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.
Спасибо — очень хорошо написано.
Если я не ошибаюсь, на фотке все-таки МиГ-17, а не МиГ-15.
Все же МиГ-15. Он может быть, например, достаточно легко определен по количеству а/д гребней на крыле. У 15-го их два, а у 17-го — три.
Здравствуйте. Спасибо за Ваши познавательные статьи! У меня вопрос: можете подсказать, какие возникают температуры на разных ступенях лопаток ГТД? Я занимаюсь разработкой защитных покрытий, но конкретной информации о распределении температур в рабочих лопатках всех ступеней компрессора и турбины я не могу найти.
Не могу, к сожалению, полно ответить на Ваш вопрос. Он достаточно обширный и специфичный для различных марок и типов двигателей. Могу только сказать, что в среднем температура в компрессоре может расти на 30-35 гр. С на ступень (но может быть и больше). В турбине ее падение значительнее. Температура перед турбиной равна температуре газа в КС. Очень важно распределение температурного поля по высоте лопатки турбины, т.к. она очень сильно нагружена.
Очень интересно! поставил сайт в закладки,буду изучать :))
У нас есть такой аттракцион. Но я на нем не каталась.
Статьи превосходные! Большое спасибо.
Насколько я знаю, степень сжатия крыльчаткой центробежного компрессора выше (или нет?) чем одной ступенью осевого. Существует ли двигатель с многоступенчатым центробежным компрессором?
Все правильно. ЦБ компрессор сильнее сжимает, чем одна ступень осевого (при прочих равных условиях, конечно). Многоступенчатые ЦБ компрессоры есть, однако применяются они только в промышленности ( не так, кстати, массово). Ступеней там немного обычно — две-три. Авиационных двигателей с многоступенчатыми ЦБ компрессорами, насколько я знаю, нет (из-за габаритов и массы). Однако есть комбинированное использование одной ступени ЦБ и нескольких (от одной до трех примерно) осевых ступеней. Обычно это турбовальные двигатели. Их схемы можно увидеть здесь.
Кстати, вот наткнулся. Модель двигателя с двумя ЦБ компрессорами.
Что-то с первого раза не получилось вставить ссылку, поэтому так… http://www.youtube.com/watch?v=KCHJySEPKyU
В обыкновенных домашних пылесосах используются двухступенчатые центробежные компрессоры 🙂
А вообще, если не ошибаюсь, при тех же прочих равных, центробежный даёт меньший расход воздуха (проходные сечения в тех же габаритах заметно меньше) и меньший КПД — дополнительное сопротивление при поворотах потока воздуха.
возник вопрос:
К чему в ТРД прикладывается сила, которая толкает двигатель вперёд?
Здесь реактивное движение. ТРД рассматривается как единое тело. По закону сохранения импульса к его центру масс приложен импульс силы, равный по величине и противоположный по направлению импульсу массы выброшенных газов. Для реактивного движения неважно устройство движка, важна масса и скорость выходящих газов, поэтому центр масс. Ни сопло, ни компрессор или еще что-либо…
Импульс силы двигателя, конечно равен по величине и противоположный по направлению импульсу массы выброшенных газов, но приложен он всё-таки к конкретным элементам конструкции двигателя: к соплу, к компрессору, элементам профиля и т.д. и важен при расчёте на прочность этих элементов. Закон сохранения импульса описывает ситуацию «в общем», но интерес представляет также и конкретный механизм взаимодействия элементов конструкции двигателя и потока газов, распределения сил взаимодействия, из которых и складывается тяга.
Реактивная сила тяги формально создается в сопле и нигде более. Если мы говорим о силе тяге двигателя и законе сохранения импульса при реактивном движении, то внутреннее устройство двигателя не имеет значения. В реальном двигателе конечно механизм взаимодействия элементов конструкции представляет интерес, но закон сохранения импульса здесь ни при чем. Толстые книги по теории и конструкции авиационных двигателей 🙂 убедительно об этом говорят.
Ну так с этим никто и не спорит 🙂 — законы сохранения импульса и энергии — это основа. Но думаю Игорь спрашивал о том, через какие именно элементы конструкции происходит взаимодействие потока с двигателем, обеспечивая «на выходе» те самые скорость и массу и, соответственно, тягу.
Компрессор, мне кажется, вносит свой вклад в формировании тяги: разница в давлении на входе и выходе, умноженная на его сечение — это сила, приложенная к компрессору и направленная вперёд — и эта сила давления «передаётся» через столбик сжатых газов до самого сопла, где и участвует в ускорении потока газа.
Эта доля мала или значительна?
Кстати, на фото на валу турбины на выходе из двигателя виден довольно крупный обтекатель — он тоже часть сопла и воспринимая на себя давление газов участвует в образовании и передачи силы тяги двигателю?
Статьи очень интересные, спасибо!
P.S. Читаю обсуждение на ту же тему в комментариях к вашей статье http://avia-simply.ru/trd-princip-raboti/ — люди задают те же вопросы, что и я здесь 🙂
Продолжу там, если вы не против!
Это у реактивных двигателей сопло (с расширением) тянет двигатель вперёд.
А сопла как у ТРД (прямые, а тем паче с сужением) тянут двигатель назад. Если такое сопло привернуть на два болта к двигателю и дать оборотов, то оно, неверное, разорвёт болты и отлетит назад. Поэтому само сопло тянуть вперёд не может.
Хотя сопло само тянет двигатель назад, но оно создаёт предпосылки для увеличения тяги вперёд.
Да я и не говорю, что сопло куда-то «толкает» или «тянет». Пишу, что тяга создается в сопле, при чем употребляю слово «формально», потому что в сопле разгон потока, а значит формирование величины и направления импульса наиболее наглядны. С точки зрения реакции струи все же корректней было бы написать что-то типа «тяга создается двигателем» (поправлю пожалуй). А рассмотрение такого вопроса с позиций «что куда толкает» мне не нравится. Да, конечно, сила тяги двигателя — это равнодействующая сил давления в осевом направлении на элементы двигателя ( в т.ч. и сопла). Это есть ее физический смысл (можно развить и дальше). Но исходя из него рассчитать тягу конкретного двигателя (почленно так сказать) крайне сложно, если вообще возможно, да и нецелесообразно. Силами давления на деталях разве что прочнисты занимаются. Поэтому все оценки и расчеты тяги ведутся подразумевая весь двигатель в целом.
Можно в принципе обойтись и без сопла, но тогда тяга будет низка, а энергия потока не реализована, то есть потеряна. Сопло, как устройство ее и реализует, своей конструкцией создавая условия для разгона потока и роста тяги (или ее создания если хотите).
Некоторые поправки. Реактивные сопла «прямыми» не бывают. Если канал прямой, то это не сопло, а именно канал (или труба). У всех ТРД (ТРДД) есть сопла, обычно сужающиеся. У ТРДФ и ТРДДФ — сопла Лаваля, либо эжекторные. На старых ТРДФ — могут быть сужающиеся.
Тоже возник этот вопрос.
Выяснил, что реактивная тяга — это равнодействующая сил, возникающих в ТРД. Из них
— силы, действующие на корпус компрессора и диффузорный аппарат — направлены вперед,
— сила, с которой продукты горения действуют на камеру сгорания — также направлена вперед (самая значительная сила),
— сила, с которой продукты горения действуют на турбинный аппарат (направлена назад, также весьма значительна),
— сила, действующая на обтекатель (направлена вперед), и
— сила, действующая на сопло — направлена назад.
Полезная часть в виде тяги ТРД составляет около 10% от всех сил (укрупненно), возникающих в двигателе.
К вопросу приложении сил.
Тяга передается на точки крепления двигателя, которые находятся в нескольких местах корпуса — в компрессоре и в районе турбинного аппарата. Ротор передает силы, действующие на него, через силовой подшипник (не знаю русского термина, thrust bearing), на корпус двигателя. КС — через её крепления опять же на корпус.
Автору сайта огромное спасибо!
Я читал что при нагревании воздух расширяется.
Здравствуйте! Мне очень понравилась ваша статья. Но у меня есть 1 вопрос. В камере сгорания сжатый воздух не расширяется?
Прошу прощения за задержку с ответом… Подвод тепла в камере сорания процесс изобарический. То есть тепло подводися при постоянном давлении. Объем при этом растет, значит воздух все же расширяется…
Хотелось бы почитать про упомянутую Вами в статье автоматику, понимаю что сложно все описать, но хотя бы принцип.
Действительно, все описать сложно :-)… Но я постараюсь. Понадобится, правда некоторое время. Напишу обязательно…
Будем ждать! Спасибо! 🙂
Вы можете подписаться на обновления сайта. Тогда как только статья выйдет, сразу узнаете об этом, да и о других новых материалах, которые быть может Вас заинтересуют.
Статьей осталась довольна, все написано «доступном языке». Для меня статья-повторенье, мать учения.
Кстати, а РУД на подобных самолётах, видимо, имеет режим управления «сдесятирённый»?! Ведь не десятью же РУД управлять приходится во время полёта?
Да, это так. РУДы на многодвигательных (чаще всего это 4-хдвигательные) самолетах обычно сблокированы «в один». Но можно, конечно, блок снять и управлять по отдельности. Но это, если нужда возникнет.
http://www.youtube.com/watch?v=b6C4UWfITlw
Чем больше количество двигателей у ВС-тем надёжней! (полушутка). Вот и воздушное судно с ДЕСЯТЬЮ двигателями! http://img-fotki.yandex.ru/get/13/myrmasha.0/0_5a87_c7c33ea3_L
Полу- не полу- , но сказано верно :-). Хотя, конечно, свои крайности везде есть. Ну а фотография хоть и симпатичная :-), но фэйк, конечно. Какой-то умелец неплохо поработал в фотошопе. Заслуженный McDonnell Douglas DC-10, у которого три движка (два под крылом и один в хвосте) переделали в монстра (нежизнеспособного) :-)…
А вообще DC-10 сейчас летают? После того как McDonnell Douglas купил Боинг! Вроде как самолет не надежный(((
Самолет, конечно, по статистике самый аварийный из широкофюзеляжных. И не выпускается давно. Даже его значительно улучшенную модификацию MD-11 уже с 2001 года не выпускают (Боинг прикрыл :-)). Но оставшиеся экземпляры свой ресурс долетывают (в том числе и DC-10). Мне с ним не приходилось общаться, а моему сыну четыре месяца назад пришлось пролететь…
Пусть быстрее без аварий долетывают, и сваливают с неба!!!)))) Спасибо за ответ!!!
отрыв лопатки турбины вещь довольно редкая чаще всего это попадание биологических фрагментов т.е. птиц и инородных предметов ….как то на полетах наблюдали попадание чайки в двигатель Су-27 на малой высоте с проходом …зрелище незабываемое …:))…сколь и неприятное ….
Вы, видимо, имеете ввиду обрыв лопатки компрессора? До турбины ведь птица уже, мягко говоря :-), не долетает. Я не был свидетелем попадания птиц в двигатель (наверное к счастью :-)), но вынимать останки из компрессора приходилось не раз… А насчет обрыва лопатки турбины — был свидетелем. СУ-24МР на разбеге (то есть режим работы движков полный форсаж) и с уже поднятой передней стойкой, то есть до отрыва оставались доли секунды. В это время (как потом выяснили) оборвалась рабочая лопатка второй ступени турбины. Экипаж (и мы все, ИТС :-)) в рубашке родился. Поднялся бы хоть метров на пять и последствия были бы печальны. А так обошлось заменой двигателя и мелким ремонтом фюзеляжа….
А у нас в Петрозаводске и сейчас есть такой аттракцион.
Интересно понять, как все работает
да, такой как Ваш сайт — редкость на просторах и-нета. Вы сами абсолютно пишите статьи? Увлекательно, хотя порой требует знаний физики выше среднего уровня
:-)… Статьи пишу только сам (по крайней мере пока :-)). Рерайт не признаю. Если, конечно, нужно уточнить некоторые детали (чаще всего цифры), то обращаюсь к другим источникам.
Очень качественно сделана статья! Супер!
Очень интересная статья! А вот на таком атракционе в детстве я очень любила кататься. Сила притяжения ощущалась очень большой.
я на таком аттракционе в детстве очень любила кататься :)) мы даже не пристегивались. а вот о том, что на этом же принципе основано действие компрессора, я только из вашей статьи узнала :))
Отличные фотографии, особенно работающий турбореактивный двигатель!
Хочу такой на машинку)
Такой -не такой, но кое что ставят похожее… Расскажу 🙂
Неплохо.
Брат увлекается авиацией, с удовольствием ознакомился с информацией на Вашем сайте и даже добавил его в закладки! Развития и удачи вашему ресурсу! Очень полезная и полная информация.
Здорово! Такая интересная и необычная информация…. Вам надо создать клуб/форум любителей.
Очень интересная и познавательная статья, никогда не думала об этом, но мне понравилось.
еще есть интересная статья о манекенах