Здравствуйте, друзья!
Турбореактивный двигатель.
В этой статье вернемся к моим любимым двигателям. Я уже ранее говорил о том, что турбореактивный двигатель в современной авиации – основной. И упоминать его в той или иной теме мы еще будем часто. Поэтому пришла пора окончательно определиться с его конструкцией. Конечно же не углубляясь во всевозможные дебри и тонкости :-). Итак авиационный турбореактивный двигатель. Каковы основные части его конструкции, и как они взаимодействуют между собой.
1.Компрессор 2.Камера сгорания 3.Турбина 4. Выходное устройство или реактивное сопло.
Компрессор сжимает воздух до необходимых величин, после чего воздух поступает в камеру сгорания, где подогревается до необходимой температуры за счет сгорания топлива и далее уже получившийся газ поступает на турбину, где отдает часть энергии вращая ее (а она, в свою очередь компрессор), а другая часть при дальнейшем разгоне газа в реактивном сопле превращается в импульс тяги, которая и толкает самолет вперед. Этот процесс достаточно хорошо виден в ролике в статье о двигателе, как тепловой машине.
Турбореактивный двигатель с осевым компрессором.
Компрессоры бывают трех видов. Центробежные, осевые и смешанные. Центробежные обычно представляют собой колесо, на поверхности которого выполнены каналы, закручивающиеся от центра к периферии, так называемая крыльчатка.При ее вращении воздух отбрасывется по каналам центробежной силой от центра к периферии, сжимаясь сильно разгоняется и далее попадая в расширяющиеся каналы (диффузор) тормозится и вся его энергия разгона тоже превращается в давление. Это немного похоже на старый аттракцион, который раньше в парках был, когда люди становятся по краю большого горизонтального круга, опираясь спиной на специальные вертикальные спинки, этот круг вращается, наклоняясь в разные стороны и люди не падают, потому что их держит (прижимает) центробежная сила. В компрессоре принцип тот же.
Этот компрессор достаточно прост и надежен, но для создания достаточной степени сжатия нужен большой диаметр крыльчатки, что не могут себе позволить самолеты, особенно небольших размеров. Турбореактивный двигатель просто не влезет в фюзеляж. Поэтому применяется он мало. Но в свое время он был применен на двигателе ВК-1 (РД-45), который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.
Крылчатка центробежного компрессора на одном валу с турбиной.
Крыльчатки центробежного компрессора.
Двигатель ВК-1. В разрезе хорошо видна крыльчатка центробежного компрессора и далее две жаровые трубы камеры сгорания.
Истребитель МИГ-15
В основном сейчас используется осевой компрессор. В нем на одной вращающейся оси (ротор) укреплены металлические диски (их называют рабочее колесо), по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». А между венцами вращающихся рабочих лопаток размещены венцы неподвижных лопаток ( они бычно крепятся на наружном корпусе), это так называемый направляющий аппарат (статор). Все эти лопатки имеют определенный профиль и несколько закручены, работа их в определенном смысле похожа на работу все того же крыла или лопасти вертолета, но только в обратном направлении. Теперь уже не воздух действует на лопатку, а лопатка на него. То есть компрессор совершает механическую работу (над воздухом :-)). Или еще более нагляднее :-). Все знают вентиляторы, которые так приятно обдувают в жару. Вот вам пожалуйста, вентилятор и есть рабочее колесо осевого компрессора, только лопастей конечно не три, как в вентиляторе, а побольше.
Примерно так работает осевой компрессор.
Конечно очень упрощенно, но принципиально именно так. Рабочие лопатки «захватывают» наружный воздух, отбрасывают его внутрь двигателя, там лопатки направляющего аппарата определенным образом направляют его на следующий ряд рабочих лопаток и так далее. Ряд рабочих лопаток вместе с рядом следующих за ними лопаток направляющего аппарата образуют ступень. На каждой ступени происходит сжатие на определенную величину. Осевые компрессоры бывают с разным количеством ступеней. Их может быть пять, а может быть и 14. Соответственно и степень сжатия может быть разная, от 3 до 30 единиц и даже больше. Все зависит от типа и назначения двигателя (и самолета соответственно).
Осевой компрессор достаточно эффективен. Но и очень сложен как теоретически, так и конструктивно. И еще у него есть существенный недостаток: его сравнительно легко повредить. Все посторонние предметы с бетонки и птиц вокруг аэродрома он как говорится принимает на себя и не всегда это обходится без последствий.
Камера сгорания. Она опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб (они называются жаровые трубы). Для организации процесса горения в комплексе с воздушным охлаждением она вся «дырчатая». Отверстий много, они разного диаметра и формы. В жаровые трубы подается через специальные форсунки топливо (авиационный керосин), где и сгорает, попадая в область высоких температур.
Турбореактивный двигатель (разрез). Хорошо видны 8-ми ступенчатый осевой компрессор, кольцевая камера сгорания, 2-ухступенчатая турбина и выходное устройство.
Далее горячий газ попадает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. ЕЕ раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку- пропеллер. Неподвижные лопатки в ней находятся не за вращающимися рабочими, а перед ними и называются сопловым аппаратом. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Больше и не надо, ведь для привода компрессора хватит, а остальная энергия газа потратится в сопле на разгон и получение тяги. Условия работы турбины мягко говоря «ужасные». Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения (до 30000 об/мин). Представляете какая центробежная сила действует на лопатки и диски! Да плюс факел из камеры сгорания с температурой от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Вобщем ад :-). Иначе не скажешь. Я был свидетелем, когда при взлете самолета Су-24МР оборвалась рабочая лопатка турбины одного из двигателей. История поучительная, обязательно о ней расскажу в дальнейшем. В современных турбинах применяются достаточно сложные системы охлаждения, а сами они (особенно рабочие лопатки) изготавливаются из особых жаропрочных и жаростойких сталей. Эти стали достаточно дороги, да и весь турбореактивный двигатель в плане материалов очень недешев. В 90-е годы, в эпоху всеобщего разрушения на этом нажились многие нечистые на руку люди, в том числе и военные. Об этом тоже как-нибудь позже…
СУ-24МР
После турбины – реактивное сопло. В нем, собственно, и возникает тяга турбореактивного двигателя. Сопла бывают просто сужающиеся, а бывают сужающе-расширяющиеся. Кроме того бывают неуправляемые (такое сопло на рисунке), а бывают управляемые, когда их диаметр меняется в зависимости от режима работы. Более того сейчас уже есть сопла, которые меняют направление вектора тяги, то есть попросту поворачиваются в разные стороны.
Турбореактивный двигатель – очень сложная система. Летчик управляет им из кабины всего лишь одним рычагом – ручкой управления двигателем (РУД). Но на самом деле этим он лишь задает нужный ему режим. А все остальное берет на себя автоматика двигателя. Это тоже большой и сложный комплекс и еще скажу очень хитроумный. Когда еще будучи курсантом изучал автоматику, всегда удивлялся, как конструкторы и инженеры все это понапридумывали:-), а рабочие-мастера изготовили. Сложно… Но зато интересно 🙂 …
Вот и все пока. Вкратце опять не получилось :-). Но я все же надеюсь, что вам было интересно. До следующей встречи.
P.S. А вот вам напоследок атракцион, о котором я выше писал. Я на нем в детстве-то не катался, а сейчас их просто нет у нас. Так что знаю только в теории :-).
Вот такой он был, может и сейчас где-то работает...
Фото кликабельны.
Я на эту статью попал с поиска по вопросу скорости вращения вала турбин реактивного двигателя!
Спасибо, интересная статья!
Написал вот статейку про вибрацию двигателя вообще и ТРД — в частности: htt://mathenglish.ru/dmatrix/vmodel.htm .
Может, кто оценит 🙂
У нас такой аттракцион есть, называется сюрприз) и колесо обозрение в точ точ так расположено как на фото. Может на фото наш город ?
В Ярославле, по крайней мере, когда-то точно так все и выглядело 🙂
Я хочу собрать ТРД диаметром 30-40 см.
По вашей статье есть вопросы.
1. Почему используется неподвижные лопатки которые крепляются на наружный корпус? Какую функцию они выполняють ?
2. Камера сгорония. Мне понятно что камера кольцевая. Но почему дырчатая? Воздух от компрессора подаётся через эти дырки или через фронтальное отверстия ?
1. Это так называемые лопатки направляющего аппарата (НА). Они направляют поток на лопатки рабочего колеса под необходимым углом. В венце таких лопаток также происходит повышение давления. Подробнее об этом написано в моей статье http://avia-simply.ru/kompressori-aviacionnih-gtd/.
2. Все эти отверстия выполнены с целью правильной организации потока воздуха, часть которого идет на сгорание, часть на охлаждение и изоляцию стенок камеры от высокой температуры. Воздух от компрессора проходит через все эти отверстия (и фронтальные, и нет). Подробнее об этом написано в статье http://avia-simply.ru/kamera-sgoranija-gtd/
По поводу того, к чему приложены силы в ТРД…
Можно делать расчёты интегральные — с помощью закона сохранения импульса, а можно спуститься до конкретных процессов внутри двигателя.
Если пойти по второму пути, то можно уже говорить о том к чему конкретно приложены толкающие и тормозящие силы…
На мой взгляд, положительная тяга все-таки приложена к лопаткам компрессора, передним стенкам камер сгорания, передним выступам профиля двигателя. Отрицательная тяга приложена к поверхности сужающегося сопла, задним выступам профиля двигателя.
В ПВРД, где компрессора нет, положительная тяга приложена к передним внутренним выступам профиля воздухозаборника и камеры сгорания.
Сужающееся сопло, на дозвуке, мне кажется, помогает поддерживать статическое давление внутри двигателя и, соотв., как любое сужение, ускоряет частицы газа и уменьшает статическое давление в потоке после этого сопла…
Также, для примера, если компрессор использовать вместо винта, то мы получим движение вперед. Соотв. что мешает этому быть уже внутри двигателя? Именно компрессор разгоняет поток воздуха + если лопатки компрессора работают на дозвуке, то на их передней части возникнет разряжение (эфф. Бернулли) и, соотв., всасывающая вперед сила…
Все так… Но не вижу в этом смысла. Понятно, что тяга ТРД в физическом смысле представляет из себя равнодействующую осевых усилий, приложенных к элементам двигателя. И понять их суть несложно. Но пытаться определить их так сказать почленно крайне сложно, хлопотно и неудобно. Никто это не делает, разве что при прочностных расчетах элементов двигателя. Тут на помощь приходит теоретическая физика, а двигатель рассматривается в целом….
Детальное рассмотрение нужно для правильного проектирования внутренних профилей. Особенно это важно для ПВРД, не имеющего компрессора. Там все зависит от этих профилей…
И как без понимания внутренней кухни проектировать конечный двигатель?
А вы не могли бы подсказать:
1. Поток воздуха внутри ТРД дозвуковой или есть сверхзвуковые участки?
2. В ТРД, концы лопаток компрессора достигают сверхзвука или нет?
3. Мне не понятна функция форсажной камеры. Куда приложены силы при ее использовании?
Расчет тяги двигателя не ведется исходя из «внутренних профилей», в том числе и ПВРД, расчет ведется в целом. Понимание внутренней кухни в данном случае не поможет. Чтобы это понять обратитесь пожалуйста к дисциплине «Теория авиационных ВРД». По вопросам: В ТРД поток дозвуковой, хотя встречается и сверхзвуковой обтекание, но только на отдельных участках и это нерасчетный режим с потерями, в т.ч и на лопатках компрессора; функция форсажной камеры — увеличение тяги (точнее удельной тяги) путем дожигания в затурбинном пространстве и повышения энергетики газового потока перед соплом. Принцип здесь тот же, что и у ПВРД. В физическом плане силы приложены туда же (что ТРД, что ПВРД). О математическом (расчет тяги я уже сказал).
Также, существующие ТРД — это еще не венец эволюции. Никто ведь не сказал, что нельзя в них учесть и другие аэродинамические эффекты. Но для этого надо четко понимать физическую картину того, что происходит в двигателе — иначе ничего нового не придумать…
По работе камеры сгорания ТРД есть вопросы…
Давление там вроде бы тоже, что и на выходе компрессора. Но воздух подогревается — его объем растет (если не растет давление) почему этот дополнительно взявшийся объем продолжает движение по тракту двигателя в сторону турбины, а не пытается выйти со стороны компрессора? С другой стороны, этот объем не статичен — он отбрасывается компрессором и приобретает направление движения вдоль двигателя в сторону выхода. Т.о. у частиц газа, даже при учете увеличения хаотического движения, в связи с ростом температуры и статического давления, есть все же тренд в направлении турбины…
В общем, как-то мне работа камеры сгорания ТРД не понятна, точнее не понятна применительно к работе двгателя…
Со стороны компрессора существует динамический подпор — компрессор «качает». На турбине же давление ниже. По этим причинам поток идет через КС в сторону турбины, в т.ч и из-за расширения при нагревании, сохраняя давление постоянным (на самом деле несколько меньшим из-за потерь)…
Но давление там в должно быть серьёзное, указывают 300 тонн, и крепление тоже, а как могло произойти такое?
http://www.google.ru/imgres?imgurl=http://bm.img.com.ua/nxs195/berlin/storage/news/600×500/4/5e/cee99fc899039a487834beb4443175e4.jpg&imgrefurl=http://news.bigmir.net/ukraine/831591-Na-borty-malaziiskogo-Boinga-nahodilsya-senator-parlamenta-Niderlandov&h=450&w=600&tbnid=8fzw-LOgRPP3VM:&docid=FiB2jj6tgRneGM&ei=4KTOVcq3PKjfywOPh4jgAQ&tbm=isch&ved=0CEQQMygfMB9qFQoTCMqn6JqGqscCFajvcgodjwMCHA
и
https://www.google.ru/search?q=%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE+%D1%81+%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B0+%D0%BA%D1%80%D1%83%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F+%D0%B1%D0%BE%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0+%D0%B2+%D0%B4%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D1%86%D0%BA%D0%B5&newwindow=1&biw=1280&bih=678&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0CAYQ_AUoAWoVChMIrKiDmIaqxwIVglRyCh2ZQAEK#imgrc=voRU_3HlH4mFFM%3A
Цифры конечно немалые и причиной тому — разница давлений между ступенями укрепленными на роторе. Однако, указанные Вами фотоматериалы не имеют к сказанному никакого отношения. Это же катастрофа, при которой динамические ударные нагрузки могут достигать огромных величин и иметь различные направления. При этом стоит сказать, что даже во время крушения роторы двигателей чаще всего не разрушаются, потому как обладают высокой прочностью. На указанных фото в основном видны разрушенные сопловые аппараты турбин….
Очень интересная статья, скажите пожалуйста, какой напор воздуха (какая сила) давит на крыльчатку вентилятора при полёте, как и насколько надёжно крепятся крыльчатка, ротор на современных крупных авиалайнерах и бывали ли их срывы, отрывы?
Не знаю, к сожалению, насчет конкретной величины. Но прикинуть видимо можно. Главная нагрузка (с учетом лобовой площади) — это скоростной напор (плотность на квадрат скорости, деленное пополам). Изнутри — немного повышенное давление за ступенью вентилятора. Крепится все надежно )). Вал на двух-трех опорах с мощными радиальными и радиально-упорными подшипниками. Нагрузки с опор через силовые стойки передаются на внешний корпус и далее на конструкцию самолета. Диск вентилятора — часть ротора, крепится на нем при помощи шлицевых и болтовых соединений. Срывов в штатной эксплуатации не бывает.