Как работает турбореактивный двигатель

Введение

Приветствую, ХАБРчане. Пришла мне в голову идея создать турбореактивный мотоцикл. И, естественно, пришлось собирать техническую информацию и во всём разбираться. Но простого объяснения принципа работы такого двигателя я не нашёл. Везде рассказывается сложным техническим языком, зачастую понятным только инженеру. И я решил попробовать рассказать по-простому так, чтобы понял и инженер, и ребёнок.

Физический принцип

Чтобы объяснить, на каком принципе работает турбореактивный двигатель, рассмотрим следующий пример.

Давайте представим, что мы взяли обычный домашний вентилятор. Включив его в розетку, мы увидим, что электрический двигатель будет раскручивать крыльчатку вентилятора и она начнёт создавать тот самый поток воздуха, который мы так любим в сильную жару. А теперь давайте поставим второй вентилятор напротив первого.

Тогда поток ветра с первого вентилятора будет вращать крыльчатку второго (не подключённого к сети) вентилятора, и если на второй вентилятор вместо двигателя мы установим электрогенератор, то он, разумеется, будет вырабатывать электричество. Получится как бы ветряной генератор. И тут сама собой напрашивается идея соединить эти два вентилятора проводами, то есть запитать первый вентилятор от генератора. Получится так называемая замкнутая система. Генератор вырабатывает электричество для двигателя, а двигатель вырабатывает ветер для генератора.

Замкнутая система

Получается, как бы вечный двигатель. Но сразу спешу огорчить, что вечного двигателя на самом деле не получится, так как и у крыльчаток, и у двигателя, и у генератора есть какой‑то свой коэффициент полезного действия (КПД). И, к сожалению, он почти всегда меньше единицы, ибо в этой замкнутой системе много потерь. В итоге эта связь двух вентиляторов будет иметь затухающий характер. Но люди придумали следующее: они расположили между этими двумя вентиляторами огонь.

Поскольку при сжигании керосина происходит расширение газов примерно в 27 раз, к тому же эти выхлопные газы будут изрядно разогреты, а значит дополнительно увеличены в объёме, то на второй вентилятор будет приходить намного больше энергии, чем тратит первый вентилятор.

И в таком случае мы действительно можем соединить оба вентилятора проводом, и эта система будет работать. Тогда наш генератор (вентилятор № 2) будет вырабатывать электричество с избытком, даже больше, чем потребуется для вращения первого вентилятора. И тут возникает вопрос: а зачем нам вообще нужен генератор, двигатель, провода, когда можно просто взять две крыльчатки и просто закрепить их на один общий вал, тем самым избавиться от преобразования в электричество и исключить тяжёлые дорогие агрегаты? В такой схеме механизм упрощён до максимума, а его эффективность будет даже выше, так как исключены лишние преобразования энергии в электричество и обратно.

Вот на таком простом принципе и работают все турбореактивные двигатели.

Турбокомпрессор

Первый вентилятор (нагнетающий воздух) называется турбокомпрессором и порой состоит из десятка последовательно расположенных крыльчаток для создания необходимого давления. А второй вентилятор называется силовой турбиной. Силовой, потому что она и вращает этот самый турбокомпрессор. В итоге эта система вращающихся крыльчаток раскручивается до огромных скоростей: 100 и даже 200 тысяч оборотов в минуту в зависимости от размеров турбины. В результате этого выходящие потоки воздуха и выхлопных газов двигаются с такой скоростью, что формируют реактивную струю такой силы, что этого достаточно, чтобы толкать самолёт.

Применение

 Применение этой турбинной системы не ограничивается одними только самолётами. С вала турбины можно отбирать механическую энергию (турбовальная схема) и вращать генератор, который будет питать целый город. Поэтому такая технология ГТУ (газотурбинная установка) широко используется на электростанциях, а также различных перекачивающих нагнетающих компрессорах и даже на некоторых танках.

Из плюсов подобных силовых установок можно отметить большую мощность при малых размерах и весе, поэтому подобные реактивные двигатели так полюбились в авиации. Но есть у них и минусы: большой расход топлива (относительно ДВС) и огромная стоимость. Так что вряд ли вы когда-то увидите реактивный трактор или автобус.

Заключение

На мой взгляд, турбореактивный двигатель (ТРД) лучше всего подойдёт для создания будущего реактивного мотоцикла. И, кстати, работа по конструированию такого двигателя уже началась. Как и в предыдущих моих проектах, мне интересно поделиться процессом создания этого реактивного ЧУДОвища. Поэтому, будет сделана серия коротких видео, где я всё подробно рассказываю, показываю и объясняю с применением самодельных объясняющих анимаций.

Первый выпуск, в котором описывается принцип работы реактивного двигателя, можно посмотреть здесь:

Турбореактивный мотоцикл. 1 серия

Автор: Лёха Романтик

ЦИАМ

ЦИАМ

ТРД

ТРД

+ Только текстовый сайт + Версия без Flash + Свяжитесь с Гленном The banner informs younger students of the Kid’s Page»> Эта страница предназначена для учащихся колледжа, старшей или средней школы. Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице доступны на Детская страница. Гленн Исследования Центр Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены газовая турбина двигателей, которые также называются реактивные двигатели. Первый и самый простой тип газовой турбины является турбореактивным. Как работает турбореактивный двигатель? На этом слайде мы показываем компьютерную анимацию ТРД. части двигателя описаны на другие слайды. Здесь нас интересует, что происходит с воздухом. который проходит через двигатель. Большое количество окружающего воздуха постоянно подводится к двигателю вход. (В Англии эту часть называют впускной, что, вероятно, более точное описание, так как компрессор втягивает воздух в двигатель.) Мы показали здесь впускной патрубок, похожий на тот, который вы увидеть на авиалайнере. Но входные отверстия бывают разных форм и размеров. в зависимости от задач самолета. В задней части впускного отверстия воздух попадает в компрессор. Компрессор действует как множество рядов аэродинамические поверхности, с каждой строкой производство небольшой скачок давления. А компрессор похож на электрический вентилятор. Мы должны поставлять энергию, чтобы превратить компрессор. На выходе из компрессора воздух находится при значительном более высокое давление, чем свободный поток. в горелка небольшое количество топлива соединяется с воздухом и воспламеняется. (В типичный реактивный двигатель, 100 фунтов воздуха в секунду сочетаются всего с 2 фунтов топлива/сек. Большая часть горячих выхлопов исходит от окружающий воздух.) Выходя из горелки, горячий выхлоп проходит сквозь турбина. Турбина работает как ветряная мельница. Вместо того, чтобы нуждаться в энергии, чтобы повернуть лезвия, чтобы сделать поток воздуха, турбина извлекает энергию из потока газа за счет заставляя лопасти вращаться в потоке. В реактивном двигателе мы используем энергию извлекаемый турбиной, чтобы включить компрессор на связывание компрессор и турбина центральным валом. турбина забирает часть энергии горячего выхлопа, но ее хватает энергия, оставшаяся для обеспечения тяги реактивного двигателя за счет увеличения скорость через сопло. Потому что скорость на выходе больше скорости набегающего потока, тяга созданный, как описано уравнение тяги. Для реактивного двигателя массовый расход на выходе почти равен массовый расход набегающего потока, так как очень мало топлива добавляется в транслировать. уравнение тяги для турбореактивного двигателя дается на отдельном слайде. Виды деятельности: Экскурсии с гидом Реактивные двигатели: Турбореактивные двигатели: EngineSim — Симулятор двигателя: Навигация .. Домашняя страница руководства для начинающих   + Горячая линия генерального инспектора + Данные о равных возможностях трудоустройства публикуются в соответствии с Законом об отсутствии страха + Бюджеты, стратегические планы и отчеты о подотчетности + Закон о свободе информации + Повестка дня президентского руководства + Заявление НАСА о конфиденциальности, отказ от ответственности, и сертификация доступности       Редактор: Нэнси Холл Официальный представитель НАСА: Нэнси Холл Последнее обновление: 13 мая 2021 г. + Связаться с Гленном

Турбореактивные двигатели

Турбореактивные двигатели

Турбореактивные двигатели

Реактивные двигатели используются для приведения в движение коммерческих авиалайнеров и военных самолетов. Самый простой вариант авиационных реактивных двигателей — турбореактивный. Турбореактивные двигатели использовались на первом реактивном самолете, немецком Messerschmidt Me 262, использовавшемся во время Второй мировой войны.

Мессершмидт Ме 262.

Снято ВВС США.

Турбореактивные двигатели

, как правило, неэффективны, за исключением высоких скоростей, поэтому в современных самолетах вместо них используются турбовентиляторные двигатели. Поскольку основная работа турбореактивного двигателя проще, мы начнем обсуждение реактивных двигателей с турбореактивных двигателей.

Основные компоненты турбореактивного двигателя показаны на анимации ниже. В турбореактивном двигателе энергия добавляется в воздух компрессором и горелками. Компрессор увеличивает давление воздуха аналогично тому, как кальмары сжимают воду своими мощными мышцами, прежде чем выбросить ее из воронки, чтобы создать струю. Горелки повышают температуру воздуха. В результате получается высокотемпературный воздух под высоким давлением, который содержит много тепловой энергии. Часть этой энергии извлекается турбиной для работы компрессора. Остальная часть преобразуется в кинетическую энергию, поскольку сопло ускоряет ее до высокой скорости для создания тяги. Используйте стрелки в интерактивной анимации ниже, чтобы просмотреть описания различных компонентов и получить более подробную информацию об их работе.

Хотя и пропеллеры, и турбореактивные двигатели включают в себя вращающиеся компоненты и ускоряют жидкость для создания движения, их внутреннее действие совершенно различно. Во-первых, в то время как пропеллер добавляет энергии жидкости, ускоряя ее лопастями пропеллера, турбореактивный двигатель добавляет энергию, сжимая ее до высокого давления с помощью компрессора. Компрессор представляет собой серию вращающихся и стационарных лопастей. Вращающиеся лопасти ускоряют воздух (как пропеллер), а неподвижные лопасти снова замедляют его, что преобразует кинетическую энергию воздуха в давление. Во-вторых, почти вся энергия топлива, используемая двигателем, приводящим в движение воздушный винт, используется для вращения винта, но только часть энергии топлива, используемой в турбореактивном двигателе, используется турбиной для привода компрессора. В-третьих, воздушный винт разгоняет жидкость своими лопастями, но в ТРД ускорение жидкости осуществляется соплом, а не лопатками компрессора.

Тяга, развиваемая турбореактивным двигателем, может быть рассчитана из (см. описание тяги в разделе «Принципы»). Для турбореактивных двигателей возможно иметь p _e ≠ p ₀ , но это не оптимальное условие, и большинство конструкций пытаются его достичь. Как и в случае с пропеллерным двигателем, его можно увеличить, увеличив размер двигателя (диаметр) или увеличив скорость компрессора. Увеличение скорости компрессора требует большего количества топлива, чтобы турбина вращалась быстрее. Чистое ускорение воздуха в двигателе, V _e — V ₀ , можно увеличить за счет увеличения степени сжатия воздуха (степень сжатия компрессора) или температуры воздуха в горелках. Повышение температуры воздуха может быть достигнуто за счет сжигания большего количества топлива, но только до определенного предела. Если температура поднимется слишком сильно, лопатки турбины расплавятся! В некоторых конструкциях двигателей добавлен дополнительный контроль над V _e — V ₀ путем добавления сопла с изменяемой геометрией. Изменяемая геометрия позволяет оптимизировать ускорение жидкости через сопло для заданных настроек двигателя и условий полета. Такие особенности позволяют скорость выхода, V _e , достигаемый реактивными двигателями, чтобы быть намного выше, чем у воздушного винта.

В некоторых реактивных двигателях добавлена ​​дополнительная функция — форсажная камера. Форсажная камера впрыскивает топливо в поток сразу после турбины.

Дополнительное топливо сгорает, добавляя в воздух дополнительную тепловую энергию и увеличивая скорость выхода струи, V _e . Обеспечиваемая дополнительная тяга дает дополнительный «пинок» за счет израсходованного топлива. Форсажные камеры распространены на военных самолетах в ситуациях, когда требуется внезапный прирост скорости.

Из-за большой скорости реактивной струи, которую можно достичь, турбореактивные двигатели создают большую тягу и могут использоваться для приведения самолетов в движение на высоких скоростях. Большая скорость реактивной струи также делает их неэффективными при низких скоростях самолета, в значительной степени потому, что большое V _e — V ₀ приводит к низкой тяговой эффективности. Эффективность движения турбореактивных двигателей увеличивается по мере увеличения скорости самолета, но самолет обычно должен быть сверхзвуковым, прежде чем эффективность движения турбореактивных двигателей приблизится к уровням, которые могут конкурировать с воздушными винтами.