Содержание
Форсажный двигатель моментально увеличивает скорость истребителей
Ночь. На полосе замерла пара истребителей – ведущий и ведомый. Один позади другого на полсотни метров. Боевые машины готовятся к вылету. Пилот ведущего сосредоточен: он ожидает, что вот-вот поступит команда руководителя полетов… Да! Взлет разрешен, и от ведущего к ведомому по радиоволнам летят слова: «Взлетаем. Форсаж!»
Николай Цыгикало
Последнюю букву в слове «форсаж» ведущий произносит отчетливо. Это знак. Оба летчика одновременно ровным движением переводят ручки управления двигателями до упора вперед, в положение «полный форсаж».
Свист двигателей разрастается в рев и без пауз переходит в надрывный грохот. Из сопел вырастают длинные, почти с сам самолет, струи бело-розового форсажного пламени. Истребители начинают разбег под действием резко выросшей тяги. Большая продольная перегрузка делает рост скорости стремительным. Потому разбег и начинают синхронно, чтобы задний самолет не догнал передний и не отстал от него: здесь решают метры и доли секунды.
Задрав носы и лизнув длинными языками форсажного огня бетонку, пара отрывается от полосы и стремительно поднимается в ночное небо. Грохот удаляется, в небо уходят две звездочки с огненными хвостами. Внезапно они гаснут. Через пару секунд отдаленный грохот резко смолкает. Форсаж выключен. Истребители продолжают набор высоты на максимальном режиме двигателей.
Мгновенное усилие
Форсаж – усиленный режим работы двигателя. Слово происходит от французского forçage – «усиление, принуждение, форсирование». Форсаж дает большое, почти вдвое, увеличение тяги двигателя, уже работающего на максимальном режиме. Много тонн добавочной форсажной тяги, которая позволяет быстро разогнаться при взлете, поддерживать скорость в интенсивных маневрах, развивать сверхзвуковую скорость и догонять цель для атаки.
В форсажном двигателе между турбиной и реактивным соплом вставлена форсажная камера – большая труба с топливными форсунками спереди.
На форсаже в камере сжигаются добавочные килограммы топлива. При их сгорании сильно нагревается газ перед входом в реактивное сопло. Скорость истечения из сопла вырастает вместе с реактивной силой, давая форсажный прирост тяги. При этом количество воздуха, проходящего через двигатель, не изменяется. Не увеличиваются обороты, и так максимальные. Но сильно, в несколько раз, возрастает расход топлива. А потому большинство самолетов способно двигаться в форсажном режиме лишь непродолжительное время. Если этот фактор не учесть, у пилота могут возникнуть большие проблемы.
Все ушло в струю
В нижнетагильском истребительном полку пара самолетов отрабатывала упражнение 108 – перехват крылатой ракеты AGM-28 Hound Dog в стратосфере. Один истребитель изображает цель, другой обнаруживает его в небе и атакует. Оба на сверхзвуке, времени мало; топлива всего три тонны, на форсаже оно горит очень быстро. Летчик нашел цель, зашел в атаку, сблизился, произвел пуск без ракеты.
Из атаки вышел правильно, выпустил воздушные тормоза, доложил на командный пункт: «Форсаж убрал». Но на самом деле не убрал, видимо, забыв в горячке атаки. Час ночи. Летчик уже спустился из стратосферы, а форсаж все еще горит. Спустя время пилот докладывает: «Загорелась лампа аварийного остатка топлива». Руководитель полетов в ответ: «Продублируйте выключение форсажа». Только теперь летчик убрал форсаж и доложил второй раз о его выключении. Но топливо уже сгорело. Удаление до полосы сто сорок километров. Начались расчеты «дотянет – не дотянет», запросы текущего остатка топлива. Летчик доложил: «Двигатель встал». РП дал команду катапультироваться. Пилот покинул самолет в десятке километров от полосы. Дежурный вертолет в два часа ночи доставил на базу невредимого летчика. А советские ВВС лишились боевой машины.
Час ночи. Летчик уже спустился из стратосферы, а форсаж все еще горит. Спустя время пилот докладывает: «Загорелась лампа аварийного остатка топлива». Руководитель полетов в ответ: «Продублируйте выключение форсажа».
Только теперь летчик убрал форсаж и доложил второй раз о его выключении. Но топливо уже сгорело. Удаление до полосы сто сорок километров.
Мифы о форсаже
Форсаж работает в полном соответствии с законами физики, однако принцип его действия вовсе не очевиден, и зачастую предлагаемые трактовки оказываются ошибочными. Что же там происходит? Поток воздуха в воздухозаборник на форсаже не вырастает. Может быть, дело в том, что добавляется объем новых продуктов сгорания? Посчитаем. При сжигании 1 кг керосина расходуется 2,7 м3 кислорода, возникает 2,6 м3 углекислого газа и водяного пара. Баланс объема отрицательный. Сжигание форсажного керосина слегка сократит объем газов. Расход массы на входе в сопло вырастет за счет керосина лишь на несколько процентов. Двигатель всасывает больше центнера воздуха в секунду. Несколько килограммов форсажного керосина увеличат эту массу незначительно. Почему же так сильно растет скорость форсажной струи?
Ответ напрашивается сам собой: из-за роста давления перед входом в сопло! Сгорание топлива в камере нагревает газ, повышает его давление, из-за чего и возникает форсажный прирост тяги.
Однако сколь ни распространено это доступное объяснение, оно в корне неверно. Все движение в авиационном турбореактивном двигателе создает его сердце – газовая турбина. Она вращает компрессор – легкие двигателя, выполняющие огромное, многократное сжатие центнера воздуха в секунду и дающее движение всем другим устройствам. Турбина выполняет колоссальную работу. Для этого ее с большой силой обтекает газ. На каждой ее лопатке он создает силу, слагающую мощность турбины. Течь газ заставляет перепад давлений. Перепад большой, в несколько атмосфер, или в два-три раза. Если разность давлений уменьшить, течение газа сквозь турбину ослабеет. Падение силы на лопатках вызовет потерю мощности. На снижение мощности сразу отзовется компрессор, уменьшит сжатие сотни кубов воздуха в секунду. Воздух сожмется слабее, меньше накачается в двигатель. Давление газа перед турбиной снизится. Так от компрессора отразится и придет к передней стороне турбины волна обвального падения мощности. Ослабеет сжатие в камерах сгорания перед турбиной.
После неустойчивого горения они погаснут. Двигатель встанет.
Механика с гидравликой
К такому сценарию приведет снижение перепада давлений. Турбина выходит своим газодинамическим тылом прямо в форсажную камеру. Даже небольшое повышение давления в камере сразу подступит к лопаткам турбины. Перепад ослабнет, мощность турбины снизится.
Чтобы давление за турбиной не нарастало, применяется хитрая механика. Сброс добавочного температурного расширения газа достигается за счет расширения самой узкой проточной части сопла. Эта сужающаяся часть образована литыми подвижными трапециевидными створками. На двигателе Ал-31Ф от Су-27 таких створок 16. Похожие 16 створок образуют и расширяющуюся часть сопла. Створки меняют и критический диаметр сопла, и диаметр выходного среза. Управляют створками 16 гидроцилиндров, рабочим телом в которых служит топливо. При переходе на форсажный режим критическое сечение сопла расширяется и одновременно увеличивается выходное сечение.
В расширение «сливается» начинающийся рост давления от форсажного нагрева.
Чтобы при розжиге форсажа не возникало случайных повышений давления в форсажной камере, сопло расширяется не синхронно с ростом форсажного горения, а заранее. Створки раскрываются с опережением форсажа. Создается ситуация, когда сопло расширилось, а форсаж еще не разгорелся. И тогда происходит классический провал тяги. Ведь в расширившееся сопло «сливается» обычное давление, пока без форсажа. На форсаже давление за пару секунд восстанавливается до прежнего, при раскрытых створках сопла.
В итоге давление в форсажной камере двигателя Ал-31Ф на форсаже не только не вырастает, но даже незначительно падает, на 0,1–0,2 атм. Перепад давления на турбине практически не меняется, и компрессор продолжает сжимать и закачивать в двигатель центнер воздуха в секунду, столь необходимого для горения топлива.
Откуда же возникает форсажный прирост тяги? Сопло – тепловой двигатель, который совершает работу, разгоняя газ с запасом энергии.
Потенциальную энергию тепла и упругого сжатия газа сопло трансформирует в кинетическую энергию истекающей струи и силу тяги. В скорость истечения преобразуются и сжатие, и нагрев газа. Прибавка энергии любому из них приводит к увеличению скорости. Если добавить газу теплоты, сохраняя давление, скорость струи вырастет. Вырастет тяга и с ростом давления при неизменной температуре. В едином процессе сопло преобразует добавку любой из двух форм энергии. Поэтому нагрев газа перед соплом приводит к росту скорости струи и тяги. Так и возникает форсаж. Можно сказать, что форсажная камера – это большая керосиновая духовка. Она усиливает жар, раскаляя поток перед соплом до тысячи семисот градусов. В этом весь ее смысл. Сопло, как шляпа волшебника, прямым действием превращает жар в добавочную силу.
Остается взглянуть на форсажную струю. Цвет ее зависит от полноты сгорания. Голубой, белый, розоватый, желтый… Пыль в воздухе может менять оттенки огня. Сверхзвуковая струя, покидая сопло, тормозится до дозвуковой скорости.
В струе возникает ряд сверхзвуковых скачков уплотнения. Они стоят друг за другом светлыми пятнами, делая струю визуально полосатой. С удалением от сопла пятен больше: струя тормозится, скачки сближаются, пока не исчезают. Как позже и сама струя, с грохотом уносящая самолет и затихающая в небе.
Двигатель для гиперзвука | Наука и жизнь
Добиться как можно большей скорости летательного аппарата — такова одна из главных задач, стоящих перед авиацией с момента её зарождения. Скорость звука уже превышена в 1,5—2 раза. В недалёком будущем можно ждать появления экономичного гиперзвукового самолёта.
Схема турбореактивного двигателя.
Во время разгона и торможения двигатель работает в прерывистом режиме, и топливо-воздушная смесь разделена порциями чистого воздуха (показаны цветом).
‹
›
Открыть в полном размере
Но есть проблема: распространённые и хорошо освоенные в производстве турбореактивные двигатели разогнать самолёт до таких скоростей не могут.
Сейчас считается, что для такой машины наилучшим образом подходит прямоточный реактивный двигатель.
Тем не менее, конструкторская мысль не стоит на месте. Недавно в редакцию пришло письмо с описанием интересной, хотя, на взгляд скептиков, довольно спорной схемы турбореактивного двигателя.
В своё время, когда разрабатывались первые турбореактивные двигатели (ТРД) для самолётов, и у нас, и за рубежом была принята практически одинаковая схема их конструкции из последовательно соединённых входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины и реактивного сопла. Эта схема стала классической и до сих пор остаётся основой авиационного двигателестроения.
Тяга такого двигателя пропорциональна количеству воздуха, пропускаемого через проточную часть двигателя, и скорости его истечения из сопла. Чтобы повысить скорость истечения газа, нужно повысить его температуру. В настоящее время наиболее совершенные турбинные лопатки выдерживают температуру примерно 1200оС (1500 К), и то непродолжительное время (см.
«Наука и жизнь» № 6, 2007 г.). Тратятся колоссальные средства на создание новых жаростойких и жаропрочных материалов, результаты есть, но хочется большего. Пока существенно увеличить скорость не получается. С законами физики не поспоришь, но можно придумать, как их обойти.
Итак, если мы хотим выйти из тупика, необходимо каким-то образом значительно улучшить функциональные и тепловые показатели ТРД. Для этого придётся отказаться от некоторых традиционных постулатов и устранить фундаментальные конструкторские и технологические несоответствия.
Что я имею в виду? В классической схеме после компрессора воздушный поток разделяется на первичный для горения (30%) и вторичный для охлаждения (70%). Обидно, что в реактивную струю превращается столь незначительное количество воздуха, но это полбеды. Совсем худо, что вторичный поток дробится на десятки струй жаровой трубой камеры сгорания с огромными гидравлическими потерями. Другими словами, в существующих ныне камерах сгорания теряется львиная доля потенциальной и кинетической энергии, приобретаемой воздушным потоком при сжатии в компрессоре.
Кроме того, разделённые камерой сгорания зоны сжатия воздуха и расширения газовой струи находятся на значительном удалении друг от друга. Из-за этого существенно увеличивается масса двигателя и усложняется его конструкция (длинный и тяжёлый вал, соединяющий турбину с ротором компрессора, промежуточная подшипниковая опора, охлаждающие каналы, система подвода смазки и т.д.).
В существующих ТРД при увеличении тяги растёт частота вращения вала. А нужно ли это? В автомобиле, где движителем являются колёса, чем быстрее они вращаются, тем быстрее едет автомобиль. В ТРД, где движителем является сопло, нет необходимости увеличивать частоту вращения ротора, а целесообразно регулировать теплонапряжённость газового потока, то есть повышать или понижать температуру рабочего цикла, определяющую скорость истечения из сопла газовой струи и тем самым увеличивать или уменьшать силу тяги. В ТРД это делают, изменяя подачу топлива.
Переход с режима на режим достигается избыточной или недостаточной его подачей.
В результате на всех режимах, кроме расчётного, происходят потери энергии. Следовательно, падает экономичность. Но даже на расчётном режиме топливо теряется из-за малоэффективного пассивного способа образования топливовоздушной смеси: топливо подают в камеру сгорания и распыляют его форсунками по воздушному потоку или против него, что приводит к столкновению мельчайших капель и образованию более крупных, которые в условиях факельного горения не успевают испариться и сгореть и выносятся газовым потоком в окружающую среду.
Приведённые фундаментальные несоответствия устранимы, если принять концепцию, включающую в себя три составляющие: новую конструктивную схему, новый способ работы и новый принцип регулирования ТРД, защищённые авторскими свидетельствами ещё во времена СССР. Возникает возможность упростить конструкцию, в несколько раз увеличить мощность, существенно повысить экономичность двигателя, уменьшить его габариты и массу, удешевить производство.
Главное конструктивное решение — отказ от камеры сгорания и замена вала полым ротором барабанного типа.
Между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса двигателя создаётся зона сжатия с компрессорными и зона расширения с турбинными лопатками. Ряды лопаток установлены на расстоянии межлопаточного осевого зазора друг от друга. Благодаря этому существенно уменьшаются габариты и масса двигателя: нет камеры сгорания, длинного и тяжёлого вала, массивных дисков турбины, исчезает промежуточная опора и множество вспомогательных узлов и деталей. Проточная часть двигателя теперь будет представлять собой зону сжатия, непосредственно переходящую в зону расширения. Это происходит в критическом сечении, где ротор имеет максимальный диаметр.
Как же теперь быть с многочисленными сложными процессами, протекающими в камере сгорания? В нашем случае все процессы, связанные с образованием топливовоздушной смеси, переносятся в зону сжатия, а процесс горения — в зону расширения непосредственно на турбинные лопатки. Однако необходимо, чтобы выполнялось условие, при котором скорость потока топливовоздушной смеси в критическом сечении превышала бы скорость распространения пламени по потоку, чтобы исключить помпаж, то есть забрасывание пламени обратно в зону сжатия.
Современные средства электроники позволяют удерживать и надёжно контролировать процесс объёмного горения с заданными параметрами в автоматическом режиме.
Воздух из атмосферы через входное устройство поступает в компрессор, или в так называемую зону сжатия, где, например, на уровне третьей или четвёртой ступени в поток подают топливо. Зная расход воздуха в проточной части зоны сжатия, можно с большой точностью рассчитать и подать то количество топлива, при котором коэффициент избытка воздуха α* будет оптимальным.
Образовавшаяся в проточной части зоны сжатия (компрессора) топливовоздушная смесь, пройдя критическое сечение, воспламеняется в сопловом аппарате одновременно по всему объёму и горит с максимальной (стехиометрической) температурой 3000оС при значительно более высоком давлении, чем в камере сгорания обычного ТРД. Другими словами, вместо факельного горения происходит более эффективное — объёмное.
Газовая струя за счёт теплового перепада совершает работу на турбинных лопатках, но уже на значительно более высоком энергетическом уровне, чем в известных двигателях.
При этом львиная доля энергии высокотемпературного потока после турбинных лопаток приходится на работу расширения в реактивном сопле, и благодаря этому тяга двигателя многократно возрастает.
Рассмотрим процессы, протекающие в зонах сжатия и расширения. К атмосферному воздуху в зоне сжатия прикладывается механическая работа, совершаемая лопатками компрессора, которая выражается в повышении степени сжатия воздуха и его температуры. При подаче топлива (авиационного керосина) в воздушный поток, который не дробится на мелкие струи, как в камере сгорания, происходит механическое перемешивание частиц топлива с воздухом вращающимися компрессорными лопатками. Лопатки также разбивают крупные капли, и, следовательно, те быстрее испаряются, способствуя образованию топливовоздушной смеси с высокой степенью однородности, качественному, а главное, быстрому сгоранию и ускоренному истечению газового потока из реактивного сопла. Это не только позволяет достигнуть гиперзвуковых скоростей, но и заметно снизить количество несгоревшего топлива.
Испарение подаваемого в зону сжатия топлива приводит к поглощению теплоты, температура воздуха понижается, а плотность соответственно возрастает без дополнительных энергозатрат. Это значительно повышает не только экономичность, но и кпд тепловой машины.
В предлагаемой схеме процессы сжатия и расширения протекают в непосредственной близости друг от друга. Потенциальная и кинетическая энергия, приобретаемая потоком в зоне сжатия, не теряется и не рассеивается, как это происходит в камерах сгорания.
Здесь обнаруживается ещё один важный эффект. Часть тепловой энергии потока, работающей на вращение турбины, в виде механической работы идёт в основном на сжатие воздуха, и лишь незначительная её доля тратится на поддержание энергетики самолёта и преодоление трения в опорах. Если взять механическую работу, которая идёт на повышение температуры сжимаемого воздуха, то она также не пропадает и не рассеивается в окружающую среду, а переносится испарившимся топливом на турбинные лопатки, где входит составной частью в энергию, превращающуюся в механическую работу сжатия воздуха.
Получается как бы замкнутый круг.
Возникает такая термодинамическая система, у которой часть тепловой энергии постоянно циркулирует внутри неё самой и не уносится в окружающую среду. А освободившееся эквивалентное количество энергии газового потока дополнительно идёт на работу расширения в реактивном сопле, значительно увеличивая тягу двигателя по сравнению с известными силовыми установками.
По-иному происходит в новом двигателе и переход с одного режима на другой. В воздушный поток зоны сжатия предлагается подавать топливо, не меняя положение впускного клапана.
При запуске двигателя топливо подаётся циклически небольшими порциями (прерывисто), а в режиме разгона продолжительность циклов подачи постепенно увеличивается, и система питания плавно переходит на непрерывный режим подачи топлива. Аналогично, но в обратной последовательности двигатель выводится из стационарного режима.
В таких условиях на всех режимах работы двигателя коэффициент избытка воздуха α в топливовоздушной смеси всегда будет оптимальным.
В режиме разгона двигателя влияние частоты вращения ротора на величину тяги сохраняется, так как компрессор ещё не создаёт расчётной степени сжатия воздуха. Поэтому вначале целесообразно применять минимальную продолжительность подачи топлива, но с большей частотой. По мере возрастания частоты вращения продолжительность подачи топлива увеличивают, а частоту впрысков снижают. Этот режим работы предназначен не для полёта, а только для разгона двигателя на земле.
Постепенно температура в критическом сечении и в зоне расширения растёт. Мощность, передаваемая ротору турбинными лопатками, становится настолько большой, что дальнейшее повышение давления и температуры воздуха может привести к самовоспламенению топливовоздушной смеси в зоне сжатия и вызвать помпаж.
Чтобы стабилизировать мощность турбины, предлагается техническое решение, способное удержать частоту вращения ротора на расчётном уровне, а теплонапряжённость газового потока продолжать наращивать, повышая температуру газовой струи до стехиометрической.
Оно состоит в том, чтобы раскрыть сопловой аппарат после достижения максимально допустимого числа оборотов ротора на земле.
Это можно сделать, поворачивая лопатки соплового аппарата так, чтобы уменьшить угол входа газового потока на лопатки турбины, то есть направить его по касательной к ним.
Казалось бы, частота вращения ротора должна упасть, однако уменьшение угла входа потока на рабочие лопатки компенсируется ростом температуры потока и возрастанием его теплонапряжённости. В результате частота вращения ротора двигателя остаётся неизменной (на расчётном уровне), а мощность газовой струи, выбрасываемой из сопла, увеличивается.
Во время полёта с увеличением высоты плотность и давление атмосферного воздуха падают, что неизбежно сказывается на величине давления в зоне сжатия. В существующих ТРД это приводит к падению коэффициента избытка воздуха α, ухудшению экономичности и снижению мощности двигателя.
В новом двигателе с подъёмом достаточно частично закрыть сопловой аппарат, увеличивая угол входа газового потока на рабочие лопатки турбины, таким образом увеличивая частоту вращения ротора пропорционально падению давления воздуха в атмосфере.
На больших высотах температура воздуха существенно ниже, чем около земли, поэтому увеличение частоты вращения ротора не приведёт к самовоспламенению топливовоздушной смеси в зоне сжатия и возникновению помпажа.
Во время снижения самолёта, когда давление атмосферного воздуха вновь возрастает, сопловой аппарат раскрывают, и в результате частота вращения ротора уменьшается до максимально допустимой у поверхности земли. Одним словом, с изменением высоты полёта частоту вращения автоматически меняют обратно пропорционально давлению в зоне сжатия при постоянной подаче топлива.
Очень важно: частоту вращения ротора меняют не для увеличения или уменьшения тяги, а только для сохранения расчётного соотношения топлива и воздуха в смеси!
Пришло время поговорить о системе охлаждения. В её основу положен самый распространённый и наиболее простой способ конвективного охлаждения. В классическом двигателе охлаждающий воздух по пути следования принимает участие в охлаждении многих узлов и деталей, аккумулируя теплоту, и лишь в последнюю очередь поступает во внутренние полости турбинных лопаток с уже высокой температурой и низкой охлаждающей способностью.
Конструктивное оформление системы охлаждения нового двигателя предусматривает отбор необходимого количества воздуха из зоны сжатия перед местом впрыска топлива. Охлаждающий воздух идёт двумя потоками — через каналы в корпусе и через внутреннюю полость ротора. Воздух непосредственно подают внутрь лопаток турбины и соплового аппарата, не заставляя его охлаждать другие узлы и детали. Это позволяет продуть сквозь внутренние полости лопаток необходимое количество воздуха с низкой температурой.
Расчёты показывают, что площадь внутренней охлаждаемой поверхности лопатки должна быть в 2,6 раза больше её рабочей наружной площади. При этом на охлаждение потребуется 25% от поступающего в двигатель атмосферного воздуха, а 75% пойдёт на создание топливовоздушной смеси (сравните с нынешними ТРД, где соотношение диаметрально противоположное, см. с. 49).
Воздушные потоки, выходя из внутренних полостей сопловых и рабочих турбинных лопаток в проточную часть двигателя, образуют внутреннюю и внешнюю теплоизолирующие воздушные прослойки (предохраняя корпус и ротор от разрушающего теплового воздействия) и через реактивное сопло вместе с газовым потоком выбрасываются в атмосферу.
Самолёт, оснащённый новым ТРД, будет способен на крейсерском режиме развивать гиперзвуковые скорости с числом Маха М = 3–4. Процесс его изготовления проще и дешевле, чем ныне существующих, поскольку в нём отсутствуют многие узлы, без которых не построишь обычный ТРД.
Комментарии к статье
* Коэффициент избытка воздуха — это отношение действительного количества воздуха в горючей смеси к теоретически необходимому для её полного сгорания.
Как работают авиационные двигатели?
Назад к ресурсам
Современные самолеты приводятся в движение газотурбинными двигателями, которые пропускают воздух через ряд стадий, где он сжимается, воспламеняется и выбрасывается. Этот процесс создает выхлоп высокого давления, который используется для приведения в движение вращающихся частей двигателя и создания тяги.
Опубликовано: 30 августа 2017 г.
Автор: ehoffman
Работает на воздухе
Airbus A380 — самый большой в мире пассажирский самолет
Для взлета и полета самолетам требуется огромная мощность двигателя.
Полностью загруженный Airbus A380 — самый большой пассажирский самолет в эксплуатации — может весить более 500 тонн на взлете, для чего требуется четыре массивных двигателя, которые вместе создают тягу в 300 000 фунтов.
Двигатели должны разгонять самолет достаточно быстро, чтобы создать достаточную подъемную силу для преодоления силы тяжести. Но в отличие от наземных транспортных средств, которые толкают землю с помощью приводных колес, самолеты создают тягу с помощью винтов или двигателей, которые толкают воздух.
Газотурбинные двигатели заполнены аэродинамическими профилями или «лопастями» различных размеров, прикрепленными к вращающейся оси. Лопасти перемещают воздух через различные ступени двигателя, сжимая и расширяя газ, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.
Как выглядит газотурбинный двигатель?
Ниже приведена схема типичного газотурбинного двигателя. Воздухозаборник слева часто сопровождается большим вентилятором для увеличения всасывания.
Затем воздух сжимается до меньшего объема перед тем, как смешаться с топливом в камере сгорания. Смесь воспламеняется искрой или пламенем, и горячий газ проходит через турбину, которая вращается для питания компрессора и вентилятора. Затем выхлоп высокого давления выходит из задней части двигателя, создавая тягу и толкая самолет вперед. Ступени газовой турбины более подробно описаны ниже.
Схема газотурбинного двигателя
Ступени газотурбинного реактивного двигателя
Большой впускной вентилятор
Вентилятор: Вентилятор расположен в передней части двигателя и является основным воздухозаборником. Большие вращающиеся лопасти всасывают огромное количество воздуха, ускоряя газ и разделяя его на два отдельных потока. Часть воздуха направляется в заднюю часть двигателя для создания тяги, а остальная часть направляется в ядро двигателя, где поступает на следующую ступень.
Компрессор: Компрессор сжимает воздух, всасываемый лопастями вентилятора, сжимая его до меньшего объема и повышая давление.
Секция компрессора имеет несколько рядов лопастей, которые нагнетают воздух во все более мелкие каналы. Сжатие воздуха увеличивает потенциальную энергию и концентрирует молекулы кислорода для более эффективного сгорания на следующем этапе.
Камера сгорания: Камера сгорания подает топливо в сжатый воздух и воспламеняет смесь, создавая расширяющийся газ под высоким давлением. Это самая горячая часть двигателя, где энергия высвобождается при сгорании топлива, а температура может достигать 2000 градусов по Фаренгейту. Камера сгорания снабжена форсунками для впрыска топлива и воспламенителем, чтобы вызвать реакцию. После воспламенения постоянный поток топлива обеспечивает поддержание горения, а расширяющийся газ направляется вниз по потоку в секцию турбины.
Этот вид внутри реактивного двигателя показывает секции компрессора, камеры сгорания и турбины.
Турбина: Секция турбины представляет собой еще один набор вращающихся лопастей, которые приводятся в движение воздухом под высоким давлением, выходящим из камеры сгорания.
Лопасти турбины ловят быстрый воздушный поток и вращаются, приводя в движение вращающийся вал, который вращает вентилятор и компрессор в передней части двигателя. Турбина по существу питает остальную часть двигателя, используя энергию камеры сгорания для поддержания постоянного впуска и сжатия воздуха. Воздух, проходящий через турбину, теряет энергию на вращающиеся лопасти, но то, что остается, перемещается в последнюю ступень выхлопа двигателя, где он выбрасывается для создания тяги.
Истребитель с форсажной камерой
Сопло: Сопло представляет собой конусообразный канал в задней части двигателя. Здесь воздушный поток от ядра двигателя и перепускаемый воздух из секции вентилятора выбрасываются для создания тяги. Сопло двигателя обычно сужается для ускорения выходящего газа, а воздух, выходящий из сопла, воздействует на двигатель с такой силой, которая толкает самолет вперед.
В некоторых двигателях используется форсажная камера для создания дополнительной тяги.
Форсажная камера впрыскивает больше топлива и воспламеняет смесь после того, как она прошла через турбину. Этот процесс значительно увеличивает скорость воздуха, выходящего из сопла, но потребляет избыточное топливо и используется только в течение коротких периодов времени на специализированных военных самолетах.
Как работает реактивный двигатель – Резюме видео
Вот забавное видео, созданное CFM International, в котором анимированные частицы воздуха прослеживаются на каждой ступени турбовентиляторного двигателя с большим двухконтуром.
Улучшение аэродинамического профиля
Один реактивный двигатель может иметь сотни лопастей в секциях вентилятора, компрессора и турбины. Эти лопасти различаются по размеру, форме и составу материала, но все они выполняют важные функции в работе двигателя.
Учитывая экстремальные силы и температуры, присутствующие в газотурбинном двигателе, методы улучшения качества металла, такие как лазерная наплавка, имеют жизненно важное значение для безопасности и производительности двигателя и его компонентов.
Лопасти вентилятора бомбардировщика B-1 обработаны лазером для обеспечения устойчивости к ППП
Устойчивость к ППП: Повреждение посторонними предметами (ППП) представляет серьезную опасность для авиационных двигателей. Мощное всасывание, создаваемое вентилятором и компрессором, может затягивать твердые предметы, такие как куски льда или обломки взлетно-посадочной полосы, потенциально повреждая компоненты двигателя. Лазерная наплавка обеспечивает непревзойденную устойчивость к FOD и, как было показано, значительно предотвращает растрескивание и разрушение, связанные с FOD, в титановых лопастях вентилятора. Лазерная наплавка применялась более 20 лет для защиты важнейших компонентов двигателя бомбардировщика B-1.
Предотвращение усталостного растрескивания: Усталостное растрескивание является еще одной серьезной опасностью для лопаток авиационных двигателей. Поскольку компоненты вращаются с высокой скоростью, каждое лезвие испытывает растягивающее напряжение, которое повторяется в течение миллионов циклов. Если в металле развивается трещина, даже в микроскопическом масштабе, повторяющееся нагружение каждого цикла может постепенно расширять трещину, пока она не станет настолько большой, что лезвие сломается. Лазерная наплавка часто применяется к лопастям вентиляторов, компрессоров и турбин в местах, подверженных растрескиванию и усталости. Глубокие сжимающие остаточные напряжения, создаваемые лазерной наклепом, препятствуют зарождению и распространению трещин, продлевая срок службы лопаток и предотвращая неожиданные поломки.
На следующей неделе мы обсудим различные типы авиационных двигателей: от турбовентиляторных и турбовинтовых до прямоточных и ГПВРД.
Подпишитесь на нас в LinkedIn, чтобы не пропустить ни одной статьи или блога.
Свяжитесь с LSPT, чтобы узнать больше о лазерной обработке компонентов газотурбинного двигателя.
Назад к ресурсам
Хотите увидеть больше?
Расскажите нам о своем применении, материале или механизме отказа, и один из наших экспертов свяжется с вами. Наша обширная библиотека исследований и многолетний опыт дают нам уникальное преимущество в применении анализа конечных элементов, чтобы помочь диагностировать наилучшее приложение для вашей ситуации.
Контактная форма
Инженерная школа Массачусетского технологического института | » Как работает реактивный двигатель?
Как работает реактивный двигатель?
Гораздо эффективнее, чем раньше. Читайте дальше…
Джейсон М. Рубин
Реактивные двигатели создают тягу вперед, всасывая большое количество воздуха и выпуская его в виде высокоскоростной струи газа. Их конструкция позволяет самолетам летать быстрее и дальше по сравнению с винтовыми самолетами.
Их разработка и усовершенствование за последние 65 лет сделали коммерческие авиаперевозки более практичными и прибыльными, открыв мир для деловых путешественников и туристов.
«Обычный реактивный двигатель — это газовая турбина, — говорит Джефф Дефо, научный сотрудник Лаборатории газовых турбин Массачусетского технологического института. «В простейшем случае он состоит из компрессора с лопастями, похожими на крылья, которые вращаются очень быстро. Это втягивает воздух и сжимает его, превращая его в газ под высоким давлением. Затем топливо впрыскивается в газ и воспламеняется. Это делает газ одновременно и высокого давления, и высокой температуры».
Этот горящий поток газа под высоким давлением и высокой температурой теперь проходит через турбину — по сути, еще один набор лопастей, — который извлекает энергию из газа, снижая давление и температуру. «Турбина всасывает газ через двигатель и выходит через сопло, которое заметно увеличивает скорость за счет давления — давление уменьшается, а скорость увеличивается», — говорит Дефо.
«Именно сила выброса газа обеспечивает тягу для движения самолета вперед».
Помимо аспектов сжатия/воспламенения топлива/турбинной мощности реактивного двигателя, оболочка вокруг него также делает его более эффективным, чем открытый пропеллерный двигатель. «Вне оболочки пропеллер «видит» приближающийся к нему воздух с любой скоростью, с которой движется самолет», — говорит Дефо. «Это ограничивает скорость вращения винта до того, как величина результирующей тяги уменьшится, ограничивая скорость полета самолета. Поскольку оболочка реактивного двигателя поддерживает движение воздуха, поступающего в двигатель, с почти одинаковой скоростью независимо от скорости полета, самолет может летать быстрее».
В наши дни реактивные двигатели даже более совершенны, чем базовая конструкция турбины, описанная выше. Теперь у них огромные вентиляторы спереди, и вместо того, чтобы выбрасывать газ прямо сзади, он проходит через вторую турбину, которая питает вентилятор спереди. В то время как старые реактивные двигатели потребляли меньшее количество воздуха и значительно ускоряли его, новые реактивные двигатели поглощали больше воздуха и немного ускоряли его.