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
- Низкофорсажный двигатель
- Средний или форсажный двигатель
- 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
- Вентилятор
- Компрессор
- Турбина
- Вал
- Камера сгорания
- 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.
