Реактивный двигатель — это известный тип двигателя. Реактивный двигатель заставляет самолет двигаться вперед с огромной силой, позволяя ему подниматься слишком высоко. Эта же идея применима ко всем авиационным двигателям, обычно такие двигатели называют газотурбинными. Двигатель втягивает воздух с помощью вентилятора. Компрессор увеличивает давление воздуха.
Вторая мировая война положила начало эре реактивных двигателей. Реактивные двигатели работают совершенно иначе, чем предыдущие. Представьте, что вы сидите на столе на колесах с чашей для бейсбола. Рама катит вас в другом направлении, когда вы бросаете бейсбольный мяч. Вы не попадете на траекторию, если будете бросать бейсбольный мяч в один момент.
Согласно третьему закону Ньютона, каждое действие имеет равную, но противоположную реакцию. Когда вы бросаете мяч, сила той же величины действует в обратную сторону и едва заметна на земле. Стоя на льду или катаясь на байдарке, вас может поджидать сюрприз, если вы не будете готовы.
Реактивный двигатель работает по тому же принципу: когда воздух всасывается назад, он имеет силу, способную реагировать вперед.
Сила = ускорение х масса
Воздух не очень тяжелый. Поэтому если вы используете большую силу для перемещения крупного объекта, такого как самолет, вам потребуется много воздуха, чтобы сделать небольшое ускорение при разумной скорости, очень большое ускорение при меньшем количестве воздуха или что-то среднее.
Сгорание бензина и выхлопных газов происходит в одном направлении и толкает двигатель в противоположном. Реактивные двигатели все еще работают в соответствии с этой концепцией, но имеют запас кислорода, который сжигает топливо в вакууме.
История реактивного двигателя
Концепция реактивного двигателя была впервые предложена студентом из Великобритании Фрэнком Уиттлом в 1928 году. В 1937 году он доказал это в лаборатории, а в 1941 году британские RAF начали использовать первый самолет, Gloucester E.28. Тем временем три немецких инженера разрабатывали ту же идею с начала до середины 1930 года.
Ганс фон Охайн покорил Англию в 1939 году и создал первый в мире самолет с экспериментальным HE-179. Bell P-59A Aira Comet, разработанный в 1941 году, стал первым американским самолетом. Выпуск других самолетов, таких как знаменитый Messer Schmidt Me262, продолжался до конца войны.
Используемые в основном в качестве истребителей, эти самолеты были быстрее и дешевле современных, но имели меньший радиус действия и меньшую маневренность по сравнению с идеальным самолетом. К тому же он не производился в количествах, которые могли бы существенно повлиять на ход боевых действий. Но после войны военная и коммерческая авиация резко возросла.
Принцип работы реактивных двигателей
Реактивный двигатель приводит самолет в движение с огромной мощностью, что позволяет ему быстро перемещаться.
Реактивные двигатели, которые иногда называют газовыми турбинами, работают по той же концепции. Двигатель втягивает воздух спереди через вентилятор. Воздух под действием трения поднимается двигателем. Компрессор состоит из множества лопастей на валу.
Лопасти вращаются с большой скоростью, а воздух сжимается или сжимается. Сначала бензин распыляется в сжатый воздух, и смесь поджигается электрическим пламенем. Дымовые газы распространяются и отделяются от двигателя через пыль. При взрыве газовой форсунки турбина и самолет отбрасываются назад. Горячий воздух движется через другой набор лопаток, названный турбиной, на пути к банке. Турбина прикреплена к тому же валу компрессора. Движение турбины вызывает вращение компрессора. Для реактивных самолетов, скорость которых ниже тона, реактивный самолет летит по воздуху со скоростью около 1000 км/ч (600 миль/ч). При такой скорости можно представить, как двигатель направляется в сторону покоя и холодного воздуха.
Как работает реактивный двигатель?
Тяга — это главный результат работы реактивного двигателя. Чтобы получить тягу, необходимо выпустить воздух из сопла (в основном, из сходящейся части). Чтобы воздух выходил из сопла автоматически, необходимо поддерживать высокое давление на входе в сопло в два этапа. На самом первом этапе компрессор сжимает поступающий воздух, повышая его температуру и давление. Но оно не слишком высокое, что необходимо для создания большой тяги. Для этого существует вторая ступень горения, которая сжигает небольшое количество топлива для сжигания воздуха и увеличивает температуру и объем топлива, оба из которых участвуют в конечном давлении, тем самым поддерживая воздух на входе в сопло. Теперь позвольте мне провести вас шаг за шагом по реактивному двигателю.
Первая ступень — это вход, где атмосфера поступает в двигатель, замедляя скорость и увеличивая давление. Вторая ступень — это компрессор с движущимися лопастями, которые увеличивают давление проходящего через него воздуха. Компрессор имеет решающее значение для работы камеры сгорания. Почему? Как компрессор увеличивает давление воздуха, проходя через движущиеся лопасти? Об этом мы расскажем в другой раз. В настоящее время сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом и сгорает при очень высокой температуре. Эти высокие температуры и давление действительно необходимы, но их необходимо снизить, прежде чем использовать на форсунке.
Кроме того, как я уже упоминал, в компрессоре используются движущиеся лопасти, поэтому необходимо затрачивать энергию. Эти два требования могут быть выполнены одновременно в одном устройстве, называемом турбиной. Ее назначение состоит главным образом в том, чтобы использовать газ высокого давления и температуры из камеры сгорания для вращения нескольких лопаток, установленных на том же валу, что и компрессор. По этой причине компрессор работает так же, как и турбина. Наконец, после вращения этих тяжелых лопастей воздух приобретает идеальные параметры и может всасываться в сопло. Воздух разгоняется у сопла и толкает двигатель в обратном направлении.
В настоящее время в некоторых двигателях полностью удалены компоненты компрессора и турбины. Такие двигатели как scramjet, ramjet и т.д. Эти типы двигателей генерируют огромную тягу, поскольку очевидно, что турбины не используют энергию воздуха до его погружения в сопло. Почему их часто не используют? Потому что они не работают самостоятельно. Таким образом, они могут работать только на высоких скоростях, чтобы сделать самолет сверхзвуковым.
Части реактивного двигателя
Основные компоненты реактивного двигателя приведены ниже.
1) Вентилятор
Вентилятор — это первая деталь турбовентиляторного двигателя. Большой вращающийся вентилятор втягивает большое количество воздуха. Лопасти вентилятора в основном изготовлены из титана. Воздух ускоряется и уменьшается вдвое. Непрерывный участок, проходящий через середину или ступицу двигателя, приводится в движение другими компонентами двигателя.
Второй элемент «опускает» сердцевину двигателя. Сердцевина проходит через окружающую трубу позади турбины, где создается наибольшая сила, двигающая самолет вперед. Этот холодный воздух повышает давление в двигателе и снижает уровень шума.
2) Компрессор
Основная статья Компрессор
Компрессор — это первая часть ядра реактивного двигателя. Компрессор состоит из множества лопастей вентилятора и установлен на валу. Этот компонент двигателя перемещает поступающий воздух во все более узкие области и повышает давление воздуха. Это повышает возможную пропускную способность воздуха. Сжатый воздух нагнетается в камеру сгорания.
3) Камера сгорания
Воздух соединяется с горючим в горелке до тех пор, пока она не загорится. Для распыления топлива в воздушном потоке имеется до 20 штырьков. Смесь воздуха и бензина воспламеняется. Это гарантирует высокую температуру и большой поток электроэнергии. Бензин сжигает кислород, который создает расширяющийся тепловой газ в сжатом воздухе.
Внутренняя часть камеры сгорания обычно выполнена из керамики для поддержания тепловой стабильности камеры. Турбина получает огромный объем энергии от горелки для вращения лопаток турбины. Вал, вращающий лопасти компрессора и вентилятора предварительного всасывания, присоединяется к турбине. Широкий поток энергии, используемый для приведения в действие вентилятора и компрессора, потребляет относительно мало энергии. Газ, образующийся в камере сгорания, движется и вращает лопатки в турбине. Тысячи циклов вращается реактивный двигатель. Он установлен на валу между ними с помощью нескольких шарикоподшипников.
4) Сопло
Это буквально часть генератора самолета, который вырабатывает импульс. Помимо холодного воздуха, который проходит вокруг сердечника двигателя и толкает самолет вперед. при выходе из сопла воздушный поток высокой плотности с энергией, проходящей через турбину, создает силу, которая толкает реактивный двигатель. Смесь теплого воздуха и холодного воздуха выдыхается, происходит выброс выхлопных газов, и транспортное средство движется вперед. Перед соплом находится мешалка, которая смешивает теплый воздух, поступающий из сердца двигателя, с холодным воздухом, проходящим через вентилятор. Мешалка улучшает бесшумность работы двигателя.
Рис: Сопло реактивного двигателя
Типы реактивных двигателей
Работа газовых турбин и реактивных двигателей практически одинакова (всасывание воздуха через всасывающий клапан, сжатие воздуха, сжигание его с помощью топлива (бензина или дизельного топлива) и расширение выхлопных газов через турбину). Поэтому все пять основных частей являются общими. Камера сгорания, компрессор, всасывающий клапан, турбина и приводной вал проходят через них.
Различные типы реактивных двигателей имеют дополнительные части (приводимые в движение турбинами). Впускные отверстия работают несколькими способами. Может быть несколько камер сгорания, несколько турбин и более одного компрессора. Области применения каждого двигателя также очень значительны. Конструкция авиационного двигателя — это хорошо продуманный компромисс. Он должен быть как можно более тихим, легким и небольшим, достигая при этом максимальной производительности при минимальном расходе топлива (т.е. максимальной эффективности). Газовая турбина, используемая на земле (например, газовые турбины на электростанциях), не должна идти на такой же компромисс. Конечно, требуется максимальная эффективность и производительность, но она не обязательно должна быть легкой или маленькой.
Существует множество типов реактивных двигателей, но известные типы приведены ниже.
1) Турбореактивный двигатель
В последнее время этот тип реактивного двигателя широко используется в самолетах. Турбинный двигатель можно определить как любое устройство, использующее энергию жидкостей посредством управляемого механического пространства, использующего закон Ньютона об инерции и ускорении, которое генерирует или потребляет энергию для достижения новых желаемых результатов.
Турбореактивный двигатель — это самый простой реактивный двигатель на основе газовых турбин. Это первичный «ракетный» реактивный двигатель, который двигает самолет вперед за счет впрыска горячих выхлопных газов назад. Выхлопные газы из двигателя движутся быстрее по сравнению с холодным воздухом, поступающим в двигатель. Именно так турбореактивный двигатель создает тягу. В турбореактивном двигателе турбина должна приводить в движение только компрессор, поэтому потребление энергии выхлопными соплами относительно невелико.
Турбореактивный двигатель — это базовый двигатель общего назначения, который производит стабильную мощность. Поэтому они подходят для низкоскоростных и небольших самолетов, которым не нужно делать что-то преимущественно хорошее (например, резкое ускорение или большая мощность).
2) Турбовальный двигатель
Не стоит считать, что вертолет приводится в движение реактивным двигателем. У вертолета есть огромные роторы на вершине, которые выполняют общую работу. Один или несколько газотурбинных двигателей обеспечивают питание этих роторов, которые известны как турбореактивные двигатели.
Разница между турбореактивным и турбовальным двигателем очень велика, поскольку тяга, создаваемая выхлопными газами, относительно мала. Вместо этого турбина турбореактивного двигателя потребляет максимальную мощность, а приводной вал турбины вращает одну или несколько шестерен, которые далее вращают ротор и коробку передач. Помимо вертолетов, турбореактивными двигателями оснащаются корабли, танки и поезда. Газотурбинные двигатели, которые устанавливаются на электростанциях, также являются турбинными валами.
3) Турбовентиляторный двигатель
Основная статья: Турбовентиляторный двигатель
Передняя часть гигантского самолета оснащена огромными вентиляторами, которые действуют как сверхэффективные пропеллеры. Эти вентиляторы работают в два подхода. Вентиляторы немного увеличивают поток воздуха через сердечник двигателя, и при использовании того же топлива создается большая тяга (что повышает эффективность). Эти вентиляторы также нагнетают воздух вокруг основного двигателя, полностью обходя активную зону и создавая воздушную тягу, подобную пропеллеру. Проще говоря, тяга, создаваемая турбовентиляторным двигателем, отчасти похожа на турбореактивный двигатель, а отчасти — на турбовинтовой. Турбовентиляторы с низким коэффициентом перепуска пропускают весь воздух через сердечник, а турбовентиляторы с высоким коэффициентом перепуска пропускают больше воздуха через сердечник.
Измерение коэффициента перепуска дает вам количество воздуха (вес), который проходит вокруг или через сердечник двигателя. В двигателях с высоким байпасом этот коэффициент может составлять 10:1. Это означает, что количество воздуха, проходящего через сердечник, в десять раз больше, чем количество воздуха, проходящего через сердечник. Замечательная эффективность и мощность делают турбовентиляторные двигатели предпочтительными для всех типов самолетов — от туристических до боевых (низкий байпас). Конструкция с байпасом может также охлаждать и глушить реактивный двигатель.
Турбореактивный двигатель менее полезен, чем на 20%. Конструкция и диапазон турбовентиляторных двигателей зависят от области применения, но все турбовентиляторы имеют большую эффективность по сравнению с турбореактивными двигателями. Хороший турбовентилятор может достигать 40% в реальной эксплуатации.
4) Турбовинтовые самолеты
Современные самолеты с воздушным винтом часто используют турбовинтовые двигатели. Турбовинтовой двигатель с большой вероятностью является турбовальным. Как и в вертолетах, внутренняя турбина не приводит в движение верхний ротор, а вращает передний пропеллер, чтобы двигать самолет вперед.
В отличие от турбовальных двигателей, турбовинтовые двигатели создают некоторую тягу вперед за счет выхлопа, но большая часть тяги исходит от пропеллеров. Пропеллерные самолеты летают на низких скоростях, что уменьшает трату энергии на сопротивление, и очень полезно для больших грузовых самолетов и других легких, небольших самолетов. Однако пропеллер сам по себе создает большое сопротивление, что является одной из причин промышленного внедрения турбовентиляторов.
Почему реактивные двигатели так надежны?
Реактивные двигатели используются на электростанциях (включая электростанции, использующие местное электричество), кораблях, вертолетах, военных и коммерческих самолетах. Эти области применения имеют различные нормы. Некоторые из них требуют большей надежности и безопасности для защиты населения, в то время как другие нуждаются в защите рабочих и членов экипажа. Все это требует надежности, чтобы быть прибыльным.
В целом, существует два типа надежности: малоцикловая и высокоцикловая. Высокие циклы охватывают вещи, которые происходят чаще, чем один рабочий цикл, такие как вибрация и износ компонентов. Низкий цикл — это то же самое, что и рабочий цикл, и он может быть длинным, поскольку может варьироваться в зависимости от конкретных условий аэропорта. И то, и другое требует большого объема работ.
Сердцевина реактивного двигателя состоит из множества главных валов, оснащенных турбинами, компрессорами и вентиляторами. В идеале эти компоненты двигателя не двигаются вперед-назад, как поршни в автомобильном двигателе, уменьшая нулевые нагрузки и перекрестные события, которые вызывают определенный износ и напряжения. Первым способом повышения надежности является контроль нагрузки на подшипники при расширении и сжатии двигателя в широком диапазоне температур рабочего диапазона двигателя и огибающей полета в авиационных приложениях.
Второй способ повышения надежности — контроль температуры. При максимальной экономии топлива и работе при более высоких температурах в процессе сгорания, детали турбины имеют удельную теплоемкость даже при нанесении покрытия и охлаждении деталей турбины. После выключения двигателя температура двигателя также изменяется. Возникает большое количество скрытого тепла, которое необходимо контролировать для обеспечения надежности при дальнейших рабочих циклах. Вспомогательные системы реактивного двигателя усложнились с момента появления первых двигателей.
По сравнению с турбомашинами больших двигателей, они часто представляют собой более серьезные проблемы с точки зрения надежности. Ошибки могут быть более распространенными, но их, как правило, легче заменить. Некоторые вспомогательные детали могут быть продублированы. Таким образом, если один компонент выходит из строя, другой аналогичный компонент может взять управление на себя. Другие части могут иметь режим отказоустойчивости. Значение каждой части системы управления в регулировании является широким и обобщенным.
Различные части реактивного двигателя имеют различные свойства, особенно то, как они изнашиваются. Это влияет на резервирование, защиту и схему использования каждого типа компонентов на протяжении всего рабочего цикла. Все это позволяет двигателю выдерживать интервалы технического обслуживания.
В правилах также указано количество двигателей на самолете и количество двигателей, необходимых для достижения аэропорта назначения или перенаправления. Двухреактивный самолет может выполнить полный цикл на одном двигателе. Четырехреактивный самолет может взлетать с тремя работающими двигателями и садиться на двух из них. Перевозка большого количества пассажиров на самолете обходится очень дорого, поэтому производителям имеет экономический смысл повышать надежность своих двигателей. В таком конкурентном бизнесе надежность — единственный способ получить прибыль.
Почему реактивные двигатели так сложно производить?
В инженерном деле некоторые вещи всегда сложны и дороги. Реактивный двигатель — один из них. Ниже перечислены вещи, которые затрудняют производство реактивных двигателей.
1) Высокий тепловой диапазон: реактивное топливо сгорает в двигателе при температуре 2000 °С, но самолет может летать при температуре ниже -50 °С в воздухе.
2) Высокая точность: допуски в реактивных двигателях (расстояние между двумя взаимодействующими движущимися компонентами) очень жесткие и ближе, чем в обычных двигателях.
3) Высокая скорость: лопатки компрессора реактивного двигателя вращаются с поразительной скоростью — тысячи оборотов в минуту.
4) Надежность: Реактивные двигатели требуют высокой надежности (например, очень высокой), это очевидно.
Теперь сложите все эти вещи вместе, и материалы, технологии производства и оборудование начинают становиться довольно дорогими.
5) Точность: Из-за высокой точности деталей реактивного двигателя (особенно лопаток двигателя), требуется много работы, чтобы разработать такие сбалансированные детали для двигателей, которые производят такую высокую мощность для конкретного размера реактивного двигателя. По сравнению с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), конечный продукт требует больше инженерной конструкции.
Например, если говорить о двигателях формульных автомобилей, то это сравнение будет интересным, потому что к процессу сгорания двигателя внутреннего сгорания предъявляются экстремальные требования для обеспечения большого количества энергии, что больше, чем у серийно выпускаемых автомобилей. Превосходит требования (как у автомобилей).
6) Эффективность: Реактивные двигатели просты с точки зрения цикла сгорания, но очень сложны с точки зрения повышения эффективности и надежности. Мы уверены, что человеко-часы, необходимые от разработки до производства реактивного двигателя, более чем в 100 раз больше, чем у двигателя с интегральным циклом.
Во время испытания реактивный двигатель должен выдержать пытку. Выбрасывайте ручьи, кости, мясо и другие предметы, чтобы не пролить двигатель.
Эффективность производства не очень высока, и существует множество цен, которые могут купить дорогие люди.
Как работает компрессор в реактивном двигателе?
Компрессор является основным компонентом t реактивного двигателя и только сжимает его. Обычно он представляет собой последовательность различных лопаток, расположенных от впускного отверстия до передней части камеры сгорания.
Принцип работы реактивного двигателя заключается в том, что воздух всасывается из впускного отверстия и снова всасывается лопастями компрессора. По мере того, как воздух движется назад, он сжимается под высоким давлением, проходя через каждую ступень компрессора. Затем воздух под высоким давлением поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и воспламеняется. Термически расширенная смесь проходит из камеры сгорания через турбину, которая приводит в движение компрессор и другие компоненты. В конечном итоге высокотемпературный воздух выбрасывается с выхлопными газами на большой скорости в виде тяги.
