаметра.

Такое раздельное использование газовой струи ввело в обиход двигателестроителей такое понятие как «двухконтурность» турбореактивных двигателей. Контур — это один путь для воздушной струи через двигатель, соответственно один контур — это всегда главная газовая турбина, а второй контур это вентилятор огромного диаметра, создающий гораздо более массивный воздушный поток. Если объем одного контура превышает объем другого, речь идет о большой или малой степени двухконтурности.

Турбовинтовой двигатель

Начнем с двигателей с самым большим показателем степени двухконтурности (это условное выражение, так как подобные двигатели не принято называть двухконтурными) — Турбовинтовых ТРД.

Во главе угла газовая турбина, есть и компрессор низкого и высокого давления, и воздухозаборник, правда не прямоточный, а также камера сгорания и турбина отбора мощности, так сказать, да, чуть не забыл про сопло. Хотя от него в данном двигателе толку никакого нет. Струя газа после камеры сгорания тратит 5% своей энергии на вращение компрессоров, и 90% на вращение турбинного колеса, установленного на валу воздушного винта, через планетарный редуктор для увеличения мощности, за счет снижения оборотов. Таким образом реактивная струя вращает массивный винт, который действительно очень большой. Самолеты на поршневых двигателях не могли о таких винтах даже мечтать.

Сейчас большая авиация уже отказалась от таких двигателей в пользу турбовентиляторных ТРД, однако на малой авиации турбовиновые машины не теряют популярность. Даже на небольшие самолеты есть возможность установки турбовинтовых моторов, так как они гораздо надежней поршневых двигателей внутреннего сгорания, однако производство ТРД всегда обходится дороже, так как там важна точность обработки материалов и их качество, ведь работать предстоит при высоких давлениях, скоростях и температурах.

Турбовентиляторный двигатель

Вот здесь можно разгуляться по степеням двухконтурности, каких соотношений только в мире не найти. В свое время инженеры заметили, что вентилятор, состоящий из большого количества лопастей (как большой компрессор ТРД), способен создавать более быстрый и стабильный поток воздуха, нежели винт, но и это не все прелести. Многие из нас, кто родом из СССР, наверняка помнят, что было, когда где-то в небе пролетал самолет. Неважно какая у него была высота, хоть все 11 км, всегда у земли был слышен грохот реактивных машин или винтов. Жизнь возле аэропортов вообще представляла из себя сущий кошмар, с трясущимися стенами. Но вот сейчас все это в прошлом. Разве что военные учения с их турбовинтовыми бомбардировщиками, напомнят о прошлых временах в авиации.

Так вот турбовентиляторный ТРД подарил нам тишину. Их гигантский размер и высокая мощность не требуют высоких оборотов, а значит не производят сильный шум.

Как можно видеть из схемы, основное отличие от турбовинтового двигателя заключается в том, что отбор реактивной мощности идет на вращение вентилятора, а не винта. Турбовентиляторный двигатель создает движущую реактивную струю на 70% за счет вентилятора, 30% выходящих из сопла газов.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовальные и иные виды ТРД

Я думаю мне удалось продемонстрировать связь всех видов ТРД друг с другом, и огромное множество применений этого революционного изобретения рассматривать не имеет смысла. Скажем лишь, что не только самолеты используют реактивную мощность, но и вертолеты.

На вертолетах ТРД установлен таким образом, чтобы струи газа, выходящие из сопла, были направлены назад. Это помогает уменьшить расход топлива и скорость при движении вперед. А вот основной потребитель мощности, через вал и редуктор реактивной турбины, установлен перпендикулярно турбодвигателю — на крыше. В принципе через редуктор можно передать вращательное движение от вала куда угодно и как угодно. Такие ТРД называют турбовальными.

Двигатель для турбовинтовых самолетов также вариация турбовального двигателя

Автор: Томаш Гетихен

Использованы материалы:
Большая российская энциклопедия

Похожее

TURBOJET TRAINER | TecQuipment

Автономная, полностью оборудованная учебная одновальная газовая турбина. Экспериментальные возможности этого высококачественного устройства, работающего на керосине, позволяют проводить всесторонние практические исследования принципов и характеристик одновальных газовых турбин.

Это стальная рама, на которой находится газогенератор, камера сгорания, масляные и топливные баки, насосы, вспомогательное оборудование и ограждения. Над ними находится панель приборов и управления с принципиальной схемой.На четко обозначенной передней панели с мнемосхемой расположены дисплеи приборов, органы управления и сигнальные лампы.
Воздух поступает в воздушный ящик, в компрессор, затем в камеру сгорания. Насос перекачивает топливо из топливного бака для распыления через специальное сопло в камеру сгорания. Искра высокой энергии воспламеняет топливно-воздушную смесь, которая течет к турбине с радиальным потоком, а затем к соплу переменного сечения. Затем выхлопные газы сбрасываются в подходящую выхлопную систему. Камера сгорания обеспечивает отличное сгорание, низкие потери давления и хорошую стабильность пламени в широком диапазоне условий.

Клапан контроля расхода топлива на панели приборов и управления регулирует скорость. Такая конструкция снижает вероятность превышения скорости. Оборудование имеет систему смазки, включающую фильтры и масло с водяным охлаждением.

Пуск — полуавтоматический, с полной блокировкой, управляемый логической системой пуска и выключения. Для защиты оборудования и пользователя он отключает турбину, если пользователь делает ошибку.

Цифровые индикаторы показывают частоту вращения вала, давление, температуру и расход топлива.Аналоговые индикаторы показывают уровень топлива, давление топлива, температуру масла, давление масла и количество часов работы. Это оборудование подключается к вашему компьютеру (компьютер не входит в комплект) и включает специальное удобное программное обеспечение для сбора данных. Это позволяет учащимся отображать, графически отображать и анализировать все соответствующие переменные и сохранять свои результаты для последующего анализа. Система сбора данных включает адаптеры и провода, а программное обеспечение поставляется на компакт-диске. К оборудованию прилагается подробный учебник по теории и использованию газовых турбин.

Усовершенствования турбореактивного двигателя | Исследовательский центр Гленна

Исследователь NACA Брюс Лундин обсуждает увеличение тяги реактивных двигателей для посетителей AERL 26 марта 1946 года.

В послевоенные годы исследователи использовали Статическую лабораторию реактивного движения (JPSL) для разработки технологий увеличения тяги реактивного двигателя.

Обзор

В октябре 1945 года, всего через несколько недель после окончания Второй мировой войны, Исследовательская лаборатория авиационных двигателей (AERL) реорганизовала свою исследовательскую деятельность, сконцентрировавшись на новых технологиях, связанных с реактивным движением и высокоскоростным полетом.Новые подразделения сосредоточились на различных аспектах двигателя: турбомашинном оборудовании, топливе, материалах, сгорании и управлении. К 1945 году к Статической лаборатории реактивного движения (JPSL) были добавлены две дополнительные испытательные камеры, и вскоре началось строительство пятой и шестой камеры.

Альтернативная конструкция реактивного двигателя возникла во время войны с осевым компрессором. В двигателях компании General Electric на базе Whittle использовался единственный центробежный компрессор. В последующих двигателях компании — TG-180 и TG-190, а также в двигателях Westinghouse 19XB, 34C и других — использовался осевой компрессор.Здесь объясняются основные конструкции.

Увеличение тяги

Хотя первое поколение реактивных самолетов поступало на вооружение, турбореактивному двигателю предстояло пройти долгий путь, прежде чем он достигнет своего потенциала. Одной из главных проблем был медленный разгон реактивного самолета. Это требовало более длинных взлетно-посадочных полос для взлетов и представляло опасность в аварийных ситуациях и в бою.

Национальный консультативный комитет по аэронавтике (NACA) и промышленность искали способы повышения тяги на короткие периоды времени.Эти меры по увеличению тяги включали отвод выхлопных газов, использование форсажной камеры и впрыск охлаждающей жидкости. Сопло с изменяемым сечением, которое можно было расширять или закрывать во время полета, было важным компонентом этих стратегий. JPSL сыграл ключевую роль в развитии каждого из этих методов.

Документы

Форсажная камера

Наиболее широко известный метод увеличения тяги — форсажная камера, также известная как сжигание выхлопной трубы.Топливо впрыскивается в горячий выхлопной газ, протекающий между турбиной и соплом. Сгорание газа расширяет воздушный поток, когда он входит в сопло, что увеличивает тягу. Этот тип сгорания требует большого количества топлива, поэтому его можно использовать только для кратковременных наддува. Концепция сжигания избыточного тепла для получения дополнительной энергии устарела и характерна не только для авиационных двигателей, но особенно применима к новым реактивным двигателям, поскольку повышенные температуры не повредили бы компоненты двигателя и могли использоваться для увеличения тяги.

Компания AERL построила первую форсажную камеру в США в 1944 году для General Electric I-A. Испытания ранней концепции двигателей I-A и I-16 в JPSL привели только к номинальному увеличению тяги из-за плохой эффективности сгорания и потерь давления. Инженеры продолжали улучшать конструкцию до тех пор, пока в 1946 году не была успешно запущена большая форсажная камера на двигателе General Electric TG-180 в высотной аэродинамической трубе (AWT). Производительность первоначальных форсажных камер была ограничена из-за отсутствия знаний об оптимальной конструкции компонентов.Исследователи AERL провели послевоенные годы, изучая варианты форсажной камеры на разных двигателях AWT и JPSL, пытаясь оптимизировать тягу при минимальном весе и лобовом сопротивлении.

Документы — Комплект 1

Схема двигателя General Electric TG-180 с выхлопной горелкой. GE TG-180 в высотной аэродинамической трубе для серии исследований форсажной камеры (1948 г.). Lockheed Sr-71 Blackbird на рампе с двойным форсажем (1998).Механик осматривает форсажную камеру General Electric TG-180 в ячейке 4.

В начале 1950-х годов военные обратились в NACA с просьбой изучить возможность использования более коротких форсажных камер для увеличения тяги во время взлета для новых дальних бомбардировщиков и транспортных реактивных самолетов без увеличения веса или потерь давления в двигателе, которые ограничивали бы дальность полета. Более короткие камеры дожигания потребовали сокращения секций диффузора и камеры сгорания. В 1952 году исследователи NACA проанализировали различные модификации диффузоров и испытали наиболее перспективные на двигателе General Electric TG-190 в ячейке 6 JPSL.Они продолжали модифицировать и повторно тестировать диффузоры, пока не смогли определить минимальную эффективную длину диффузора. Затем они попытались сократить зону горения, чтобы еще больше уменьшить общий размер камеры дожигания. Серия тестов в JPSL показала, что 36-дюймовая камера дает наилучшие результаты.

Документы — Комплект 2

Изображения

Принципиальная схема двигателя с укороченной форсажной камерой в камере 6 (1954 г.). Гильза деформированного скрипа, установленная на короткой кормовой камере двигателя ТГ-190 (1955 г.).Выход из короткого дожигателя GE TG-190, выходящего из камеры 6.

Форсунки с переменным сечением

Реактивные двигатели выбрасывают горячий газ сгорания в атмосферу через трубчатое сопло, которое создает тягу. Сопла, диаметр которых можно регулировать во время полета, известные как сопла с переменным сечением, предлагали один из лучших вариантов для быстрой регулировки тяги реактивного двигателя без изменения частоты вращения двигателя. Форсунки с переменным сечением необходимы для использования форсажных камер и повышения эффективности двигателя в обычных крейсерских условиях.Форсажное зажигание производит более горячие выхлопные газы, что требует большего сопла. Сопло с регулируемым сечением широко открыто, чтобы принять в результате большой поток газа. Однако такой большой диаметр был бы неэффективен, когда температура выхлопных газов ниже во время нормального полета, поэтому сопло с изменяемой площадью в этом случае закрывается.

В 1943 году инженеры AERL разработали первую форсунку грейферного типа, в которой две сферические заслонки могли открываться во время работы форсажной камеры. Исследователи немедленно начали испытания его на двигателе General Electric I-16 в JPSL.Сопло работало в открытом и закрытом положениях при различных оборотах двигателя. Исследователи сравнили данные с данными аналогичных испытаний двигателя в его первоначальной конфигурации и пришли к выводу, что регулируемое сопло работает так же эффективно, как и обычное сопло фиксированного диаметра, обеспечивая при этом больший контроль.

В течение следующих пяти лет исследователи тестировали варианты сопла с изменяемой площадью сечения на различных моделях турбореактивных двигателей как на JPSL, так и в AWT. Хотя конструкции сопел были слишком разными, чтобы сравнивать характеристики одной конфигурации с другой, был сделан вывод, что общие характеристики были ограничены, когда выравнивание створок было неравномерным.Это позволяло вытекать нормальным выхлопным газам двигателя.

Использование сопел с изменяемым сечением было введено в самолетах в конце 1940-х годов и вскоре стало стандартом для всех реактивных двигателей. На смену грейферам пришли форсунки с четырьмя створками, которые в закрытом состоянии образовывали квадратное отверстие. Это уменьшило потери давления, но вызвало аэродинамическое сопротивление. Проблема была решена с помощью разработки форсунок в форме радужной оболочки, которые сохраняли овальную форму форсунок в закрытом состоянии.

Документы

Изображений:

Сопло переменного сечения, разработанное для двигателя General Electric TG-180, испытанного в JPSL (1948).Исследователь Мартин Саари объясняет насадки с переменным сечением на инспекции NACA 1948 года. Схема сопла с регулируемым сечением грейферного типа для двигателя И-16, испытанного в JPSL. Выхлопная труба с соплом переменного сечения для General Electric TG-180 в JPSL (1946 г.).

Выпуск воздуха

Турбины являются важнейшим элементом реактивных двигателей, поэтому их иногда называют газотурбинными двигателями. Материалы турбины могут выдерживать только определенное количество тепла, поэтому не весь воздушный поток сгорает при прохождении через двигатель.В 1944 году исследователи AERL предположили, что тягу реактивного двигателя можно увеличить, отводя часть этого избыточного воздуха под высоким давлением на выходе из компрессора, чтобы его можно было сжигать отдельно во вспомогательном сопле. Для замещения удаляемого воздуха необходимо было нагнетать воду во входное отверстие. Вода превращается в пар и поддерживает работу двигателя, а вспомогательная струя обеспечивает дополнительную тягу.

В апреле 1945 года исследователи AERL испытали систему на самолете General Electric I-16 в JPSL.Хотя для системы сброса требовалось большое количество воды, она увеличивала тягу, как и предполагалось. Затем они продолжили расследование, используя более мощный двигатель И-40 для испытаний различных модификаций. Хотя первичная тяга двигателя уменьшилась во время сброса, дополнительная камера сгорания более чем компенсировала потерю. Однако исследователи отметили, что двигатель должен работать с соблюдением строгих параметров, чтобы отвод воздуха был успешным.

Документы

Изображения

КИПиА, системы впрыска воды и газа для испытаний двигателя GE I-40.Слесарь работает на двигателе General Electric И-40, установленном в камере № 3 ЛПСН (1946 г.). Механик проверяет двигатель GE I-40 с горелкой на выхлопной трубе (1946 г.). Двигатель GE I-40 с регулируемым выхлопным соплом и оборудованием для сброса газа в камере 2 (1948 г.).

Впрыск воды

Один из старейших методов увеличения тяги — закачка во входное отверстие водно-спиртовой смеси. Воду, которая используется в хозяйственных целях, смешивают со спиртом, чтобы предотвратить замерзание.Жидкость испаряется и охлаждает входящий воздушный поток, прежде чем достигнет компрессора. Кратковременное снижение температуры позволяет компрессору обрабатывать большее количество воздуха, используемого для сгорания, что приводит к увеличению тяги. Однако необходимо учитывать вес форсунок, резервуаров и насосов, необходимых для системы. В 1944 году исследователи AERL включили систему впрыска в General Electric I-16 и протестировали ее с водой, водой и спиртом, керосином и углекислым газом на JPSL.Каждый из хладагентов, кроме керосина, увеличивал тягу более чем на 35 процентов. Исследование продолжилось в 1945 году с использованием более мощного двигателя И-40. Последующие летные испытания системы впрыска на Bell P-59A показали увеличение тяги на 21 процент и сокращение дистанции, необходимой для взлета.

Документы — Комплект 1

Диаграмма из бюджетного документа, показывающая увеличение взлетной тяги за счет впрыска водно-спиртовой смеси в двигатель (1948 г.). Двигатель General Electric I-16 установлен в камере 2 для испытаний с впрыском воды в июне 1946 года.Механик проверяет двигатель GE I-40 с горелкой на выхлопной трубе (1946 г.). B-52 Stratofortress взлетает с использованием системы впрыска воды / спирта (2017 г.).

Однако испытания системы впрыска жидкости на двигателях с осевыми компрессорами не дали тех же результатов, что и на центробежных двигателях. Исследователи обнаружили, что большее расстояние между впускным отверстием и компрессором ограничивает его эффективность. Они решили перепроектировать систему так, чтобы охлаждающая жидкость распылялась непосредственно на ступени компрессора, а не на вход.Эта новая система была впервые успешно опробована на General Electric TG-180 в ячейке 6 JPSL. В 1950 году исследователи решили совместить впрыск жидкости с форсажной камерой в ТГ-180. Эти опыты показали, что жидкость вызывала нестабильность горения и ограничивала работу камеры дожигания. Затем они решили одновременно впрыскивать охлаждающую жидкость во впускной канал, ступени компрессора и камеру сгорания. В последующих испытаниях с использованием двигателя ТГ-190 была предпринята попытка впрыска охлаждающей жидкости во впускной канал, ступени компрессора и камеру сгорания одновременно.Усилие улучшило тягу почти на 40 процентов. Кроме того, было установлено, что в отличие от центробежных двигателей, осевые двигатели получили наибольшую выгоду от низкой скорости впрыска.

Документы — Комплект 2

Изображения

Вид в камеру 4 во время испытаний двигателя GE TG-180. Двигатель General Electric TG-190 с впускным кольцом форсунки, установленным в ячейке 6 для испытаний впрыска воды (1951 г.). GE TG-180 с водяными форсунками, установленными в 4-й ячейке JPSL (1946 г.).General Electric TG-180 установлен в ячейке 4 для исследований по увеличению тяги в октябре 1946 года.

TurboJet Max II — Позвоните нам, чтобы узнать цену! — Уход за воздухом

Аппарат с отрицательным воздухом TurboJet Max II — это компактная рабочая лошадка для очистки воздуховодов в жилых и коммерческих помещениях. Трудно поверить, что шкаф шириной 22,5 дюйма может обеспечить 2700 кубических футов в минуту при 5-дюймовом статическом давлении, полноразмерный 12-дюймовый вход, 3-ступенчатую HEPA-фильтрацию, плавный пуск и будет работать при 13 или 17 А и имеет 3-летнюю гарантию.

Это производительность, которая выражается в единицах, вдвое превышающих их размер и вес. Легендарные характеристики и размер этого типа машин были подтверждены на борту судов и морских буровых установок, а также в мобильных домах и гостиницах на 6000 номеров, и тем не менее они идеально подходят для работы одним человеком из фургона, трейлера или фургон. В TurboJet Max II используется тот же регулятор скорости ESP, что и в TurboJet 4200.

Силовой инвертор преобразует однофазное домашнее электроснабжение 115 В в 3-фазное питание 220 В.Это исключает скачок мощности при запуске, необходимый для односкоростного двигателя.

Также доступны 220-240 В, 50-60 Гц…

Характеристики

• Действительно портативный: 125 фунтов и всего 22,5 дюйма x 31,5 дюйма x 55,5 дюйма.
• Управление одним человеком, вход и выход из служебного транспортного средства, а также подъем и спуск по лестнице.
• Двухскоростной двигатель с плавным пуском мощностью 1,5 л.с. с трехфазным инвертором и вентилятором с обратным наклоном прямого привода.
• Фильтрация включает 1-ю ступень 18 ″ x 24 ″ x 2 ″ одноразовый гофрированный фильтр, 2-ю ступень 18 ″ x 24 ″ гибкий, постоянный электростатический воздушный фильтр и 3-ю ступень 18 ″ x 24 ″ x 6 ″ сертифицированный HEPA-фильтр, обеспечивающий эффективную фильтрацию с максимальным объемом воздуха. течь даже в грязном виде.
• Впускной канал диаметром 12 дюймов втягивает 5 дюймов водяного столба. статическое давление и воздушный поток 2700 кубических футов в минуту (независимые испытания в сертифицированной лаборатории AMCA со всеми установленными фильтрами).
• 12-дюймовые задние немаркированные колеса тележки, 4-дюймовые поворотные немаркие ролики впереди.
• Армированная сталью полиформованная конструкция.
• Полностью испытано Air-Care в наших сервисных центрах.
• Покупка включает 3-летнюю ограниченную гарантию.

Технические характеристики

Спецификация	Описание
Размер	22.5 ″ Ш x 31,5 ″ Г x 55,5; H
Вес	125 фунтов.
Требуемая мощность	120 В, 60 Гц, от 13 до 17 ампер.
Шнур питания	Удлинительный шнур, 25 футов
Фильтрация	3 ступени
1-я ступень	Одноразовый гофрированный фильтр 18 ″ x 24 ″ x 2 ″
2-я ступень	Гибкий электростатический воздушный фильтр 18 ″ x 24 ″
3-я ступень	18 ″ x 24 ″ x 6 ″ Сертифицированный фильтр HEPA
Приставка	Диаметр 12 дюймов.Вход
Операционная среда	от 25 до 125 градусов. F (от -4 до 50 ° C)
Строительство	Полиэтилен, формованный вращением
Органы управления	Единая съемная панель со всеми приборами, индикаторами, переключателями и измерителями
Расход воздуха	3000 куб. Фут / мин, свободный воздух / 2700 куб. Фут / мин с фильтром
Статическое давление	5.0 ″ W.G.
Двигатель	Трехфазный двигатель мощностью 1,5 л.с. и однофазный инвертор с плавным пуском и двумя скоростями.
Воздуходувка	Один — с наклоном назад
Колеса	Два фиксированных задних 12-дюймовых и два 4-дюймовых передних поворотных немаркированных колеса

Отрицательное сравнение пневматической машины

	TurboJet SuperMAX	TurboJet Max II	TurboJet Max
Приложение	Жилая и коммерческая	Легкие коммерческие и жилые	Жилой
Свободный воздух CFM	5000	3000	2500
с фильтром CFM	3500	2700	2000
Тип двигателя и л.с.	3 л.с., однофазный, номинальный инвертор, 3-фазный двигатель, 3600 об / мин	1.Трехфазный двигатель мощностью 5 л.с. и однофазный инвертор с плавным пуском и двумя скоростями.	1,5 л.с., однофазный / односкоростной, 120 В
Источник питания и кондиционирование линии	Запатентованное программное обеспечение удвоителя мощности и кондиционирования линии с защитной блокировкой заземления, соединенное с инвертором с регулируемой скоростью 3 л.с., с обнаружением перегрузки и минимального тока.	Однофазный вход, инвертор с регулируемой скоростью 1,5 л. С. С логикой обнаружения ошибок и схемами защиты.	Однофазное, односкоростное прямое подключение к двигателю.
Колесо нагнетателя	Крыльчатка вентилятора с прямым приводом, наклоненная назад, диаметром 315 мм (12,3 ″)	Ротор воздуходувки с прямым приводом, наклоненным назад, диаметром 280 мм (11 ″)	Ротор воздуходувки с прямым приводом, наклоненным назад, диаметром 280 мм (11 ″)
Размер	22,5 дюйма Ш x 31,5 дюйма x 55,5 дюйма H	22,5 ″ Ш x 31,5 ″ Г x 55,5 ″ В	22.5 ″ Ш x 31,5 ″ Г x 55,5 ″ В
Вес	151 фунт	125 фунтов	125 фунтов
Гарантия	3 года	3 года	3 года
Мягкий старт	Есть	Есть	№
Скорости	4	2	1

Реактивные двигатели

Общая хронология реактивного двигателя

120–150 до н.э.	Hero демонстрирует принципы реактивных реакций.
1232	Китайцы начинают использовать ракеты как оружие.
1500	Леонардо да Винчи набросал хитроумную штуковину, домкрат для дымохода, который вращался под действием горячих газов, поднимающихся вверх по дымоходу.
1629	Джованни Бранка разрабатывает штамповочную фабрику, в которой для работы оборудования используются струи пара.
1687	Сэр Исаак Ньютон представляет свои три закона движения.Они составляют основу современной теории двигателей.
1791	Джон Барбер подает заявку и получает первый патент на простую турбинную машину.
1872	Первый настоящий газотурбинный двигатель, разработанный доктором Ф. Штольце.
1897	Паровая турбина, используемая для питания корабля.
1918	General Electric (GE) открывает подразделение по производству газовых турбин.
1930	Сэр Фрэнк Уиттл из Англии патентует свою конструкцию газовой турбины для реактивного движения.
1936	Ганс фон Охиан и Макс Хан из Германии разрабатывают и запатентовали собственный дизайн.
1939	В августе компания Ernst Heinkel Aircraft запускает первый реактивный газотурбинный самолет HE178.
1941	Сэр Фрэнк Уиттл конструирует первый успешный турбореактивный двигатель Gloster Meteor.
1942	Доктор Франц Ансельм разрабатывает осевой турбореактивный двигатель Junkers Jumo 004, используемый в Messerschmitt Me 262, первом в мире боевом реактивном истребителе.
1948	Первый турбореактивный двигатель преодолевает звуковой барьер.
1949	Первое использование турбореактивного двигателя в коммерческих целях.
1955	Первое использование повторного нагрева для увеличения тяги турбореактивного двигателя.

Определения полезных терминов

AFTERBURNER — устройство, удваивающее мощность двигателя истребителя. Топливо впрыскивается в выхлопной канал и смешивается с горячим воздухом, возвращаемым двигателем.Затем он воспламеняется, образуя мощный «паяльный фонарь», который вылетает из сопла в задней части выхлопной трубы.

СПЛАВ — смесь двух или более металлов. Сплавы не только выигрывают от лучших свойств каждого из металлов в составе, но иногда обладают дополнительной прочностью или гибкостью.

КАРБЮРАТОР — устройство, используемое в поршневом двигателе для смешивания топлива и воздуха в точных количествах, прежде чем он будет втянут в двигатель для воспламенения.

CASTING — ЛИТЬЕ — процесс, с помощью которого изготавливается скульптурный металл путем заливки расплавленного металла в форму.

Источник: http://www.ueet.nasa.gov
КАМЕРА СГОРАНИЯ — Часть реактивного двигателя, в которой воздух под высоким давлением из компрессора смешивается с топливом, а затем сжигается.

КОМПРЕССОР — Компрессор является центром реактивного двигателя. Он состоит из ряда вращающихся лопастей, которые всасывают воздух через входное отверстие и сжимают воздух. Затем он попадает в камеру сгорания, в которой сжигается.

CORE- Секция высокого давления реактивного двигателя. Он состоит из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины.

ОБХВАТ — Гладкий металлический кожух, окружающий двигатель.

ДИСК — Часть двигателя, которая удерживает вращающиеся лопасти реактивного двигателя, прикреплена.

ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА — трубчатая конструкция в задней части двигателя, которая выпускает горячий воздух из форсунки.

ГЕНЕРАТОР — Устройство, вырабатывающее электроэнергию для самолета.

ЗАЖИГАТЕЛЬ — Устройство, используемое для воспламенения смеси топлива и сжатого воздуха при входе в камеру сгорания.

СОПЛО — устройство в задней части выхлопного канала, через которое струя проходит до встречи с атмосферой.

ПИЛОН — Металлическая конструкция, соединяющая двигатель с крылом.

КОРЕНЬ — Часть лопатки компрессора или турбины, которая удерживает ее прикрепленной к диску.

СТУПЕНЬ — название ряда лопастей в реактивном двигателе.

SUBSONIC — Ниже скорости звука.

СУПЕРЗВУК — выше скорости звука.

РЕВЕРСЕР УПРАВЛЕНИЯ — устройство, используемое для реверсирования потока воздуха, чтобы помочь замедлить самолет при посадке.

ТУРБИНА — машина, приводящая в движение компрессор. Он работает на горячих газах, выходящих из камеры сгорания.

Турбореактивные

Турбореактивные двигатели

Турбореактивные двигатели

---

Реактивные двигатели используются для приведения в движение коммерческих авиалайнеров и военных самолетов. Самый простой вариант авиационных реактивных двигателей — турбореактивный. Турбореактивные двигатели использовались на первом реактивном самолете, немецком Messerschmidt Me 262, который использовался во время Второй мировой войны.

Messerschmidt Me 262.
Фотограф: У.С. ВВС.

Турбореактивные двигатели обычно неэффективны, за исключением высоких скоростей, поэтому в современных самолетах вместо них используются турбовентиляторные двигатели. Поскольку основная работа турбореактивного двигателя проще, мы начнем обсуждение реактивных двигателей с турбореактивных двигателей.

Основные компоненты турбореактивного двигателя показаны на анимации ниже. В турбореактивном двигателе энергия добавляется к воздуху компрессором и горелками. Компрессор увеличивает давление воздуха аналогично тому, как кальмары сжимают воду своими мощными мускулами, прежде чем выбросить ее из своей воронки, чтобы создать струю.Горелки повышают температуру воздуха. В результате получается воздух с высокой температурой и высоким давлением, содержащий много тепловой энергии. Часть этой энергии отбирается турбиной для работы компрессора. Остальное преобразуется в кинетическую энергию, поскольку сопло ускоряет его до высокой скорости для создания тяги. Используйте стрелки в интерактивной анимации ниже, чтобы просмотреть описания различных компонентов и получить более подробную информацию об их работе.

Хотя и пропеллеры, и турбореактивные двигатели включают вращающиеся компоненты и ускоряют жидкость для создания тяги, их внутреннее действие совершенно иное.Во-первых, в то время как пропеллер добавляет энергию жидкости, ускоряя ее лопастями гребного винта, турбореактивный двигатель добавляет энергию, сжимая ее до высокого давления с помощью компрессора. Компрессор на самом деле представляет собой серию вращающихся и неподвижных лопастей. Вращающиеся лопасти ускоряют воздух (как пропеллер), а неподвижные лопасти снова замедляют его, что преобразует кинетическую энергию воздуха в давление. Во-вторых, почти вся энергия топлива, используемая двигателем, приводящим в движение воздушный винт, используется для вращения винта, но только часть энергии топлива, используемой в турбореактивном двигателе, используется турбиной для привода компрессора.В-третьих, пропеллер ускоряет жидкость своими лопастями, но ускорение жидкости в турбореактивном двигателе осуществляется соплом, а не лопатками компрессора.

Тяга, развиваемая турбореактивным двигателем, может быть рассчитана по формуле (см. Описание тяги в разделе «Принципы»). Для турбореактивных двигателей можно иметь p _e ≠ p ₀ , но это не оптимальное состояние, и большинство конструкций пытаются его достичь. Как и в случае с пропеллером, его можно увеличить, увеличив размер двигателя (диаметр) или увеличив скорость компрессора.Увеличение скорости компрессора требует большего количества топлива, чтобы турбина вращалась быстрее. Чистое ускорение воздуха через двигатель, V _e — V ₀ , может быть увеличено за счет увеличения степени сжатия воздуха (степени сжатия компрессора) или температуры воздух в горелках. Повышение температуры воздуха может быть достигнуто за счет сжигания большего количества топлива, но только до определенного предела. Если температура будет повышена слишком сильно, лопатки турбины расплавятся! Некоторые конструкции двигателей добавляют дополнительный контроль над V _e — V ₀ путем добавления сопла с изменяемой геометрией.Изменяемая геометрия позволяет оптимизировать ускорение жидкости через сопло для данных настроек двигателя и условий полета. Благодаря этим характеристикам выходная скорость V _e , достигаемая реактивными двигателями, намного выше, чем скорость, создаваемая воздушным винтом.

Дополнительная функция, добавленная к некоторым реактивным двигателям, — это форсажная камера. Форсажная камера впрыскивает топливо в поток сразу после турбины.

Дополнительное топливо сгорает, добавляя дополнительную тепловую энергию к воздуху и увеличивая скорость выхода струи, V _e .Обеспеченная дополнительная тяга дает дополнительный «толчок» за счет израсходованного топлива. Форсажные камеры распространены на военных самолетах в ситуациях, когда требуется внезапный всплеск скорости.

Из-за большей скорости реактивной струи, чем может быть достигнута, турбореактивные двигатели создают большую тягу и могут использоваться для приведения самолета в движение до высоких скоростей. Большая скорость реактивной струи также делает их неэффективными при низких скоростях самолета, в значительной степени потому, что большая V _e — V ₀ приводит к низкой силовой эффективности.Тяговая эффективность турбореактивных двигателей возрастает по мере увеличения скорости самолета, но самолет обычно должен быть сверхзвуковым, прежде чем его тяговая эффективность приблизится к уровням, которые могут конкурировать с воздушными винтами.

---

---

14 CFR § 91.219 — Система или устройство предупреждения о высоте: Гражданские самолеты с турбореактивными двигателями. | CFR | Закон США

§ 91.219 Система или устройство оповещения о высоте: Гражданские самолеты с турбореактивными двигателями.

(a) За исключением случаев, предусмотренных в параграфе (d) данного раздела, никто не может эксплуатировать двигатель U с турбореактивным двигателем.Гражданский самолет, зарегистрированный в S., если только этот самолет не оборудован утвержденной системой или устройством оповещения о высоте, находящимся в рабочем состоянии и отвечающим требованиям пункта (b) данного раздела.

(b) Каждая система или устройство оповещения о высоте, требуемые параграфом (а) этого раздела, должны иметь возможность:

(1) Оповестить пилота —

(i) При приближении к заранее выбранной высоте при подъеме или спуске последовательностью как звуковых, так и визуальных сигналов в течение достаточного времени для установления горизонтального полета на этой предварительно выбранной высоте; или

(ii) при приближении к заранее выбранной высоте при подъеме или спуске — последовательностью визуальных сигналов, достаточных для установления горизонтального полета на этой предварительно выбранной высоте, а при отклонении выше и ниже этой предварительно выбранной высоты — звуковым сигналом;

(2) Обеспечивать необходимые сигналы от уровня моря до максимальной рабочей высоты, утвержденной для самолета, на котором он установлен;

(3) Предварительно выберите высоту с шагом, соизмеримым с высотами, на которых эксплуатируется воздушное судно;

(4) Проходить испытания без специального оборудования для определения правильной работы сигналов оповещения; а также

(5) Примите необходимые настройки барометрического давления, если система или устройство работает с барометрическим давлением.Однако для работы на высоте ниже 3000 футов над уровнем моря система или устройство должны подавать только один сигнал, визуальный или звуковой, чтобы соответствовать этому параграфу. Радиовысотомер может быть включен для подачи сигнала, если у оператора есть утвержденная процедура его использования для определения DA / DH или MDA, в зависимости от ситуации.

(c) Каждый эксплуатант, к которому применяется данный раздел, должен установить и назначить процедуры для использования системы или устройства оповещения о высоте, и каждый член летного экипажа должен соблюдать назначенные ему процедуры.

(d) Параграф (а) этого раздела не применяется ни к какой эксплуатации самолета, имеющего экспериментальный сертификат, или к эксплуатации любого самолета в следующих целях:

(1) Переправка вновь приобретенного самолета из места, где он был доставлен, в место, где должна быть установлена ​​система или устройство предупреждения о высоте.

(2) Продолжение полета в соответствии с первоначальным планом, если система или устройство предупреждения о высоте перестают работать после того, как самолет взлетел; однако рейс не может вылетать из места, где может быть произведен ремонт или замена.

(3) Перегон самолета с любой неработающей системой или устройством оповещения о высоте из места, где ремонт или замена не может быть произведен, в место, где это может быть произведено.

(4) Проведение летных испытаний самолета.

(5) Переправка самолета в место за пределами США с целью его регистрации в другой стране.

(6) Проведение торговой демонстрации работы самолета.

(7) Обучение иностранных летных экипажей работе на самолете перед его переправкой в ​​место за пределами Соединенных Штатов с целью регистрации в другой стране.

Вы можете объяснить, как работают реактивные двигатели?

Аватеф Хамед, профессор аэрокосмической техники и инженерной механики Университета Цинциннати дает следующее объяснение:

Реактивная силовая установка произвела революцию в науке о полётах, резко увеличив возможные скорости и высоты, что позволяет исследовать космос. Термин реактивный двигатель относится к действию, производимому реактором. к выбросу материи. Например, когда вещество в обычной ракете (как порох в фейерверке) При воспламенении в результате химической реакции выделяется тепло и газы, которые выходят из ракеты и заставляют ее двигаться вперед.Кислород, необходимый для горения, переносится (в баллонах или в комбинированном виде) в ракете. так что тяга ракеты не зависит от атмосферы. Другие реактивные двигательные установки зависят от воздух, подаваемый в двигатель, для подачи необходимого кислорода. После выделения тепла в результате горения горячий газы ускоряются через двигатель, так что выходная скорость больше, чем скорость воздушного потока на Вход.

Изображение: ALLSTAR NETWORK ДВИГАТЕЛИ С ТУРБОВентилятором выбрасывает назад большую массу материала при низком скорость для создания прямой тяги.

Как в автономных ракетных двигателях, так и в силовых установках с воздушно-реактивным двигателем тяга, которая может быть генерируется пропорционально массе материала, выбрасываемого из агрегата за заданное время, а также увеличению в массовой скорости по отношению к единице. Следовательно, одна и та же сила прямой тяги может быть создана двумя способами: выбрасывая назад большую массу материала с низкой скоростью в течение заданного периода времени (как в ТРДД) или выбросом меньшей массы материала с более высокой скоростью (как в турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях). двигатели).Двумя источниками массы являются пропеллент или топливо и окислитель или воздух.

Изображение: ALLSTAR NETWORK RAMJET ДВИГАТЕЛИ создают тягу, выбрасывая меньшую массу материала с более высокой скоростью, чем ТРДД. двигатели.

Топливо содержит большое количество потенциальной энергии, которая быстро высвобождается при сгорании. Порция из этой тепловой энергии превращается в полезную работу, перемещая транспортное средство через атмосферу или в космос.Другая часть, однако, в виде кинетической энергии струи теряется и рассеивается в атмосфере. Очень экономичные турбовентиляторные двигатели, используемые в современных двигателях коммерческих самолетов, пытаются минимизировать последняя часть. Для этого они придают продуктам сгорания умеренное увеличение массовой скорости. большая масса воздуха, проходящего через двигатель за данный момент времени. Но турбореактивные и прямоточные двигатели, которые встречаются более строгие требования к сверхзвуковому полету, менее экономичны.

Различные типы реактивных двигателей имеют был разработан для обеспечения необходимой тяги и характеристик двигателя в широком диапазоне скоростей полета и высоты. Воздушно-реактивные турбореактивные, турбовентиляторные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели работают по аналогичным принципам в чувствуют, что они повышают давление всасываемого воздуха перед сгоранием и расширяют высокоэнергетические газы перед они уходят в сопло или выхлопную систему. В турбореактивных двигателях всасываемый воздух проходит через компрессор, чтобы увеличить его давление перед входом в камеру сгорания, затем через турбину перед ускорением в выхлопе сопло.Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель не имеет движущихся частей; он вызывает повышение давления в плунжере при замедлении высокоскоростной всасываемый воздух во впускной диффузор. ПВРД может работать только на высокой сверхзвуковой скорости и, следовательно, требует другого пускового устройства, такого как ракета или турбореактивный двигатель, для его ускорения. до необходимой скорости.

Изображение: ALLSTAR NETWORK TURBOJET ENGINES — которые, как и ПВРД, должны поддерживать сверхзвуковой летные — менее экономичны, чем турбовентиляторные двигатели, которые используются в современных коммерческих самолетах.

Выше определенной высоты плотность атмосферы уменьшается, и реактивное движение возможно только для ракеты. двигатели, которые несут собственный кислород. Ракетные двигатели используют твердое или жидкое топливо. Твердотопливные ракеты — самые старые типов, а их корпуса содержат камеру сгорания и твердое топливо, смешанное с окислителем. Когда топливо При воспламенении газообразные продукты сгорания ускоряются через сопло, создавая тягу. В жидкости ракеты, топливо и кислород хранятся в отдельных баках и подаются с контролируемой скоростью на сгорание.