Турбовентиляторный реактивный двигатель: Турбовентиляторный реактивный двигатель | Техника и человек

Турбовентиляторный реактивный двигатель | Техника и человек

Реактивный двигатель в свое время дал возможность самолетам преодолевать звуковой барьер и летать на больших скоростях, что стало настоящим прорывом как в гражданской, так и в военной авиации. Но, как это частенько бывает, не все в нем оказалось идеальным. Увеличение мощности повлекло за собой увеличение расхода топлива, что не могло не сказаться на стоимости перелетов. С тех пор авиаконструкторы постоянно ищут решения, позволяющие объединить высокую эффективность с экономичностью. Одним из возможных вариантов является двухконтурный турбореактивный двигатель и в частности его вид – турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД).

Турбовентиляторные реактивные двигатели – это все те же газотурбинные двигатели (ГТД), в семейство которых входят практически все современные авиационные силовые установки. ГТД относятся к тепловым машинам, в которых тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую. Главной особенностью всех ГТД является наличие турбины – вала с лопастями, которые воспринимают часть выработанной энергии и приводят в движение мотор. Наиболее простыми по строению считаются обычные турбореактивные двигатели (ТРД), состоящие из компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. Но, как было отмечено выше, такая конструкция хоть и обеспечивает необходимую мощность, при этом потребляет много топлива. Самыми же экономными в плане расхода топлива считаются турбовинтовые двигатели (ТВД), у которых тягу создает не реактивный поток, а винт, приводимый в движение турбиной. Правда, самолеты, оснащенные такими моторами, не могут преодолевать звуковой барьер, так что их возможности ограничены. Они используются в гражданской авиации на самолетах, летающих на большие расстояния с дозвуковой скоростью. Авиаконструкторы ищут возможность соединить эти два основных типа ГТД, чтобы получить эффективный и экономичный силовой агрегат, и турбовентиляторный реактивный двигатель – это как раз один из результатов их работы.

Перед тем, как перейти непосредственно к ТВРД, стоит обратить внимание на такое понятие, как двухконтурность реактивных моторов. Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) представляют собой обычные реактивные моторы, оснащенные дополнительным – внешним – контуром, который «обволакивает» их корпус. Между внешним и внутренним корпусом есть кольцевой канал, по которому проходит воздушный поток. То есть, при работе двигателя воздушный поток, который всасывает компрессор, попадает не только во внутренний контур, но и во внешний, что увеличивает расход воздуха и повышает эффективность работы. Степень двухконтурности таких двигателей определяется отношением количества воздуха, которое проходит через внешний контур, к количеству воздуха во внутреннем. Чем больше это значение, тем эффективнее работа силового агрегата.

Устройство

А теперь самое время перейти к турбовентиляторному реактивному двигателю, который как раз и является одним из видов ТРДД со степенью двухконтурности больше 2-х. ТВРД, как двухконтурный двигатель, состоит из первого контура – обычного ТРД, и второго. Первый контур включает в себя вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления и сопло. Второй контур представляет собой кольцевой канал с неподвижными лопатками внутри и соплом.

Компрессор высокого давления (КВД), как правило, осевой и состоит из нескольких ступеней, каждую из которых формируют подвижные и неподвижные лопатки, закрепленные на валу. Чем больше ступеней, тем выше степень сжатия воздуха. Подвижные лопатки расположены впереди, они засасывают и сжимают воздушный поток, который потом попадает на неподвижные лопасти, задающие ему осевое направление.

Вентилятор – это своего рода тот же компрессор, его даже порой называют компрессором низкого давления и считают одной из ступеней КВД. Обычно он одноступенчатый, чего вполне достаточно для предварительно сжатия воздуха, но в некоторых случаях встречаются и двух- и трехступенчатые вентиляторы.

Камера сгорания может быть кольцевой или трубчатой. Ее поверхность имеет отверстия для лучшего вентилирования и охлаждения. В самой камере установлены форсунки для подачи топлива.

Турбина высокого давления – это основа мотора. Собственно, это тот же компрессор, только с обратным принципом работы: в случае с турбиной не она воздействует на газовый поток, а поток воздействует на нее, отдавая часть своей энергии. Ее конструкция состоит из неподвижных лопаток, выпрямляющих поток расширенных газов, и подвижных лопаток, которые и создают крутящий момент. Как и компрессор, она может иметь несколько ступеней.

Турбина низкого давления – это свободная турбина, вращающая вентилятор. Она тоже вращается под воздействием расширенных газов Две турбины не связаны между собой механически и работают независимо одна от другой. Вал второй турбины при этом обычно находится внутри вала первой, но есть конструкции, предусматривающие наличие трех валов.

Принцип работы

Принцип работы ТВРД заключается в следующем. Поток воздуха захватывается вентилятором и, частично сжимаясь, направляется по двум направлениям: в первый контур к компрессору и во второй  на неподвижные лопатки. Вентилятор при этом играет роль не винта, создающего тягу, а компрессора низкого давления, увеличивающего количество воздуха, проходящего через двигатель. В первом контуре поток сжимается и нагревается при проходе через компрессор высокого давления и попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с впрыснутым топливом и воспламеняется, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Поток расширяющихся горячих газов направляется на турбину высокого давления и вращает ее лопатки. Эта турбина вращает компрессор высокого давления, который закреплен с ней на одном валу. Далее газы вращают турбину низкого давления, приводящую в движение вентилятор, после чего попадают в сопло и вырываются наружу, создавая реактивную тягу.

В это же время во втором контуре поток воздуха, захваченный и сжатый вентилятором, попадает на неподвижные лопатки, выпрямляющие направление его движения так, чтобы он перемещался в осевом направлении. При этом воздух дополнительно сжимается, после чего попадает в сопло второго контура и выходит наружу, создавая дополнительную тягу. Два контура обычно не смешиваются между собой, но есть и исключения.

Преимущества и недостатки турбовентиляторных двигателей

Преимущества

Чем же так привлекателен турбовентиляторный реактивный двигатель? В первую очередь он дает возможность экономии топлива без потерь мощности, что так важно для реактивных двигателей. Кроме того, этот мотор менее шумный, чем его «сородичи». Еще одно преимущество – наличие упрощенной реверсной системы тяги. При торможении самолета используется тяга внешнего контура.

Недостатки

Что же касается недостатков, не обошлось и без них. Любые дополнительные компоненты конструкции двигателей – это дополнительный вес, что для авиации очень важно, а дополнительный контур немалых размеров – это довольно существенное увеличение массы мотора. Еще один минус – большие габариты, что ведет к повышению значения лобового сопротивления воздуха во  время полета. ТВРД можно безошибочно узнать по характерному виду: они напоминают бочонки с большим сечением. Большой диаметр этих моторов – залог высокой степени двухконтурности, в некоторых моделях через него проходит до 80% воздушного потока. В целях экономии и уменьшения веса второй контур выполняют не по всей длине двигателя, а немного меньше, в результате чего из объемного «бочонка» сзади выглядывает конус первого контура.

Применение

Турбовентиляторные реактивные двигатели успешно используются на современных самолетах отечественного и зарубежного производства. Из «родных» стоит выделить ПС-90А и Д-18Т; из зарубежных — General Electric GE90, CFM56-5А/B, CFM56-5C2.

Сфера применения ТВРД очень широкая. Это наиболее востребованный вид авиационных реактивных двигателей на сегодняшний день, который значительно потеснил свой прототип – классический ТРД. Благодаря своей экономичности, он используется и в гражданской, и в военной авиации. Им оснащаются пассажирские и грузовые самолеты, летающие на дальние и средние расстояния, хотя раньше в целях экономии на них устанавливались ТВД. Сейчас же появилась возможность летать быстро и сравнительно недорого, и все благодаря ТВРД.

Отечественные двигатели под крылом самолета

ПС-90 под крылом Sukhoi Superjet 100

Д-18Т и он же под крылом АН-124

Зарубежные образцы двигателей

ТВРД General Electric GE90

ТВРД Rolle Royce Trent 970

Как это работает. Турбореактивный двухконтурный двигатель

Фото: ОАК

22 апреля 1941 года конструктор Архип Люлька получил авторское свидетельство на схему турбореактивного двухконтурного двигателя. Сегодня по схеме Люльки выпускается большинство турбореактивных двухконтурных двигателей в мире. 

Об устройстве турбореактивных двухконтурных двигателей и новых возможностях, которые они принесли в авиацию, – в нашем материале.

История создания

Поршневые двигатели, аналогичные тем, которые и сегодня стоят под капотом любой легковушки, поднимали в небо самолеты в первые сорок лет истории авиации. Во время Второй мировой войны, когда скорость боевых машин имела критическое значение, стало понятно, что поршневые самолеты подошли к своему пределу, и нужно искать что-то новое. Этим новым стал реактивный двигатель. 

Еще в 1903 году, когда взлетали первые самолеты братьев Райт, Константин Циолковский предложил применять реактивную тягу для преодоления притяжения Земли в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В СССР самым успешным проектом ТРД стали работы авиаконструктора Архипа Люльки. Разрабатывать тему он начал еще в 1930-е годы. Осенью 1940 года группа конструктора в Ленинграде закончила проект двигателя, получившего название РД-1. В 1941 году Люлька запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, которая и сегодня является эталоном для подобных силовых установок во всем мире.

Турбореактивный двигатель РД-1

К началу Великой Отечественной войны команда Люльки успела на 70% выполнить двигатель РД-1 в металле, но эвакуация на Урал прервала работы. Когда стало известно, что немцы достигли успеха в реактивном двигателестроении, об Архипе Люльке вспомнили. Вместе с командой саперов конструктор смог вывезти из блокадного Ленинграда чертежи и детали своего реактивного первенца и возобновить разработки. В 1947 году состоялся первый полет истребителя-перехватчика Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработанными в конструкторском бюро Архипа Люльки. Это была победа конструктора и начало длительного сотрудничества с КБ Павла Сухого.

Принцип работы турбореактивного двигателя

Если говорить совсем просто, не погружаясь в глубины термодинамики, то турбореактивный двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию в механическую работу. В качестве носителя энергии выступает атмосферный воздух, который, сжимаясь и расширяясь в двигателе, приводит самолет в движение.  

Для получения максимального полезного эффекта в ТРД воздух перед сжатием необходимо охладить, а перед расширением нагреть. Поэтому механизм турбореактивного двигателя можно условно разделить на устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. В ТРД в их качестве выступают компрессор, камера сгорания, турбина, а за охлаждение газа отвечает атмосфера. 

Сам процесс работы двигателя можно описать следующим образом. Воздух затягивается внутрь установки посредством компрессора с рядами рабочих лопаток на оси и затем сжимается. Далее в камере сгорания воздух смешивается с продуктами горения топлива, нагревается и расширяется. Затем расширенный газ на огромной скорости подается на турбину, также оснащенную лопатками, которая в свою очередь вращает компрессор. После этого раскаленный газ вырывается наружу через реактивное сопло, толкая самолет вперед. Скорость самолета при этом зависит от массы и скорости выходящих газов.  

Самой нагруженной частью ТРД является турбина, скорость вращения которой может составлять до 30 тыс. оборотов в минуту. А температура в камере сгорания может подниматься до 1,5 тыс. °C.

Чем отличается двухконтурный ТРД

В 1950-е годы, когда турбореактивные двигатели распространились в авиации, встал вопрос об их «прожорливости», то есть об уменьшении потребления топлива при сохранении мощности. Тогда Архип Люлька смог вернуться к своему проекту 1941 года – двухконтурному ТРД. 

Конструктор предложил добавить в установку еще один воздушный контур. При этом поступающий в двигатель воздух делится на два потока. Один поток, как и в прежних ТРД, поступает во внутренний контур. Другой поток воздуха проходит по внешнему контуру, минуя нагрев, и выбрасывается сразу в сопло вместе с горячими газами, что и создает дополнительную тягу. 

Таким образом при сохранении нужной скорости можно экономить топливо. На дозвуковых скоростях турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) обеспечивает экономный режим, а при необходимости самолет может выходить в режим форсажа и достигать сверхзвуковых скоростей. По этой схеме сегодня работает большинство турбореактивных двигателей в мире. 

Двигатель АЛ-31Ф М2. Фото: wikimedia.org

Важным параметром в ТРДД является степень двухконтурности, то есть соотношение объемов газов, проходящих по внешнему и внутреннему контуру. Чем выше показатель, тем менее «прожорлив» двигатель. Для военных самолетов, где расход топлива не так критичен, как большая тяга, применяются ТРДД с низкой степенью двухконтурности. А в пассажирских самолетах основная тяга двигателя создается за счет внешнего контура, поэтому они более экономичны, что влияет на стоимость перелетов. 

Архип Люлька не дожил всего год до окончания государственных испытаний своего детища в 1985 году, но застал его массовый старт. Производство первого советского ТРДД, получившего название АЛ-31Ф в честь своего создателя, началось в 1981 году. Этот турбореактивный двухконтурный двигатель стал основой для целого семейства силовых установок, предназначенных для военной авиации. ОКБ имени А. Люльки – филиал ПАО «ОДК-УМПО» продолжает модернизировать АЛ-31 – возможности для его развития еще далеко не исчерпаны.

Турбовентиляторный двигатель (ТВРД) и его дальнйшее развитие — турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). Экономичность + тяга.

Итак, высокая тяговая эффективность плюс экономичность. Два кита современного авиационного двигателестроения. И то и другое очень важно. Но для газотурбинного двигателя (ГТД) совместить эти два часто противоположных понятия бывает достаточно сложно.

Из всех ГТД, используемых на самолетах, самый экономичный – это турбовинтовой двигатель (ТВД). Но летать с достаточно большой скоростью на нем невозможно. Зато это можно сделать, используя ТРД. Однако, тогда можно забыть об экономичности.

Идея о том, чтобы каким-нибудь образом сблизить две противоположности, ТРД и ТВД, сделать из двух половинок одну выдающуюся вещь уже давно витает в воздухе. Использование большой степени двухконтурности как раз и есть верный (и большой!) шаг в этом направлении.

О нем сегодня и поговорим, и сразу окажем отдельное внимание двигателю, который является на данный момент, пожалуй, самым распространенным в общей массе ТРД. Это турбовентиляторный двигатель (ТВРД). Именно по причине его распространенности и очень частого использования, я решил рассказ о нем разместить отдельно.

В предыдущей статье о двигателях, подобных ему, вобщем-то было уже сказано немало. Ведь турбовентиляторный двигатель – это двухконтурный  двигатель (ТРДД) с большой степенью двухконтурности (К>2). Степень двухконтурности (К), как мы уже говорили, это отношение массы воздуха, проходящего через второй контур к массе воздуха, проходящего через первый.

Схема турбовентиляторного двигателя.

Чем выше степень двухконтурности, тем выше экономичность двигателя. А ведь именно за этим в наше время всеобщих и всевозрастающих дефицитов, в том числе и дефицита природных углеводородов, коим является керосин в баках практически любого современного пассажирского лайнера (или транспортного самолета), как раз и гоняются (можно так сказать :-)) все авиастроители и эксплуатанты современных самолетов.

Экономичность (по сравнению с ТРД) при хороших тяговых показателях – это, как я уже сказал, главное (и перекрывающее все недостатки :-)) достоинтсво двухконтурных турбореактивных двигателей, еще в большей степени относящееся к турбовентиляторным двигателям. К тому же такие двигатели значительно менее шумны и это тоже замечательное положительное качество.

Турбовентиляторный двигатель обычно можно без труда отличить от других ТРД, в том числе и от ТРДД с малой степенью двухконтурности, по внешнему виду. Они частенько, скажем так, «короткие и толстые». Этакие бочонки на пилонах 🙂 (справедливости ради добавлю, что это не правило, но все же… :-)).

Двигатель GE90 на самолете Boeing-777-200LR. Каков «бочонок»? 🙂

Особенно яркие представители этого класса: General Electric GE90 (степень двухконтурности 8,14), устанавливаемые на Boeing-777-200/300 ; CFM56-5А/B (степень двухконтурности 5,5-6,0), устанавливаемые на самолеты семейства А320 ; CFM56-5C2 (степень двухконтурности 6,6), устанавливается на А340-200/300.

Двигатель GE90-115B.

Самолет Boeing-777-312ER с двигателями GE90.

Двигатель CFM56-5.

Самолет А340-200.

Причина такой их внешности проста. Ведь главный прирост тяги в ТРДД обеспечивается за счет увеличения расхода воздуха, а это, в свою очередь, можно сделать увеличивая размер проходного сечения, то есть попросту диаметр движка. Вполне понятно, что основная масса воздуха (на современых двигателях от 80% и больше) пойдет через второй контур. Для того, чтобы это обеспечить используется так называемый вентилятор. Он представляет собой рабочее колесо копрессора большого диаметра, которое подает воздух в оба контура, и в первый и во второй.

В первом воздух, уже немного повысив свое полное давление в рабочем колесе вентилятора, поступает в компрессор низкого давления (КНД) и далее все, как в обычном ТРД. То есть оставшаяся часть компрессора (КНД плюс КВД), камера сгорания, турбина и сопло. Об этом я уже писал, неоднократно, в частности здесь и здесь.

А во втором контуре воздух, сжатый (степень сжатия невысока, 1,5 — 2)) после рабочего колеса вентилятора, проходя дальше по кольцевому каналу, попадает на венец неподвижных лопаток направляющего аппарата (НА).

Работа турбовентиляторного двигателя с большой степенью двухконтурности без смешения потоков.. А — ротор НД, В — ротор ВД, С — корпус (статор) ; 1- мотогондола, 2 — вентилятор, 3 — КНД, 4 — КВД, 5 — камера сгорания, 6 — ТВД, 7 — ТНД, 8 — сопло первого контура, 9 — сопло второго контура.

В нем он немного повышает свое статическое давление. Происходит это потому, что проходы между лопатками направляющего аппарата имеют вид расширяющегося канала и воздух в нем тормозится. По закону Бернулли давление в потоке растет. Так работают все осевые компрессоры, а закон Бернулии – один из основных в аэродинамике. О нем я ранее уже упоминал.

В НА поток выравнивается в осевом направлении и далее попадает в сопло, где и создается реактивная тяга. Рабочее колесо вентилятора вместе с лопатками НА являют собой, по сути дела, ступень компрессора низкого давления. Таких ступеней у турбовентиляторного двигателя может быть и две и, гораздо реже, три. Но в основном, конечно, одна. Рабочее колесо вентилятора на подавляющем большинстве ТВРД вращается в гордом одиночестве :-).

Из-за необходимости пропускать большой объем воздуха через второй контур, диаметр двигателя достаточно велик. И как раз из этой положительной необходимости и проистекают два главных недостатка ТВРД.

Первое – это сам большой диаметр. Он очень даже бросается в глаза, особенно на самолетах с двумя двигателями (в отличие от четырех), например на В-777, или А320. Такой большой лобовой размер обязательно означает большое лобовое сопротивление. От этого никуда не деться, поэтому и применяются такого рода двигатели на больших, пассажирских и транспортных, самолетах, для которых более важна экономичность, нежели скорость.

А второе – это масса, слово для любого авиапроектировщика неприятное :-). Ведь не зря при проектировании часто бывает, что борьба ведется чуть ли не за граммы веса. Размер практически всегда тянет за собой массу, этого тоже не избежать. Остается только уменьшать ее каким-либо другим способом.

Из этих соображений канал второго контура вместе с выходным соплом на ТВРД с большой двухконтурностью выполнен укороченным (короче – меньше масса). То есть расстояние от входа и до среза сопла во втором контуре значительно меньше, чем в первом. Первый контур «торчит» этаким удлинненным конусом из центральной части «бочонка», коим является турбовентиляторный двигатель :-).

Это кстати еще означает, что такие ТРВД, большого диаметра и, соответственно, большой степени двухконтурности работают без смешения потоков (об этом здесь). Однако ТРВД с более низкой степенью двухконтурности могут выполняться и со смешением потоков.

Двигатель PW4084 для самолетов Boeing-777-200/300. Пример двигателя без смешения потоков. 1 — воздухозаборник, 2 — узлы крепления двигателя, 3 — пилон, 4 — агрегаты двигателя, 5 — сопло второго контура, 6 — сопло первого контура.

Двигатель V2500 для самолетов Airbus A320 и MD-90. Пример двигат еля со смешением потоков в мотогондоле. 1 — воздухозаборник, 2 — пилон, 3 — агрегаты двигателя, 4 — система реверса, 5 — кольцевой смеситель, 6 — общее сопло.

Российские (советские) двигатели типа ПС-90А (степень двухконтурности 4,5 ; самолет ИЛ-96-300/400, ИЛ-76МД, ТУ-204/214) или Д-18Т (степень двухконтурности 5,6 ; самолет АН-124 «Руслан», АН-225 «МРИЯ») в своих мотогондолах выглядят постройнее (скорей всего из-за меньшей степени двухконтурности, или конструктивного исполнения) :-).

Турбовентиляторный двигатель ПС-90А.

Самолет ТУ-204-100.

Транспортный ИЛ-96-400Т и ИЛ-76 с двигателями ПС-90А.

Турбовентиляторный двигатель Д-18Т.

Транспортный самолет АН-124 «Руслан» с двигателями Д-18Т.

Транспортный самолет АН-225 «МРИЯ» с двигателями Д-18Т. Самый большой в мире и в единственном экземпляре.

Еще одна конструктивная особенность турбовентиляторных двигателей с большой степенью двухконтурности позволяет уменьшить общую массу движка. Это упрощенная и облегченная система реверса тяги, применяемая при торможении после посадки. Это можно отметить уже как положительное качество. Получается оно за счет того, что реверсирование происходит только с использованием воздуха второго контура, который не имеет ни высокой температуры ни высокого давления.

Реверс тяги на A340 с двигателями CFM56-5C.

Из-за небольших относительных по длинне размеров внешний корпус второго контура вместе с выходным соплом иногда принимают за обтекатель вентилятора. На самом деле это конечно не так. Однако существуют двигатели, внешне похожие на турбовентиляторные, у которых этот обтекатель есть.

Это турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД). Считается, что такой тип двигателя в определенном смысле дальнейшее развитие ТВРД. Степень двухконтурности такого двигателя очень высока и теоретически может изменяться до 20 и даже больше, вплоть до 90 едениц.

Главная его особенность в том, что вентилятор турбовентиляторного двигателя, представляющий в нем по сути ступень компрессора низкого давления, в ТВВД превратился в винтовентилятор, который представляет из себя либо два соосных многолопастных винта относительно малого диаметра, вращающихся в разные стороны, либо один винт такой же конфигурации. Лопасти этих винтов специального профиля и формы, саблевидные. Шаг лопастей изменяемый.

Теоретически такие двигатели занимают, в общем-то, среднее положение между ТВРД и ТВД. Диаметр винтовентилятора меньше диаметра обычного винта (при прочих равных условиях) примерно на 40%. Специальная форма лопастей делает возможной динамическое повышение давления воздуха после прохождения винтовентилятора и на вход в компрессор он поступает уже предварительно динамически сжатым. То есть прослеживается аналогия с ТВРД.

Схема турбовинтовентиляторного двигателя.

Однако по данным исследований и испытаний ТВВД в крейсерском полете при одинаковой с ТВРД дальности полета и коммерческой нагрузке расходует топлива на 25-30% меньше. То есть эффект значительный.

Ранее я уже говорил, что двухконтурные ТРД (и конечно же турбовентиляторные двигатели, к ним относящиеся) выполняются чаще всего по многовальной схеме. То есть каждый узел компрессора (КНД, КВД) а также вентилятор вращает своя турбина. В механическом плане они друг от друга не зависят и соединены между собой отдельными валами, конструктивно расположенными один внутри другого.

Но если вентилятор в турбовентиляторном двигателе приводится непосредственно от вала турбины низкого давления (ТНД) (либо свободной турбины), то винтовентилятор в ТВВД получает вращательный момент от той же турбины через промежуточный редуктор, обычно расположенный в передней части движка перед компрессором.

Сделано это, во-первых, из соображений придания винтам винтовентилятора разного направления вращения (если винтовентилятор двойной), а во-вторых (и это главное :-)) для того, чтобы винт имел пониженную по сравнению с турбиной частоту вращения и, тем самым, было бы обеспечено правильное оптимальное обтекание воздушным потоком лопастей винта с обеспечением его достаточно высокого КПД.

Редуктор (чаще всего он бывает планетарного типа, дифференциальный), являющийся столь важным узлом для турбовинтовентиляторного двигателя, одновременно и слабое место в его конструкции. Он имеет самый низкий КПД из всех шестеренчатых редукторов, надежно работает только до тяги винта порядка 18 тонн (после возможны разрушения), чувствителен к качеству масла, его температуре и давлению.Расход масла в этом редукторе довольно велик.

Однако работы в этом направлении продолжаются и стоит сказать, что по этому же пути в свое время пошли некоторые двигателестроительные фирмы. Именно поэтому в эксплуатации сейчас находятся также и редукторные турбовентиляторные двигатели (geared turbofan). У них вентилятор приводится от вала турбины через планетарный редуктор.

Турбовентиляторный двигатель с редуктором вентилятора. 1 — вентилятор, 2 — редуктор.

И вентилятор и приводящая турбина в результате работают в наиболее подходящих для себя условиях. Считается, что такой двигатель работает более эффективно, расходует меньше топлива, имеет меньшую массу, более простой узел турбины, меньше шумит.

Для примера, двигатель-ветеран такого класса – это изделие американской фирмы Lycoming (ныне Honeywell Aerospace) ALF 502. Он устанавливался на региональные самолеты British Aerospace 146 и самолеты бизнес-класса Bombardier Challenger 600.

Турбовентиляторный двигатель ALF502 с редуктором вентилятора.

Региональный самолет British Aerospace 146-200.

Самолет Bombardier Challenger 604 с двигателями ALF502.

А сейчас усиленно рекламируется ультрасовременный geared turbofan производства фирмы Pratt & Whitney — PW1000G. Он успешно прошел испытания (для этого использовалась летающая лаборатория на базе Boeing-747) и теперь планируется к установке на разрабатываемые и вновь запускаемые в серию новые региональные самолеты, такие как Bombardier C-серии, Mitsubishi Regional Jet и Ирку́т МС-21. Последний из этого списка – это разработка российских КБ. Его планируют запустить в серию к 2017 году.

Двигатель Pratt & Whitney — PW1000G с планетарным редуктором вентилятора.

Планетарный редуктор двигателя типа geared turbofan.

Перспективный самолет Bombardier CS-300.

Перспективный самолет Mitsubishi Regional Jet (модель) на котором планируются к установке двигатели Pratt & Whitney — PW1000G

Самолет МС-21 Иркут с двигателями Pratt & Whitney — PW1000G.

Помещаю здесь небольшое видео об этом двигателе и его преимуществах. Оно на английском языке, но даже людям его не знающим будут понятны общие принципы (а большего и не нужно :-))

Однако вернемся к ТВВД. Надо сказать, что они могут быть выполнены как с обтекателем винтовентилятора, так и без него, в зависимости от замысла конструктора и возможностей его реализации.

Широким представительством турбовинтовентиляторные двигатели похвастаться не могут, к сожалению. Наиболее широко известен сейчас двигатель Д-27 (разработка и производство: Запорожское машиностроительное конструкторское бюро „Прогресс“ имени академика А. Г. Ивченко ), который предназначался для установки на новые высокоэкономичные пассажирские и транспортные самолеты с улучшенными взлетно-посадочными характеристиками. Это такие, как АН-70, АН-180, БЕ- 42, ЯК-44.

Турбовинтовентиляторный двигатель Д-27.

Самолет ЯК-44 (макет). На нем планировалась установка двигателей Д-27. Работы по созданию самолета прекращены.

К сожалению, самолетам из этого списка (неполного к тому же), мягко говоря, сильно не повезло :-). Большинство из них по тем или иным причинам (главная – это, вобщем-то развал Советского Союза) не используют двигатель Д-27, либо не летают вообще.

Единственный успешно летающий самолет – это АН-70. Он хорошо показывает преимущества турбовинтовентиляторного двигателя Д-27. Да и сам по себе выглядит и летает очень неплохо :-).

Транспортный самолет АН-70 с двигателями Д-27.

А Д-27 по сути дела единственный на данный момент в мире, готовый к эксплуатации турбовинтовентиляторный двигатель без внешнего обтекателя (капота) винтовентилятора. Его предшественник — двигатель Д-236, созданный на основе Д-36. Он был разработан на том же предприятии для отработки концепции турбовинтовентиляторного двигателя. Испытывался на самолетах-лабораториях ИЛ-76ЛЛ и ЯК-42Е-ЛЛ.

Двигатель Д-236 на самолете ЯК-42Е-ЛЛ. Вид сзади.

Двигатель Д-236 на самолете ЯК-42Е-ЛЛ.

Второй известный двигатель типа ТВВД это НК-93. На нем уже установлен обтекатель. Еще говорят, что винтовентилятор закапотирован. Этот двигатель чисто российский и в техническом и инновационном плане является продуктом очень высокого качества.

Один маленький пример. По подсчетам специалистов, на самолете ИЛ-76 вместо ныне стоящих четырех турбовентиляторных Д-30КП (или ПС-90А-76) можно было бы поставить два НК-93. При этом дальность ила увеличилась бы на 45%.

Этот двигатель мог быть успешно использован на перспективных и ныне летающих самолетах, таких как ТУ-204, ТУ-214, ТУ-330, ИЛ-96, ИЛ-76, существенно улучшая их характеристики.

Однако судьба этого движка незавидна. Работы по нему начались еще в 1985 году на СНТК им. Н.Д. Кузнецова в Самаре и вначале шли довольно удачно. Но потом начались мытарства, не завершившиеся по сей день. Пресловутая перестройка, практически полное отсутствие финансирования, произвол, недальновидность и иной раз, я бы сказал, саботаж чиновников и руководителей различных рангов. Этот список сейчас, к сожалению, известен всем живущим в России.

Турбовинтовентиляторный двигатель НК-93.

Схема двигателя НК-93.

Испытания и дальнейшие работы по совершенствованию двигателя были практически полностью остановлены. Из 10-ти построенных НК-93 в воздух не поднялся ни один. И только в мае 2007 года удалось начать летные испытания. Двигатель «полетел» на летающей лаборатории ИЛ-76ЛЛ на аэродроме ЛИИ в Жуковском. Причем это произошло вовсе не потому, что появились деньги, а только благодаря энтузиазму и самоотверженности специалистов и некоторых трезвомыслящих руководителей.

Самолет ИЛ-76ЛЛ с двигателем НК-93.

Двигатель НК-93 под крыло ИЛ-76ЛЛ.

Однако дальше дело не двинулось, а теперь и вовсе застопорилось. Через три года двигатель опять перевезли в Самару и теперь удастся ли его вытащить «из этой помойки» ( слова Владимира Пташина, заместителя генерального директора ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова») совсем непонятно.

И это при том, что за рубежом двигателя такого класса до сих пор (пока!) еще нет, а НК-93 готов уже как минимум на 80%. Причем известно, что в России существует постоянный, непроходящий дефицит авиационных двигателей. Вобщем все, как всегда. Наступаем на те же грабли. Прошу прощения за то, что несколько отвлекся, но знаете ли, «за Державу обидно»….

Вернемся, однако, к чисто техническим вопросам :-)…
За рубежом в экспериментальном варианте существует еще несколько моделей интересных, необычных по виду двигателей. Все они выполнены по одинаковой схеме и самый, пожалуй, известный среди них это так называемый двигатель с открытым ротором (Open Rotor Jet Engine), носящий наименование GE36. Это разработка компании General Electric (GE) в сотрудничестве с NASA.

Двигатель GE36 на самолете MD-81.

Но это не последнее для него название :-). Его также ниогда именуют Ultra High Bypass Turbofan. То есть турбовентиляторный двигатель со сверхвысокой степенью двухконтурности.

Схема двигателя GE36.

Еще одна (объемная) схема двигателя GE36.

Кроме того этот двигатель также иногда называют турбовинтовентиляторным ( по-английски propfan), хотя отличие в организации воздушного потока первого контура по сравнению с классическими ТВВД (Д-27 и НК-93) видно сразу. Еще одно название двигателя GE 36 — Unducted fan (UDF- принятое как основная маркировка), что я бы перевел как бесканальный турбовентиляторный двигатель. Это в том смысле, что канала второго контура на нем как такового нет. Впрочем это относится ко всем ТВВД :-).

Он тоже занимает некое промежуточное положение между ТВРД и ТВД. В этом плане высокие тяговые характеристики турбовентиляторного двигателя сочетаются с с высокой экономичностью турбовинтового. Вентилятор в нем полностью вынесен наружу за корпус двигателя в заднюю его часть и превратился в два соосных многолопастных вращающихся в противоположные стороны винта, которые приводятся от газового потока по принципу свободной турбины. Лопасти винтов саблевидные (типа ятаган), изменяемого шага.

Форма лопастей обусловлена старанием разработчиков обеспечить их максимально-возможную эффективность на больших скоростях вращения. Отклонение передней кромки лопасти назад ( как изогнутая сабля) сродни стреловидности крыла самолета, предназначенного для полета со скоростями выше 700 км/ч (в том числе и на сверхзвуковых скоростях).

Это позволяет уменьшить влияние одного из видов аэродинамического сопротивления — волнового. Оно возникает при обтекании поверхности воздушным потоком с около- и сверхзвуковой скоростью. А именно такие условия обтекания возможны на концах лопастей воздушного винта при большой частоте вращения, либо при большом диаметре винта.

Открытый ротор GE36 это и есть, по сути дела, воздушный винт. Поэтому стреловидность его лопастей меняется по принципу ятагана для обеспечения их высокой эффективности. Предполагается, что специальная конструкция и форма лопастей позволит самолету с такими двигателями достичь скоростей порядка 850 -900 км/ч.

Немного овлекаясь скажу, что и на двигателе Д-27 лопасти винтов имеет саблевидную форму по той же вышеописанной причине. Кроме того на многих турбовентиляторных двигателях (особенно безредукторных и с вентилятором большого диаметра) лопатки вентилятора тоже имеют своеобразную, довольно сложную форму, способствующую более эффективному обтеканию их и следующих за ними элементов воздушным потоком.

Двигатель GE90 на самолете Boeing 777-300ER. Обратите внимание на размеры и форму лопаток вентилятора.

На этой фотографии турбовентиляторный двигатель GE90, считающийся самым большим двигателем в мире (по диаметру входа), на самолете Boeing-777-300ER. Обратите внимание на форму лопаток его вентилятора. Это то, о чем я писал выше. Заодно оцените размеры. Каково, а :-)? (Молодой человек на фото удобен для сравнения :-).)

Однако, вернемся к нашим баранам :-)… Испытания двигателя GE36 проводились еще во второй половине 80-х годов на базе самолета McDonnell Douglas MD-80 (MD-81 UHB) и Boeing-727. Тогда была зафиксирована его высокая экономичность. По сравнению с ТВРД (при прочих равных условиях) она составила порядка 30-35%.

Самолет МD-81 с двигателем GE36.

Boeing-727 с двигателем GE36.

Двигатель GE36.

Главным недостатком такого двигателя оказался сильный шум, производимый вращающимися лопастями. Это была одна из причин прекращения его практических испытаний. В настоящее время проводится дальнейшая проработка двигателя в лабораториях NASA.

Особенно активизировалась она с 2008 года. GE и NASA активно сотрудничают с франзуской авиастроительной фирмой SNECMA по вопросу разработки лопастей винтовенилятора. А с 2008 года таким же двигателем вплотную занялась фирма Rolls-Royce. На рисунке их опытная модель RIG 145 (степень двухконтурности 50).

Перспективный двигатель с открытым вторым контуром фирмы Rolls-Royce.

Мысль человеческая, как видите, штука пытливая. Постоянно появляются новые идеи, часто способные поднять авиационное двигателестроение на все более высокий уровень. Это, конечно, факт. Только очень бы хотелось, чтобы это почаще происходило именно у нас, в России. Тем более, что возможности для этого еще не иссякли. Нужно только побороть кое-какие беды. Дороги, вот, вроде делаются, значит осталось последнее……

В заключение еще видео. К сожалению, сегодня все ролики о движках на английском. Но я все же решил их разместить, потому что, во-первых, других нет :-), а во-вторых, несмотря на другой язык все довольно понятно и ролики создают правильное общее впечатление и дают верные понятия о работе и преимуществах турбовентиляторных и винтовентиляторных двигателей. А если что-то непонятно, спрашивайте, я разъясню, все что знаю сам :-).

Первые четыре ролика – рекламные фирмы GE. В самом первом, кстати, показаны испытания GE36. Показаны так же различные типы турбовентиляторных двигателей, в том числе GE90 и GEnx (для нового лайнера Boeing-747-8), принцип их работы, преимущества и заводская сборка. Крайний ролик – полет АН-70.

На сайте есть отдельная статья, посвященная принципиальному описанию ТВВД.

На этом сегодня все :-). До новых встреч, буду рад видеть вас на сайте снова :-).

Фотографии кликабельны.

This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ, МИР АВИАЦИИ and tagged ТВВД, ТВРД. Bookmark the permalink.

Турбина всему голова

Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.

Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.

Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла. Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.

Схема турбовентиляторного реактивного двигателя. Слева направо: вентилятор, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, вал компрессора низкого давления, вал компрессора высокого давления, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, сопло.

K. Aainsqatsi / wikipedia.org

Поделиться

Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.

Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.

Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.

В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.

НК-93

avia-simply.ru

Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.

Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.

Турбовентиляторный реактивный двигатель на самолете Boeing 777-300

Boeing

Поделиться

Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.

Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с открытым винтовентилятором

Hamilton Sundstrand Corporation

Поделиться

Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет большую степень сжатия.

Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.

thinkdefence.co.uk

Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно. По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.

Схема турбовинтовентиляторного реактивного двигателя с закапотированным ротором

avia-simply.ru

Поделиться

Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составить около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняются недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.

Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором. Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.

Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Д-27

green-stone13.livejournal.com

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.

Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.

С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.

Василий Сычёв

Что такое турбовентиляторный двигатель | Как работает турбовентилятор?

Содержание

Реактивные двигатели используются во всем мире для различных типов самолетов. Существуют различные типы реактивных двигателей, и турбовентиляторный двигатель — один из них. Реактивный или турбовентиляторный двигатель — это известный вид двигателя из категории реактивных двигателей. Турбовентиляторный двигатель чаще всего используется в авиационных силовых установках. Турбовентилятор имеет дополнительный вентилятор, который помогает разогнать большую массу без сжигания дополнительного топлива.

Что такое турбовентилятор?

Турбовентиляторный двигатель — это модифицированный тип реактивного двигателя, в котором для создания тяги используется комбинация байпасного воздуха и эффлюента реактивного ядра. Обходной воздух вдувается через канальный вентилятор. Реактивный сердечник приводит в движение этот канальный вентилятор. Турбовентиляторный двигатель также известен как байпасный или вентиляторно-реактивный двигатель.

Термин «турбовентилятор» означает «турбина» и «вентилятор», часть «турбина» представляет газовую турбину, которая получает механическую энергию за счет сгорания, а часть «вентилятор» представляет канальный вентилятор, который использует механическую энергию газовой турбины для ускорения воздуха в обратном направлении.

Вентилятор турбовентилятора забирает избыточную мощность из выхлопных газов через турбину. Этот процесс немного замедляет скорость выхлопа, но перепускной воздух значительно увеличивает массу.

В случае турбореактивного двигателя весь всасываемый воздух проходит через турбину и камеру сгорания. В отличие от этого, в турбовентиляторном двигателе только часть всасываемого в двигатель воздуха проходит через турбину и камеру сгорания. Поэтому турбовентиляторный двигатель работает как турбореактивный, в котором используется канальный вентилятор.

Эти двигатели создают тягу через силовую установку (вентилятор) и перемещают самолет по воздуху. Новейшие самолеты оснащены турбовентиляторными двигателями, потому что эти двигатели имеют хорошую топливную эффективность и создают высокую тягу.

Эффективность турбовентиляторного двигателя можно измерить как отношение количества сожженного топлива к требуемой тяге. Обычно он выражается в фунтах топлива на фунт тяги.

Большинство двигателей коммерческих самолетов в настоящее время имеют двигатели с высоким перепуском, но новейшие военные истребители имеют турбовентиляторные двигатели с низким перепуском. Дожигатели не могут использоваться в турбовентиляторных двигателях с высоким байпасом, но могут использоваться в двигателях с низким байпасом.

В двигателях этого типа основная часть двигателя окружена вентилятором спереди и дополнительной турбиной сзади. Турбины и вентиляторы имеют несколько лопастей, как центральная турбина и центральный компрессор, связанные через дополнительный вал. По некоторым механическим причинам вал вентилятора проходит мимо центрального вала. Такое расположение двигателя известно как двухбарабанный двигатель. Один «золотник» предназначен для сердечника, а другой — для вентилятора.

Как работает турбовентилятор?

• Сначала воздух засасывается внутрь двигателя с помощью вентилятора, и воздух разделяется на два различных пути.
• Часть воздуха поступает в активную зону двигателя, где происходит сгорание, а оставшаяся часть воздуха (байпасный воздух) движется по воздуховоду за пределы активной зоны двигателя.
• После всасывания воздух поступает в компрессор низкого давления, который повышает давление воздуха в соответствии с требованиями и направляет его в компрессор высокого давления.
• Когда сжатый воздух поступает в компрессор высокого давления, он дополнительно сжимает воздух до очень высокого давления, а также повышает его температуру.
• Компрессор высокого давления делает температуру воздуха настолько высокой, что когда он соприкасается с топливом в камере сгорания, начинается сам процесс сгорания.
• После сгорания воздушно-топливной смеси сгоревший газ поступает в турбину низкого и высокого давления.
• Попадая в турбину, горячие газы расширяются в ней и ударяются о лопатки турбины. Лопатки турбины извлекают из сгоревшей смеси достаточно энергии, чтобы привести в движение компрессор низкого давления и вентилятор. Оставшаяся энергия сгоревшей смеси направляется к выхлопному соплу.
• Когда выхлопные газы попадают в сопло, сопло преобразует энергию давления в скорость и превращает их в очень высокоскоростные газы.
• Когда высокоскоростные газы выходят из сопла в атмосферу, они создают тягу, которая движет самолет вперед.
• Скорость воздуха, обтекающего вентилятор, немного выше скорости воздуха, выходящего свободно. Этот поток воздуха называется байпасом или воздушным потоком вентилятора.

Конструкция турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель был разработан для того, чтобы избежать нежелательных свойств дозвукового полета, присущих турбореактивным двигателям.

Очевидным способом повышения эффективности турбореактивного двигателя является повышение температуры горелки для улучшения КПД Карнота и установка сопла и компрессора большего размера. Этот процесс увеличивает тягу, но выхлопные газы выходят из двигателя с большой скоростью, что потребляет дополнительную мощность двигателя.

По вышеуказанным причинам реактивный двигатель потребляет большое количество топлива. Эти двигатели имеют низкую скорость и низкий КПД. Поэтому ученые разработали турбовентилятор, чтобы избежать дополнительного расхода топлива и улучшить топливную экономичность.

Типы турбовентиляторных двигателей

1. Низкофорсажный двигатель
2. Средний или форсажный двигатель
3. Высокофорсажный двигатель

1) Турбовентилятор с низким байпасом

Тип двигателя, который использует реактивную тягу больше, чем тягу вентилятора, называется турбовентиляторным двигателем с низким коэффициентом перепуска. Турбовентиляторный двигатель с низким коэффициентом перепуска содержит многоступенчатый вентилятор, который создает сравнительно высокие коэффициенты давления, что приводит к более высоким скоростям выхлопных газов (холодных или смешанных). Поток воздуха из активной зоны должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную мощность активной зоны для работы вентилятора.

В этом двигателе более высокий коэффициент перепуска/низкий цикл потока в активной зоне может быть достигнут за счет повышения температуры на входе ротора турбины HP (высокого давления).

Эти типы двигателей имеют высокую топливную эффективность по сравнению с базовыми турбореактивными двигателями. Новейшие истребители в основном имеют турбовентиляторные двигатели с низким коэффициентом перепуска и форсажными камерами. После этого они могут эффективно перемещаться, но при этом имеют достаточную тягу для ведения догфайта.

Истребитель может двигаться намного быстрее скорости звука, но для достижения максимальной эффективности воздух, поступающий в двигатель, должен двигаться со скоростью, меньшей скорости звука.

2) Турбовентилятор с дожигателем

Основная цель дожигателей — увеличить тягу, обычно используемую для сверхзвукового полета, боя и взлета.

После сгорания дополнительное топливо впрыскивается в камеру сгорания в трубе впрыска ниже по потоку от турбины, чтобы «подогреть» выхлопные газы. Это позволяет значительно увеличить тягу за счет снижения веса, а не использовать более мощный двигатель. Однако этот двигатель потребляет большое количество топлива из-за того, что он используется в течение короткого времени.

3) Турбовентилятор с высоким байпасом

Двигатель, у которого тяга вентилятора намного больше реактивной тяги, называется турбовентиляторным двигателем с высоким байпасом. Для улучшения расхода топлива и снижения шума почти все современные пассажирские самолеты и военные самолеты (например, C-17) оснащены турбовентиляторными двигателями с высоким байпасом.

Эти типы турбовентиляторных двигателей были разработаны на основе турбовентиляторных двигателей с низким коэффициентом перепуска, которые использовались в самолетах 1960-х годов.

Низкая определенная тяга достигается в этом двигателе путем замены многоступенчатого вентилятора одноступенчатым. В отличие от некоторых военных двигателей, новейшие гражданские турбовентиляторы не имеют фиксированной направляющей лопатки на передней части ротора вентилятора. Вентилятор имеет фиксированную шкалу для достижения требуемой чистой тяги.

Ядро двигателя (или газогенератор) должно вырабатывать достаточное количество энергии для работы вентилятора при требуемом соотношении давления и скорости потока. Модификации в технологии материалов/охлаждения турбины повышают температуру на входе в ротор турбины высокого давления (HP), что позволяет уменьшить (облегчить) сердечник и (потенциально) улучшить тепловую производительность сердечника.

Снижение массового расхода активной зоны приводит к увеличению нагрузки на турбину низкого давления, поэтому для поддержания эффективности турбины низкого давления и снижения средней нагрузки на ступень этой установке потребуются дополнительные ступени. Уменьшение потока в активной зоне также увеличивает коэффициент перепуска.

Компоненты турбовентиляторного двигателя

1. Вентилятор
2. Компрессор
3. Турбина
4. Вал
5. Камера сгорания
6. Форсунка

1) Вентилятор

Вентилятор является наиболее важным компонентом турбовентиляторов. Эта деталь помогает двигателю генерировать тягу.

Вентилятор — это первый компонент турбовентилятора. Вы можете увидеть это на приведенной ниже схеме, а также найти эту деталь в передней части самолета.

Лопасти вентилятора чаще всего изготавливаются из титанового сплава. Они могут втягивать большое количество воздуха внутрь двигателя. Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в сердцевину двигателя, где происходит воспламенение. Остальной воздух (так называемый «обходной воздух») проходит через канальный вентилятор на внешней стороне активной зоны двигателя. Этот обходной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и успокаивает его, удаляя выхлопные газы. В новейших фанджетах максимальная тяга двигателя создается за счет обводного воздуха.

2) Компрессор

Основная статья: Компрессор

Компрессор играет важную роль в работе турбовентиляторного двигателя. Основной задачей компрессора является повышение давления и температуры воздуха.

В турбовентиляторном двигателе для сжатия воздуха используются два компрессора (компрессор низкого давления и компрессор высокого давления). Это центробежные компрессоры. Центробежный компрессор имеет ряд вращающихся лопаток в форме крыла для сжатия и ускорения воздуха. Основными частями центробежного компрессора являются рабочее колесо, впускное отверстие, диффузор и выпускное отверстие. Когда воздух проходит через компрессор, лопасти рабочего колеса компрессора становятся меньше. Они придают воздуху энергию и сжимают его. В результате этого процесса давление и температура внутри камеры сгорания увеличиваются. Компрессор имеет ряд неподвижных или статорных лопаток. Эти лопасти статора получают воздух с высокой скоростью от крыльчатки и преобразуют эту скорость в давление воздуха. Статоры также подготавливают воздух для поступления в следующие неподвижные лопасти. Проще говоря, лопасти статора «выпрямляют» воздушный поток.

3) Камера сгорания

Камера сгорания — это место внутри двигателя, где происходит сгорание. Когда воздух выходит из компрессора и попадает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется. Звучит просто, но на самом деле это очень сложная процедура. Это связано с тем, что горелка должна продолжать обеспечивать стабильное горение воздушно-топливной смеси, в то время как воздух проходит мимо горелки с очень высокой скоростью.

В корпусе двигателя находятся все компоненты горелки, в которых диффузор является компонентом, работающим в первую очередь. Диффузор замедляет воздух в компрессоре, чтобы он мог легко сгорать. Купола и вихри увеличивают турбулентность воздуха и облегчают его смешивание с топливом. Как вы можете себе представить, топливная форсунка впрыскивает топливо, которое смешивается с воздухом, и происходит процесс воспламенения. После этого происходит собственно сгорание топлива в облицовке. В подкладке имеется несколько воздухозаборников, через которые воздух может поступать из разных точек зоны горения. Последним важным компонентом является зажигалка. Она очень похожа на свечи зажигания в автомобилях и поршневых двигателях самолетов. После того, как зажигалка воспламеняет источник огня, она становится самодостаточной и отключается (хотя обычно ее используют в качестве запасного варианта в плохую погоду или в условиях обледенения).

4) Турбина

Основная статья: Турбина

Когда сгоревший воздух выходит из камеры сгорания, он попадает в турбину. Турбина представляет собой ряд аэродинамических лопаток, которые очень похожи на лопатки компрессора. Когда горячий воздух с высокой скоростью проходит через лопатки турбины, они поглощают дополнительную энергию воздуха, заставляя турбину вращаться полностью и вращать соединенный с ней вал двигателя.

Это тот же вал, который соединяется с вентилятором и компрессором. Пока турбина вращается, компрессор и вентиляторы в передней части турбовентиляторного двигателя продолжают всасывать больше воздуха, который быстро смешивается с топливом и сгорает.

Турбины требуют дополнительного вентилятора (как показано на схеме выше), что приводит к более гигантским турбинам и большим перепадам температуры и давления, что приводит к меньшим соплам. Это означает, что скорость разгона активной зоны уменьшится.

5) Сопло

Сопло является последней частью вентиляторно-реактивного двигателя. Сопло является наиболее важным компонентом реактивного двигателя, а также турбовентиляторного двигателя. Этот компонент двигателя жизненно важен, поскольку он создает тягу, выбрасывая выхлопные газы в атмосферу с высокой скоростью, что помогает самолету двигаться вперед.

Этот процесс работает в соответствии с третьим законом Ньютона. Согласно этому закону, каждое действие имеет равную, но противоположную по направлению реакцию. Поэтому, когда сопло выбрасывает воздух с большой скоростью, воздух также оказывает равную, но противоположно направленную силу и двигает самолет вперед.

Что такое коэффициент перепуска?

Перепускной коэффициент (BPR) — это сравнение массового расхода воздуха, проходящего через сердечник, с массовым расходом воздуха, всасываемого сердечником двигателя. Например, если коэффициент перепуска составляет 12:2, это означает, что 12 кг воздуха минует сердечник двигателя, а 2 кг воздуха проходит через сердечник. Турбовентиляторные двигатели делятся на различные типы на основе коэффициента перепуска, который, наряду с коэффициентом давления вентилятора, температурой на входе турбины и коэффициентом общего давления, является жизненно важным фактором проектирования. Турбовинтовые двигатели и агрегаты без вентилятора также используют BPR, поскольку их высокая пропульсивная эффективность обеспечивает им общую эффективность, характерную для турбовентиляторных двигателей с избыточным байпасом. Коэффициент байпаса также может быть использован для установки подъемного вентилятора, в котором воздушный поток вентилятора отводится от двигателя и не проходит через сердечник двигателя. Высокий BPR уменьшает сжигание топлива при той же тяге. Самолет хорошо подходит для сверхзвуковой скорости, когда весь газ, выходящий из газовой турбины, преобразуется в K.E в проталкивающем сопле. Самолет лучше всего работает на нулевой скорости, когда выходящий газ преобразуется в одну большую массу и низкую кинетическую энергию.

История создания реактивных двигателей кратко

Содержание

1. История создания и принцип работы турбореактивного двигателя
2. Реактивный двигатель: современные варианты исполнения
3. Что такое тяга двигателя?
4. Как формируется реактивная тяга?
5. Как получить рабочее тело?
6. Принцип работы реактивного двигателя
7. Кратко об истории реактивного двигателя
8. Как устроен реактивный двигатель?
9. Устройство реактивного двигателя
10. Отклоняемый вектор тяги
11. Типы реактивных двигателей
12. Двухлопастные турбовинтовые двигатели
13. Турбовентиляторные реактивные двигатели
14. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели
15. История создания реактивных двигателей кратко
16. Видео

История создания и принцип работы турбореактивного двигателя

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

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 свой труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором он 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.

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).

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает на принципе 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, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.

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.

Уважаемые читатели! Подписывайтесь на нас в Твиттере, Вконтакте, Одноклассниках или Facebook.

Источник

Реактивный двигатель: современные варианты исполнения

Реактивными двигателями называют такие устройства, которые создают нужную для процесса движения силу тяги преобразованием внутренней энергии горючего в кинетическую энергию реактивных струй в рабочем теле. Рабочее тело стремительно проистекает из двигателя, и по закону сохранения импульса формируется реактивная сила, которая толкает двигатель в противолежащем направлении. Чтобы разогнать рабочее тело может применяться как расширение газов, нагретых самыми разнообразными способами до высоких температур, а также и другими физическими процессами, в частности, ускорением заряженных частиц в электростатическом поле.

Реактивные двигатели сочетают в себе собственно двигатели с движителями. Имеется в виду, что они создают тяговые усилия исключительно взаимодействием с рабочими телами, без опор, либо контактами с остальными телами. То есть обеспечивают сами себе собственное продвижение, при этом промежуточные механизмы не принимают никакого участия. Вследствие этого в основном они используются для того, чтобы приводить в движение воздушные судна, ракеты и, конечно же, космические аппараты.

Что такое тяга двигателя?

Тягой двигателей называют реактивную силу, которая проявляется газодинамическими силами, давлением и трением, приложенными к внутренним и внешним сторонам двигателя.

Тяги различаются на:

Отправная энергия запасается на борту летательных или других аппаратов, оснащенных реактивными двигателями (химическим горючим, ядерным топливом), или может притекать снаружи (например, солнечная энергия).

Как формируется реактивная тяга?

Для формирования реактивной тяги (тяги двигателя), которая используется реактивными двигателями, потребуются:

Как получить рабочее тело?

Для приобретения рабочего тела в реактивных двигателях могут использоваться:

Современные реактивные двигатели главным образом используют химическую энергию. Рабочие тела представляют собой смесь раскаленных газов, которые являются продуктами сгорания химического горючего. Когда работает реактивный двигатель, химическая энергия от сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию от продуктов сгорания. В то же время тепловая энергия от горячих газов превращается в механическую энергию от поступательных движений реактивных струй и аппаратов, на которых установлены двигатели.

Принцип работы реактивного двигателя

В реактивных двигателях струи воздушных потоков, которые попадают в двигатели, встречаются с обращающимися с колоссальной скоростью турбинами компрессоров, которые засасывают воздух из окружающей среды (при помощи встроенных вентиляторов). Следовательно, происходит решение двух задач:

Лопатки турбин компрессоров производят сжатие воздуха приблизительно от 30 и более раз, совершают «проталкивания» его (нагнетание) в камеру сгорания (происходит генерирование рабочего тела). Вообще камеры сгорания выполняют к тому же и роли карбюраторов, производя смешивание топлива с воздухом.

Это могут быть, в частности, смеси воздуха и керосина, как в турбореактивных двигателях современных реактивных самолетах, либо смеси жидкого кислорода и спирта, такими обладают кое-какие жидкостные ракетные двигатели, либо еще какое-то твердое топливо в пороховых ракетах. Как только образовалась топливно-воздушная смесь, происходит ее воспламенение с выделением энергии в виде тепла. Таким образом, топливом в реактивных двигателях могут быть только такие вещества, которые в результате химических реакций в двигателях (при возгорании) выделяют тепло, при этом образуя множество газов.

При возгорании совершается существенное разогревание смеси и деталей вокруг с объемным расширением. Собственно говоря, реактивные двигатели пользуются для продвижения управляемыми взрывами. Камеры сгорания в реактивных двигателях — это одни из самых горячих элементов (температурный режим в них может достигать до 2700 °С), и они требуют постоянного интенсивного охлаждения.

Реактивные двигатели снабжены соплами, через которые из них вовне с огромной скоростью вытекают накаленные газы, которые являются продуктами сгорания топлива. В некоторых двигателях газы оказываются в соплах сразу же после камер сгорания. Это относится, например, к ракетным или прямоточным двигателям.

Турбореактивные двигатели функционируют несколько иначе. Так, газы, после камер сгорания, вначале проходят турбинами, которым отдают свою тепловую энергию. Это делается для того, чтобы привести в движение компрессоры, которые послужат для сжатия воздуха перед камерой сгорания. В любом случае, сопла остаются последними частями двигателей, через которые протекут газы. Собственно они и формируют непосредственно реактивную струю.

В сопла направляют холодный воздух, который нагнетается при помощи компрессоров, чтобы охлаждать внутренние детали двигателей. Реактивные сопла могут обладать различными конфигурациями и конструкциями исходя из разновидностей двигателей. Так, когда скорость проистекания должна быть выше скорости звука, тогда соплам придаются формы расширяющихся труб или же вначале суживающиеся, а далее расширяющиеся (так называемые сопла Лаваля). Только с трубами такой конфигурации газы разгоняются до сверхзвуковых скоростей, при помощи чего реактивные самолеты перешагивают «звуковые барьеры».

Исходя из того, задействуется ли в процессе работы реактивных двигателей окружающая среда, они подразделяются на основные классы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД). Все ВРД являются тепловыми двигателями, рабочие тела которых образуются тогда, когда происходит реакция окисления горючих веществ с кислородом воздушных масс. Поступающие из атмосферы воздушные потоки составляют основу рабочих тел ВРД. Таким образом, аппараты с ВРД несут на борту источники энергии (топливо), но большая часть рабочих тел черпается из окружающей среды.

К аппаратам ВРД относятся:

В противоположность воздушно-реактивным двигателям все компоненты рабочих тел РД находятся на борту аппаратов, оснащенных ракетными двигателями. Отсутствие движителей, взаимодействующих с окружающей средой, а также присутствие всех составляющих рабочих тел на борту аппаратов делают ракетные двигатели пригодными для функционирования в космическом пространстве. Имеется также комбинация ракетных двигателей, представляющих собой некое совмещение двух основных разновидностей.

Кратко об истории реактивного двигателя

Считается, что реактивный двигатель изобрели Ганс фон Охайн и выдающийся немецкий инженер-конструктор Фрэнк Виттл. Первый патент на действующий газотурбинный двигатель получил именно Фрэнк Виттл в 1930 году. Тем не менее, первая рабочая модель была собрана собственно Охайном. В конце лета 1939 года в небе появилось первое реактивное воздушное судно – He-178 (Хейнкель-178), который был снаряжен двигателем HeS 3, разработанным Охайном.

Как устроен реактивный двигатель?

Устройство реактивных двигателей довольно-таки простое и в то же время чрезвычайно сложное. Оно простое по принципу действия. Так, забортный воздух (в ракетных двигателях – жидкий кислород) засасывается в турбину. После чего он там начинает смешиваться с горючим и сгорать. На краю турбины образуется так называемое «рабочее тело» (ранее упоминаемая реактивная струя), которое продвигает летательный или космический аппарат.

При всей простоте, на самом деле это целая наука, ведь в середине таких двигателей рабочий температурный режим может достигать более тысячи градусов по Цельсию. Одной из важнейших проблем в турбореактивном двигателестроении является создание неплавящихся деталей из металлов, которые сами поддаются плавлению.

Устройство реактивного двигателя

В начале, перед каждой турбиной всегда располагается вентилятор, засасывающий воздушные массы из окружающей среды в турбины. Вентиляторы обладают большой площадью, а также колоссальной численностью лопастей специальных конфигураций, материалом для которых послужил титан. Сразу за вентиляторами располагаются мощные компрессоры, которые необходимы для нагнетания воздуха под огромным давлением в камеры сгорания. После камер сгорания горящие топливовоздушные смеси направляются в саму турбину.

Турбины состоят из множества лопаток, на которые оказывают давление реактивные потоки, которые и приводят турбины во вращение. Далее турбины вращают валы, на которых «насажены» вентиляторы и компрессоры. Собственно так, система становится замкнутой и нуждается исключительно в подводе топлива и воздушных масс.

Вслед за турбинами потоки направляются в сопла. Сопла реактивных двигателей являются последними, но не самыми последними по своей значимости частями в реактивных двигателях. Они формируют непосредственные реактивные струи. В сопла направляются холодные воздушные массы, нагнетаемые вентиляторами для охлаждения «внутренностей» двигателей. Эти потоки ограничивают манжеты сопел от сверхгорячих реактивных потоков и не позволяют им расплавляться.

Отклоняемый вектор тяги

Реактивные двигатели обладают соплами самых разнообразных конфигураций. Самыми передовыми считаются подвижные сопла, размещенные на двигателях, у которых имеется отклоняемый вектор тяги. Они могут сдавливаться и расширяться, а также отклоняться на существенные углы — так регулируются и направляются непосредственно реактивные потоки. Благодаря этому воздушные судна с двигателями, имеющими отклоняемый вектор тяги, становятся чрезвычайно маневренными, потому что процессы маневрирования происходят не только вследствие действий механизмов крыльев, но также прямо самими двигателями.

Типы реактивных двигателей

Имеется несколько основных разновидностей реактивных двигателей. Так, классическим реактивным двигателем можно назвать авиадвигатель в самолете F-15. Большинство таких двигателей используются преимущественно на истребителях самых разнообразных модификаций.

Двухлопастные турбовинтовые двигатели

В этой разновидности турбовинтовых двигателей мощность турбин через понижающие редукторы направляется для вращения классических винтов. Наличие таких двигателей позволяет большим воздушным суднам осуществлять полеты с максимально приемлемыми скоростями и при этом расходовать меньшее количество авиатоплива. Нормальная крейсерская скорость у турбовинтовых воздушных суден может быть 600—800 км/ч.

Турбовентиляторные реактивные двигатели

Эта разновидность двигателей является более экономичной в семействе двигателей классических типов. Главной отличительной характеристикой в них является то, что на входе ставятся вентиляторы больших диаметров, которые подают воздушные потоки не только для турбин, но и создают довольно-таки мощные потоки вне их. Вследствие этого, можно достичь повышенной экономичности, путем усовершенствования КПД. Они используются на лайнерах и больших воздушных суднах.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели

Эта разновидность двигателей функционирует таким образом, что не нуждается в подвижных деталях. Воздушные массы нагнетаются в камеру сгорания непринужденным путем, благодаря торможению потоков об обтекатели входных отверстий. В дальнейшем совершается все то же, что и в обыкновенных реактивных двигателях, а именно воздушные потоки смешиваются с топливом и выходят как реактивные струи из сопел. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели применяются в поездах, в воздушных суднах, в «беспилотниках», в ракетах, кроме того они могут устанавливаться на велосипеды или скутеры.

Источник

История создания реактивных двигателей кратко

Реактивные двигатели.

Рабочее тело объекта с большой скоростью истекает из реактивного двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (ионный двигатель).

Реактивный двигатель позволяет создавать тяговое усилие только за счёт взаимодействия реактивной струи с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. В связи с этим, реактивный двигатель нашел широкое применение в авиации и космонавтике.

История реактивных двигателей.

Первыми реактивное движение научились использовать китайцы, ракеты с твердым топливом появились в Китае в X веке н. э. Такие ракеты применялись на Востоке, а затем в Европе для фейерверков, сигнализации, и как боевые.

Ракеты древнего Китая.

Важным этапом в развитии идеи реактивного движения была идея применения ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Ее впервые сформулировал русский революционер-народоволец Н. И. Кибальчич, который в марте 1881 года, незадолго до казни, предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов.

H. Е. Жуковский в работах «О реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1880е годы) и «К теории судов, приводимых в движение силой реакции вытекающей воды» (1908 г. ) впервые разработал основные вопросы теории реактивного двигателя.

Интересные работы по исследованию полета ракеты принадлежат также известному русскому ученому И. В. Мещерскому, в частности в области общей теории движения тел переменной массы.

Особенность жидкостнореактивного двигателя в том, что в отличие от других реактивных двигателей он несет с собой вместе с топливом весь запас окислителя, а не забирает необходимый для сжигания горючего воздух, содержащий кислород, из атмосферы. Это единственный двигатель, который может быть применен для сверхвысотного полета вне земной атмосферы.

Первую в мире ракету с жидкостным ракетным двигателем создал и запустил 16 марта 1926 года американец Р. Годдард. Она весила около 5 килограммов, а ее длина достигала 3 м. Топливом в ракете Годдарда служили бензин и жидкий кислород. Полет этой ракеты продолжался 2,5 секунды, за которые она пролетела 56 м.

Систематические экспериментальные работы над этими двигателями начались в 1930-х годах.

Развивая начатые работы, советские инженеры в последующем продолжали работать над созданием жидкостных реактивных двигателей. Всего с 1932 по 1941 год в СССР было разработано 118 конструкций жидкостных реактивных двигателей.

В Германии в 1931 году состоялись испытания ракет И. Винклера, Риделя и др.

В 1943 году в США провели испытания первого американского реактивного самолета, на котором был установлен жидкостнореактивный двигатель. В Германии в 1944 году были построены несколько истребителей с этими двигателями конструкции Мессершмитта.

Кроме того, ЖРД применялись на немецких ракетах Фау2, созданных под руководством В. фон Брауна.

В 1950-е годы жидкостноракетные двигатели устанавливались на баллистических ракетах, а затем на космических ракетах, искусственных спутниках, автоматических межпланетных станциях.

ЖРД состоит из камеры сгорания с соплом, турбонасосного агрегата, газогенератора или парогазогенератора, системы автоматики, органов регулирования, системы зажигания и вспомогательных агрегатов (теплообменники, смесители, приводы).

Идея воздушнореактивных двигателей (ВРД) не раз выдвигалась в разных странах. Наиболее важными и оригинальными работами в этом отношении являются исследования, проведенные в 1908-1913 годах французским ученым Рено Лореном, который и предложил ряд схем прямоточных воздушнореактивных двигателей (ПВРД). Эти двигатели используют в качестве окислителя атмосферный воздух, а сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается за счет динамического напора воздуха.

В 1939-1940 годах впервые в мире в Советском Союзе были проведены летние испытания воздушнореактивных двигателей, установленных в качестве дополнительных двигателей на самолете конструкции Н. П. Поликарпова. В 1942 году в Германии испытывались прямоточные воздушнореактивные двигатели конструкции Э. Зенгера.

Воздушнореактивный двигатель состоит из диффузора, в котором за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха происходит сжатие воздуха. В камеру сгорания через форсунку впрыскивается топливо и происходит воспламенение смеси. Реактивная струя выходит через сопло.

Процесс работы ВРД непрерывен, поэтому в них отсутствует стартовая тяга. В связи с этим при скоростях полета меньше половины скорости звука воздушнореактивные двигатели не применяются. Наиболее эффективно применение ВРД на сверхзвуковых скоростях и больших высотах. Взлет самолета с воздушнореактивным двигателем происходит при помощи ракетных двигателей на твердом или жидком топливе.

Большее развитие получила другая группа воздушнореактивных двигателей – турбокомпрессорные двигатели. Они подразделяются на турбореактивные, в которых тяга создается струей газов, вытекающих из реактивного сопла, и турбовинтовые, в которых основная тяга создается воздушным винтом.

В 1909 году проект турбореактивного двигателя был разработан инженером Н. Герасимовым. В 1914 году лейтенант русского морского флота М. Н. Никольской сконструировал и построил модель турбовинтового авиационного двигателя. Рабочим телом для приведения в действие трехступенчатой турбины служили газообразные продукты сгорания смеси скипидара и азотной кислоты. Турбина работала не только на воздушный винт: отходящие газообразные продукты сгорания, направленные в хвостовое (реактивное) сопло, создавали реактивную тягу дополнительно к силе тяги винта.

В 1924 году В. И. Базаров разработал конструкцию авиационного турбокомпрессорного реактивного двигателя, состоявшую из трех элементов: камеры сгорания, газовой турбины, компрессора. Поток сжатого воздуха здесь впервые делился на две ветви: меньшая часть шла в камеру сгорания (к горелке), а большая подмешивалась к рабочим газам для понижения их температуры перед турбиной. Тем самым обеспечивалась сохранность лопаток турбины. Мощность многоступенчатой турбины расходовалась на привод центробежного компрессора самого двигателя и отчасти на вращение воздушного винта. Дополнительно к винту тяга создавалась за счет реакции струи газов, пропускаемых через хвостовое сопло.

В 1939 году на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Его испытаниям помешала война.

В 1941 году в Англии был впервые осуществлен полет на экспериментальном самолете истребителе, оснащенном турбореактивным двигателем конструкции Ф. Уиттла. На нем был установлен двигатель с газовой турбиной, которая приводила в действие центробежный компрессор, подающий воздух в камеру сгорания. Продукты сгорания использовались для создания реактивной тяги.

К концу Второй мировой войны стало ясно, что дальнейшее эффективное развитие авиации возможно только при внедрении двигателей, использующих принципы реактивной тяги полностью или частично.

Первые самолеты с реактивными двигателями были создавались в фашисткой Германии, Великобритании, США и СССР.

В СССР первый проект истребителя, с ВРД разработанным А. М. Люлькой, в был предложен в марте 1943 года начальником ОКБ-301 М. И. Гудковым. Самолёт назывался Гу-ВРД. Проект был отвергнут экспертами, в связи с неверием в актуальность и преимущества ВРД в сравнении с поршневыми авиадвигателями.

Немецкие конструкторы и учёные, работавшие в этой и смежных областях (ракетостроение), оказались в более выгодном положении. Третий рейх планировал войну, и выиграть её рассчитывал за счёт технического превосходства в вооружениях. Поэтому в Германии новые разработки, которые могли усилить армию, в области авиации и ракетной техники субсидировались более щедро, чем в других странах.

Работы по этой тематике продолжались практически до конца войны, когда Третий рейх, утратив своё былое преимущество в воздухе, предпринял безуспешную попытку восстановить его за счёт поставки для военной авиации реактивных самолетов.

С августа 1944 года начал серийно выпускаться реактивный истребитель-бомбардировщик Мессершмитт Me.262, оборудованного двумя турбореактивными двигателями Jumo-004 производства фирмы Юнкерс. Самолет Мессершмитт Me.262 значительно превосходил всех своих «современников» по скорости и скороподъёмности.

С ноября 1944 года начал выпускаться ещё и первый реактивный бомбардировщик Arado Ar 234 Blitz с теми же двигателями.

Единственным реактивным самолётом союзников по антигитлеровской коалиции, формально принимавшим участие во Второй мировой войне, был «Глостер Метеор» (Великобритания) с ТРД Rolls-Royce Derwent 8 конструкции Ф. Уиттла.

После войны во всех странах, имевших авиационную промышленность, начинаются интенсивные разработки в области воздушно-реактивных двигателей. Реактивное двигателестроение открыло новые возможности в авиации: полёты на скоростях, превышающих скорость звука, и создание самолётов с грузоподъёмностью, многократно превышающей грузоподъёмность поршневых самолётов, как следствие более высокой удельной мощности газотурбинных двигателей в сравнении с поршневыми.

Первым отечественным серийным реактивным самолётом был истребитель Як-15 (1946 год), разработанный в рекордные сроки на базе планера Як-3 и адаптации трофейного двигателя Jumo-004, выполненной в моторостроительном конструкторском бюро В. Я. Климова.

А уже через год прошёл государственные испытания первый, полностью оригинальный, отечественный турбореактивный двигатель ТР-1, разработанный в КБ А. М. Люльки. Такие быстрые темпы освоения совершенно новой сферы двигателестроения имеют объяснение: группа А. М. Люльки занималась этой проблематикой ещё с довоенных времён, но «зелёный свет» этим разработкам был дан, только когда руководство страны вдруг обнаружило отставание СССР в этой области.

Первым отечественным реактивным пассажирским авиалайнером был Ту-104 (1955 год), оборудованный двумя турбореактивными двигателями РД-3М-500 (АМ-3М-500), разработанными в КБ А. А. Микулина. К этому времени СССР был уже в числе мировых лидеров в области авиационного моторостроения.

Изобретенный в 1913 году прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), так же начал активно совершенствоваться. Начиная с 1950-х годов в США было создан ряд экспериментальных самолётов и серийных крылатых ракет разного назначения с этим типом двигателя.

Обладая рядом недостатков для использования на пилотируемых самолётах (нулевая тяга на месте, низкая эффективность на малых скоростях полёта), ПВРД стал предпочтительным типом ВРД для беспилотных одноразовых снарядов и крылатых ракет, благодаря своей простоте, а, следовательно, дешевизне и надёжности.

В турбореактивном двигателе (ТРД) воздух, поступающий при полете, сжимается сначала в воздухозаборнике, а затем в турбокомпрессоре. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкое топливо (чаще всего – авиационный керосин). Частичное расширение газов, образовавшихся при сгорании, происходит в турбине, вращающей компрессор, а окончательное – в реактивном сопле. Между турбиной и реактивным двигателем может быть установлена форсажная камера, предназначенная для дополнительного сгорания топлива.

Сейчас турбореактивными двигателями (ТРД) оснащено большинство военных и гражданских самолетов, а также некоторые вертолеты.

Наиболее ранние реактивные твердотопливные двигатели (РТТД) использовались в боевых ракетах. Их широкое применение началось в XIX веке, когда во многих армиях появились ракетные части. В конце XIX века были созданы первые бездымные пороха, с более устойчивым горением и большей работоспособностью.

Получение новых видов пороха позволило применять реактивные твердотопливные двигатели в боевых ракетах, включая баллистические. Кроме этого они применяются в авиации и космонавтике как двигатели первых ступеней ракетоносителей, стартовые двигатели для самолетов с прямоточными воздушнореактивными двигателями и тормозные двигатели космических аппаратов.

Реактивные твердотопливные двигатели очень надежны, не требуют сложного обслуживания, могут долго храниться, и постоянно готовы к запуску.

Виды реактивных двигателей.

В наше время реактивные двигатели самых разных конструкций используются достаточно широко.

Реактивные двигатели можно разделить на две категории: ракетные реактивные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

В категории ракетные реактивные двигатели существуют двигатели двух видов:

В категории воздушно-реактивные двигатели имеются двигатели следующих видов:

Современные реактивные двигатели.

На фотографии самолетный реактивный двигатель во время испытаний.

На фотографии процесс сборки ракетных двигателей.

Реактивные двигатели. История реактивных двигателей. Виды реактивных двигателей.

Источник

Видео

Принцип работы турбореактивного двигателя

реактивные двигатели

Полная родословная советских ракетных двигателей / русская озвучка

Реактивные двигатели Документальный фильм

Физика турбореактивного двигателя

НЕВЕРОЯТНЫЙ Тест Реактивных Двигателей

Выжить в небе. Реактивные двигатели

Крылья России — Истребители — Реактивная эра

Авиационные двигатели уже достигли предела совершенства!?

Турбовентиляторный двигатель. Просто о сложном

Турбовентиляторный двигатель

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Жоао Карлоу Медау

Когда вы садитесь в самолет, вы можете не думать о двигателях. Но это единственная причина, по которой 700 000 фунтов алюминия и пассажиров могут летать по воздуху со скоростью, равной 80% скорости звука. Так как же они работают? Давайте взглянем.

Основы

Реактивные двигатели, также называемые газовыми турбинами, работают за счет всасывания воздуха в переднюю часть двигателя с помощью вентилятора. Оттуда двигатель сжимает воздух, смешивает с ним топливо, воспламеняет топливно-воздушную смесь и выбрасывает ее из задней части двигателя, создавая тягу.

Это довольно простое объяснение того, как это работает, так что давайте взглянем на каждую часть реактивного двигателя, чтобы увидеть, что происходит на самом деле.

Детали реактивного двигателя

Существует 4 основных типа газотурбинных двигателей, но в этом примере мы будем использовать турбовентиляторный двигатель, который сегодня является наиболее распространенным типом газотурбинного двигателя, используемого в реактивных самолетах.

Вентилятор

Вентилятор является первой частью турбовентилятора. Это также та часть, которую вы можете увидеть, когда смотрите на переднюю часть самолета.

Drewski2112

Вентилятор, который почти всегда сделан из титановых лопастей, всасывает в двигатель огромное количество воздуха.

Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в сердцевину двигателя, где и происходит сгорание. Остальной воздух, называемый «байпасным воздухом», перемещается снаружи ядра двигателя по воздуховоду. Этот перепускной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и делает его тише, заглушая отработавший воздух, выходящий из двигателя. В современных турбовентиляторных двигателях перепускной воздух создает большую часть тяги двигателя.

Компрессор

Компрессор расположен в первой части ядра двигателя. А он, как вы, наверное, догадались, сжимает воздух .

Компрессор, который называется «компрессор с осевым потоком», использует серию вращающихся лопастей аэродинамической формы для ускорения и сжатия воздуха. Это называется осевым потоком, потому что воздух проходит через двигатель в направлении, параллельном валу двигателя (в отличие от центробежного потока).

Когда воздух проходит через компрессор, каждый набор лопастей становится немного меньше, добавляя энергии и сжатия воздуху.

Между каждым набором лопаток компрессора находятся неподвижные лопатки аэродинамической формы, называемые «статорами». Эти статоры (которые также называются лопастями) увеличивают давление воздуха за счет преобразования энергии вращения в статическое давление. Статоры также готовят воздух для входа в следующий набор вращающихся лопастей. Другими словами, они «выпрямляют» поток воздуха.

В сочетании пара вращающихся и неподвижных лопастей называется сценой.

Камера сгорания

Камера сгорания — это место, где возникает огонь. Когда воздух выходит из компрессора и поступает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется.

Звучит просто, но на самом деле это очень сложный процесс. Это связано с тем, что камера сгорания должна поддерживать стабильное сгорание топливно-воздушной смеси, в то время как воздух проходит через камеру сгорания с чрезвычайно высокой скоростью.

Корпус содержит все части камеры сгорания, и внутри него диффузор — это первая часть, которая работает.

Диффузор замедляет поток воздуха из компрессора, облегчая воспламенение. Купол и завихритель создают турбулентность воздуха, чтобы он легче смешивался с топливом. А топливная форсунка, как вы, наверное, догадались, распыляет топливо в воздух, создавая топливно-воздушную смесь, которая может воспламениться.

Оттуда, в гильзе происходит фактическое возгорание. Вкладыш имеет несколько впускных отверстий, что позволяет воздуху поступать в несколько точек зоны горения.

Последней основной частью является воспламенитель, который очень похож на свечи зажигания в вашем автомобиле или самолете с поршневым двигателем. Как только воспламенитель зажигает огонь, он становится самоподдерживающимся, и воспламенитель выключается (хотя его часто используют в качестве резервного в плохую погоду и в условиях обледенения).

Турбина

Когда воздух проходит через камеру сгорания, он проходит через турбину. Турбина представляет собой набор лопаток аэродинамической формы, очень похожих на лопатки компрессора. Когда горячий воздух с высокой скоростью обтекает лопасти турбины, они извлекают энергию из воздуха, вращая турбину по кругу и вращая вал двигателя, к которому она подключена.

Это тот же вал, к которому подключены вентилятор и компрессор, поэтому, вращая турбину, вентилятор и компрессор в передней части двигателя продолжают всасывать больше воздуха, который вскоре смешивается с топливом и сжигается.

Сопло

Последний этап процесса происходит в сопле. Сопло — это, по сути, выхлопной канал двигателя, и через него сзади выбрасывается высокоскоростной воздух.

Это также та часть, где вступает в действие третий закон сэра Исаака Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Проще говоря, вытесняя воздух из задней части двигателя на высокой скорости, самолет толкается вперед.

В некоторых двигателях также имеется смеситель в выхлопном сопле. Это просто смешивает часть перепускного воздуха, обтекающего двигатель, с горячим воздухом сгорания, делая двигатель тише.

Собираем все вместе

Реактивные двигатели создают невероятную тягу, втягивая воздух, сжимая его, воспламеняя и выпуская сзади. И все это они делают очень экономично.

Итак, в следующий раз, когда вы подниметесь на борт авиалайнера, будь вы пилотом спереди или сзади, найдите секунду, чтобы поблагодарить инженеров, которые сделали возможным, чтобы ваш самолет пронесся по небу со скоростью 80% скорости. скорость звука.

Готовы начать карьеру в авиакомпании? Хотите полетать на E-170/175? Начните и подайте заявку на участие в Republic Airways сегодня .

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь на рассылку Boldmethod и еженедельно получайте советы и информацию о реальных полетах прямо на свой почтовый ящик.

Зарегистрироваться 

•  

  НАЗВАНИЕ

  • • Тег
  • Автор
  • Дата

Как работает турбовентиляторный двигатель?

хорошо знать

Высокие технологии вплоть до мельчайших деталей: современные авиационные двигатели — это первоклассные технологические продукты, которые должны выдерживать экстремальные условия. Мы объясняем, как они работают.

07.2021 | автор:
Изабель Хенрих

автор:
Изабель Хенрих
изучал политологию и коммуникации. В MTU она координирует редакционный процесс AERO REPORT и отвечает за концепцию и разработку его содержания.

Авиадвигатели — это высокотехнологичные изделия высшего класса, которые должны выдерживать экстремальные условия. Различные типы двигателей предлагают различные преимущества в зависимости от области применения. С наступлением эпохи авиации на первый план вышли поршневые двигатели с воздушными винтами. Сегодня они встречаются почти исключительно на небольших и частных самолетах. Больше мощности поступило в виде турбовинтового двигателя, в котором пропеллер приводится в движение газовой турбиной через коробку передач. Турбовинтовые двигатели особенно эффективны на более низких скоростях примерно до 600 км/ч, но в более высоких диапазонах скоростей вступает в свои права реактивный двигатель.

Первыми реактивными двигателями были турбореактивные двигатели, также известные как воздушно-реактивные двигатели с турбиной. Они обеспечили базовую конструкцию будущих реактивных двигателей: воздух всасывается через входное отверстие двигателя и подается в компрессор. Там он сжимается лопастями перед тем, как попасть в камеру сгорания. Форсунки впрыска отвечают за создание смеси топлива и воздуха, которая затем сгорает. Горячие газообразные продукты сгорания взрывоопасно расширяются и под высоким давлением поступают в турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор. Затем эти газы ускоряются в реактивном сопле, создавая движение. Расцвет турбореактивных двигателей пришелся на годы с конца ВОВ до середины 19-го гг.60-х годов и использовались как в коммерческих, так и в военных целях. Сегодня они все еще иногда используются в некоторых типах военных самолетов.

Достижение желаемой тяги зависит либо от сильного ускорения небольшого количества воздуха, либо от мягкого ускорения большого количества воздуха. Последний требует меньше энергии, что привело к идее турбовентиляторного двигателя как серьезного усовершенствования турбореактивного двигателя. В турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессор, камеру сгорания и турбины, после чего выбрасывается с большим ускорением. Турбовентиляторные двигатели, напротив, разделяют воздушный поток так, что только часть воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания и турбины для привода вентилятора. Большая часть воздуха сжимается самим вентилятором, создавая львиную долю тяги при малом ускорении в отдельном сопле. Соотношение между этими двумя воздушными потоками известно как степень двухконтурности, которая в самых современных турбовентиляторных двигателях может достигать 12:1.

Редукторный турбовентиляторный двигатель (GTF), последнее поколение турбовентиляторных двигателей, имеет особый атрибут: редуктор между вентилятором и валом низкого давления вместе с компрессором низкого давления и приводной турбиной низкого давления. Благодаря такому расположению все компоненты могут работать с оптимальной скоростью: вентилятор большого диаметра медленнее, а компрессор низкого давления меньшего размера и турбина низкого давления значительно быстрее. Это помогает достичь более низкого коэффициента давления вентилятора и, следовательно, более высокого коэффициента байпаса. Следовательно, GTF имеет очень высокий общий КПД, существенно снижая расход топлива и выбросы углекислого газа. Кроме того, уменьшенная скорость вентилятора двигателя GTF и потока выхлопных газов означает, что он имеет значительно меньший шумовой след, чем обычные турбовентиляторные двигатели.

Таким образом, по сравнению с предыдущим поколением двигателей, семейство GTF обеспечивает снижение расхода топлива и выбросов углекислого газа на 16 процентов, а уровень шума на 75 процентов меньше.

Как работает современный турбовентиляторный двигатель в 4 этапа

1. Всасывание

Ротор вентилятора, лопастное колесо спереди, всасывает воздух. В то время как в турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессоры, камеры сгорания и турбины, в турбовентиляторных двигателях поток ускоренного воздуха разделяется за ротором вентилятора. Здесь также определенное количество воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания. Но остальная часть, известная как поток оболочки, не сгорает; вместо этого он обходит внутренние узлы и расширяется в отдельном сопле, создавая большую часть тяги — до 80 процентов. Этот холодный перепускной поток окружает горячие выхлопные газы из сердцевины двигателя как кожух, обеспечивая снижение уровня шума.

2. Сжатие

Затем часть всасываемого воздуха, поступающего в сердцевину двигателя, сжимается в компрессорах низкого и высокого давления. Компрессор низкого давления, также известный как бустер, отвечает за предварительное сжатие. Компрессор высокого давления обеспечивает основное сжатие и отличается высокой эффективностью и малым весом благодаря инновационному принципу блиска, при котором лопасти и диск изготавливаются как единое целое.

3. Горение

После сжатия воздух поступает в камеру сгорания. Именно здесь форсунки впрыска топлива создают смесь топлива и воздуха, которая затем сгорает при температуре примерно 1700 градусов по Цельсию. Накопление тепла заставляет газ расширяться в несколько раз по сравнению с его первоначальным объемом и выходить из камеры сгорания с высокой энергией.

4. Выброс

Горячий газ проходит через турбины высокого и низкого давления, каждая из которых имеет несколько турбинных колес и множество лопастей, которые вращаются потоком выхлопных газов. Это приводит к тому, что поток расходует до 60 процентов своей энергии на приведение в действие бустера, компрессора и вентилятора. Это происходит посредством двух концентрических валов — внешнего вала, соединяющего турбину высокого давления с компрессором высокого давления, и внутреннего вала, соединяющего турбину низкого давления с бустером и вентилятором. Только после этого продукты сгорания выходят из реактивного сопла, создавая дополнительный импульс остаточной тяги.

1. Всасывание

1. Всасывание

Ротор вентилятора, крыльчатка спереди, всасывает воздух. В то время как в турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессоры, камеру сгорания и турбины, в турбовентиляторных двигателях поток ускоренного воздуха разделяется за ротором вентилятора. Здесь также определенное количество воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания. Но остальная часть, известная как поток оболочки, не сгорает; вместо этого он обходит внутренние узлы и расширяется в отдельном сопле, создавая большую часть тяги — до 80 процентов. Этот холодный перепускной поток окружает горячие выхлопные газы из сердцевины двигателя как кожух, обеспечивая снижение уровня шума.

2. Компрессия

2. Компрессия

Затем часть всасываемого воздуха, поступающего в сердцевину двигателя, сжимается в компрессорах низкого и высокого давления. Компрессор низкого давления, также известный как бустер, отвечает за предварительное сжатие. Компрессор высокого давления обеспечивает основное сжатие и отличается высокой эффективностью и малым весом благодаря инновационному принципу блиска, при котором лопасти и диск изготавливаются как единое целое.

3. Горение

3. Горение

После сжатия воздух поступает в камеру сгорания. Именно здесь форсунки впрыска топлива создают смесь топлива и воздуха, которая затем сгорает при температуре примерно 1700 градусов по Цельсию. Накопление тепла заставляет газ расширяться в несколько раз по сравнению с его первоначальным объемом и выходить из камеры сгорания с высокой энергией.

4. Высылка

4. Выброс

Горячий газ проходит через турбины высокого и низкого давления, каждая из которых имеет несколько турбинных колес и множество лопастей, которые вращаются потоком выхлопных газов. Это приводит к тому, что поток расходует до 60 процентов своей энергии на приведение в действие бустера, компрессора и вентилятора. Это происходит посредством двух концентрических валов — внешнего вала, соединяющего турбину высокого давления с компрессором высокого давления, и внутреннего вала, соединяющего турбину низкого давления с бустером и вентилятором. Только после этого продукты сгорания выходят из реактивного сопла, создавая дополнительный импульс остаточной тяги.

Что такое турбовентиляторный двигатель

Содержание

• 1 Что такое турбовентиляторный двигатель?
• 2 Как работает турбовентилятор?
• 3 Строительство турбон. Двигатель
• 4 типы турбоютных двигателей
  • 4.1 1) Турбофон с низким уровнем бипы
  • 4.2 2) Afferburning Turbion
  • 4.3 3) Высокий Turbofan
  • 99966 5. 3) Высокий Bypas
    • 5.0.1 1) Вентилятор
    • 5.0.2 2) Компрессор
    • 5.0.3 3) Камера сгорания
    • 5.0.4 4) Турбина
    • 5.0.5 5) Сопло
• 6 Что такое степень двухконтурности?
• 7 ТРДД VS ТРД
• 8 В чем разница между ТРДД и ТРД?
  • 8. 1 Часто задаваемые вопросы Раздел
  • 8.2 Каковы преимущества турбовентиляторного двигателя?
  • 8.3 Где используются турбовентиляторные двигатели?
  • 8.4 На каких типах самолетов наиболее широко используются турбовентиляторные двигатели?
  • 8.5 Могут ли ТРДД стать сверхзвуковыми?
  • 8.6 Что приводит в действие вентилятор турбовентиляторного двигателя?
  • 8.7 Почему турбовентиляторные двигатели тише, чем турбореактивные?
  • 8.8 Что лучше турбовинтовой или турбовентиляторный?
  • 8.9 Какие существуют типы турбовентиляторных двигателей?

Реактивные двигатели используются во всем мире для различных типов самолетов. Существуют различные типы реактивных двигателей, и турбовентиляторный двигатель является одним из них. Вентиляторный или турбовентиляторный двигатель — это известный тип двигателя из категории реактивных двигателей. Турбовентиляторный двигатель чаще всего используется в авиационных силовых установках. Турбовентилятор имеет дополнительный вентилятор, который помогает разогнать большую массу без сжигания лишнего топлива.

Что такое турбовентиляторный двигатель?

Турбовентиляторный двигатель — это модифицированный тип реактивного двигателя, в котором для создания тяги используется комбинация перепуска воздуха и истечения сердечника реактивной тяги. Обходной воздух продувается канальным вентилятором. Реактивный сердечник приводит в движение этот канальный вентилятор. Турбореактивный двигатель также известен как байпасный или вентиляторный реактивный двигатель.

Термин «турбовентилятор» означает « турбина » и « вентилятор », часть «турбина» представляет собой газовую турбину, которая получает механическую энергию за счет сгорания, а часть «9Вентилятор 0208 ”представляет собой канальный вентилятор, который использует механическую мощность газовой турбины для ускорения воздуха в обратном направлении.

Вентилятор ТРДД отбирает избыточную мощность от выхлопных газов через турбину. Этот процесс немного замедляет скорость выхлопа, но перепускной воздух значительно увеличивает массу.

В случае турбореактивного двигателя весь всасываемый воздух будет проходить через турбину и камеру сгорания. Напротив, в турбовентиляторном двигателе только некоторая часть воздуха, всасываемого в двигатель, проходит через турбину и камеру сгорания. Таким образом, турбовентиляторный двигатель работает как турбореактивный двигатель с канальным вентилятором.

Эти двигатели создают тягу через силовую установку (вентилятор) и перемещают самолет по воздуху. Последние самолеты имеют турбовентиляторные двигатели, потому что эти двигатели имеют хорошую топливную экономичность и создают большую тягу.

Эффективность турбовентиляторного двигателя можно измерить как соотношение сожженного топлива для создания необходимой тяги. Обычно это выражается в фунтах топлива на фунт тяги.

Большинство коммерческих авиационных двигателей в настоящее время имеют двигатели с большой степенью двухконтурности, но последние военные истребители имеют турбовентиляторные двигатели с малой степенью двухконтурности. Форсажные камеры не могут использоваться в ТРДД с большой степенью двухконтурности, но могут использоваться в двигателях с малой степенью двухконтурности.

В этом типе двигателя основной двигатель окружает передний вентилятор и дополнительную турбину сзади. Турбины и вентиляторы имеют несколько лопастей, таких как центральная турбина и центральный компрессор, соединенные дополнительным валом. По некоторым механическим причинам вал вентилятора проходит мимо центрального вала. Такое расположение двигателя известно как 2-х золотниковый двигатель. Одна «катушка» предназначена для ядра, а другая «катушка» — для вентилятора.

Как работает турбовентилятор?

Работа 9ТРДД 0208 очень похож на ТРД . Турбовентиляторный двигатель работает следующим образом:

• Во-первых, воздух всасывается внутрь двигателя через вентилятор и разделяется на два различных пути.
• Некоторая часть воздуха поступает в сердцевину двигателя, где происходит сгорание, а оставшаяся часть воздуха (байпасный воздух) выходит за пределы сердцевины двигателя по воздуховоду.
• После всасывания воздух поступает в компрессор низкого давления, который повышает давление воздуха в соответствии с требованиями и направляет его в компрессор высокого давления.
• Когда сжатый воздух низкого давления поступает в компрессор высокого давления, он дополнительно сжимает воздух до очень высокого давления, а также сильно повышает его температуру.
• Компрессор высокого давления делает температуру воздуха настолько высокой, что при его соприкосновении с топливом в камере сгорания процесс сгорания начинается сам собой.
• После сгорания топливовоздушной смеси отработанный газ поступает в турбину низкого и высокого давления.
• После входа в турбину горячие газы расширяются в турбину и ударяются о лопатки турбины. Лопасти турбины извлекают из сгоревшей смеси достаточно энергии, чтобы привести в движение компрессор низкого давления и вентилятор. Оставшаяся мощность сгоревшей смеси направляется к выхлопному соплу.
• Когда выхлопные газы попадают в форсунку, форсунка преобразует энергию их давления в скорость и превращает их в газы с очень высокой скоростью.
• Когда высокоскоростные газы выбрасываются из сопла в атмосферу, они создают тягу, которая двигает самолет вперед.
• Скорость воздуха, проходящего через вентилятор, немного выше, чем скорость свободного воздуха. Этот поток воздуха известен как байпасный или вентиляторный воздушный поток.

Строительство ТРДД

Турбовентиляторный двигатель был разработан, чтобы избежать нежелательных свойств эффективности дозвукового полета турбореактивных двигателей.

Очевидным способом повышения эффективности турбореактивного двигателя является повышение температуры горелки для повышения эффективности Карно и установка сопла и более крупного компрессора. Этот процесс увеличивает тягу, но выхлопные газы выходят из двигателя с высокой скоростью, что потребляет дополнительную мощность двигателя.

Из-за вышеуказанных причин реактивный двигатель потребляет большое количество топлива. Эти двигатели имеют низкую скорость и низкий КПД. Поэтому ученые разработали турбовентиляторный двигатель, чтобы избежать дополнительного расхода топлива и улучшить экономию топлива.

Types of Turbofan Engines

The turbofan has the following three major types:

1. Low-bypass engine
2. Medium or afterburning engine
3. High-bypass engine

1) Low-bypass Turbofan 

Тип двигателя, который использует реактивную тягу больше, чем тяга вентилятора , называется ТРДД с малой двухконтурностью . Турбовентиляторный двигатель с малой степенью двухконтурности содержит многоступенчатый вентилятор, который создает сравнительно высокие степени давления, что приводит к более высоким скоростям выхлопных газов (холодных или смешанных). Воздушный поток от ядра должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную мощность ядра для работы вентилятора.

В этом двигателе более высокая степень двухконтурности/более низкий цикл основного потока может быть достигнута за счет увеличения температуры на входе в ротор турбины высокого давления (высокого давления).

Эти типы двигателей имеют более высокую топливную экономичность по сравнению с базовыми турбореактивными двигателями. Последние истребители в основном имеют ТРДД с малой степенью двухконтурности с форсажной камерой. После этого они могут эффективно ориентироваться, но по-прежнему имеют большую тягу к воздушным боям.

Истребитель может двигаться намного быстрее скорости звука, но для максимальной эффективности воздух, поступающий в двигатель, должен двигаться со скоростью ниже скорости звука.

2) Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Основное назначение форсажных камер — увеличение тяги, обычно используемой для сверхзвукового полета, боя и взлета.

После сгорания дополнительное топливо впрыскивается в камеру сгорания через впускной патрубок после турбины для «подогрева» выхлопных газов. Он значительно увеличивает тягу за счет снижения веса, а не за счет использования более крупного двигателя. Однако этот двигатель потребляет большое количество топлива из-за того, что работает в течение короткого времени.

3) ТРДД с большой степенью двухконтурности

Двигатель , у которого тяга вентилятора намного больше реактивной тяги , называется ТРДД с высокой степенью двухконтурности . Для снижения расхода топлива и снижения шума почти все современные пассажирские и военные самолеты (такие как C-17) имеют турбовентиляторные двигатели с большой степенью двухконтурности.

Эти типы ТРДД разработаны на основе ТРДД малой степени двухконтурности, использовавшихся в самолетах 19-го века.60-е годы.

Малая определенная тяга в этом двигателе достигается заменой многоступенчатого вентилятора на одноступенчатый. В отличие от некоторых военных двигателей, последние гражданские ТРДД не имеют фиксированного направляющего аппарата на передней части ротора вентилятора. Вентилятор имеет фиксированную шкалу для достижения требуемой полезной тяги.

Сердечник двигателя (или газогенератор) должен производить достаточную энергию для работы вентилятора с требуемой степенью сжатия и скоростью потока. Модификации материала турбины/технологии охлаждения повышают температуру на входе ротора турбины высокого давления (ВД), что позволяет уменьшить (более легкие) сердечники и (потенциально) повысить тепловую производительность сердечника.

Уменьшение массового расхода активной зоны приводит к увеличению нагрузки на турбину низкого давления, поэтому этому блоку потребуются дополнительные ступени для поддержания эффективности турбины низкого давления и снижения средней нагрузки ступени. Уменьшение основного потока также увеличивает степень двухконтурности.

Компоненты турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель состоит из многих компонентов, но наиболее распространенные компоненты приведены ниже:

1. Вентилятор
2. Компрессор
3. Турбина
4. Вал
5. Камера сгорания
6. Сопло

1) Вентилятор

Вентилятор является наиболее важным компонентом ТРДД. Эта часть помогает двигателю создавать тягу.

Вентилятор является первым компонентом ТРДД. Вы можете увидеть это на приведенной ниже схеме, и вы также можете найти эту часть в передней части самолета.

Лопасти вентилятора чаще всего изготавливаются из титанового сплава . Они могут втягивать большое количество воздуха внутрь двигателя.
Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в сердцевину двигателя, где и происходит воспламенение. Оставшийся воздух (называемый «байпасным воздухом») проходит через канальный вентилятор на внешней стороне сердцевины двигателя. Этот перепускной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и успокаивает его, удаляя выхлопные газы двигателя. В последнем фанджете максимальная тяга двигателя создается за счет перепуска воздуха.

2) Компрессор

Основная статья: Компрессор

Компрессор играет важную роль в работе турбовентиляторного двигателя. Основной задачей компрессора является повышение давления и температуры воздуха.

В турбовентиляторном двигателе для сжатия воздуха используются два компрессора (компрессор низкого давления и компрессор высокого давления). Это центробежные компрессоры. Этот центробежный компрессор имеет ряд вращающихся лопастей в форме аэродинамического профиля для сжатия и ускорения воздуха. Основными частями центробежного компрессора являются рабочее колесо, впускное отверстие, диффузор и выпускное отверстие.
Когда воздух проходит через компрессор, лопасти рабочего колеса компрессора во время этого процесса становятся меньше. Они добавляют энергии воздуху и сжимают его. За счет этого процесса повышается давление и температура внутри камеры сгорания.
Компрессор имеет ряд неподвижных или статорных лопаток. Эти лопасти статора получают воздух с высокой скоростью от крыльчатки и преобразуют эту скорость в давление воздуха. Статоры также подготавливают воздух для входа в следующие неподвижные лопатки. Простыми словами, лопатки статора «выпрямляют» воздушный поток.

3) Камера сгорания

Камера сгорания — это место внутри двигателя, где происходит сгорание. Когда воздух выходит из компрессора и попадает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется.
Звучит просто, но на самом деле это очень сложная процедура. Это связано с тем, что горелка должна продолжать обеспечивать стабильное горение топливовоздушной смеси, пока воздух проходит мимо горелки с очень высокой скоростью.

Корпус двигателя имеет все компоненты горелки, в которых диффузор является компонентом, работающим первым.
Диффузор замедляет поток воздуха в компрессоре, чтобы он мог легко гореть. Купола и вихри увеличивают турбулентность воздуха и облегчают его смешивание с топливом. Как вы можете себе представить, топливная форсунка впрыскивает топливо для смешивания с воздухом, и может произойти процесс воспламенения.
Оттуда в футеровке происходит фактическое сгорание. Вкладыш имеет несколько воздухозаборников, через которые воздух может поступать из разных точек зоны горения.
Последний важный компонент — зажигалка. Это очень похоже на свечи зажигания для автомобилей и самолетов с поршневыми двигателями. После того, как зажигалка зажжет источник огня, она самодостаточна и выключит зажигалку (хотя обычно используется в качестве резервной в плохую погоду или в гололед).

4) Турбина

Основная статья: Турбина

Когда сгоревший воздух выходит из камеры сгорания, он поступает в турбину. Турбина представляет собой набор аэродинамических лопастей, очень похожих на лопасти компрессора. Когда горячий воздух с высокой скоростью проходит через лопасти турбины, они поглощают дополнительную энергию из воздуха, заставляя турбину полностью вращаться и вращать связанный с ней вал двигателя.

Вал турбины также соединен с вентилятором и компрессором . Когда турбина вращается, компрессор и вентиляторы в передней части турбовентиляторного двигателя продолжают всасывать больше воздуха, быстро смешиваются с топливом и сгорают.

Для турбин требуется дополнительный вентилятор (как показано на диаграмме выше), что приводит к увеличению размеров турбин и увеличению перепадов температуры и давления, что приводит к уменьшению размеров сопел. Это означает, что скорость убегания активной зоны уменьшится.

5) Сопло

Сопло является последней частью фанреактивного двигателя. Сопло является наиболее важным компонентом реактивного двигателя, а также турбовентиляторного двигателя. Этот компонент двигателя жизненно важен, потому что он создает тягу, выбрасывая выхлопные газы в атмосферу с высокой скоростью, что помогает самолету двигаться вперед.

Этот процесс работает в соответствии с третьим законом Ньютона. Согласно этому закону, каждое действие имеет равную, но противоположную по направлению реакцию. Следовательно, когда сопло выбрасывает воздух на высокой скорости, воздух также оказывает равную, но противоположную направленную силу и перемещает летательный аппарат вперед.

Что такое коэффициент байпаса?

Коэффициент двухконтурности (BPR) представляет собой сравнение массового расхода воздуха, проходящего через сердечник, с массовым расходом воздуха, всасываемого в сердечник двигателя. Например, если коэффициент двухконтурности равен 12:2, это означает, что 12 кг воздуха будут обходить сердечник двигателя, а 2 кг воздуха проходить через сердечник.
Турбовентиляторные двигатели делятся на различные типы на основе степени двухконтурности, которые вместе с степенью давления вентилятора, температурой на входе в турбину и степенью полного давления являются жизненно важными конструктивными факторами. Турбовинтовые двигатели и вентиляторные блоки без воздуховодов также используют BPR из-за их высокой двигательной эффективности, обеспечивающей им общие характеристики эффективности турбовентиляторных двигателей с избыточным байпасом.
Коэффициент байпаса также можно использовать для установки подъемного вентилятора, в котором воздушный поток вентилятора направлен в сторону от двигателя и не проходит через сердечник двигателя. Высокий BPR снижает расход топлива при той же тяге.
Самолет хорошо подходит для сверхзвуковой скорости, когда весь газ, выходящий из газовой турбины, преобразуется в К.Э. в движительном сопле. Самолету лучше всего при нулевой скорости, когда выходящий газ превращается в единую большую массу и малую кинетическую энергию.

Турбореактивный двигатель VS Турбореактивный двигатель

Основное различие между ТРД и ТРД приведено ниже: Турбореактивный двигатель имеет высокий уровень шума. Для создания тяги используется вентилятор. Он использует свой выхлоп для создания тяги. Это модифицированная версия турбореактивного двигателя. Турбореактивный двигатель — старая версия реактивного двигателя. ТРДД имеет высокий КПД. Турбореактивный двигатель имеет более низкий КПД. Обладает высокой топливной экономичностью. Имеет меньшую топливную экономичность. Для создания тяги используется дополнительный вентилятор. Дополнительный вентилятор не требуется. Создает большую тягу, чем турбореактивный двигатель. Создает меньшую тягу. Используются в бомбардировщиках и авиалайнерах. Используются в истребителях.

В чем разница между ТРДД и ТРД?

Турбовинтовой двигатель	Турбовинтовой двигатель
Вентилятор турбовентилятора расположен в передней части.	Турбовинтовой двигатель имеет пропеллер, прикрепленный к передней части.
Для создания тяги используется вентилятор.	Он использует пропеллер для создания тяги.
Этот двигатель имеет высокую топливную экономичность.	Низкий расход топлива.
Турбовентиляторный двигатель менее эффективен, чем турбовинтовой.	Турбовинтовой двигатель более эффективен.
Самолеты с ТРДД летают на высокой скорости.	Самолеты с турбовинтовыми двигателями летают с малой скоростью.
Имеет более низкий коэффициент двухконтурности.	Имеет более высокий коэффициент двухконтурности.
Эти двигатели используются в скоростных дозвуковых самолетах.	Эти двигатели используются в низкоскоростных дозвуковых самолетах.

FAQ Раздел

Каковы преимущества турбовентиляторного двигателя?

1. Эти двигатели имеют очень высокий КПД на дозвуковой скорости.
2. Самолеты с ТРДД летают на высокой скорости.
3. Обладают высокой топливной эффективностью.

Где используются турбовентиляторные двигатели?

Турбореактивный двигатель, используемый на широкофюзеляжных авиалайнерах, таких как Airbus A300 и Boeing 747.  

На каких типах самолетов наиболее широко используются турбовентиляторные двигатели?

Почти все пассажирские самолеты используют турбовентиляторные двигатели. Этот двигатель был разработан для вращения большого вентилятора или ряда вентиляторов в передней части двигателя для создания примерно 80% тяги двигателя. Он имеет очень низкий уровень шума и отличную топливную экономичность в этом диапазоне скоростей.

Могут ли ТРДД стать сверхзвуковыми?

Турбовентиляторные двигатели могут выдерживать сверхзвуковую скорость, потому что воздухозаборник создает постоянные состояния потока независимо от скорости полета. В условиях дозвукового потока лопасти вентилятора и гребные винты имеют наибольшую эффективность.

Что приводит в действие вентилятор турбовентиляторного двигателя?

В ТРДД турбина низкого давления приводит в действие компрессор низкого давления, который далее приводит в движение вентилятор.

Почему ТРДД тише, чем ТРД?

Турбореактивный двигатель имеет более высокий уровень шума, чем турбовентиляторный, при том же уровне тяги. Тяга турбовентилятора создается за счет вращения вентилятора в газотурбинном двигателе, который разгоняет большое количество воздуха до более низкой скорости, чем турбореактивный двигатель. Следовательно, при той же тяге выброс фанреактивного двигателя на выходе из двигателя имеет меньшую энергию. Поэтому он производит меньше шума, чем турбореактивный двигатель.

Что лучше турбовинтовой или турбовентиляторный?

Турбовинтовой двигатель имеет более высокий КПД, чем турбовентиляторный двигатель. Однако самолет с ТРД имеет большую скорость, чем турбовинтовой двигатель.

Какие существуют типы турбовентиляторных двигателей?

Турбореактивные двигатели бывают следующих основных типов:

1. Двигатель с малой степенью двухконтурности
2. Двигатель со средней или форсажной камерой сгорания
3. Двигатель с высокой степенью двухконтурности

В чем разница между газотурбинными двигателями?

Турбовентиляторный двигатель GEnx в настоящее время используется в самолетах Boeing 747-8 и Boeing 787 Dreamliner. В двигателе, который на 15% более экономичен по топливу по сравнению с двигателем GE CF6, используются лопасти вентилятора из углеродного волокна и корпус вентилятора для снижения веса. (Любезно предоставлено GE Aviation)

Газовая турбина является одним из наиболее широко используемых видов силовых установок для современных авиационных двигателей. Ядро двигателя, определяемое как компрессор, горелка и турбина, также известно как газогенератор, поскольку на выходе получаются горячие выхлопные газы. Компрессор и турбина определяются как турбомашины, в которых энергия добавляется или извлекается из непрерывного потока за счет динамического и аэродинамического действия вращающихся лопастей.

Общие детали газотурбинного двигателя

Впускное отверстие

Впускное отверстие двигателя подает в двигатель свободный поток воздуха. В центре внимания воздухозаборника является замедление входящего воздуха и преобразование его кинетической энергии в статическое давление.

На этом поперечном разрезе типичного реактивного двигателя показаны секции, разделенные на две области: холодную и горячую. Горячая секция — это когда сгорание происходит за счет добавления топлива к воздушному потоку, обеспечиваемому впуском холодной секции.

• Дозвуковые воздухозаборники: Дозвуковые летательные аппараты не превышают скорость звука. Можно максимизировать рост давления, используя либо более длинный диффузор, либо больший угол расхождения диффузора (отношение площади диффузора).

Схема потока для дозвукового воздухозаборника делится на внешний (внешний/вверх по потоку) и внутренний сегменты. Внешнее ускорение возникает при низкоскоростном режиме работы с большой тягой (т. е. в условиях взлета), что увеличивает скорость на входе и снижает давление на входе. Таким образом, входная зона спроектирована так, чтобы свести к минимуму внешнее ускорение во время взлета, чтобы внешнее замедление происходило в крейсерских условиях. На типичном дозвуковом воздухозаборнике поверхность воздухозаборника представляет собой непрерывную гладкую кривую, имеющую некоторую толщину изнутри наружу. Впускная кромка или изюминка, самая верхняя часть впускного отверстия, относительно толстая.

• Сверхзвуковые воздухозаборники: Сверхзвуковые самолеты по-прежнему необходимы для замедления потока до дозвуковых скоростей, прежде чем воздух достигнет компрессора. Воздушный поток имеет число Маха от 0,4 до 0,7, когда он достигает поверхности двигателя. Диффузия потока от сверхзвукового к дозвуковому потоку, также известная как возврат тарана, включает толчки. Нормальный ударный воздухозаборник представляет собой простейший сверхзвуковой диффузор. Скачки, имеющие узкую входную кромку, используются для одиночного нормального скачка (90° перпендикулярно потоку) при числах Маха менее 1,6.

Наклонные впускные патрубки амортизаторов обеспечивают более высокое восстановление общего давления. Торможение сверхзвукового потока достигается серией косых толчков (под определенным углом к ​​потоку), за которыми следует слабый прямой скачок. В косом скачке сверхзвуковой поток обращается в себя; с увеличением числа косых скачков потери на скачках уменьшаются, особенно при больших числах Маха.

Осесимметричный воздухозаборник внешнего сжатия представляет собой конусообразный диффузор, создающий конический удар. Из-за того, что поток над конусом по своей природе является трехмерным, поле течения между ударной волной и конусом больше не является однородным. Эффект приводит к более слабой ударной волне, чем для клина того же угла.

Компрессор

Компрессоры используются для повышения давления воздуха перед его подачей в камеру сгорания.

• Центробежные компрессоры: Эти компрессоры использовались в первых реактивных двигателях и до сих пор используются в турбореактивных и турбовальных двигателях. Они поворачивают воздушный поток перпендикулярно оси вращения. Вращающееся рабочее колесо перемещает воздух, который собирается в улитке или улитке. Между рабочим колесом и улиткой может быть диффузор.

• Осевые компрессоры: Вместо перпендикулярного потока осевые компрессоры подают воздух параллельно оси вращения. Компрессор состоит из нескольких рядов роторов и статоров; которые представляют собой серию воздушных крыльев. Роторы соединены с центральным валом и вращаются с высокой скоростью, сообщая момент импульса жидкости. Статоры закреплены, которые соединяются с внешним корпусом, увеличивают давление, удерживая поток от закручивания по спирали вокруг оси, возвращая его к параллельной оси (действуя как диффузоры). Длина лопасти и площадь кольцевого пространства уменьшаются по всей длине компрессора, уменьшая проходное сечение. Это компенсирует увеличение плотности жидкости при ее сжатии.

Горелка

Горелка или камера сгорания расположена между компрессором и турбиной в виде кольца. Здесь топливо смешивается с воздухом под высоким давлением и сжигается для создания выхлопных газов высокой температуры, которые вращают силовую турбину и создают тягу. Некоторые из желаемых свойств горелок заключаются в достижении полного сгорания с минимальными выбросами выхлопных газов, низкой общей потерей давления, низкими потерями тепла через стенки и эффективным охлаждением. Однако многие из этих свойств конкурируют друг с другом; следовательно, оптимальная конструкция горелки является компромиссной.

• Кольцевые камеры сгорания: Состоящие из ряда цилиндрических горелок, расположенных вокруг общего кольца, камеры сгорания с кольцевыми камерами функционируют независимо друг от друга. На входе в каждую камеру находится диффузор, который может снизить скорость от типичного выхода компрессора (100-150 м/с) до средней скорости объемного потока (20-30 м/с) в зоне горения. Он подает воздух в зону горения в виде стабильного и равномерного поля потока. Это более старый метод проектирования горелки.

• Кольцевые камеры сгорания: Кольцевая камера сгорания является более современной конструкцией. Это одиночная горелка с кольцевым поперечным сечением, которая подает газ на турбину. Сама зона горения занимает кольцевое пространство. Улучшенная зона горения обеспечивает однородность, простоту конструкции, уменьшенную линейную площадь поверхности и меньшую длину системы.

Турбина

Турбина похожа на компрессор тем, что состоит из нескольких рядов роторов и статоров. Ступень турбины начинается с неподвижного ряда лопаток, называемого направляющим аппаратом сопла, за которым следует ряд вращающихся лопаток. Турбина преобразует тепловую энергию в кинетическую, расширяясь через сопла, а затем в механическую энергию вращения во вращающемся роторе.

В потоке в турбине преобладают благоприятные градиенты давления. Изменения давления могут быть довольно большими, а пограничные слои в турбине менее подвержены остановке по сравнению с компрессором. Охлаждение турбин является серьезной проблемой; таким образом, они предназначены для работы в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Форсунка

Функция форсунки заключается в преобразовании тепловой энергии в кинетическую для получения высокой скорости выхлопа. Тяга сопла, или общая тяга, состоит из импульса и тяги давления. Максимальная полная тяга достигается, когда сопло полностью расширено или давление окружающей среды равно давлению выхлопных газов.

• Дозвуковое сопло: Для ускорения дозвукового потока поперечное сечение канала должно уменьшаться в направлении потока. Когда воздуховод заканчивается наименьшим поперечным сечением, получается сужающееся сопло. Давление на выходе из сопла ниже атмосферного. В результате поток ускоряется или расширяется до атмосферного или местного давления на выходе. Чем выше летит самолет, тем больше увеличивается скорость в соответствии с более низким атмосферным давлением окружающей среды. Предел достигается, когда струя выбрасывается со скоростью звука, и говорят, что сопло засорено. Как только реализуется состояние дросселирования, массовый расход сопла становится максимальным, и условия остаются неизменными независимо от снижения атмосферного давления. Следовательно, сужающееся сопло никогда не может создать сверхзвуковой поток.

• Сверхзвуковое сопло: Для высоких скоростей выхлопа, необходимых для сверхзвукового полета, используется сужающееся-расширяющееся (CD) сопло для создания сверхзвуковой скорости выхлопа. Конструкция сопла CD состоит из сужающегося канала, за которым следует расширяющийся канал. Увеличение площади поперечного сечения сопла CD ускоряет сверхзвуковой поток. Сверхзвуковое сопло или сопло CD требует большой разницы давлений, чтобы разогнать газ до сверхзвуковой скорости в горловине и дополнительно создать сверхзвуковой поток в расширяющейся части CD. Значительная разница давлений может быть создана за счет уменьшения противодавления или выходного давления окружающей среды ниже по потоку.

Регулируемые сопла позволяют сверхзвуковому самолету адаптироваться к изменяющимся условиям давления окружающей среды и мощности двигателя для сверхзвукового полета. А адаптирующиеся к высоте сопла могут изменять форму угла сопла сопла для достижения оптимальной производительности.

Проблема возникает при чрезмерном или недостаточном расширении патрубка. В условиях недорасширения давление падает поперек волн расширения, и выхлопной шлейф расширяется за выходное отверстие сопла, снижая эффективность на больших высотах. Для перерасширенных сопел давление повышается из-за косых ударных волн и смеси дозвуковых и сверхзвуковых потоков. Выхлопной шлейф пережимается высоким давлением окружающего воздуха, что снижает его эффективность на малых высотах. Чрезмерное расширение может привести к образованию в шлейфе областей со сложными волновыми узорами, которые создают бело-желтое люминесцентное свечение, поскольку низкое давление выхлопных газов пытается соответствовать высокому атмосферному давлению.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель — простейший тип газовой турбины. Большое количество окружающего воздуха втягивается во впускное отверстие двигателя благодаря компрессору. В задней части впускного отверстия воздух поступает в компрессор. Давление увеличивается, когда воздух проходит ряды лопастей. На выходе из компрессорной секции давление воздуха выше, чем в набегающем потоке. В секции горелки топливо смешивается с воздухом и воспламеняется. Горячий выхлоп поступает в основном из окружающего воздуха и проходит через турбину после выхода из горелки. Турбина извлекает энергию из горячего воздушного потока, заставляя лопасти вращаться в потоке. В реактивном двигателе энергия, извлекаемая турбиной, вращает компрессор, соединяя его и турбину с центральным валом. Остальная часть горячего выхлопа используется для создания тяги за счет увеличения его скорости через сопло. Поскольку выходная скорость больше, чем набегающий поток, создается тяга. В поток добавляется очень мало топлива, поэтому массовый расход на выходе почти равен массовому расходу набегающего потока.

Турбовинтовой двигатель

В турбовинтовом двигателе горячий выхлоп используется для вращения винта, а не для создания тяги на выходе из двигателя.

Двумя основными частями турбовинтовой силовой установки являются основной двигатель и воздушный винт. Основной двигатель очень похож на турбореактивный, за исключением того, как он обрабатывает энергию выхлопных газов. Вместо расширения горячего выхлопа через сопло для создания тяги турбовинтовой двигатель использует большую часть энергии выхлопа для вращения турбины. К приводному валу, который, в свою очередь, соединяется с коробкой передач, может быть присоединена дополнительная ступень турбины. Гребной винт соединяется с коробкой передач, которая создает большую часть тяги.

Тяга, создаваемая скоростью выхлопа, мала, поскольку большая часть энергии выхлопа активной зоны используется для вращения приводного вала. Турбовинтовые (и турбовентиляторные) двигатели обычно имеют двухконтурный двигатель, в котором отдельная турбина и вал приводят в действие вентилятор и коробку передач соответственно. Турбовинтовые используются только для низкоскоростных самолетов, таких как грузовые самолеты. Пропеллеры становятся менее эффективными по мере увеличения скорости самолета.

Турбовентиляторный двигатель

Pratt

Современные авиакомпании используют турбовентиляторные двигатели для движения своих самолетов по воздуху. Это связано с их высокой тягой и топливной экономичностью. Турбореактивный двигатель является наиболее современной модификацией базовой газовой турбины. В ТРДД два вентилятора окружают основной двигатель. Один вентилятор находится в передней части основного двигателя, а другой — в задней. Вентилятор и турбина вентилятора соединены с дополнительным валом вентилятора. Вал вентилятора проходит через основной вал в двухконтурном двигателе. Для достижения более высокой эффективности некоторые двигатели имеют дополнительные золотники.

Турбовентилятор работает за счет захвата поступающего воздуха во впускное отверстие. Часть воздуха проходит через вентилятор в основной компрессор, а затем в горелку. Теплоотвод проходит через активную зону, вентиляторные турбины и выходит из сопла. Этот процесс аналогичен процессу турбореактивного двигателя. Остальной поступающий воздух перенаправляется вокруг двигателя после прохождения вентилятора. Воздух, проходящий через вентилятор, имеет несколько большую скорость, увеличенную от набегающего потока.

Отношение количества воздуха, перенаправляемого вокруг двигателя, к количеству воздуха, проходящего через сердечник, называется коэффициентом двухконтурности. ТРДД с малой степенью двухконтурности более экономичны, чем базовые ТРД. Турбовентиляторный двигатель создает большую тягу для почти равного количества топлива, используемого активной зоной, потому что расход топлива немного изменяется при добавлении вентилятора. В результате турбовентилятор обеспечивает высокую эффективность использования топлива.

Воздух, проходящий через сердечник, а также воздух, проходящий вокруг двигателя, составляют тягу. Благодаря тому, что воздухозаборник охватывает передний вентилятор и имеет много лопастей, он может эффективно работать на более высоких скоростях, чем простой пропеллер.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

На этом изображении Pratt

Форсажная камера используется в сверхзвуковых самолетах, таких как Concorde, и отключается после достижения крейсерской скорости. Многие современные истребители используют ТРДД с малой степенью двухконтурности, оснащенные форсажными камерами для эффективных крейсерских условий и создания высокой тяги в воздушных боях, а также на ТРД для полета на сверхзвуковых скоростях, преодолевая резкое возрастание сопротивления вблизи скорости звука. Форсажная камера впрыскивает топливо непосредственно в горячий выхлоп. Сопло базового ТРД удлиняется и за соплом устанавливается кольцо пламегасителей. Дополнительное топливо впрыскивается через обручи в струю горячего выхлопа. Сгорающее топливо создает дополнительную тягу, но с неэффективной скоростью.

Горящее топливо предлагает простой механический способ увеличения тяги, но с неэффективной скоростью. Расчет тяги такой же, как у обычного турбореактивного двигателя, за исключением того, что значение тяги на выходе — это тяга на выходе из форсажной камеры.

Thrust Equations:

F _{Turbojet or Afterburning Turbojet} = ṁ _e ∙ V _e – ṁ _FS ∙ V _ФС
F _Turboprop = ṁ _FS ∙ ( V _Pe – V _FS ) +  ṁ _e ∙ ( V _e – V _Pe )
F _Turbofan = ṁ _e ∙ V _e – ṁ _FS ∙ V _FS + бпр – – _с В _ф

где:
¹ _FS = массовый расход набегающего потока воздуха
¹ _e = массовый расход воздуха на выходе из активной зоны расход горячего выхлопа, проходящего через сердцевину
¹ _f   = массовый расход потока вентилятора или байпаса
V _f = скорость воздуха на выходе из вентилятора
V _e = скорость воздуха на выходе из сердечника
V _Pe = скорость воздуха на выходе из пропеллера
Ve = скорость воздуха на выходе из активной зоны
bpr = коэффициент двухконтурности, равный á¹ _f / á¹ _c

Ищете запчасти? Перейдите на SourceESB.

8 Различия между турбореактивным двигателем и турбовентиляторным двигателем, которые необходимо знать

92
Акции

Быстрая связь с тем, что находится в этом посте:

.

Впускной вентилятор ТРДД Boeing 737 Max (Shutterstock — Zaheed Elahi)

Основное различие между ТРД и ТРД заключается в том, что в ТРД весь воздух поступает в сердцевину двигателя (компрессор, камеру сгорания, турбину).

Турбовентилятор использует основные элементы турбореактивного двигателя, но имеет большой вентилятор в передней части двигателя. Некоторая часть воздушного потока «обходит» ядро ​​(компрессор, камеру сгорания и турбину), обтекая двигатель.

В ТРД часть тяги создается вентилятором и сердечником двигателя, тогда как в ТРД вся тяга создается за счет ускорения потока через сердечник двигателя.

Каковы различия в конструкции турбовентиляторного двигателя и турбореактивного двигателя?

Конструкция турбореактивного двигателя

Основные компоненты турбореактивного двигателя обычно состоят из воздухозаборника для направления потока в компрессор. Из компрессора (где повышаются давление и температура потока) поток затем вводится в камеру сгорания, где воспламеняется.

После сгорания газ высокой температуры и высокого давления ускоряется и расширяется в сопле, создавая тягу. Турбина приводит в движение компрессор турбореактивного двигателя. Турбореактивные двигатели получают всю свою энергию от выхлопных газов.

Турбореактивные двигатели имеют нулевой перепускной поток (т. е. нет «холодного» обтекания активной зоны), поэтому воздушный поток выходит с высокой скоростью. Турбореактивные двигатели подходят для высокоскоростных сверхзвуковых полетов, где они наиболее эффективны. Турбореактивные двигатели часто используются на сверхзвуковых самолетах, таких как Concorde. Air France Concorde в аэропорту CDG в 2003 году — Александр Йонссон — http://www.airliners.net/photo/Air-France/Aerospatiale-British-Aerospace-Concorde/0432634/L /, GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=165

Основные элементы турбореактивного двигателя

Впуск > компрессор > камера сгорания > компрессор привода турбины > сопло

Вы хотите однажды стать пилотом и управлять одним из этих самолетов? Ознакомьтесь с моим бестселлером «Руководство по обучению пилотов» на Amazon , чтобы получить лучшие советы по обучению полетам, чтобы ЭКОНОМИТЬ ВРЕМЯ и ДЕНЬГИ!

Слушайте руководство по обучению пилотов бесплатно с Audible здесь

См. на Amazon. Затем воздух идет от вентилятора по двум путям: «холодному» или обходному пути и «горячему пути» или основному пути.

В зависимости от размера вентилятора и степени двухконтурности двигателя от 30 до 80 % воздушного потока обходит холодный тракт. «Холодный» воздух отводится вокруг центральной части двигателя и снова смешивается в задней части двигателя в районе сопла с «горячим потоком».

Принципиальная схема установки современного двухконтурного ТРДД в гондоле. Золотник низкого давления окрашен в синий цвет, а золотник высокого давления в оранжевый. CC BY-SA 3.0, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=21007866

Горячий тракт ТРДД похож на ТРД, где воздушный поток поступает в компрессор, а затем в камеру сгорания. камеру, турбину и сопло. Турбина приводит в действие как компрессор, так и вентилятор турбовентиляторного двигателя.

Компоненты ТРДД

Воздухозаборник > Вентилятор > Компрессор > Камера сгорания > Компрессор привода турбины и вентилятор > Сопло

Другое различие между ТРД и ТРД заключается в том, что форсажные камеры не используются на ТРД, но используются на ТРД. Учебно-тренировочный МиГ-25РУ в сентябре 2008 г. ( Горят форсажные камеры) — Дмитрий Пичугин — http://www.airliners.net/photo/Russia—Air/Mikoyan-Gurevich-MiG-25RU/2144905/L/, GFDL 1.2, https://commons.wikimedia.org/ w/index.php?curid=20639259

Коэффициент байпаса

Коэффициент байпаса — это отношение количества воздуха, проходящего через «сердцевину», к количеству воздуха, проходящего через двигатель.

Степень двухконтурности 5 = в 5 раз больше потока вокруг активной зоны по сравнению с потоком, проходящим через активную зону > компрессор > камеру сгорания > турбину.

Почему важна степень двухконтурности?

Наличие вентилятора и подачи воздуха в обход основного двигателя обеспечивает меньший расход топлива при той же тяге по сравнению с турбореактивным двигателем. По сути, низкая степень двухконтурности означает, что через сердечник двигателя создается большая тяга по сравнению с двухконтурной.

Реактивный двигатель с большой степенью двухконтурности

В двигателе с большой степенью двухконтурности вентилятор создает большую тягу, чем сердечник.

Турбореактивные двигатели не имеют байпаса. Тяга на турбореактивных двигателях создается за счет ускорения небольшого количества воздуха на очень высоких скоростях. Турбовентиляторные двигатели создают тягу, разгоняя большое количество воздуха на более низких скоростях.

Согласно Википедии:  ТРД выбрасывает большое количество воздуха медленнее, тогда как ТРД выбрасывает меньшее количество воздуха быстрее ’, что менее эффективно для создания тяги.

Разница в уровне шума между турбореактивными и турбовентиляторными двигателями

Турбовентиляторные двигатели намного тише, чем турбореактивные двигатели. Как правило, чем больше степень двухконтурности двигателя, тем он тише. Quieter 737 Max Leap 1B Engine (Shutterstock — Wirestock Creators)

Шум в реактивных двигателях вызывается изменениями давления, температуры и скорости между окружающей средой и реактивным потоком. . Основная причина, по которой турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности намного тише, заключается в том, что воздушный поток намного медленнее после ускорения через двигатель.

Скорость потока ТРД на выхлопе намного выше, чем скорость потока ТРДД. Изменения температуры и давления в ТРД на выхлопе не так значительны, как в ТРД, что еще больше снижает шум.

Современные турбовентиляторные двигатели также включают акустические вкладыши для снижения шума. Чтобы помочь в смешивании перепускного потока двигателя с окружающей средой, конструкции с шевронами / пилообразными зубьями помогли снизить шум, например. Двигатели 747-8 и Dreamliner.

Эффективность ТРД по сравнению с ТРДД

Турбореактивные двигатели были созданы для повышения эффективности и наиболее эффективны на высоких дозвуковых скоростях ок. 300 – 600 миль в час.

Король эффективности — турбовинтовой двигатель. Турбовинтовой двигатель фактически представляет собой турбореактивный двигатель с коробкой передач, приводящей в движение воздушный винт. Турбовинтовые двигатели затмевают всех, поскольку они фактически имеют бесконечную степень «байпаса», поскольку весь пропеллер и сердечник находятся в свободном воздухе.

На более коротких маршрутах, где высокая максимальная скорость не имеет решающего значения, более медленные турбовинтовые самолеты заменили реактивные самолеты из-за их гораздо большей топливной экономичности. Турбовентиляторные двигатели похожи на турбовинтовые в использовании мощности турбины для привода вентилятора.

Dash 8 Турбовинтовой самолет

Улучшенная двигательная эффективность и увеличение расхода топлива более чем компенсируют механические потери, связанные с приводом большого вентилятора от турбины на турбовентиляторном двигателе. ТРДД с высокой степенью двухконтурности могут получать 70% или более своей тяги от вентиляторной/канальной составляющей потока.

Турбореактивные двигатели имеют низкую эффективность на малых скоростях. Турбореактивные двигатели оптимизированы и наиболее эффективны для высокоскоростных сверхзвуковых полетов.

Повышение эффективности турбореактивных двигателей достигается за счет повышения степени сжатия или температуры сгорания. Высокоскоростной полет увеличивает давление на впуске воздуха и температуру побочного продукта, что еще больше повышает эффективность.

SR71 Blackbird может летать со скоростью 3 Маха со своими турбореактивными двигателями.

Турбореактивные двигатели неэффективны для дозвуковых самолетов из-за высокой скорости выхлопных газов турбины и шума, из-за которого теряется энергия на выхлопе.

Использование турбовентиляторных двигателей по сравнению с турбореактивными двигателями

Турбовентиляторные двигатели используются в основном на высокоскоростных дозвуковых реактивных самолетах гражданского и военного назначения. Турбореактивные двигатели используются для сверхзвуковых приложений. Конкорд, например, использовал турбореактивные двигатели Rolls Roye 593 Olympus, оснащенные системой подогрева или форсажной камеры, для крейсерской скорости 2 Маха на высоте 60 000 футов.

Крупнейший в мире двухмоторный пассажирский реактивный самолет Boeing 777-300ER использует турбовентиляторные реактивные двигатели GE90-115B для перевозки 386 пассажиров на расстояние 7 825 морских миль (14 490 км).