Как устроена турбина самолета: Как работает реактивный двигатель?

Как работает двигатель самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Размер двигателя самолета относительно человеческого роста

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Как устроена силовая установка пассажирского самолета / Хабр

Всем привет. Недавно я читал ликбез очередному студенту на тему общего устройства оборудования самолёта. Вводный рассказ, хоть и отработанный до автоматизма, отнял пару часов времени и выявил необходимость ещё в двух-трёх вводных. Но лень — двигатель прогресса и я наконец дозрел до оформления всех этих «лекций» в печатном виде. А там, где есть внутренняя методичка, недалеко и до публикации на Хабре: вдруг, кому ещё интересно почитать будет. 

Перед началом изложения хочу оговориться, что моя основная специализация — бортовое оборудование, так что из моего описания может вполне получиться «идеальный самолёт для технолога». Тех, кого этот подход не пугает, а также всех тех, кому интересно зачем в кабине экипажа нужны все эти кнопки и ручки — прошу оценить первую публикацию «Силовая установка».

---

Кликабельная картинка, чтобы рассмотреть получше:

---

Силовая установка — общее название двигателей летательных аппаратов. Начну с них потому, что без двигателей самолет — не самолет, а в лучшем случае планер. Цена двигателей, к слову, составляет половину стоимости авиалайнера и компетенциями в разработке современных гражданских авиадвигателей обладают гораздо меньше стран, чем тех, кто обладают компетенциями в разработке самолетов.

На авиалайнерах сейчас ставят почти исключительно двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Вот принципиальная схема такого двигателя:

  
Детали устройства можно прочитать во многих источниках, начиная с Википедии. Для нас, электронщиков, важно понимать следующие факты о работе такого двигателя:

1. Компрессор сжимает забираемый снаружи воздух перед подачей его в камеру сгорания,
2. В камере сгорания к воздуху подмешивается топливо,
3. В камере сгорания происходит постоянное горение топливовоздушной смеси, приводящее к тому, что разогретый газ расширяется в сторону турбины,
4. Турбина крутится под воздействием расширяющихся газов и крутит компрессор и/или вентилятор,
5. Как правило, в двигателях бывает две связки турбина-компрессор: высокого давления и низкого давления. Они могут крутиться независимо друг от друга,
6. Основную тягу, как это ни странно, даёт не горячий газ, выходящий из сопла, а вращение вентилятора,
7. Обороты и тягу двигателя можно регулировать подачей топлива,
8. В большинстве современных авиационных двигателей работой двигателя управляет специальный компьютер FADEC. Этот прибор анализирует параметры работы двигателя, внешние условия и управляющие сигналы от органов управления двигателем и управляет всеми приводами, влияющими на работу двигателя, например, топливным краном. Часть названия «Full Authority» означает, что: 
   
   • FADEC отвечает за ВСЕ аспекты работы двигателя,
   • Только FADEC отвечает за работу двигателя, т. е. нет никакого резервного контура управления, механических тяг управления газом и т. д.
9. Кроме сигналов от органов управления двигателем FADEC анализирует данные от:
   
   • Системы воздушных сигналов (СВС): давление и температуру наружного воздуха, воздушную скорость самолёта — для уточнения параметров работы,
   • Датчиков обжатия шасси — для дополнительного контроля возможности включения реверса.

     Про обжатие шасси

     Обжатие шасси — термин, означающий, что самолёт не летит, опираясь на крылья, а стоит/едет по земле, опираясь на шасси. При этом амортизаторы шасси сжимаются и специальные датчики «датчики обжатия шасси» регистрируют это. Важно понимать, что коснуться полосы колёсами и обжать шасси — это два разных события.
   • Системы кондиционирования воздуха — чтобы вносить поправки в режимы работы двигателя в зависимости от количества воздуха, отбираемого для пассажирского салона и/или для работы пневматической системы для запуска второго двигателя.
10. Основным параметром, ограничивающим предел мощности двигателя, является температура газов сразу за камерой сгорания. Разработчики двигателя хотели бы её поднять, но фундаментальные свойства известных материалов пока не позволяют этого сделать.

Чтобы запустить двигатель, надо раскрутить турбину высокого давления, подать топливо и дать первоначальную искру.

После того, как турбина раскрутится примерно до 50% оборотов, двигатель начнёт раскручивать себя сам.

Первоначальную раскрутку двигателя можно осуществлять электрическим стартер-генератором (для маленьких двигателей) или специально поданным воздухом высокого давления от пневматической системы. К слову, воздух высокого давления в пневматической системе берется от второго (уже запущенного) двигателя, вспомогательной силовой установки (ВСУ) или внешнего источника. 

Про ВСУ

ВСУ — это такой небольшой (относительно основных, конечно) газотурбинный двигатель, который предназначен для генерации электроэнергии, давления в гидросистемах и воздуха высокого давления для запуска основных двигателей. Он меньше и его проще запустить электромотором от батарей. А раскручивать большие двигатели можно уже с его помощью. Также его используют, когда техникам надо поработать с оборудованием, а «гонять» большие двигатели, чтобы получить источник энергии, нецелесообразно. Подробнее про ВСУ расскажу в другой публикации.

Пример пульта управления, используемого для запуска двигателя:

Для автоматического запуска надо выполнить следующие действия:

1. Переключатель «ENG START» (1) перевести в положение «IGN/ON» 
2. Тумблер «ENG MASTER» (2) перевести в положение «ON» (вперёд). В этот момент FADEC:
   
   • Откроет кран пневматической системы для раскрутки турбины и компрессора высокого давления
   • Откроет кран топливной системы — чтобы было чему гореть
   • Даст искру на свечи зажигания
3. Контролировать процесс запуска. Если что-то пойдёт не так — немедленно перевести тумблер запуска обратно в положение OFF
4. Когда двигатель успешно выйдет на обороты малого газа — запустить второй двигатель по аналогичной процедуре
5. Когда оба двигателя запустятся — перевести тумблер ENG START в положение OFF — во время нормальной работы двигателя дополнительные искры на свечах зажигания не нужны
6. Во время автоматического запуска двигателя кнопки ручного запуска (3) не используются

Иногда нам надо покрутить двигатель, но не заводить его. Например, для проверок или чтобы «помыть» его внутренности керосином после консервации. В этом случае переключатель ENG START надо переводить в положение CRANK (прокрутка). Вся процедура запуска будет та же, но искры на свечах не будет. Нет искры — нет огня. 

Управление двигателями осуществляется с помощью рычагов управления двигателями (РУД). 

На каждый двигатель — свой рычаг. Тут всё просто: толкаем рычаг от себя — двигатель крутится быстрее, тяга растёт. Тянем рычаг на себя — крутится медленнее. Так как РУД не связан с топливным дросселем напрямую, можно не бояться, что мы сожжем двигатель большим количеством топлива или заглушим недостаточным. FADEC в любом случае не даст ему превысить предельную температуру выхлопных газов или заглохнуть. Кстати, с ограничением температуры выхлопных газов связан тот факт, что в жару и/или на высокогорных аэродромах двигатель может выдать меньшую тягу. 

В районе «малого газа» у рычага упор. Чтобы разблокировать перевод рычагов в зону режимов реверса, надо потянуть за специальную скобу. При реверсе двигателя специальные створки разворачивают поток от вентилятора двигателя в обратном направлении, помогая самолету остановиться:

Вообще, с помощью реверса самолёт может даже поехать назад, но, так как в этом режиме для двигателей, висящих под крылом, возможна ситуация засасывания в двигатель мусора и даже камней с взлётно-посадочной полосы, для авиалайнеров не рекомендуется включать реверс на малых скоростях. 

Для включения реверса FADEC анализирует не только положение РУДов, но и датчики обжатия шасси, так что случайно в воздухе запустить реверс невозможно.

Ещё у двигателей, бывает специальный «аварийный» режим. Включить его можно пересиливанием РУДов в положение, находящееся дальше взлетного режима (на картинке это положение APR — Automatic Power Reserve). Такой режим используется только при отказе одного из двигателей при взлете, когда надо гарантировать набор высоты в ущерб ресурса рабочего двигателя. Правда, после приземления работающий в аварийном режиме двигатель придется «перебрать».

Данные работы двигателей, как правило, отображаются на неотключаемой части центрального дисплея пилотов и на специальной странице с расширенными данными по двигателю.

В постоянно индицируемом окне статуса работы двигателя доступны следующие данные:

а. Текущие обороты вентилятора двигателя (напрямую влияют на тягу)
б. Температура выхлопных газов — параметр работы двигателя, часто ограничивающий максимальную тягу. FADEC ограничивает ток топлива в том числе, чтобы не расплавить конструкцию лопаток турбин. Лётчику тоже важно понимать, почему обороты не растут, хотя он «просит»
в. Заданные обороты вентилятора двигателя (разгон двигателя с малого газа до взлётного режима занимает десятки секунд и текущие обороты не всегда совпадают с заданными)
г. Обороты турбины высокого давления. Помните, что турбин две и они работают независимо? Так вот данные оборотов турбины высокого давления важны при запуске двигателя. В полёте контролировать их не надо
д. Текущий расход топлива
е. Признак включения реверса
ж. Установившийся режим работы двигателя (малый газ, взлётный, набор высоты)

На специальной странице дополнительных параметров работы двигателя может выводиться такая информация, например как:

• Уровень, давление и температура масла,
• Уровень вибрации двигателя,
• Количество топлива, израсходованного с момента последнего запуска,
• Давление воздуха в пневматической системе,
• И т.д.

Двигатели, в которых вентилятор вынесен за пределы мотогондолы (корпуса двигателя) называются турбовинтовыми. Они обладают лучшими взлетно-посадочными характеристиками, но быстро теряют эффективность при росте скорости больше 0.5 скорости звука (приблизительно). Поэтому они в основном применяются в самолётах для местных авиалиний и военно-транспортной авиации, где возможность использования коротких и неподготовленных взлетно-посадочных полос важнее, чем крейсерская скорость. В конструкции таких двигателей также часто применяется понижающая трансмиссия, как, например, на рисунке ниже. 

Газотурбинные двигатели также используются на вертолётах, только в этом случае они крутят не пропеллер, а винт, сами двигатели в этом случае называются турбовальными. Хорошее видео, иллюстрирующее принципы их работы:

Ещё газотурбинные (турбовальные) двигатели ставят на танки (Т-80, Абрамс).
К преимуществам таких двигателей относят высокую удельную мощность, хороший запуск даже при низких температурах, возможность тянуть «с низов» — турбина высокого давления отделена от силовой турбины и двигатель не глохнет, когда гусеницы стоят неподвижно.
К недостаткам – высокую стоимость двигателя, сложность технического обслуживания, низкую приёмистость. По каждой из особенностей применения газотурбинных двигателей для танков есть разные полярные мнения, я же не специалист по танкам — не кидайте в меня камни. Я мог ошибиться. 🙂

Одним из «свойств» двигателя, сильно влияющим на конструкцию бортового оборудования, является так называемый «нелокализованный разлёт осколков двигателя». Это событие возникает при взрывном разрушении двигателя, когда лопатки компрессоров и турбин разлетаются во все стороны. 

При оценке последствий такого отказа, считается, что осколки обладают «бесконечной» энергией, которой достаточно, чтобы пробить любые преграды, разрубить любые трубы и провода. Для обеспечения безопасного завершения полета в случае такого нелокализованного разлета разработчики архитектуры электронного оборудования для каждого критического провода должны предусмотреть резервный, проложенный в отдельном канале, который не может быть перебит тем же осколком, что и основной провод.

Примечание для впечатлительных: на самом деле разработчики двигателей делают всё возможное, чтобы избежать нелокализованного разлёта, и действительно они случаются очень редко. Даже попадание крупной птицы в двигатель не сломает его. Но авиация — отрасль консервативная и мы закладываем в архитектуру противодействие всем потенциально возможным рискам.

Пояснение про ‘идеальный самолёт для технологов’:

Идеальный самолёт глазами инженеров. Лично мне взгляд технологов особенно симпатичен.

Как работают реактивные двигатели?

Реактивные двигатели изменили авиаперевозки с момента их широкого распространения более полувека назад. Мощность этих революционных двигателей позволила людям летать дальше, быстрее и дешевле, чем когда-либо прежде. Но как работают эти двигатели?

Газовая турбина

Турбовентиляторные двигатели

используются во многих современных коммерческих самолетах. Они являются частью семейства двигателей, называемых газовыми турбинами, в которое входят двигатели для некоторых вертолетов, небольшие силовые установки и даже для некоторых типов танков.

Название «турбина» дает некоторое представление о том, как работает этот тип двигателя. Другие турбины, такие как ветряные турбины или паровые турбины, все полагаются на что-то вращающееся для выработки энергии. Газовые турбины ничем не отличаются. В то время как ветер вращает ветряную турбину, а пар приводит в действие паровую турбину, другой тип сжатого газа вращает газовую турбину – воздух.

Газовые турбины должны сами производить этот воздух под высоким давлением, чтобы обеспечить подачу мощности к двигателю. Они делают это, сжигая что-то очень энергоемкое, например топливо для реактивных двигателей, керосин или природный газ. При сжигании топлива воздух расширяется, и именно этот поток горячего воздуха заставляет турбину вращаться.

Все газотурбинные двигатели полагаются на вращение турбины для создания силы. Фото: ГЭ

Сосать, сжимать, трахать, дуть

Процесс, при котором это происходит, иногда прямо объясняют концепцией «сосать, сжимать, хлопать, дуть». Воздух всасывается в двигатель спереди с помощью большого вентилятора, который виден, если смотреть на самолет прямо.

Этот воздух затем сжимается на следующей ступени двигателя — это часть «сжатия». Второй вентилятор увеличивает давление в воздухе примерно в восемь раз, что также значительно повышает его температуру.

Топливо смешивается с воздухом и воспламеняется – бах – производя энергию. Этот горячий воздух под высоким давлением проходит мимо лопастей турбины, заставляя их вращаться. Эта турбина соединена осью с компрессором и вентилятором, поэтому, когда газы вращают турбину, это приводит к вращению как впускного вентилятора, так и вентилятора компрессора.

Наконец, горячие выхлопные газы выходят из двигателя через сужающееся выпускное сопло. Подобно тому, как надевание большого пальца на конец шланга (уменьшая выходное отверстие для воды) заставляет воду выбрасываться с высокой скоростью, этот конический выхлоп ускоряет выходящие газы. Горячий воздух, выходящий из двигателя, движется со скоростью более 2100 км/ч (1300 миль в час), что примерно вдвое превышает скорость холодного воздуха, поступающего спереди.

Конический выхлоп означает, что воздух выходит из двигателя намного быстрее, чем он входит. Фото: ГЭ

Именно этот быстро движущийся воздух толкает автомобиль вперед. Военные самолеты (и один особенный пассажирский самолет) иногда используют форсажную камеру. Это просто топливо, впрыскиваемое прямо в выхлопной жиклер для создания дополнительной тяги. Но для большинства пассажирских самолетов толчка от движущегося воздуха более чем достаточно, чтобы обеспечить достаточное поступательное движение крыльев для создания подъемной силы.

Совершенно просто?

Звучит достаточно просто? По сути, это так, но связанные с этим давление и высокие температуры делают разработку реактивных двигателей довольно сложной задачей. В камере сгорания, где сжатый воздух смешивается с топливом, температура горения достигает 900 °C (1650 °F).

Это означает, что двигатели должны быть изготовлены из прочных, но легких, термически стабильных и устойчивых к коррозии компонентов, которые не будут гнуться, ломаться или ослабевать при экстремальных температурах и давлениях. На заре реактивного двигателя прототипы сэра Фрэнка Уиттла полагались на сталь. Это был прочный и твердый материал, но он не выдерживал нагрузок современной газовой турбины. Сталь начинает разлагаться примерно при 500 °C (932°F).

Для современных двигателей требуются легкие, прочные материалы, способные выдерживать экстремальные температуры. Фото: ГЭ

Непригодность стали означала, что производителям двигателей пришлось искать другой тип материала. Металлом Златовласки, на котором остановились производители, был никель с примесью хрома. Он был легким, дешевым и прочным. Он противостоял коррозии и сохранял свою целостность до 85% температуры плавления, что составляет ошеломляющие 1455 ° C (2651 ° F).

Эти первые суперсплавы позволили реактивным двигателям стать дешевле, эффективнее и намного проще в массовом производстве. Потомки этой смеси до сих пор обеспечивают структуру самой горячей части газотурбинного двигателя, работающего при температурах до 1700 ° C (3000 ° F), что несколько выше температуры плавления металла. Так как же производители двигателей обеспечивают целостность этих деталей?

Охладите свои самолеты

Первая стратегия заключается в нанесении керамического покрытия, уменьшающего проникновение тепла. Во-вторых, холодный воздух подается на поверхность лопастей, втягивается дальше по двигателю и распределяется через крошечные отверстия на поверхности лопастей. В интервью The Engineer руководитель отдела материалов Rolls-Royce Нил Гловер объяснил:0003

«Лезвия работают в среде, на несколько сотен градусов более горячей, чем температура плавления никелевого сплава, но из-за механизмов охлаждения металл никогда не нагревается выше своей точки плавления, несмотря на температуру окружающей среды».

Монокристаллическая лопатка турбины намного более стабильна. Фото: Роллс-Ройс Технология материалов

пошла еще дальше, перестроив атомную структуру металла, чтобы избежать потери целостности. Крошечные кристаллы, из которых состоят металлы, спроектированы таким образом, чтобы они росли в одном направлении, чтобы устранить слабые места, обычно встречающиеся на границах кристаллов. Это означает, что лезвия фактически подобны драгоценному камню с единственной атомной решеткой, проходящей через всю их структуру.

С годами никелевые сплавы совершенствовались путем создания новых смесей и добавления новых элементов. Это дает разработчику турбин свободу действий для создания идеального сочетания компонентов двигателя.

Использование различных комбинаций сплавов позволяет производителям разрабатывать детали для современных двигателей на заказ. Фото: Pratt & Whitney

Уравновешивание

По мере развития и совершенствования конструкции двигателей турбовентиляторные двигатели обычно становились больше. Это связано с тем, что большая часть создаваемой тяги является результатом входящего воздуха, отводимого вокруг компрессора и турбины. Разница в объеме воздуха, подаваемого на турбину, по сравнению с тем, который отводится вокруг нее, известна как «коэффициент двухконтурности» 9.0003

Эта «перепускная тяга» не требует непосредственного сжигания топлива. Таким образом, эффективность двигателя была улучшена за счет увеличения степени двухконтурности, что означает создание двигателя большего диаметра. Но в этом есть и обратная сторона. Увеличение размера двигателя означает также увеличение размеров вентиляторных секций, что делает двигатель тяжелее. Каждый лишний килограмм веса в секции вентилятора требует 2,25 кг дополнительной несущей конструкции в двигателе и крыле.

Чтобы немного уменьшить увеличившийся вес более экономичных двигателей, производители начали использовать композитные материалы в качестве замены металлам. Композиты с керамической матрицей такие же прочные, как металлы, но в три раза легче никелевых сплавов.

GE9X должен стать самым большим в эксплуатации, когда 777X начнет обслуживание. Фото: ГЭ

Самый большой в мире двигатель GE9X для 777X использует композитные материалы для изготовления лопастей вентилятора и корпуса. Он также использует композиты с керамической матрицей в турбине и камере сгорания. Этот большой, легкий и мощный двигатель обещает быть на 10% более экономичным, чем его предшественник, GE90, а также является самым тихим двигателем, когда-либо произведенным GE.

5 основных типов авиационных реактивных двигателей

Существует 5 основных типов авиационных реактивных двигателей. У каждого есть свои преимущества, недостатки и лучшие варианты использования. Узнайте больше о различных типах газотурбинных двигателей в этой статье.

Содержание

• 1. Турбовинтовой двигатель
• 2. Турбореактивный двигатель
• 3. Турбовальный двигатель
• 4. Турбореактивный двигатель
• 5. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель 6 типов газовых двигателей
• значительно улучшилась с 1903 года. Газовая турбина могла производить достаточную мощность, чтобы поддерживать работу самолета.

  Газовые авиационные двигатели впервые были разработаны Эгидиусом Эллингом, известным норвежским изобретателем. В то время эти двигатели мощностью 11 лошадиных сил были огромным достижением.

  Газовые авиационные двигатели с тех пор прошли долгий путь, и теперь они бывают всех размеров и форм. Некоторые двигатели могут производить намного больше мощности, чем двигатели 1903 года. Вот общие типы авиационных двигателей, включая плюсы и минусы каждого двигателя.

  1. Турбовинтовой двигатель

  Редакционная группа Турбовинтовой двигатель

  Турбовинтовой двигатель — это турбореактивный двигатель, в котором для соединения с воздушным винтом используется зубчатая передача. Редуктор самолета идет с турбореактивным двигателем, который раскручивает прикрепленный к нему вал. Коробка передач замедляет вращающиеся валы, чтобы шестерня могла соединиться с гребным винтом. Как и у Cessna 172, пропеллер вращается в воздухе, создавая тягу.

  Турбовинтовые авиационные двигатели экономичны и вращаются со средней скоростью, которая может составлять от 250 до 400 узлов. Турбовинтовые двигатели эффективны на средних высотах, но их система передач может быстро выйти из строя из-за их веса. Их скорость полета вперед также ограничена.

  Турбовинтовой двигатель состоит из камеры сгорания, которая содержит сжатый воздух и газ, турбину и компрессор, которые вместе приводят в действие турбину.

  Редакционная группа Турбовинтовой двигатель Rolls-Royce Tyne

  Давление газа и воздуха создает мощность, которая приводит в действие компрессор. КПД турбовинтовых авиационных двигателей превосходит турбореактивный двигатель при скорости полета менее 500 узлов. Хотя диаметр винтов современных турбовинтовых двигателей невелик, эти двигатели оснащены множеством лопастей, что делает самолет устойчивым на большой высоте.

  Эти лезвия имеют форму ятагана, а края их кончиков загнуты назад для повышения эффективности на высоких скоростях полета. Авиадвигатели с такими винтами называются винтовентиляторами. Подобно турбовентиляторному авиационному двигателю, турбовинтовой двигатель преобразует энергию газового потока в механическую энергию для обеспечения движения. Он производит достаточную мощность для привода винта, вспомогательного оборудования и компрессора. Эти типы двигателей в самолетах поставляются с валом, прикрепленным к турбине, которая приводит в движение воздушный винт через систему редуктора.

  Первый турбовинтовой двигатель был разработан в Будапеште в 1938 году. Он был испытан в августе 1940 года, но позже, когда началась мировая война, от него отказались. Макс Мюллер инициировал проектирование и выпуск первого в мире турбовинтового авиационного двигателя, который начал эксплуатироваться в 1942 году.

  2. ТРД

  Концепция турбореактивного авиадвигателя проста. Это влечет за собой забор воздуха с задней стороны двигателя и последующее его сжатие в компрессоре. Но топливо должно быть добавлено в камеру сгорания и сожжено, чтобы поднять температуру жидкой смеси примерно до 1000 градусов.

  Полученный горячий воздух прогоняется через турбину, которая вращает компрессор. Давление на выходе из турбины должно вдвое превышать давление в атмосфере. Однако это зависит от уровня эффективности авиационного двигателя. Затем избыточное давление перемещается к соплу, которое генерирует газовые потоки, ответственные за создание тяги.

  Форсажная камера может быть использована для получения существенного увеличения тяги. Форсажная камера может относиться ко второй камере сгорания, которая находится между соплом и турбиной. Его роль заключается в том, чтобы нагреть газ до того, как он попадет в сопло. Повышение температуры приводит к увеличению тяги примерно на 40% при взлете самолета, и толчок может увеличиваться на высокой скорости, когда самолет поднимается в воздух.

  Это реактивные авиационные двигатели, которые расширяют газы, позволяя самолету резко двигаться вперед против атмосферного давления. Он всасывает воздух, а затем сжимает или сжимает его, чтобы самолет мог летать. Турбины начинают вращаться, как только эти газы проходят через двигатель. Затем газы отскакивают обратно к турбине и выбрасываются из передней части выхлопной трубы, толкая самолет вперед. Турбореактивный двигатель работает, пропуская воздух через воздухозаборник, компрессор, турбину, камеру сгорания и выхлоп.

  Детали турбореактивного двигателя

  Воздухозаборник

  Трубка, прикрепленная к передней части турбореактивного двигателя. Хотя это может показаться простым, это вносит большой вклад в эффективность авиационного двигателя. Его роль заключается в том, чтобы направлять воздух на лопатки компрессора, и он может помочь минимизировать потери воздуха в двигателе на низких оборотах. Воздухозаборник может помочь замедлить поток воздуха, когда самолет летит на высокой скорости. Как бы быстро ни двигался самолет, воздух, поступающий в двигатель, должен быть дозвуковым.

  Камера сгорания

  Магия начинается в камере сгорания. Камера объединяет высокое давление для воспламенения смеси. Сгорание продолжается по мере того, как смесь или топливо продолжает течь через двигатель к компрессору и турбине. Турбореактивные авиационные двигатели работают на обедненной смеси, потому что для охлаждения двигателю требуется дополнительный поток воздуха.

  Компрессор

  Турбина в задней части авиадвигателя предназначена для привода компрессора. Он сжимает поступающий воздух, повышая атмосферное давление. Компрессор состоит из ряда вентиляторов, каждый из которых содержит небольшие лопасти. Роль компрессора заключается в сжатии воздуха при прохождении каждой ступени сжатия.

  Выхлоп

  Воздушная смесь и сгоревшее топливо выбрасываются из двигателя через выхлопное сопло. Двигатель создает тягу, когда сжатый воздух выходит из передней части компрессора, который затем толкает самолет вперед.

  Турбины

  Это серия вентиляторов, которые работают так же, как ветряная мельница. Их роль заключается в поглощении энергии, когда высокоскоростной воздух проходит через компрессор. У турбин есть лопасти, прикрепленные к валу, чтобы они могли его вращать. Турбореактивные авиадвигатели имеют отличную конструкцию.

  3. Турбовальный двигатель

  Редакционная группа Турбовальный двигатель

  Турбовальный двигатель представляет собой форму газовой турбины, которая работает так же, как турбовинтовой двигатель. Но, в отличие от турбовинтового двигателя, турбовальные двигатели не приводят в движение воздушный винт. Вместо этого он используется в вертолетах для обеспечения питания несущего винта.

  Турбовальные двигатели сконструированы таким образом, что скорость вращения несущего винта вертолета не зависит от скорости газогенератора. Это позволяет скорости вращения винта вертолета оставаться постоянной даже при снижении скорости газогенератора. Он также модулирует мощность, которую производит вертолет.

  Турбовальные авиационные двигатели обычно используются на вертолетах. Единственная разница между турбореактивными двигателями и турбовальными двигателями заключается в том, что последние используют большую часть своей мощности для вращения турбины, а не для создания тяги. Турбовальный двигатель похож на турбореактивный двигатель, но имеет большой вал, соединяющий переднюю часть с задней. Поскольку большинство турбовальных двигателей используются на вертолетах, вал соединяется с трансмиссией лопасти несущего винта.

  Большинство деталей этого двигателя работают так же, как турбореактивный двигатель. Его турбины снабжены валом для привода трансмиссии лопастей несущего винта. Роль трансмиссии лопасти несущего винта заключается в передаче вращения от вала к лопасти несущего винта. Турбовальные двигатели немного меньше поршневых двигателей и имеют более высокую удельную массу по сравнению с поршневыми двигателями. Единственным недостатком этих двигателей является то, что их системы передач сложны и легко ломаются.

  Турбовальные двигатели получают свою тягу за счет преобразования высокоскоростных газов в механическую энергию для работы вспомогательного оборудования, такого как турбина и компрессор. Как и у турбовинтового двигателя, вал, прикрепленный к турбовальному двигателю, приводит в движение как воздушный винт самолета, так и трансмиссию с лопастями вертолета. Он использует редуктор для движения самолета вперед.

  4. Турбовентиляторный двигатель

  Редакционная группа Турбовентиляторный двигатель ВВС США

  Турбовентиляторные реактивные двигатели оснащены массивным вентилятором спереди для всасывания воздуха. Для турбовентиляторных реактивных двигателей большая часть воздуха обтекает внешнюю часть авиационного двигателя, чтобы придать самолету большую тягу даже на низких скоростях и сделать его тихим.

  Турбовентиляторные реактивные двигатели используются в большинстве современных авиалайнеров. Весь воздух, поступающий на впуск турбовентиляторного реактивного двигателя, проходит через генератор, производящий горячий воздух. Этот генератор состоит из турбины, камеры сгорания и компрессора. Только небольшой процент воздуха, проходящего через турбовентиляторный двигатель, достигает камеры сгорания.

  Остальной воздух проходит через компрессор низкого давления или вентилятор, после чего смешивается с добываемым газом или выбрасывается напрямую. Цель этой системы — помочь достичь более высокой тяги при сохранении того же уровня потребления. Турбовентиляторный реактивный двигатель снижает скорость при том же уровне энергоснабжения и увеличивает расход всей воздушной массы для достижения этой цели.

  ТРДД представляет собой модернизированную версию турбовинтовых и ТРД. Он работает так же, как турбореактивный двигатель, но у него спереди есть канальный вентилятор. Вентилятор охлаждает двигатель, создает дополнительную тягу и снижает шум двигателя самолета.

  Впускной воздух ТРДД разделяется на два потока. Один поток проходит через сердцевину двигателя, а другой обходит воздух и обтекает двигатель. Обходной воздух проходит через двигатель, где канальный вентилятор ускоряет его, создавая дополнительную тягу. Канальный вентилятор продолжает проталкивать воздух через двигатель, который затем продолжает увеличивать тягу.

  Редакционная группа Турбовентиляторный двигатель

  Турбовентиляторные авиационные двигатели тише турбореактивных и экономичнее. Их дизайн также выглядит невероятно. Однако эти двигатели малоэффективны на больших высотах, а их лобовая площадь больше, чем у ТРД, что делает их немного тяжелыми.

  Турбовентиляторные авиационные двигатели оснащены воздуховодом в задней части двигателя. Независимая турбина, прикрепленная к передней части компрессора, обычно приводит в движение турбину с той же скоростью, что и компрессор. Воздух от вентилятора не смешивается с воздухом двигателя, но его можно направить обратно для смешивания с воздухом в передней части двигателя.