Реактивные, турбореактивные двигатели, их виды и принцип работы

При всей своей мощи и кажущейся невероятной сложности — ракетные и турбореактивные двигатели на самом деле имеют довольно простой принцип работы.

Самым простым является ракетный двигатель. Начнем с него.

Для того, чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливо-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.
Наглдный пример реактивной силы в повседневной жизни это обычный воздушный шарик. Если его надуть и отпустить, не завязывая, то шарик будет двигаться за счет реактивной силы, создаваемой вылетающим из него  воздухом.

Турбореактивный двигатель (ТРД)

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по тому же принципу, что и ракетный, за исключением того, что в нем сжигается атмосферный кислород.

Сходства:
Топливо постоянно сжигается внутри камеры сгорания турбины. Освобождающийся через сопло газ создает реактивную силу.

Различия:
На выходе из сопла установлены несколко ступеней турбины, закрепленные на общем валу. проходя через лопатки турбин газ приводит их во вращение. Между колесами турбин установлены неподвижные направляющие лопатки, которые придаю определенное направление потоку газа на пути ко следующей ступени (колесу) турбины, что создает более эффективое вращение.

Вместе с турбиной на едином валу в передней части двигателя установлен компрессор, который служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания.

Турбовинтовой двигатель (ТВД).

Принцип работы точно такой же как и у ТРД, за исключением того, что на валу перед компрессором установлен редуктор, приводящий во вращение воздушный винт с более низкими оборотами, чем турбина.
Получение мощности, необходимой для вращения ротора компрессора и воздушного винта, обеспечивается турбиной с увеличенным числом ступеней, поэтому расширение газа в турбине происходит почти полностью и реактивная тяга, получаемая за счет реакции газовой струи, вытекающей из двигателя, составляет только 10–15% суммарной тяги, в то время как воздушный винт создает основное тяговое усилие (85–90%).

ТВД сочетают в себе преимущества ТРД на больших скоростях полета (способность создавать большую тягу при относительно небольшой массе и габаритах двигателя) и ПД на малых скоростях (низкие расходы топлива) и, обладая высокой топливной эффективностью, широко применяются в силовых установках имеющих большую грузоподъемность и дальность полета самолетов (летающих на скоростях 600–800 км/ч) и вертолетов.

Турбовентиляторный двигатель (ТВлД)

Этот двигатель является неким копромиссом между турбореактивным и турбовинтовым двигателем. У турбовентиляторного двигателя (ТВлД) на валу перед компрессором установлен вентилятор, имеющий большее количество лопаток, чем воздушный винт и обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлете.

Новости СМИ2

Как работают турбореактивные двигатели? Какие бывают ТРД?

Турбореактивный двигатель (периодически мы будем его называть сокращенно ТРД) — сколько в этом названии величественного, сразу представляются самолеты, ракеты, космос. Безусловно тот толчок научно-технического прогресса, который произошел благодаря изобретению реактивного двигателя, сыграл очень большую роль в развитии транспорта, и не только авиационного. Также на близкой нашему порталу железной дороге за счет турбореактивной тяги работают такие локомотивы как газотурбовозы, и РЖД считает их довольно перспективными, правда в рамках «штучной» эксплуатации. Водный транспорт тоже не уступает, в мире полно всяких авторских катеров с газотурбинными установками, способными развивать бешенное ускорение, и конечно экранопланы, вроде заржавевшего «Каспийского монстра», используют реактивную тягу для движения.

В данном материале мы не будем обсуждать трехэтажные формулы, учить фамилии конструкторов и первооткрывателей. Особенностью рубрики является попытка простого объяснения работы сложных технических устройств в области транспорта. Также поговорим о видах и принципах работы турбореактивных двигателей. Но начнем мы с обратного: как же ТРД удается перемещать летательные аппараты и экранопланы, что дало толчок к развитию ТРД?

Как турбореактивные двигатели перемещают летательные аппараты и экранопланы

Представьте себе ситуацию, будто вы сидите посреди большой пустой комнаты на стуле с колесиками, но дотянуться ногами до пола не можете, и предметов вокруг, от которых можно оттолкнуться тоже нет, а вам нужно как-то переместиться в сторону выхода. Задача эта совершенно не решаема, если у вас нет при себе никаких предметов, включая одежду. Но если при вас есть хоть что-то, обладающее массой, вы можете со всей силы отбросить это в сторону, противоположную выходу. Удивительным образом стул двинется в сторону выхода, и если вдруг в кармане вы обнаружите пару гантелей или гирю, особых проблем с путешествием не будет.

Главный принцип здесь заключается в следующем: если мы бросаем какой-либо предмет в сторону, на нас действует точно такая же сила, как и на предмет, только противоположно направленная. Если мы хотим кинуть волейбольный мяч, придав ему ускорение рукой, то наша рука почувствует удар — это и есть та сила, действующая в противоположном полету мяча направлении. Поскольку мяч гораздо легче, чем человек, он вынужден отлететь на большое расстояние, при приложенной силе. Но если с той же силой удара, что приложена к мячу, долбануть по гире, которая всего в четыре раза легче человека, то сила удара уже заставит кости сломаться.

Когда человечество получило доступ к поршневым двигателям высокой на тот момент мощности, пришла идея создания летательных аппаратов, известных ныне как самолеты. На валу поршневого движка внутреннего сгорания устанавливался винт с лопастями, отбрасывающий большой объем воздуха, в противоположном полету направлении. Однако скорость полетов на ДВС с воздушным винтом была весьма ограничена, а растущей индустриализации требовались все большие скорости, и тогда вспомнили про газовую турбину.

Движение летательного аппарата с турбореактивными двигателями происходит за счет отбрасывания двигателем газовой смеси с высокой скоростью и в большом объеме, в противоположную движению самолета сторону. Все довольно просто. Воздух — это газовая смесь, и каждый газ, входящий в данную смесь, обладает массой, плотностью, объемом и температурой. Реактивная сила, создаваемая двигателем, зависит от скорости истекания газовой струи и ее массе (или объема при заданной плотности). Чем выше любой из множителей, тем выше сила отталкивания самолета в противоположном направлении.

Принцип действия турбореактивного двигателя

Академическое понятие ТРД выглядит так:
Турбореактивный двигатель — газотурбинный двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Поясним некоторые моменты: газотурбинный двигатель — это основа любого ТРД, рассматривая далее виды турбореактивных двигателей, данный факт будет хорошо прослеживаться. Под химической энергией имеется в виду высвобождение большого количества теплоты за счет сгорания топлива в присутствии кислорода. Что же касается сопла, то струя газа не всегда имеет максимальную кинетическую энергию при выходе из него, почему — рассмотрим далее.

Основной принцип работы любого газотурбинного двигателя — тепловое расширение воздуха за счет сгорания топлива, и как следствие образование реактивной струи — быстродвижущегося потока газов.

Как это работает

Турбина — это колесо с лопатками (своего рода лопастями), направленных к потоку газов под некоторым углом. Соответственно чем быстрее движется этот поток, тем большее усилие воздействует на лопатки, заставляя их поворачивать турбинное колесо. Надо сказать, что справедливо и обратное утверждение: если турбинное колесо вращается не за счет реактивной струи, то лопатки начинают увлекать за особой воздушный поток, словно вентилятор. Кстати лопасти винта самолета, мельницы или ветрогенератора используют похожий принцип, что и турбинное колесо, только в последнем случае давление, температура и скорость потока куда выше.

Обратите внимание на иллюстрацию работы классической турбореактивной установки, или иначе говоря газотурбинной установки. Мы видим общий вал, на котором расположены кольца (колеса) с лопатками (их все можно также назвать турбинными кольцами (колесами), так как они ни чем не отличаются). С левой стороны изображена «холодная» а справа «горячая» части турбины. Давайте рассмотрим рабочий процесс данного двигателя, слева на право, с самого момента запуска:

• Изначально окружающий воздух через воздухозаборник контактирует с компрессором низкого давления. Специальный турбостартер (в случае больших двигателей) за счет создания высокого давления воздуха, подаваемого на лопатки одного из турбинных колец, раскручивает вал турбины, приводя в движение компрессор низкого и высокого давления, а также турбинные колеса.
• Лопатки компрессора низкого давления начинают «проталкивать» воздушный поток к лопаткам компрессора более высокого давления, которое в свою очередь перемещает воздух к следующему компрессору, и с каждым последующим переходом давление воздуха продолжает расти, а также растет и скорость потока. Проходя через лопатки последнего компрессора поток оказывается в просторной камере сгорания, в которой расположены топливные форсунки и свечи для поджига топлива, словно в автомобиле, только гораздо мощнее.
• Как только давление и скорость потока воздуха достигнут необходимых показателей, через форсунки начинает подаваться жидкий керосин, либо любой горючий газ, а свечи зажигания дают искру. После воспламенения топлива в камере сгорания резко возрастает давление, так как весь объем газовой смеси (включая воздушную смесь), вынужден увеличиться в несколько сотен раз за счет температурного расширения. В этот момент турбостартер (или электростартер), раскручивающий вал турбины, отключается.
• Весь горячий газ из камеры сгорания под огромным давлением и скоростью встречает на своем пути главную часть двигателя — турбинные колеса, которые вращают вал всей турбины (либо напрямую, либо через редуктор). За счет того, что турбинные колеса изначально вращаются гораздо медленнее, не соответствуя скорости только что разогретого в камере сгорания газа, поток начинает раскручивать турбину, теряя при этом часть кинетической энергии. Таким образом турбина работает самостоятельно, без участия стартера.
• Пройдя последнее турбинное колесо поток газа вырывается наружу через специально созданное сужение, называемое соплом. За счет сужения скорость потока газа увеличивается еще немного, что создаст большую реактивную силу.

Турбореактивный двигатель

Виды турбореактивных двигателей в авиации

Турбореактивные установки используются сейчас во многих областях техники, сохраняя единый принцип действия. В основе различий в типах ТРД лежит использование кинетической энергии газа, оставшейся после прохождения турбинных колес. Ее можно использовать как напрямую — то есть как реактивную струю, а можно направить еще на ряд турбинных колес, только уже вращающих другие валы. С каждым таким колесом струя газа будет терять энергию, и последующее использование ее реактивных качеств будет уже неоправданным, но как оказалось большим самолетам лучше всего летать не за счет непосредственно реактивной струи газа из камеры сгорания, а за счет большого винта, либо за счет вентилятора огромного диаметра.

Такое раздельное использование газовой струи ввело в обиход двигателестроителей такое понятие как «двухконтурность» турбореактивных двигателей. Контур — это один путь для воздушной струи через двигатель, соответственно один контур — это всегда главная газовая турбина, а второй контур это вентилятор огромного диаметра, создающий гораздо более массивный воздушный поток. Если объем одного контура превышает объем другого, речь идет о большой или малой степени двухконтурности.

Турбовинтовой двигатель

Начнем с двигателей с самым большим показателем степени двухконтурности (это условное выражение, так как подобные двигатели не принято называть двухконтурными) — Турбовинтовых ТРД.

Во главе угла газовая турбина, есть и компрессор низкого и высокого давления, и воздухозаборник, правда не прямоточный, а также камера сгорания и турбина отбора мощности, так сказать, да, чуть не забыл про сопло. Хотя от него в данном двигателе толку никакого нет. Струя газа после камеры сгорания тратит 5% своей энергии на вращение компрессоров, и 90% на вращение турбинного колеса, установленного на валу воздушного винта, через планетарный редуктор для увеличения мощности, за счет снижения оборотов. Таким образом реактивная струя вращает массивный винт, который действительно очень большой. Самолеты на поршневых двигателях не могли о таких винтах даже мечтать.

Сейчас большая авиация уже отказалась от таких двигателей в пользу турбовентиляторных ТРД, однако на малой авиации турбовиновые машины не теряют популярность. Даже на небольшие самолеты есть возможность установки турбовинтовых моторов, так как они гораздо надежней поршневых двигателей внутреннего сгорания, однако производство ТРД всегда обходится дороже, так как там важна точность обработки материалов и их качество, ведь работать предстоит при высоких давлениях, скоростях и температурах.

Турбовентиляторный двигатель

Вот здесь можно разгуляться по степеням двухконтурности, каких соотношений только в мире не найти. В свое время инженеры заметили, что вентилятор, состоящий из большого количества лопастей (как большой компрессор ТРД), способен создавать более быстрый и стабильный поток воздуха, нежели винт, но и это не все прелести. Многие из нас, кто родом из СССР, наверняка помнят, что было, когда где-то в небе пролетал самолет. Неважно какая у него была высота, хоть все 11 км, всегда у земли был слышен грохот реактивных машин или винтов. Жизнь возле аэропортов вообще представляла из себя сущий кошмар, с трясущимися стенами. Но вот сейчас все это в прошлом. Разве что военные учения с их турбовинтовыми бомбардировщиками, напомнят о прошлых временах в авиации.

Так вот турбовентиляторный ТРД подарил нам тишину. Их гигантский размер и высокая мощность не требуют высоких оборотов, а значит не производят сильный шум.

Как можно видеть из схемы, основное отличие от турбовинтового двигателя заключается в том, что отбор реактивной мощности идет на вращение вентилятора, а не винта. Турбовентиляторный двигатель создает движущую реактивную струю на 70% за счет вентилятора, 30% выходящих из сопла газов.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовальные и иные виды ТРД

Я думаю мне удалось продемонстрировать связь всех видов ТРД друг с другом, и огромное множество применений этого революционного изобретения рассматривать не имеет смысла. Скажем лишь, что не только самолеты используют реактивную мощность, но и вертолеты.

На вертолетах ТРД установлен таким образом, чтобы струи газа, выходящие из сопла, были направлены назад. Это помогает уменьшить расход топлива и скорость при движении вперед. А вот основной потребитель мощности, через вал и редуктор реактивной турбины, установлен перпендикулярно турбодвигателю — на крыше. В принципе через редуктор можно передать вращательное движение от вала куда угодно и как угодно. Такие ТРД называют турбовальными.

Двигатель для турбовинтовых самолетов также вариация турбовального двигателя

Автор: Томаш Гетихен

Использованы материалы:
Большая российская энциклопедия

Принципы работы реактивных двигателей

Каждый день мы с трепетом смотрим в небо, когда над нами пролетают самолеты, перевозящие товары или людей из одного места в другое, но мы мало или совсем не обращаем внимания на то, какая мощность у большинства этих самолетов – Реактивные двигатели, которые также называют газовыми турбинами.

Давайте посмотрим, что это за машины, как они работают и чем они отличаются от автомобильных двигателей.

Что такое реактивный двигатель?
Реактивный двигатель — это машина, которая превращает жидкое топливо в силу, называемую тягой.
Тяга — это сила, которая толкает самолет вперед, нагнетая большой объем воздуха на вращающиеся лопасти, создавая восходящую силу, которая поднимает самолет в небо.

Краткая история реактивных двигателей. высокая скорость, было множество изобретений разных ученых с единственной целью создать двигатель, который мог бы летать на самолете.

Хенрл Гиффард стал первым человеком, построившим дирижабль, который приводился в движение паровым двигателем мощностью в три лошадиные силы, который был первым авиационным двигателем. К сожалению, он был слишком тяжелым для полета.

Феликс де Темпл построил в 1874 году моноплан, который летал так, что мог лететь только вниз с холма, и все благодаря паровому двигателю, работающему на угле.

Хирам Максим пытался управлять своим бипланом с двумя угольными паровыми двигателями в 1894 году, но, к сожалению, из-за своего веса он пролетел всего несколько секунд.

В 1896 году Сэмюэл Лэнгли успешно пролетел на беспилотном самолете с паровым двигателем под названием АЭРОДРОМ примерно 1 милю, прежде чем он выдохся.
Он пытался построить самолет с газовым двигателем под названием АЭРОДРОМ А со второй попытки, но он разбился в 1903 году сразу после запуска.

Братья Райт Уилбур и Орвилл совершили свой первый полет в 1903 году на 12-сильном газовом поршневом двигателе внутреннего сгорания с двумя винтами

Французский ученый Рене Лорен изобрел прямоточный воздушно-реактивный двигатель, считающийся простейшим реактивным двигателем, в 1908 году. компрессор, сопло и одноступенчатая турбина в 1930 году.
Он официально подал заявку на патент 1937 года, который был выдан в 1939 году. 0015 Самолет Germain Heinkel He-178 Ганса Ван Охайна, официально ставший первым самолетом, успешно использовавшим газотурбинный двигатель 27 августа 1939 года, поскольку он работал над аналогичным проектом одновременно с Уиттлом.

Турбореактивный двигатель, построенный британским инженером Фрэнком Уиттлом, имеет сходство с двигателями, используемыми сегодня в авиакомпаниях.

В 2002 году американская компания General Electric построила ТРДД GE90-115B, который считается самым мощным в мире реактивным двигателем с максимальной тягой 127,900 фунтов силы (569 кН).

Как работают реактивные двигатели?

Все реактивные двигатели работают по одному и тому же принципу, основанному на законе количества движения Исаака Ньютона, который гласит, что «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие».

Двигатель всасывает холодный воздух через вентилятор и нагнетает его через проход, замедляя его на 60% при этом.
При попадании воздуха компрессор увеличивает давление воздуха в восемь раз, что автоматически повышает его температуру.

Жидкое топливо распыляется из топливного бака в двигатель.
Тем временем в камере сгорания топливо смешивается со сжатым воздухом и сгорает до температуры около 900 градусов по Цельсию, выделяя тепловую энергию и резко повышая уровень температуры.
Горючие газы затем выходят из двигателя через сопло, скорость которого вдвое превышает скорость холодного воздуха, который сначала входил через вентилятор, и именно так самолет приводится в действие.

Типы реактивных двигателей

Существуют определенные факторы, отличающие реактивные двигатели друг от друга, начиная от компонентов и заканчивая их применением, несмотря на то, что они работают одинаково и имеют некоторые общие детали.

Типы реактивных двигателей включают:

1. Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель представляет собой тип реактивного двигателя, прикрепленного к воздушному винту, от которого исходит большая часть его тяги.
Горячий газ и давление воздуха в этом двигателе используются для вращения турбины, которая, в свою очередь, вырабатывает энергию для привода пропеллера и толкания самолета вперед.

В настоящее время турбовинтовые двигатели изготавливаются с воздушными винтами, имеющими большое количество саблевидных лопастей и передних кромок для обеспечения более высоких скоростей полета, стабилизации самолета на высоте и меньшего диаметра воздушного винта.
Его двигательная эффективность при скорости полета менее 500 миль в час была оценена как лучший вариант по сравнению с турбореактивным двигателем.

Турбовинтовые двигатели лучше всего использовать для приведения в действие современных грузовых самолетов и небольших самолетов из-за их низкого потребления энергии при борьбе с сопротивлением воздуха, которому способствует их медленное движение в полете.

2. Турбореактивные двигатели

Турбореактивный двигатель представляет собой реактивный двигатель, который всасывает воздух через впускное отверстие в передней части, сжимает его до давления, в 3–12 раз превышающего исходное, и сжигает его в камере сгорания. в дополнение к топливу и повышает его температуру.

Образующиеся газы затем проходят через турбину, заставляя ее вращаться и посылать давление на сопло, которое создает тягу, которая двигает самолет вперед.

Другие типы реактивных двигателей включают
Турбовальные двигатели, турбовентиляторные двигатели, прямоточные воздушно-реактивные двигатели и ракетные двигатели.

Преимущества использования реактивного двигателя

1. Он не имеет возвратно-поступательного движения, что делает его свободным от неуравновешенных сил.

2. Легкий вес.

3. Без ограничений скорости.

4. Обеспечивает большую мощность при более высоких нагрузках.

5. Без ограничения мощности.

6. Более дешевое топливо.

7. Эффективная работа.

Недостатки использования реактивного двигателя

1. Создает шумную обстановку.

2. Высокий расход топлива.

3. Сложность в работе его двигательной установки.

4. Материалы очень дорогие.

5. Степень сжатия-давления меняется со скоростью.

Инженерная школа Массачусетского технологического института | » Как работает реактивный двигатель?

Как работает реактивный двигатель?

Гораздо эффективнее, чем раньше. Читайте дальше…

Джейсон М. Рубин

Реактивные двигатели создают поступательную тягу, всасывая большое количество воздуха и выпуская его в виде высокоскоростной струи газа. Их конструкция позволяет самолетам летать быстрее и дальше по сравнению с винтовыми самолетами. Их разработка и усовершенствование за последние 65 лет сделали коммерческие авиаперевозки более практичными и прибыльными, открыв мир для деловых путешественников и туристов.

«Обычный реактивный двигатель — это газовая турбина, — говорит Джефф Дефо, научный сотрудник Лаборатории газовых турбин Массачусетского технологического института. «В простейшем случае он состоит из компрессора с лопастями, похожими на крылья, которые вращаются очень быстро. Это втягивает воздух и сжимает его, превращая его в газ под высоким давлением. Затем топливо впрыскивается в газ и воспламеняется. Это делает газ одновременно и высокого давления, и высокой температуры».

Этот горящий поток газа под высоким давлением и высокой температурой теперь проходит через турбину — по сути, еще один набор лопастей, — который извлекает энергию из газа, снижая давление и температуру. «Турбина всасывает газ через двигатель и выходит через сопло, которое заметно увеличивает скорость за счет давления — давление уменьшается, а скорость увеличивается», — говорит Дефо. «Именно сила выброса газа обеспечивает тягу для движения самолета вперед».

Помимо аспектов сжатия/воспламенения топлива/турбинной мощности реактивного двигателя, оболочка вокруг него также делает его более эффективным, чем открытый пропеллерный двигатель. «Вне оболочки пропеллер «видит» приближающийся к нему воздух с любой скоростью, с которой движется самолет», — говорит Дефо. «Это ограничивает скорость вращения винта до того, как величина результирующей тяги уменьшится, ограничивая скорость полета самолета. Поскольку оболочка реактивного двигателя поддерживает движение воздуха, поступающего в двигатель, с почти одинаковой скоростью независимо от скорости полета, самолет может летать быстрее».

В наши дни реактивные двигатели даже более совершенны, чем базовая конструкция турбины, описанная выше. Теперь у них огромные вентиляторы спереди, и вместо того, чтобы выбрасывать газ прямо сзади, он проходит через вторую турбину, которая питает вентилятор спереди. В то время как старые реактивные двигатели потребляли меньшее количество воздуха и значительно ускоряли его, новые реактивные двигатели поглощали больше воздуха и немного ускоряли его. В результате двигатель потребляет гораздо меньше энергии. «До 1970-х годов транстихоокеанские рейсы требовали остановок для дозаправки», — отмечает Дефо.

В Лаборатории газовых турбин Дефо и его коллеги работают над тем, чтобы сделать реактивные двигатели более тихими и еще более эффективными, изучая конструктивные изменения, такие как снятие двигателей с крыльев и размещение их рядом с фюзеляжем, где молекулы воздуха замедляются.