Воздушно-реактивный двигатель

Воздушно -реактивный двигатель (или канальный реактивный двигатель ) — это реактивный двигатель , в котором выхлопным газом , обеспечивающим реактивную тягу, является атмосферный воздух , который всасывается, сжимается, нагревается и расширяется обратно до атмосферного давления через реактивное сопло . Сжатие может обеспечиваться газовой турбиной , как в оригинальном турбореактивном двигателе и более новом турбовентиляторном двигателе , или возникать исключительно за счет напорного давления скорости транспортного средства, как в случае с прямоточным воздушно-реактивным двигателем и импульсным воздушно-реактивным двигателем .

Все практические воздушно-реактивные двигатели нагревают воздух за счет сжигания топлива. В качестве альтернативы теплообменник можно использовать , как в ядерном реактивном двигателе. Большинство современных реактивных двигателей представляют собой турбовентиляторные двигатели, которые более экономичны , чем турбореактивные двигатели, поскольку тяга , создаваемая газовой турбиной, увеличивается за счет перепускного воздуха, проходящего через канальный вентилятор .

Фон

Оригинальным воздушно-реактивным газотурбинным двигателем был турбореактивный двигатель . Эту концепцию воплотили в жизнь два инженера: Фрэнк Уиттл в Англии и Ханс фон Охайн в Германии . Турбореактивный двигатель сжимает и нагревает воздух, а затем выпускает его в виде высокоскоростной высокотемпературной струи для создания тяги. Хотя эти двигатели способны создавать высокие уровни тяги, они наиболее эффективны на очень высоких скоростях (более 1 Маха) из-за малого массового расхода и высокой скорости реактивного выхлопа.

Современные ТРДД являются развитием турбореактивного двигателя; По сути, это турбореактивные двигатели, имеющие новую секцию, называемую ступенью вентилятора . Вместо того, чтобы использовать все выхлопные газы для обеспечения прямой тяги, как в турбореактивных двигателях, турбовентиляторные двигатели извлекают часть мощности из выхлопных газов внутри двигателя и используют ее для питания ступени вентилятора. Ступень вентилятора ускоряет большой объем воздуха через воздуховод, минуя сердцевину двигателя (фактический газотурбинный компонент двигателя), и выбрасывает его сзади в виде струи, создавая тягу. Часть воздуха, проходящего через ступень вентилятора, попадает в сердцевину двигателя, а не направляется назад, и таким образом сжимается и нагревается; часть энергии извлекается для питания компрессоров и вентиляторов, а остальная часть выбрасывается сзади. Этот высокоскоростной выхлоп горячего газа смешивается с низкоскоростным выхлопом холодного воздуха из ступени вентилятора, и оба они способствуют увеличению общей тяги двигателя. В зависимости от того, какая доля холодного воздуха перепускается Вокруг активной зоны двигателя турбовентиляторные двигатели можно назвать двигателями с малым байпасом , с большим байпасом или с очень большим байпасом .

Двигатели с малой двухконтурностью были первыми произведенными турбовентиляторными двигателями и обеспечивали большую часть своей тяги за счет горячих выхлопных газов активной зоны, тогда как ступень вентилятора только дополняет это. Эти двигатели до сих пор часто встречаются на военных истребителях , поскольку они имеют меньшую лобовую площадь, что создает меньшее сопротивление плунжера на сверхзвуковых скоростях, оставляя большую часть тяги, создаваемой двигателем, для приведения в движение самолета. Их сравнительно высокий уровень шума и дозвуковой расход топлива считаются приемлемыми для такого применения, тогда как, хотя в первом поколении турбовентиляторных авиалайнеров использовались двигатели с малой двухконтурностью, их высокий уровень шума и расход топлива означают, что они вышли из моды для больших самолетов. Двигатели с высоким двухконтурным режимом имеют гораздо большую ступень вентилятора и обеспечивают большую часть своей тяги за счет воздуха, подаваемого вентилятором; Сердцевина двигателя обеспечивает мощность ступени вентилятора, и только часть общей тяги исходит от потока выхлопных газов активной зоны двигателя.

За последние несколько десятилетий произошел переход к двигателям с очень высокой двухконтурностью , в которых используются вентиляторы, намного большие, чем сам сердечник двигателя, который обычно представляет собой современную высокоэффективную двух- или трехкатушечную конструкцию. Именно высокая эффективность и мощность позволяют таким большим вентиляторам быть жизнеспособными, а увеличенная тяга (до 75 000 фунтов на двигатель в таких двигателях, как Rolls-Royce Trent XWB или General Electric GENx ) позволили перейти к большим двухцилиндровым двигателям. самолетов с двигателем, таких как Airbus A350 или Boeing 777 , а также позволяет двухмоторным самолетам работать на длинных надводных маршрутах , что ранее было прерогативой самолетов с 3 или 4 двигателями .

Реактивные двигатели были разработаны для питания самолетов, но использовались для привода реактивных автомобилей и реактивных лодок для попыток установить рекорд скорости и даже для коммерческого использования, например, на железных дорогах для очистки снега и льда со стрелок на железнодорожных станциях (установленных в специальных железнодорожных вагонах), и на гоночных трассах для просушки покрытия трассы после дождя (устанавливаются на специальных грузовиках с выдувом струи выхлопных газов на поверхность трассы).

Типы воздушно-реактивных двигателей

Воздушно-реактивные двигатели почти всегда представляют собой двигатели внутреннего сгорания , которые получают движение от сгорания топлива внутри двигателя. Кислород , присутствующий в атмосфере, используется для окисления на основе углеводородов источника топлива, обычно реактивного топлива . Горящая смесь сильно расширяется в объеме, прогоняя нагретый воздух через метательное сопло .

газотурбинными двигателями Реактивные двигатели с :

• турбореактивный двигатель
• турбовентиляторный двигатель

Реактивный двигатель с поршневым двигателем:

• ПВРД
• ГПВРД

Импульсный реактивный двигатель внутреннего сгорания:

• импульсно-детонационный двигатель
• импульсный реактивный двигатель
• реактивный двигатель

Турбореактивный двигатель

Основная статья: турбореактивный двигатель

Компоновка турбореактивного двигателя

Два инженера, Фрэнк Уиттл из Великобритании и Ханс фон Охайн из Германии , независимо друг от друга разработали концепцию турбореактивного двигателя и превратили его в практические двигатели в конце 1930-х годов.

Турбореактивные двигатели состоят из воздухозаборника, компрессора , камеры сгорания, турбины (приводящей в движение компрессор) и рабочего сопла. Сжатый воздух нагревается в камере сгорания и проходит через турбину, затем расширяется в сопле, образуя высокоскоростную реактивную струю.

Турбореактивные двигатели имеют низкий тяговый КПД ниже примерно 2 Маха. и производят сильный шум струи, и то и другое является результатом очень высокой скорости выхлопа. Современные реактивные самолеты имеют турбовентиляторные двигатели . Эти двигатели, благодаря более низкой скорости выхлопа, производят меньше шума струи и потребляют меньше топлива. Турбореактивные двигатели до сих пор используются для крылатых ракет средней дальности. благодаря высокой скорости выхлопа, малой площади лобовой части, что снижает лобовое сопротивление, и относительной простоте, что снижает стоимость.

Турбореактивный двигатель

Основная статья: Турбореактивный двигатель

Анимированный турбовентиляторный двигатель

Большинство современных реактивных двигателей являются турбовентиляторными. Компрессор низкого давления (LPC), обычно известный как вентилятор, сжимает воздух в обходной канал, в то время как его внутренняя часть нагнетает основной компрессор. Вентилятор часто является неотъемлемой частью многоступенчатого ЦНД. Поток байпасного воздуха либо проходит в отдельное «холодное сопло», либо смешивается с выхлопными газами турбины низкого давления, а затем расширяется через «сопло смешанного потока».

В 1960-х годах между гражданскими и военными реактивными двигателями не было большой разницы, за исключением использования дожига в некоторых (сверхзвуковых) приложениях. Сегодня турбовентиляторные двигатели используются в авиалайнерах, поскольку скорость их выхлопа лучше соответствует дозвуковой скорости полета авиалайнера. На скоростях полета авиалайнера скорость выхлопа турбореактивного двигателя чрезмерно высока и приводит к потере энергии. Более низкая скорость выхлопа турбовентиляторного двигателя обеспечивает лучший расход топлива. Увеличенный поток воздуха от вентилятора обеспечивает более высокую тягу на низких скоростях. Более низкая скорость выхлопа также обеспечивает гораздо меньший шум струи.

Сравнительно большой фронтальный вентилятор имеет несколько эффектов. По сравнению с турбореактивным двигателем такой же тяги ТРДД имеет гораздо больший массовый расход воздуха, и поток через перепускной канал создает значительную часть тяги. Дополнительный воздуховод не воспламеняется, что обеспечивает ему малую скорость, но для обеспечения такой тяги не требуется дополнительного топлива. Вместо этого энергия берется из центрального ядра, что также снижает скорость выхлопа. Таким образом, средняя скорость смешанного отработанного воздуха снижается (низкая удельная тяга ), что приводит к меньшим затратам энергии, но снижает максимальную скорость. В целом, турбовентиляторный двигатель может быть гораздо более экономичным и тихим, и оказывается, что вентилятор также обеспечивает большую полезную тягу на низких скоростях.

Таким образом, сегодня гражданские турбовентиляторные двигатели имеют низкую скорость выхлопа (низкая удельная тяга – полезная тяга, разделенная на расход воздуха), чтобы свести к минимуму шум реактивной струи и повысить топливную экономичность . Следовательно, коэффициент двухконтурности (обходной поток, разделенный на основной поток) относительно высок (обычно соотношение от 4: 1 до 8: 1), при этом у Rolls-Royce Trent XWB оно приближается к 10: 1. Требуется только одна ступень вентилятора, поскольку низкая удельная тяга предполагает низкую степень сжатия вентилятора.

Турбореактивные двигатели в гражданских самолетах обычно имеют выраженную большую переднюю площадь для размещения очень большого вентилятора, поскольку их конструкция предполагает гораздо большую массу воздуха в обход активной зоны, поэтому они могут извлечь выгоду из этих эффектов, в то время как в военных самолетах шум и эффективность меньше. Важно по сравнению с производительностью и сопротивлением, меньшее количество воздуха обычно обходит сердечник. Турбореактивные двигатели, предназначенные для дозвуковых гражданских самолетов, также обычно имеют только один передний вентилятор, поскольку их дополнительная тяга создается за счет большой дополнительной массы воздуха, который сжимается лишь умеренно, а не меньшего количества воздуха, который сильно сжимается.

Однако военные турбовентиляторные двигатели имеют относительно высокую удельную тягу , чтобы максимизировать тягу для заданной лобовой площади, при этом шум реактивной струи вызывает меньшую озабоченность при использовании в военных целях по сравнению с гражданским использованием. Многоступенчатые вентиляторы обычно необходимы для достижения относительно высокой степени сжатия вентилятора, необходимой для высокой удельной тяги. Хотя часто используются высокие температуры на входе в турбину, степень двухконтурности имеет тенденцию быть низкой, обычно значительно меньше 2,0.

Турбовинтовой и турбовальный

Основные статьи: Турбовинтовой и турбовальный

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовые двигатели — это производные реактивных двигателей, по-прежнему газовые турбины, которые извлекают работу из струи горячего выхлопа для вращения вращающегося вала, который затем используется для создания тяги каким-либо другим способом. Хотя турбовинтовые двигатели не являются строго реактивными двигателями, поскольку для создания тяги используют вспомогательный механизм, они очень похожи на другие реактивные двигатели на базе турбины и часто описываются как таковые.

В турбовинтовых двигателях часть тяги двигателя создается за счет вращения пропеллера , а не исключительно за счет высокоскоростного выхлопа реактивной струи. Турбовинтовые двигатели, создающие тягу в обоих направлениях, иногда называют разновидностью гибридного реактивного двигателя. Они отличаются от турбовентиляторных двигателей тем, что большую часть тяги обеспечивает традиционный пропеллер, а не канальный вентилятор. используется редуктор В большинстве турбовинтовых двигателей между турбиной и воздушным винтом . ( Турбовентиляторные двигатели с редуктором также имеют редуктор, но они менее распространены.) Выхлоп с горячей струей составляет важную меньшую часть тяги, а максимальная тяга достигается путем согласования двух вкладов тяги. Турбовинтовые двигатели обычно имеют более высокие характеристики, чем турбореактивные или турбовентиляторные двигатели, на низких скоростях, когда эффективность винта высока, но на высоких скоростях они становятся все более шумными и неэффективными.

Турбовальные двигатели очень похожи на турбовинтовые двигатели, отличающиеся тем, что почти вся энергия выхлопных газов извлекается для вращения вращающегося вала, который используется для приведения в действие механизмов, а не пропеллера. Поэтому они практически не генерируют реактивную тягу и часто используются для приведения в движение двигателя. вертолеты .

Пропфан

Основная статья: Пропфан

Винтовочный двигатель

Винтованый двигатель (также называемый «вентилятором без воздуховода», «открытым ротором» или «сверхвысоким двухконтурным каналом») — это реактивный двигатель , в котором газогенератор используется для питания открытого вентилятора, подобно турбовинтовым двигателям. Как и турбовинтовые двигатели, винтовые вентиляторы создают большую часть тяги от воздушного винта, а не от выхлопной струи. Основное различие между конструкцией турбовинтового и винтового вентилятора заключается в том, что лопасти винтового винта имеют большую стреловидность, что позволяет им работать на скоростях около 0,8 Маха , что составляет конкуренцию современным коммерческим турбовентиляторным двигателям. Эти двигатели обладают преимуществами топливной экономичности турбовинтовых двигателей и производительностью коммерческих турбовентиляторных двигателей. Несмотря на то, что винтовые вентиляторы были проведены значительные исследования и испытания (включая летные испытания), ни один из них не был запущен в производство.

Основные компоненты

Основная статья: Компоненты реактивных двигателей

Основные узлы турбовентиляторного двигателя.

Основные компоненты турбореактивного двигателя, включая упоминания о турбовентиляторных двигателях, турбовинтовых двигателях и турбовалах:

Холодная секция

• Воздухозаборник ( Входное отверстие ) — для дозвуковых самолетов входное отверстие представляет собой канал, который необходим для обеспечения плавного потока воздуха в двигатель, несмотря на то, что воздух приближается к входному отверстию с направлений, отличных от прямого. Это происходит на земле при боковом ветре и в полете при движении самолета по тангажу и рысканию. Длина воздуховода сведена к минимуму для уменьшения сопротивления и веса. Воздух поступает в компрессор со скоростью примерно вдвое меньшей скорости звука, поэтому на скоростях полета ниже этой скорость потока будет ускоряться вдоль впускного отверстия, а на более высоких скоростях полета он замедляться. Таким образом, внутренний профиль воздухозаборника должен выдерживать как ускоряющийся, так и рассеивающий поток без чрезмерных потерь. Для сверхзвуковых самолетов воздухозаборник имеет такие особенности, как конусы и рампы, для создания наиболее эффективной серии ударных волн , которые образуются при замедлении сверхзвукового потока. Воздух замедляется от скорости полета до дозвуковой скорости за счет ударных волн, а затем примерно до половины скорости звука в компрессоре через дозвуковую часть воздухозаборника. Конкретная система ударных волн выбирается с учетом многих ограничений, таких как стоимость и эксплуатационные потребности, чтобы минимизировать потери, что, в свою очередь, максимизирует восстановление давления в компрессоре.
• Компрессор или Вентилятор . Компрессор состоит из ступеней. Каждая ступень состоит из вращающихся лопаток и неподвижных статоров или лопаток. По мере движения воздуха через компрессор его давление и температура увеличиваются. Мощность для привода компрессора поступает от турбины (см. ниже) в виде вала . крутящего момента и скорости
• Байпасные каналы доставляют поток от вентилятора с минимальными потерями к байпасному рабочему соплу. Альтернативно, поток вентилятора может смешиваться с выхлопными газами турбины перед попаданием в одно рабочее сопло. В другом варианте между смесителем и соплом может быть установлена ​​камера дожигания.
• Вал . Вал соединяет турбину с компрессором и проходит по большей части двигателя. Может быть до трех концентрических валов, вращающихся с независимыми скоростями, с таким же количеством турбин и компрессоров. Охлаждающий воздух для турбин может поступать через вал от компрессора.
• диффузора Секция : – Диффузор замедляет подачу воздуха компрессором, чтобы уменьшить потери потока в камере сгорания. Более медленный воздух также необходим для стабилизации пламени горения, а более высокое статическое давление повышает эффективность сгорания.

Горячая секция

• Камера сгорания или камера сгорания . Топливо сгорает непрерывно после первоначального воспламенения во время запуска двигателя.

• Турбина . Турбина представляет собой серию лопастных дисков, которые действуют как ветряная мельница, извлекая энергию из горячих газов, выходящих из камеры сгорания . Часть этой энергии используется для привода компрессора . Турбовинтовые, турбовальные и ТРДД имеют дополнительные ступени турбины для привода воздушного винта, двухконтурного вентилятора или несущего винта вертолета. В свободной турбине турбина, приводящая в движение компрессор, вращается независимо от турбины, приводящей в движение пропеллер или ротор вертолета. Охлаждающий воздух, отбираемый из компрессора, может использоваться для охлаждения лопаток турбины, лопаток и дисков, чтобы обеспечить более высокие температуры газа на входе в турбину при тех же температурах материала турбины.**

  

  Лопатка турбины высокого давления с выходными отверстиями для охлаждающего воздуха.

• Форсажная камера или разогрев (британский) - (в основном военный) Создает дополнительную тягу за счет сжигания топлива в реактивной трубе. Этот повторный нагрев выхлопных газов турбины повышает температуру на входе в рабочее сопло и скорость выхлопа. Площадь сопла увеличена, чтобы вместить больший удельный объем выхлопных газов. Это поддерживает одинаковый поток воздуха через двигатель, чтобы гарантировать отсутствие изменений в его рабочих характеристиках.

• Выхлоп или сопло . Выхлопные газы турбины проходят через сопло, создавая высокоскоростную струю. Сопло обычно сужающееся с фиксированным проходным сечением.
• Сверхзвуковое сопло . Для высоких соотношений давления в сопле (давление на входе в сопло/давление окружающей среды) сужающееся-расширяющееся сопло (де Лаваля) используется . Расширение до атмосферного давления и сверхзвуковой скорости газа продолжается за горловиной и создает большую тягу.

Различные компоненты, упомянутые выше, имеют ограничения на то, как они собираются вместе для достижения максимальной эффективности или производительности. Производительность и эффективность двигателя никогда нельзя рассматривать изолированно; например, эффективность использования топлива/расстояния сверхзвукового реактивного двигателя достигает максимума примерно при скорости 2 Маха, тогда как сопротивление транспортного средства, несущего его, увеличивается по квадратичному закону и имеет гораздо большее сопротивление в околозвуковой области. Таким образом, наивысшая топливная эффективность для всего транспортного средства обычно составляет около 0,85 Маха.

Для оптимизации двигателя по назначению здесь важны конструкция воздухозаборника, габаритные размеры, количество ступеней компрессора (набора лопаток), тип топлива, количество ступеней выпуска, металлургия компонентов, количество используемого перепускного воздуха, где перепускной вводится воздух и многие другие факторы. Примером может служить конструкция воздухозаборника.

Операция

Цикл двигателя

Основная статья: цикл Брайтона

Термодинамика типичного воздушно-реактивного двигателя примерно моделируется циклом Брайтона , который представляет собой термодинамический цикл , описывающий работу газотурбинного двигателя , который является основой воздушно-реактивного двигателя и других. Он назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера, который его разработал, хотя первоначально он был предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году. Его также иногда называют Джоуля циклом .

Пропуск тяги

Номинальная полезная тяга, указанная для реактивного двигателя, обычно относится к условиям статического уровня моря (SLS), либо для международной стандартной атмосферы (ISA), либо для условий жаркого дня (например, ISA+10 °C). Например, GE90-76B имеет взлетную статическую тягу 76 000 фунтов силы (360 кН) при SLS, ISA+15 °C.

Естественно, полезная тяга будет уменьшаться с высотой из-за меньшей плотности воздуха. Однако существует и эффект скорости полета.

Первоначально, когда самолет набирает скорость на взлетно-посадочной полосе, давление и температура в сопле увеличиваются незначительно, поскольку подъем плунжера во впускном коллекторе очень мал. Массовый расход также изменится незначительно. Следовательно, полная тяга сопла первоначально увеличивается лишь незначительно со скоростью полета. Однако, поскольку двигатель является воздушно-реактивным (в отличие от обычной ракеты), существует штраф за забор воздуха из атмосферы. Это известно как сопротивление барана. Хотя в статических условиях штраф равен нулю, он быстро увеличивается со скоростью полета, вызывая снижение полезной тяги.

По мере увеличения скорости полета после взлета подъем плунжера в воздухозаборнике начинает оказывать значительное влияние на давление/температуру в сопле и расход воздуха на впуске, вызывая более быстрый подъем полной тяги сопла. Теперь этот член начинает компенсировать все еще увеличивающееся сопротивление плунжера, что в конечном итоге приводит к тому, что полезная тяга начинает увеличиваться. В некоторых двигателях полезная тяга, скажем, при скорости 1,0 Маха на уровне моря может даже немного превышать статическую тягу. При скорости выше 1,0 Маха при дозвуковой конструкции воздухозаборника потери на ударную нагрузку имеют тенденцию уменьшать полезную тягу, однако сверхзвуковой воздухозаборник соответствующей конструкции может дать меньшее снижение восстановления давления на впуске, позволяя полезной тяге продолжать расти в сверхзвуковом режиме.

Безопасность и надежность

Основная статья: Воздушная безопасность

Реактивные двигатели обычно очень надежны и имеют очень хорошие показатели безопасности. Однако иногда случаются сбои.

Помпаж двигателя

В некоторых случаях в реактивных двигателях условия в двигателе из-за потока воздуха, поступающего в двигатель, или других изменений могут привести к остановке лопаток компрессора . Когда это происходит, давление в двигателе выходит за лопасти, и сваливание сохраняется до тех пор, пока давление не уменьшится и двигатель не потеряет всю тягу. Лопасти компрессора обычно выходят из состояния срыва и повторно создают давление в двигателе. Если условия не исправлены, цикл обычно повторяется. Это называется всплеском . В зависимости от двигателя это может нанести серьезный ущерб двигателю и вызвать тревожную вибрацию для экипажа.

Удержание лезвия

Основная статья: Тестирование лезвия

Неисправности вентилятора, компрессора или лопаток турбины должны локализоваться внутри корпуса двигателя. Для этого двигатель должен быть спроектирован так, чтобы пройти испытания на герметичность лопаток, как указано сертификационными органами.

Проглатывание птиц

Дополнительная информация: Куриный пистолет.

Проглатывание птиц — это термин, используемый, когда птицы попадают в воздухозаборник реактивного двигателя. Это обычная угроза безопасности воздушного судна, приводящая к авариям со смертельным исходом. В 1988 году эфиопских авиалиний Боинг 737 заглотил голубей в оба двигателя во время взлета, а затем разбился при попытке вернуться в аэропорт Бахр-Дар ; из 104 человек, находившихся на борту, 35 погибли и 21 получил ранения. В другом инциденте, произошедшем в 1995 году, самолет Dassault Falcon 20 разбился в парижском аэропорту во время попытки аварийной посадки после попадания чибисов в двигатель, что привело к отказу двигателя и пожару в фюзеляже самолета ; все 10 человек на борту погибли.

Реактивные двигатели должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать попадание в организм птиц определенного веса и количества и не терять тягу более определенной величины. Вес и количество птиц, которых можно проглотить, не ставя под угрозу безопасный полет самолета, зависят от площади воздухозаборника двигателя. В 2009 году в самолет Airbus A320 , рейс 1549 US Airways , попало по одному канадскому гусю в каждый двигатель . Самолет упал в реку Гудзон после вылета из международного аэропорта Ла-Гуардия в Нью-Йорке. Погибших не было. Инцидент продемонстрировал опасность проглатывания птиц сверх «предусмотренного» предела.

Исход случая проглатывания и того, приведет ли он к аварии, будь то на небольшом быстроходном самолете, таком как военные реактивные истребители , или на большом транспортном средстве, зависит от количества и веса птиц, а также от того, где они попали в пролет лопасти вентилятора или в носовой конус. Повреждение сердечника обычно происходит в результате ударов вблизи основания лопасти или носового обтекателя.

Лишь немногие птицы летают высоко, поэтому наибольший риск проглатывания птицы возникает во время взлета и посадки, а также во время полета на малой высоте.

Вулканический пепел

Основная статья: Вулканический пепел § Самолеты

Если реактивный самолет летит в воздухе, загрязненном вулканическим пеплом , существует риск того, что проглоченный пепел приведет к эрозионному повреждению лопаток компрессора, закупорке воздушных отверстий топливных форсунок и закупорке каналов охлаждения турбины. Некоторые из этих эффектов могут привести к помпажам или остановке двигателя во время полета. Повторные зажигания обычно успешны после погасания пламени, но со значительной потерей высоты. Это был случай с рейсом 9 British Airways, который пролетел сквозь вулканическую пыль на высоте 37 000 футов. Все 4 двигателя загорелись, и попытки повторного запуска оказались успешными на высоте около 13 000 футов.

Неконтролируемые сбои

Основные статьи: Неконтролируемый отказ двигателя и заметные инциденты

Одним из классов отказов, приводящих к авариям, является неконтролируемый отказ, при котором вращающиеся части двигателя отрываются и выходят через корпус. Эти высокоэнергетические части могут перерезать топливопроводы и линии управления, а также проникнуть в кабину. Хотя топливопроводы и линии управления обычно дублируются для надежности, крушение рейса 232 United Airlines произошло, когда трубопроводы гидравлической жидкости для всех трех независимых гидравлических систем были одновременно разорваны шрапнелью из-за неконтролируемого отказа двигателя. До крушения United 232 вероятность одновременного отказа всех трех гидравлических систем считалась миллиардом к одному. Однако статистические модели, использованные для получения этой цифры, не учитывали ни тот факт, что двигатель номер два был установлен в хвостовой части рядом со всеми гидравлическими линиями, ни возможность того, что отказ двигателя приведет к выбросу множества фрагментов во многих направлениях. . С тех пор в конструкциях более современных авиационных двигателей основное внимание уделялось предотвращению попадания шрапнели в цель. обтекатели или воздуховоды и все чаще используют высокопрочные композитные материалы для достижения необходимой стойкости к проникновению при сохранении низкого веса.

Экономические соображения

В 2007 году стоимость реактивного топлива , хотя и сильно варьировалась от одной авиакомпании к другой, в среднем составляла 26,5% от общих эксплуатационных расходов, что делает ее крупнейшим операционным расходом для большинства авиакомпаний.

Экологические соображения

Реактивные двигатели обычно работают на ископаемом топливе и, таким образом, являются источником углекислого газа в атмосфере. Реактивные двигатели также могут работать на биотопливе или водороде, хотя водород обычно производят из ископаемого топлива.

Около 7,2% использованного в 2004 году масла было использовано реактивными двигателями.

Некоторые учёные полагают, что реактивные двигатели также являются источником глобального затемнения из-за водяного пара в выхлопных газах, вызывающего образование облаков.

Соединения азота также образуются в процессе горения в результате реакций с атмосферным азотом. На малых высотах это не считается особенно вредным, но для сверхзвуковых самолетов, летающих в стратосфере, может произойти некоторое разрушение озона.

Сульфаты также выделяются, если топливо содержит серу.

Расширенные конструкции

Рамджет

Основная статья: ПВРД

Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, где «М» — число Маха воздушного потока.

Работа прямоточного воздушно-реактивного двигателя

ПВРД — это разновидность воздушно-реактивного двигателя, использующая поступательное движение двигателя для сжатия поступающего воздуха без ротационного компрессора. ПВРД не могут создавать тягу при нулевой скорости полета и, следовательно, не могут вывести самолет из состояния покоя. Для хорошей работы прямоточным воздушно-реактивным самолетам требуется значительная скорость движения вперед, и как класс они наиболее эффективно работают на скоростях около 3 Маха . Этот тип реактивного самолета может развивать скорость до 6 Маха.

Они состоят из трех разделов; впускное отверстие для сжатия поступающего воздуха, камера сгорания для впрыска и сжигания топлива и сопло для вытеснения горячих газов и создания тяги. ПВРД требуют относительно высокой скорости для эффективного сжатия поступающего воздуха, поэтому ПВРД не могут работать в режиме ожидания и наиболее эффективны на сверхзвуковых скоростях. Ключевой особенностью прямоточных воздушно-реактивных двигателей является то, что сгорание происходит на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой поступающий воздух резко замедляется через впускное отверстие, где затем сгорает на гораздо более медленных, дозвуковых скоростях. Однако чем быстрее входящий воздух, тем менее эффективным становится его замедление до дозвуковых скоростей. Поэтому прямоточные воздушно-реактивные двигатели ограничены скоростью примерно 5 Маха.

ПВРД могут быть особенно полезны в приложениях, требующих небольшого и простого двигателя для высокоскоростного использования, таких как ракеты , в то время как конструкторы оружия стремятся использовать технологию ПВРД в артиллерийских снарядах для увеличения дальности действия: ожидается, что 120-мм минометный снаряд, при помощи прямоточного воздушно-реактивного двигателя может достичь дальности действия 22 мили (35 км). Они также успешно, хотя и неэффективно, использовались в качестве наконечников жиклеров несущих винтов вертолетов . Импульсные реактивные двигатели — это дозвуковые двигатели, в которых также используется прямоточное сжатие, но с прерывистым сгоранием, в отличие от непрерывного сгорания, используемого в прямоточных воздушно-реактивных двигателях. Это совершенно отдельный тип реактивного двигателя.

ГПВРД

Основная статья: ГПВРД

ГПВРД — это эволюция прямоточных воздушно-реактивных двигателей, которые способны работать на гораздо более высоких скоростях, чем любой другой тип воздушно-реактивных двигателей. Они имеют аналогичную структуру с прямоточными воздушно-реактивными двигателями: они представляют собой трубку особой формы, которая сжимает воздух без движущихся частей за счет сжатия набегающего воздуха. Они состоят из воздухозаборника, камеры сгорания и сопла. Основное различие между ПВРД и ГПВРД заключается в том, что ГПВРД не замедляют встречный поток воздуха до дозвуковых скоростей для сгорания. Таким образом, у ГПВРД нет диффузора, необходимого ПВРД для замедления набегающего воздушного потока до дозвуковых скоростей. Вместо этого они используют сверхзвуковое горение, а название «ГПВРД» происходит от « Сверхзвуковой прямоточный воздушно -реактивный двигатель ».

ГПВРД начинают работать на скорости не менее 4 Маха и имеют максимальную полезную скорость примерно 17 Маха. Из-за аэродинамического нагрева на таких высоких скоростях охлаждение представляет собой сложную задачу для инженеров.

Поскольку в ГПВРД используется сверхзвуковое сгорание, они могут работать на скоростях выше 6 Маха, тогда как традиционные ПВРД слишком неэффективны. Еще одно различие между прямоточными воздушно-реактивными двигателями и прямоточными воздушно-реактивными двигателями заключается в том, как каждый тип двигателя сжимает набегающий поток воздуха: хотя впускное отверстие обеспечивает большую часть сжатия для прямоточных воздушно-реактивных двигателей, высокие скорости, на которых работают прямоточные воздушно-реактивные двигатели, позволяют им использовать преимущества сжатия, создаваемого ударными волнами , в первую очередь косые удары .

Очень немногие ГПВРД когда-либо были построены и эксплуатировались. В мае 2010 года Boeing X-51 установил рекорд продолжительности горения ГПВРД - более 200 секунд.

Турбореактивный двигатель P&W J58 Маха 3+ с форсажным режимом

Для работы турбореактивного двигателя на всем диапазоне полетных скоростей от нуля до 3 и более Маха требуются функции, позволяющие компрессору правильно функционировать при высоких температурах на входе, превышающих 2,5 Маха, а также на низких скоростях полета. Решение компрессора J58 заключалось в отводе воздушного потока из 4-й ступени компрессора на скоростях выше примерно 2 Маха. Отводной поток, 20% при скорости 3 Маха, возвращался в двигатель через 6 внешних трубок для охлаждения облицовки форсажной камеры и основного сопла, а также для подачи дополнительного воздуха для сгорания. Двигатель J58 был единственным действующим турбореактивным двигателем, рассчитанным на непрерывную работу даже на максимальном форсажном режиме на крейсерской скорости 3,2 Маха.

Альтернативное решение видится в современной установке, не дошедшей до рабочего состояния, GE YJ93/XB-70 со скоростью 3 Маха. В нем использовался компрессор с регулируемым статором. Еще одно решение было указано в предложении по разведывательному самолету «Фантом» со скоростью 3 Маха. Это было предкомпрессорное охлаждение, хотя и доступное в течение относительно короткого времени.

Воздушно-реактивные двигатели, работающие на водороде

Реактивные двигатели могут работать практически на любом топливе. Водород является весьма желательным топливом, поскольку, хотя энергия на моль не является необычно высокой, молекула намного легче других молекул. Энергия на кг водорода в два раза выше, чем у более распространенных видов топлива, и это дает вдвое больший удельный импульс. Кроме того, реактивные двигатели, работающие на водороде, довольно легко построить — первый турбореактивный двигатель работал на водороде. Кроме того, широкое распространение получили ракетные двигатели, работающие на водороде, хотя и не являются канальными двигателями.

Однако почти во всех остальных отношениях водород проблематичен. Обратной стороной водорода является его плотность; в газообразном виде баллоны непригодны для полета, но даже в виде жидкого водорода его плотность составляет одну четырнадцатую плотности воды. Он также глубоко криогенен и требует очень серьезной изоляции, которая исключает его хранение в крыльях. В целом транспортное средство окажется очень большим, и его будет трудно разместить в большинстве аэропортов. Наконец, чистый водород не встречается в природе, и его необходимо производить либо путем парового риформинга , либо путем дорогостоящего электролиза . Несколько экспериментальных самолетов с водородными двигателями летали с пропеллерами, и были предложены реактивные самолеты, которые могут быть осуществимы.

Предварительно охлажденные реактивные двигатели

Основная статья: Реактивный двигатель с предварительным охлаждением

Идея возникла Робертом П. Кармайклом в 1955 году. заключается в том, что двигатели, работающие на водороде, теоретически могли бы иметь гораздо более высокую производительность, чем двигатели, работающие на углеводородном топливе, если бы для охлаждения поступающего воздуха использовался теплообменник. Низкая температура позволяет использовать более легкие материалы, увеличить массовый расход через двигатели и позволяет камерам сгорания впрыскивать больше топлива без перегрева двигателя.

Эта идея приводит к созданию реальных проектов, таких как Reaction Engines SABRE , которые могут позволить выводить на орбиту одноступенчатые ракеты-носители . и ATREX , который позволит использовать реактивные двигатели на гиперзвуковых скоростях и на больших высотах для ускорителей ракет-носителей. Идея также исследуется в ЕС в отношении концепции достижения безостановочного антиподного сверхзвукового пассажирского путешествия со скоростью 5 Маха ( Reaction Engines A2 ).

Турборакета

Основная статья: Воздушная турборакета

Воздушная турборакета представляет собой разновидность реактивного двигателя комбинированного цикла . Базовая компоновка включает в себя газогенератор , вырабатывающий газ под высоким давлением, который приводит в движение турбинно-компрессорный узел, сжимающий атмосферный воздух в камеру сгорания. Затем эта смесь сгорает, прежде чем покинуть устройство через сопло и создать тягу.

Существует много различных типов воздушных турборакет. Различные типы обычно различаются по принципу работы газогенераторной секции двигателя.

Воздушные турборакеты часто называют турбопрямоточными двигателями , турбопрямоточными ракетами , турбодетандерами и многими другими. Поскольку нет единого мнения о том, какие названия к каким конкретным концепциям относятся, в разных источниках одно и то же имя может использоваться для двух разных концепций.

Терминология

Для указания числа оборотов в минуту или скорости ротора реактивного двигателя обычно используются сокращения:

• Для турбовинтового двигателя N _p относится к числу оборотов гребного вала. Например, обычное значение N _p составляет около 2200 об/мин для гребного винта с постоянной скоростью .
• N ₁ или N _g относится к частоте вращения секции газогенератора. Каждый производитель двигателей выбирает между этими двумя сокращениями. N1 также используется для обозначения скорости вращения вентилятора турбовентиляторного двигателя , в этом случае N ₂ — это скорость газогенератора (2-вального двигателя). N _g в основном используется для турбовинтовых или турбовальных двигателей. Например, обычная скорость N _g будет порядка 30 000 об/мин.
• N ₂ или N _f относятся к скорости секции силовой турбины. Каждый производитель двигателей выбирает между этими двумя сокращениями, но N2 в основном используется для турбовентиляторных двигателей, тогда как Nf в основном используется для турбовинтовых или турбовальных двигателей. Во многих случаях, даже для двигателей со свободной турбиной , N ₁ и N ₂ могут быть очень похожими.
• N _s относится к частоте вращения выходного вала редуктора (RGB) для турбовальных двигателей.

Во многих случаях вместо выражения скорости несущего винта (N ₁ , N ₂ ) в виде оборотов в минуту на дисплеях кабины пилотам предоставляются скорости, выраженные в процентах от расчетной точки скорости. Например, на полной мощности N ₁ может составлять 101,5% или 100%. Это решение по пользовательскому интерфейсу было принято с учетом человеческого фактора , поскольку пилоты с большей вероятностью заметят проблему с двух- или трехзначным процентом (где 100% подразумевает номинальное значение), чем с 5-значным числом оборотов в минуту.

См. также

• Насос-струйный
• Ракетный двигатель
• Турбовинтовой двигатель - газотурбинный двигатель, используемый для вращения винтов.
• Турбовальный - газотурбинный двигатель, используемый на вертолетах.

Ссылки

Цитируемые источники

• Хилл, Филип Грэм; Петерсон, Карл Р. (1992). Механика и термодинамика движения (2-е изд.). Ридинг, Массачусетс : Издательская компания Addison-Wesley . ISBN  978-0201146592 . Проверено 13 февраля 2016 г.
• Маттингли, Джек Д. (2006). Элементы двигательной установки: газовые турбины и ракеты . Образовательная серия AIAA. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. п. 6. ISBN  978-1-56347-779-9 .