Принцип работы и устройство реактивного двигателя

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 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.

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.

Принцип работы реактивного двигателя

За работу двигателя отвечает реактивная тяга. Для создания реактивной тяги необходима определенная жидкость, которая подается из задней части двигателя и по ходу ее продвижения увеличивается ее скорость движения вперед. Работу тяги отлично объясняет один из законов Ньютона, звучит он так «Любое действия вызывает равное противодействие».

Вместо жидкости в ТРД используется горючая смесь (газы и воздух со сгоревшими частичками топлива). Благодаря этой смеси самолет толкает вперед и позволяет ему лететь дальше.

Разработки таких двигателей начались в тридцатых годах. Первыми кто начал разрабатывать двигатели такого типа стали немцы и англичане. Но в гонке вооружений одержали победу ученные из Германии, так как они выпустили самый первый в мире самолет с ТРД под названием «Ласточка», данный самолет впервые взлетел в небеса над Люфтваффом. Спустя некоторое время появился и Английский самолет «Глостерский метеор»

Также сверхзвуковые двигатели принято считать турбореактивными, но они отличаются более совершенными модификациями, в отличие от ТРД.

Устройство двигателя имеет четыре главные детали, а именно:

• Компрессор.
• Камера горения.
• Турбина.
• Выхлоп.

Компрессор

В компрессоре находиться несколько турбин, с помощью которых происходит засасывание и сжатие воздуха. Во время сжатия воздуха, его давление и температура начинает нагнетаться и расти.

Камера горения

После того как воздух проходит турбину и его сжимает до необходимых размеров. Часть сжатого воздуха поступает в камеру горения, где воздух начинает смешиваться с топливом, после чего его поджигают. Благодаря этому увеличивается тепловая энергия воздуха. После смесь выходит из камеры с большой скорости и расширяется.

Турбина

После выхода эта смесь снова попадает в турбину, с помощью высокой энергии газа лопасти в турбине начинают свое вращение. Турбина тесно связанна с компрессором, который находиться в начале двигателя. Благодаря этому турбина начинает свою работу. Остатки воздуха выходят в выхлоп. В момент выхода смеси температура достигает рекордных размеров. Но она продолжает повышать свою температуру с помощью эффекта Дросселирования. После того как температура воздуха доходит до своего пика, она начинает идти на спад и выходит из турбины.

Реактивные двигатели

Реактивные двигатели бывают нескольких основных типов:

• турбореактивный
• ТРДД (которые бывают двух основных видов ТРДД с малым байпасом и ТРДД с большим байпасом )
• ракета

Различные типы используются для разных целей.

Ракеты являются самым старым типом и используются в основном, когда требуются чрезвычайно высокие скорости или очень большие высоты. Из-за экстремальной, обычно гиперзвуковой скорости истечения и необходимости наличия на борту окислителя, они очень быстро расходуют топливо. По этой причине они не подходят для повседневной транспортировки.

Турбореактивные двигатели — второй по возрасту тип; он имеет высокую, обычно сверхзвуковую, скорость истечения и низкое лобовое поперечное сечение, и поэтому лучше всего подходит для высокоскоростного, обычно сверхзвукового полета. Хотя когда-то они широко использовались, они относительно неэффективны по сравнению с турбовинтовыми и ТРДД для дозвуковых полетов. Последними крупными самолетами, использовавшими турбореактивные двигатели, были сверхзвуковые транспортники « Конкорд» и Ту-144 .

Турбореактивные двигатели с малым байпасом имеют более низкую скорость выхлопа, чем турбореактивные, и в основном используются для высоких звуковых, околозвуковых и низких сверхзвуковых скоростей. ТРДД с большим байпасом используются для дозвуковых самолетов, достаточно эффективны и широко используются на авиалайнерах.

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.

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.

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.

Паровые двигатели

Бурный энергетический рост реактивных двигателей и успех их применения отбросили на второй план, а то и вовсе отправили в небытие ряд направлений двигателестроения. Самолёты с паровыми двигателями распространения не получили. На заре авиации, ещё в эпоху до двигателей внутреннего сгорания, попытки подняться в воздух на паровом двигателе были малоуспешны (самолёт Можайского в 1883, паролёт «Эол» Клемана Адера в 1890). Это была эпоха «попрыгунчиков» – самолётов, которые «подлетали» при встречном ветре. Низкая тяговоружённость не позволяла им взлететь. В 1933 у братьев Бесслер взлетел самолёт Airspeed 2000 с паровым приводом. Самолёт летал как почтовый до 1936. Во-первых, мощность двигателя не зависела от высоты полёта и степени разрежённости воздуха – это было вечной проблемой бензиновых и дизельных двигателей. Во-вторых, самолёт был совершенно бесшумным – только свист пропеллера. Особенно была отмечена способность самолёта к реверсивному ходу и быстрому торможению. Современные паровые двигатели хотя и не нашли применения в современной авиации, но заслуживают внимания с точки зрения перспектив развития на новом витке диалектической спирали развития авиации. Их черты прослеживаются в ядерных силовых установках.

Другие форсунки

Большинство людей используют термин «реактивный самолет» для обозначения воздушно-реактивных двигателей на основе газовых турбин , но и ракеты, и ГПВРД также приводятся в движение реактивным двигателем.

Крылатые ракеты — это одноразовые беспилотные реактивные самолеты, приводимые в действие в основном прямоточными или турбореактивными двигателями, а иногда и турбовентиляторными двигателями, но они часто будут иметь ракетную силовую установку для начальной тяги.

Самым быстрым реактивным самолетом с воздушным дыханием является беспилотный ГПВР X-43 со скоростью около 9–10 Махов.

Самый быстрый пилотируемый (ракетный) самолет — X-15 на скорости 6,85 Маха.

Space Shuttle , в то время как гораздо быстрее , чем X-43 или Х-15, не рассматривается в качестве воздушного судна во время подъема , как это осуществлялось баллистическим ракетным тяги, а не воздух. При входе в атмосферу он был классифицирован (как планер) как самолет без двигателя. Первый полет был в 1981 году.

Белл 533 (одна тысяча девятьсот шестьдесят четыре), Локхид ХН-51 (1965), а также Sikorsky S-69 (1977-1981) являются примеры соединения вертолета конструкции , где струя выхлопных газов добавляются к передней тяге. Хиллер YH-32 Хорнет и Фейри Ультра легкого вертолет был среди многих вертолетов , где роторы были вызваны наконечником струями .

Реактивное питанием wingsuits существует — питание от реактивных двигателей модели самолетов — но непродолжительны и необходимости быть запущена на высоту.

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

Мы сядем без шасси?

Процедура в этом случае примерно такая: у пилотов загорается сигнал, они пытаются еще несколько раз выпустить шасси, если не получилось, при заходе на посадку они рассказывают об этом диспетчеру и просят его посмотреть, как там дела. Сами они не могут точно знать, выпустились шасси или нет. Вдруг сигнал ложный. Для этого самолёт совершает низкий пролёт над аэропортом, диспетчеры в бинокль смотрят и подтверждают, что шасси не выпустились.

Если не выпускаются все шасси, а у самолёта есть время покружить над аэропортом, вызываются пожарные машины и заливают всю полосу пеной. Она помогает смазать приземление на брюхо. Это не так комфортно и, скорей всего, самолет выкатится с полосы, но хотя бы так.

Принцип действия турбореактивного двигателя

Академическое понятие ТРД выглядит так:Турбореактивный двигатель — газотурбинный двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Поясним некоторые моменты: газотурбинный двигатель — это основа любого ТРД, рассматривая далее виды турбореактивных двигателей, данный факт будет хорошо прослеживаться. Под химической энергией имеется в виду высвобождение большого количества теплоты за счет сгорания топлива в присутствии кислорода. Что же касается сопла, то струя газа не всегда имеет максимальную кинетическую энергию при выходе из него, почему — рассмотрим далее.

Основной принцип работы любого газотурбинного двигателя — тепловое расширение воздуха за счет сгорания топлива, и как следствие образование реактивной струи — быстродвижущегося потока газов.

Как это работает

Турбина — это колесо с лопатками (своего рода лопастями), направленных к потоку газов под некоторым углом. Соответственно чем быстрее движется этот поток, тем большее усилие воздействует на лопатки, заставляя их поворачивать турбинное колесо. Надо сказать, что справедливо и обратное утверждение: если турбинное колесо вращается не за счет реактивной струи, то лопатки начинают увлекать за особой воздушный поток, словно вентилятор. Кстати лопасти винта самолета, мельницы или ветрогенератора используют похожий принцип, что и турбинное колесо, только в последнем случае давление, температура и скорость потока куда выше.

Обратите внимание на иллюстрацию работы классической турбореактивной установки, или иначе говоря газотурбинной установки. Мы видим общий вал, на котором расположены кольца (колеса) с лопатками (их все можно также назвать турбинными кольцами (колесами), так как они ни чем не отличаются)

С левой стороны изображена «холодная» а справа «горячая» части турбины. Давайте рассмотрим рабочий процесс данного двигателя, слева на право, с самого момента запуска:

• Изначально окружающий воздух через воздухозаборник контактирует с компрессором низкого давления. Специальный турбостартер (в случае больших двигателей) за счет создания высокого давления воздуха, подаваемого на лопатки одного из турбинных колец, раскручивает вал турбины, приводя в движение компрессор низкого и высокого давления, а также турбинные колеса.
• Лопатки компрессора низкого давления начинают «проталкивать» воздушный поток к лопаткам компрессора более высокого давления, которое в свою очередь перемещает воздух к следующему компрессору, и с каждым последующим переходом давление воздуха продолжает расти, а также растет и скорость потока. Проходя через лопатки последнего компрессора поток оказывается в просторной камере сгорания, в которой расположены топливные форсунки и свечи для поджига топлива, словно в автомобиле, только гораздо мощнее.
• Как только давление и скорость потока воздуха достигнут необходимых показателей, через форсунки начинает подаваться жидкий керосин, либо любой горючий газ, а свечи зажигания дают искру. После воспламенения топлива в камере сгорания резко возрастает давление, так как весь объем газовой смеси (включая воздушную смесь), вынужден увеличиться в несколько сотен раз за счет температурного расширения. В этот момент турбостартер (или электростартер), раскручивающий вал турбины, отключается.
• Весь горячий газ из камеры сгорания под огромным давлением и скоростью встречает на своем пути главную часть двигателя — турбинные колеса, которые вращают вал всей турбины (либо напрямую, либо через редуктор). За счет того, что турбинные колеса изначально вращаются гораздо медленнее, не соответствуя скорости только что разогретого в камере сгорания газа, поток начинает раскручивать турбину, теряя при этом часть кинетической энергии. Таким образом турбина работает самостоятельно, без участия стартера.
• Пройдя последнее турбинное колесо поток газа вырывается наружу через специально созданное сужение, называемое соплом. За счет сужения скорость потока газа увеличивается еще немного, что создаст большую реактивную силу.

Турбореактивный двигатель

Диапазон

Для дальнобойного реактивного самолета, работающего в стратосфере , скорость звука постоянна, следовательно, полет под фиксированным углом атаки и постоянным числом Маха заставляет самолет набирать высоту без изменения значения локальной скорости звука. В таком случае:

V знак равно а M {\ Displaystyle V = AM}

где — крейсерское число Маха и местная скорость звука. Уравнение диапазона может быть показано следующим образом:
M {\ displaystyle M} а {\ displaystyle a}

р знак равно а M c Т C L C D л п W 1 W 2 {\ displaystyle R = {\ frac {aM} {c_ {T}}} {\ frac {C_ {L}} {C_ {D}}} ln {\ frac {W_ {1}} {W_ {2}} }}

известное как уравнение диапазона Бреге в честь пионера французской авиации Луи Шарля Бреге .

Устройство ПВРД

Конструкция ПВРД, как было отмечено выше, отличается лаконичностью и минимальным количеством составляющих элементов. В упрощенном варианте он состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания, которые в некоторых моделях могут и отсутствовать. На первый взгляд может показаться, что собрать такой двигатель можно и самостоятельно, ведь в нем нет ничего сложного, но на самом деле это не совсем так. Эффективность работы ПВРД зависит от множества мелких нюансов, в том числе и от формы, геометрии и размеров диффузора и сопла. Эти параметры определяют тип ПВРД, его мощность и сферу применения.

Пропульсивная эффективность

В самолете общая тяговая эффективность — это эффективность в процентах, с которой энергия, содержащаяся в топливе транспортного средства, преобразуется в полезную энергию для возмещения потерь из-за сопротивления воздуха , силы тяжести и ускорения. Его также можно указать как долю механической энергии, фактически используемую для приведения в движение самолета. Оно всегда меньше 100% из-за потерь кинетической энергии на выхлопе и неидеального КПД движительного механизма, будь то пропеллер , выхлопная струя или вентилятор. Кроме того, тяговая эффективность сильно зависит от плотности воздуха и скорости полета.
η {\ displaystyle \ eta}

Математически это представлено как где — КПД цикла, а — КПД движителя. КПД цикла в процентах — это доля энергии, которая может быть получена из источника энергии, которая преобразуется двигателем в механическую энергию .
η знак равно η c η п {\ displaystyle \ eta = \ eta _ {c} \ eta _ {p}} η c {\ displaystyle \ eta _ {c}} η п {\ displaystyle \ eta _ {p}}

Зависимость тягового КПД ( ) от соотношения скорость движения транспортного средства / скорость выхлопа (v / c) для ракетных и реактивных двигателей η п {\ displaystyle \ eta _ {p}}

Для реактивного самолета тяговая эффективность (по сути, энергоэффективность ) является максимальной, когда двигатель испускает выхлопную струю со скоростью, которая равна или почти равна скорости транспортного средства. Точная формула для воздушно-реактивных двигателей, приведенная в литературе:

η п знак равно 2 1 + c v {\ displaystyle \ eta _ {p} = {\ frac {2} {1 + {\ frac {c} {v}}}}}

где c — скорость истечения, а v — скорость самолета.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой двигатель – ПД), в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате взрыва топливовоздушной смеси в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень. Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом. В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются: жидкости (дизельное топливо, бензин, спирты); сжиженные горючие газы. Эффективный кпд поршневого двигателя не превышает 60%. Остальная тепловая энергия распределяется между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя характеристика весьма существенна, поршневые двигатели нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают следующие системы охлаждения: воздушные (двигатель АШ-62), отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки кВт) или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха; жидкостные (двигатель АМ-35А), в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров) и затем поступает в радиатор охлаждения, где теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором.

С момента зарождения авиации и до конца Второй мировой войны поршневые двигатели были основным типом авиационных двигателей, образующих в сочетании с движителем – воздушным винтом – силовые установки ЛА (Ла-5 с мотором жидкостного охлаждения М-105П; Як-3 с двигателем ВК-105ПФ2; МиГ-3 с мотором АМ-35А). В целях повышения высоты и скорости полёта в поршневых авиационных двигателях нашли применение системы наддува, что позволило в 1940-х гг. повысить мощность силовых установок до 3000–3500 кВт. Однако характерное для винтомоторных силовых установок падение тяги с ростом скорости полёта не позволяло самолётам с поршневыми авиационными двигателями достигать скоростей выше 700–750 км/ч, что сохранило применение поршневых авиационных двигателей только в самолётах лёгкой авиации ; самолётах спортивной авиации ; самолётах авиации общего назначения .

А если в двигатель залетят птицы, как в фильме?

Зависит от размера птицы и их количества этих самых птиц. Одно можно сказать наверняка — птица, к сожалению, погибнет. Что касается самолёта: если маленькая птица попадёт в двигатель, то ничего заметного не произойдёт, просто после полёта нужно будет осмотреть двигатель на повреждения. Более крупная птица может привести к остановке двигателя. Но как мы уже знаем, современный самолёт может и должен летать на одном двигателе.

Ситуация, которая случилась в Нью-Йорке в 2009 году, когда самолёт столкнулся с целой стаей уток и оба двигателя вышли из строя — исключительная. Тогда всё закончилось хорошо — самолёт благополучно посадили на реку Гудзон.