Принцип работы реактивного и турбореактивного двигателя самолета и ракеты

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

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

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

Запуск импульсной струи [ править ]

Секционный двигатель AS 014 на выставке в Лондонском музее науки

Импульсные реактивные двигатели — необычные силовые установки самолетов. Тем не менее, Argus As 014, который использовался для питания летающей бомбы V-1, и Fieseler Fi 103R Reichenberg был заметным исключением. В этой импульсной струе три воздушных сопла в передней части были подключены к внешнему источнику воздуха высокого давления, для запуска использовался бутан от внешнего источника, зажигание осуществлялось свечой зажигания, расположенной за системой заслонки, при этом на свечу подавалось электричество. питается от переносного пускового устройства.

Как только двигатель запустился и температура поднялась до минимального рабочего уровня, шланг для внешнего воздуха и соединители были сняты, а резонансная конструкция выхлопной трубы поддерживала работу импульсной струи. Каждый цикл или импульс двигателя начинался с открытыми заслонками; топливо было впрыснуто за ними и воспламенилось, и в результате расширение газов заставило заслонки закрыться. Когда после сгорания давление в двигателе упало, заслонки снова открылись, и цикл повторялся примерно от 40 до 45 раз в секунду. Система электрического зажигания использовалась только для запуска двигателя; нагрев обшивки выхлопной трубы поддерживал горение.

Атомный двигатель

В период холодной войны в мире были попытки создания атомного двигателя, за основу был взят турбореактивный двигатель. Главной задумкой ученых было создание двигателя, основанного не на химической реакции радиоактивных веществ, а на вырабатываемом тепле от ядерного реактора. Он должен был находиться на месте камеры сгорания.

В теории воздух должен был проходить через работающую зону реактора, благодаря этому реактор должен был остужаться, а температура воздуха наоборот возрастать. После чело воздух должен был расширяться и выходить через сопла (выхлоп) на этот момент скорость воздуха должна была превышать скорость полета самолета.

В Советском союзе были попытки проведения испытаний подобного двигателя, также ученные в соединенных штатах Америки, вели разработку данного двигателя, и их работа почти подходила к тестам двигателя на настоящем самолете.

Но по ряду причин разработки этого двигателя было решено закрыть. Так как у двигателя было множество недостатков, а именно:

Пилоты были подвержены постоянному радиоактивному облучению на протяжении всего полета.
Вместе с воздухом через сопла выходили и частички радиоактивного элемента в атмосферу.
В том случае если самолет терпел крушение, был очень большой шанс взрыва радиоактивного реактора, что влекло за собой радиоактивное отравление на довольно большой площади.

Здравствуйте!

Я думаю, что пришла пора прояснить принцип действия всем нам известного «сердца», того самого, о котором я писал в предыдущей статье.

Паровая турбина элетростанции. Типичное устройство расширения.

Основным двигателем реактивной авиации мира является турбореактивный двигатель (ТРД) и именно его принцип работы мы сейчас без труда и лишних ненужных заморочек проясним.

Все мы прилежно учились в школе :-), и знаем, что в физике существует понятие «тепловая машина» (или «тепловой двигатель»). Человек долго подбирался к ее созданию.

Первые образцы приписывают даже Архимеду и потом Леонардо да Винчи. Но по настоящему она вошла в жизнь человека только в конце 60-х годов 18-го века, когда Д. Уатт построил свою паровую машину. Прогресс не остановить и современную жизнь уже невозможно представить без тепловых машин. Это не только тепловые электростанции и электроцентрали (в том числе, кстати и атомные станции), но и миллионы автомобилей различного назначения и, конечно же, мною очень любимые авиационные двигатели.

Теорию работы тепловой машины описывает раздел физики термодинамика. Не углубляясь в ее законы (принцип этого сайта Вам известен, если Вы читали страницу «Сайт об авиации» ), скажу, что тепловой двигатель – это машина для преобразования энергии в механическую работу. Работа — ее так сказать полезная «продукция». Этой энергией обладает используемое внутри машины так называемое рабочее тело, в качестве которого обычно выступает газ (или пар в паровой машине). Получает энергию рабочее тело при сжатии в машине, а полезную механическую работу мы потом будем иметь при последующем его расширении.

Но! Надо понимать, что в работоспособном тепловом двигателе работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. То есть вариант «на сколько сжали, на столько же и расширили» (все равно как в автомобильном амортизаторе) нам не подходит. Поэтому для сохранения нужной нам работоспособности газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием неплохо бы охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и сразу появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип. На его основе и работает турбореактивный двигатель.

Таким образом любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и неплохо бы холодильник. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера. Рабочее тело – воздух, который попадает в компрессор, там сжимается, далее идет в камеру сгорания, там нагревается, смешивается с продуктами сгорания ( керосина) и потом следует на турбину, вращая ее (а она, в свою очередь компрессор) и расширяясь, тем самым теряет часть энергии. И уже далее расходуется «полезная» энергия. Она превращается в кинетическую, когда газ сильно разгоняется в устройстве под названием реактивное сопло (которое обычно бывает сужающимся) и двигатель получает силу тяги за счет реакции струи. Все :-)… ТРД работает. Неплохо этот процесс показан в коротком ролике. Он без комментариев, но они здесь и не нужны :-). Скажу только, что показанное переднее колесо – это компрессор, далее кольцом вокруг вала – камера сгорания и за ней колесо турбины. Все схематично, но достаточно просто, чтобы понять как работает турбореактивный двигатель…

Более подробно об устройстве ТРД и его разновидностей мы поговорим в следующих статьях.
До встречи…

Р.S. Ролик рекомендую смотреть в большом формате.

Фотография кликабельна.

Почему турбина может не включиться – неисправности

При управлении машиной с системой турбонаддува водитель может столкнуться с множеством проблем и неисправностей. Рассмотрим основные проблемы и методы их решения:

Неисправность предохраняющего клапана. Бывает, что клапан забивается мусором или растрескивается, что приводит к блокировке работы турбины. Установить поломку достаточно просто – примерно до 3-4 тысяч оборотов клапан все еще может работать, поэтому он будет нагнетать воздух. Однако при превышении этого показателя он резко закрывает турбину, что приводит к падению мощности. Чтобы решить проблему, выключите электронные системы авто, откройте капот, отсоедините отрицательную клемму от аккумулятора, найдите турбину, отключите систему смазки и демонтируйте устройство (обычно оно располагается рядом с движком). Потом снимите клапан и осмотрите его, при необходимости – выполните очистку устройства или его замену.
Негерметичное крепление компонентов турбонаддува. Чтобы обеспечить максимальную мощность нагнетания воздуха в ДВС, необходимо, чтобы детали турбины герметично крепились к автомобилю. В случае негерметичного крепления мощность нагнетания резко падает. Установить наличие проблемы можно по двум признакам – резкое снижение мощности и появление характерного свиста во время работы авто. Чтобы разобраться с проблемой, нужно обесточить машину, открыть капот и проверить герметичность крепления прибора. Проблемы могут возникнуть с штуцером, трубкой подачи масла, клапаном и так далее. Для устранения проблемы нужно восстановить герметичность (например, если проблема в штуцере, нужно купить новый).
Использование плохого масла. Для эффективной работы системы турбонаддува устройство необходимо смазывать маслом. Однако бывает так, что водитель для смазки использует дешевое некачественное масло с обилием примесей – в таком случае эффективность турбонаддува значительно снизится. Установить проблему очень просто – во время движения авто в машине появляется резкий громкий скрежет, а мощность двигателя не увеличивается при разгоне до высоких скоростей. Решение проблемы – нужно купить новое качественное масло и залить его вместо старого в автомобиль.

Реактивный двигатель и принцип его работы

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

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

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

закон сохранения импульса;
третий закон Ньютона.

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

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

Реактивные двигатели в космосе

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

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

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

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

Принцип работы турбореактивного двигателя

В отличие от реактивного двигателя, который пользуется спросом почти у всех самолетов, турбореактивный двигатель больше подходит для пассажирских авиалайнеров. Так как для работы реактивного двигателя необходимо не только топливо, но и окислитель.

Благодаря своему строению окислитель поступает вместе с топливом из бака. А в случаи с ТРД окислитесь, поступает напрямую из атмосферы. А в остальном их работа совершенно идентична и не отличается друг от друга.

У турбореактивного двигателя главной деталью является лопасть турбины, так как от ее исправной работы напрямую зависит мощность двигателя. Благодаря этим лопастям и образуется тяга, которая необходима для поддержания скорости самолета. Если сравнить одну лопасть с автомобильным двигателем, то она сможет обеспечить мощностью целых десять машин.

Лопасти устанавливаются за камерой сгорания, так как там нагнетается самое высокое давления, также температура воздуха в данной части двигателя может доходить до 1400 градусов Цельсия.

В целях улучшения прочности и устойчивости лопасти перед различными факторами их монокристаллизируют, благодаря этому они могут держать высокую температуру и давление. Прежде чем установить такой двигатель на самолет его тестируют на полном тяговом усилителе. Также двигатель должен получить сертификат от Европейского совета по безопасности.

Разгерметизация — звучит страшно

Да, реактивные самолеты летают на такой высоте, где воздух уже достаточно разрежен, и дышать им сложно. Поэтому наружный воздух искусственно загоняется в самолет, чтобы создать там давление. Оно, конечно, ниже, чем на земле.

При разгерметизации самолет первым делом снижается на высоту около 3000 метров. На этой высоте атмосферное давление примерно равно тому, которое поддерживается в салоне самолета. Тут уже можно дышать и, в принципе, продолжить движение. Но на такой высоте сопротивление воздуха сильнее, топливо расходуется больше, да и пассажирам не очень комфортно лететь в масках. Поэтому пилоты садятся на ближайший аэродром. Так что если помимо разгерметизации ничего не произошло, считайте это веселым приключением. Главное, сначала надеть маску на себя, а затем на ребёнка, и не пытаться одновременно заедать стресс бутербродом.

Как запускается двигатель самолета? Рассказывает пилот самолета.

Реактивный двигатель — это очень интересная вещь, а запуск его необычен. Попробую как можно короче и проще объяснить вам что там, да как.

Если посмотреть на разрез турбины, то мы увидим, что внутренности у нас состоят только лишь из камеры сгорания, компрессоров и самого вентилятора, именно его вы и видите на фото сверху. Т.е. подразумевается, что все это дело должно вращаться воедино. И да, оно на самом деле так и есть, но только когда двигатель запущен.

Как все это заставить начать вращаться?

Да-да, это и является самым сложным моментом. Турбина способна сама поддерживать свое вращение. Пламя будет гореть само в камере сгорания, соответственно, и лопатки вращаться. Нужно только топлива не забывать подавать.

Но изначально вентилятор не вращается, поэтому и двигатель не может начать работать. Какого-либо дополнительного двигателя для раскрутки тут тоже нет. Как тогда все это дело запускается?

Да очень просто!

Для этого используется вспомогательная силовая установка — ВСУ. Это третий, очень похожий, реактивный двигатель в самолете. Только размер его гораздо меньше. Он сам запускается от электрического привода. А свои обороты поддерживает самостоятельно, после раскрутки. Жжет керосин, конечно же.

Но ВСУ — очень маленький двигатель, поэтому и раскрутить его просто. Наши же под крыльями — огромны, и раскручивать их очень тяжело. Именно поэтому была придумана система, которая отбирает часть воздуха от ВСУ и под большим давлением «выдувает» его на турбины. От этого напора лопатки начинают раскручиваться.

В момент, когда вращение становится достаточно быстрым, подаются искра и топливо в основной двигатель. Тем самым он начинает работать уже самостоятельно. Чуть позже отключают отбор воздуха и двигатель начинает работу сам, без поддержки.

Приятного вам дня

Еще пара интересных статей:

Какими достоинствами наделены турбореактивные двигатели

Активно развиваются технологии, появляются новые разработки, но двигатели с силой тяги, где горючее, сгорая преобразует внутреннюю энергию в кинетическую, остаются в производстве из-за множества положительных качеств. На этом принципе созданы более совершенные модели, они по-прежнему действуют в соответствии с законом сохранения импульсов. К достоинствам турбореактивных силовых агрегатов относятся:

Простая конструктивная структура. Где основной составной частью служит реактор, здесь происходит сгорание топлива, создается высокая тепловая энергия, с её помощью передается аппарату реактивная тяга.
Мало подвижных элементов. Усиливается функциональность дополнительными механизмами, они принудительно нагнетают воздух в простую по конструкции камеру сгорания. В состав воздухосборника входит, крутящийся винт и лопасти.
Большая мощность. Удельным импульсом характеризуется уровень ускорения, передаваемого воздушным кораблям для развития скорости.
Высокий КПД. Этот показатель намного выше по сравнению с другими моделями двигателей.
Тягой можно управлять во время космического полета. Изменяя расход горючего, пилот снижает или увеличивает скорость, маневрирует, отключает или запускает силовой агрегат в автономном режиме, без взаимодействия с другими механизмами.
Работа осуществляется в условиях низкого воздушного давления, а в безвоздушном пространстве без него, что является первой необходимостью для ракет.

Турбореактивные двигатели отлично зарекомендовали себя в самых трудных ситуациях.

Как запускается двигатель самолета? Рассказывает пилот самолета.

Как все это заставить начать вращаться?

Да очень просто!

Приятного вам дня

Еще пара интересных статей:

Что будет, если откажет один двигатель?

Пилоты проходят обучение и тренировки не только на тренажерах, но и в реальных полётных условиях: делают несколько взлетов и посадок с одним работающим двигателем. Поэтому все пилоты должны быть к этому подготовлены.

В целях безопасности, конечно, при отказе двигателя пилоты стараются как можно быстрее посадить самолёт. Если отказ происходит при взлёте или сразу после, ближайший аэродром — это аэродром вылета, потому обычно возвращаются на него. Двигатели нужны не только для полёта, но и для торможения на земле. Если работает только один двигатель, тормозить сложнее, для полной остановки нужно больше длины полосы, чем обычно. Осложняет ситуацию и большая масса самолёта, ведь у него полные баки топлива, которое он не успел выработать. Чем тяжелее самолёт, тем большее расстояние нужно ему для полной остановки, как у автомобиля.

Все двухдвигательные самолёты, допущенные к полётам, не только могут, но и должны продолжать полёт с одним двигателем на любом этапе. Это обязательное условие их проектирования и сертификации. И вообще самолёт не падает камнем вниз, даже если откажут оба двигателя. Он опирается на воздух и может планировать ещё какое-то время.

Мифы о турбонаддуве в двигателе

Среди водителей много мифов о работе системы турбонаддува. Рассмотрим основные стереотипы и узнаем, почему они ложные:

Миф 1 – систему турбонаддува можно снять в любой момент без негативных последствий	Конструкция и объемы камеры ДВС адаптированы под применение турбины. Если демонтировать это устройство, уменьшается крутящий момент и мощность движка, а расходы топлива увеличиваются
Миф 2 – двигатели с турбонаддувом ломаются гораздо чаще атмосферных	Движки с турбиной имеют такой же срок годности, что и обычные атмосферные двигатели. Чтобы снизить риск растрескивания движка при высоких скоростях, они дополнительно усиливаются металлическими листами-вкладышами в проблемных местах
Миф 3 – турбина быстро выходит из строя, ее придется часто менять	Согласно современным стандартам срок годности турбины аналогичен или даже немного превышает срок годности самого ДВС. При соблюдении базовых правил вождения и ухода турбонаддув будет работать столько же, сколько и сам автомобиль
Миф 4 – за турбиной нужен специальный бережный уход, чтобы она не ломалась	Чтобы турбонаддув работал долго, достаточно будет придерживаться базовых правил эксплуатации авто. А именно – вовремя меняйте масло, следите за уровнем давления в движке (не доводите до красной отметки), вовремя устраняйте неисправности

Подведем итоги. Турбина (турбонаддув) – это вспомогательный элемент двигателя, с помощью которого осуществляется принудительное нагнетание воздуха в камеру внутреннего сгорания двигателя. Устройство запускается сразу же после активации двигателя, но действует правило – чем выше обороты, тем больше нагнетание (на низких оборотах нагнетание практически незаметно). Основные проблемы с турбиной – выход из строя клапана, негерметичное крепление запчасти, использование некачественного масла.

Как запускается двигатель самолета? Рассказывает пилот самолета.

Как все это заставить начать вращаться?

Да очень просто!

Приятного вам дня

История развития авиадвигателей

Первый самолет, который запустили братья Райт, имел двигатель с 4-мя цилиндрами. Конечно же, это значительно более простая конструкция, чем те, которые используются сейчас. И, как отмечают эксперты, без эволюции самолетного двигателя было бы невозможно развитие авиаотрасли вообще – примитивные первые моторы просто бы не потянули огромные и мощные машины, летающие сегодня.

Первый авиационный двигатель создал Джон Стрингфеллоу – он считается изобретателем специального двигателя на пару, предназначенный для неуправляемой модели. Но, как показала практика, паровые двигатели не подошли для авиации – они оказались чрезмерно тяжелыми.

C 1903 года началась, как назвали ее эксперты и аналитики, настоящая война моторов. Чарльз Тэйлор поставил на лайнер братьев Райт двигатель, так называемой рядной конструкции – в нем цилиндры находятся один за другим. Есть здесь аналогия с простым автомотором.

Цилиндры в ряд не давали двигателю необходимой мощности, которая требовалась для самолетов. В 1906 году появился двигатель, где цилиндры разместились под прямым углом друг к другу. Также такой вариант мотора имел впрыск. Далее промышленность развивалась, прием достаточно активно. Вследствие этого авиаотрасль имеет современные и мощные моторы.

Реактивные двигатели в самолете

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

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

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

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

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

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

Явление отдачи

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

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

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

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

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

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