Түрбін қозғалтқышындағы жанар майды күйдіру құрылғысы

Кіріспе

Турбореактивті қозғалтқыш компоненті

Артқы күйдіргіш (немесе британдық ағылшын тілінде қайта қыздыру) – кейбір реактивті қозғалтқыштарда, әсіресе әскери үстінқы жылдамдықпен ұшатын ұшақтарда қолданылатын қосымша жану компоненті. Оның мақсаты – қоздыру күшін арттыру, әдетте, дыбыстан жоғары ұшу, ұшып көтерілу және жағдайларда қолданылады. Артқы күйдіру процесі турбинадан кейін орналасқан реактивті құбырдағы жану камерасына қосымша отынды жіберіп, шығарылатын газдарды "қайта қыздырады". Артқы күйдіру қоздыру күшін айтарлықтай арттырады, бірақ бұл үлкен қозғалтқышты пайдаланудың орнына жасалады, салмақ артуының орнына, бірақ отын тұтынудың жоғарылауы (отынның тиімділігінің төмендеуі) оның қолданылуын қысқа мерзімге шектейді. Ұшақтағы "қайта қыздырудың" осы қолданылуы, электр генераторларын іске қосатын газ турбиналарында қолданылатын және отын тұтынуды азайтатын "қайта қыздырудың" мағынасы мен іске асырылуынан өзгеше. Реактивті қозғалтқыштар артқы күйдіргішпен жұмыс істегенде "ылғалды", ал күйдіргішсіз жұмыс істегенде "құрғақ" деп аталады. Максималды қоздыру күшін "ылғалды" күйде беретін қозғалтқыш – максималды қуаттылықта, ал максималды қоздыру күшін "құрғақ" күйде беретін қозғалтқыш – әскери қуаттылықта болады.

Принцип

Бірінші реактивті қозғалтқыш - Jumo 004 E нұсқасы. Ұшқыш қозғалтқышының итермелеу күші Ньютонның әрекет ету принципіне сәйкес келеді, онда қозғалтқыш итермелеуді тудырады, өйткені ол өтетін ауаның импульсын арттырады. Итермелеу күші екі нәрсеге байланысты: құю газдарының жылдамдығы және соплодан шығатын газдың массасы. Ұшқыш қозғалтқышы газды жоғары жылдамдыққа дейін жылдамдату арқылы немесе қозғалтқыштан газдың үлкен массасын шығару арқылы көбірек итермелеуді өндіре алады. Екінші принцип бойынша негізгі турбореактивті қозғалтқышты жобалау турбовентиляторлы қозғалтқышты шығарады, ол баяу газды, бірақ көбірек газды шығарады. Турбовентиляторлар өте тиімді және ұзақ уақыт бойы жоғары итерме береді, бірақ дизайнның компромисі – қуатқа қатысты үлкен өлшем. Қысқа уақыт ішінде қуаттылығы жоғары қозғалтқыштың жұмысын қамтамасыз ету үшін кейіннен жағуды қолдануға болады. Кейіннен жағу газды жоғары жылдамдыққа дейін жылдамдату арқылы итермелеу күшін арттырады. Келесі мәндер мен параметрлер ертедегі реактивті қозғалтқыш – Pratt & Whitney J57 үшін, ұшу-қону жолағында тұрақтанған күйде, және турбинаның температуралық шектеулері шегінде жұмыс істейтін қозғалтқышпен салыстырғанда, кейіннен жағу отын ағынының, газдың температурасы мен итермелеудің жоғары мәндерін көрсетеді. Қозғалтқыштағы ең жоғары температура (шамамен) жану камерасында болады, онда отын қозғалтқысқа кіретін ауаның салыстырмалы түрде аз бөлігінде (шамамен 1%) жандырылады. Жану өнімдерін компрессордан шыққан ауамен сұйылту қажет, газ температурасын турбинаға кіретін температура (TET) деп аталатын белгілі бір мәнге дейін төмендету керек, бұл турбинаның қалыпты жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Жану өнімдерінің температурасын көп мөлшерде төмендету қажеттігі – итермелеуді қанша өндіруге болатынының негізгі шектеулерінің бірі. Компрессор сатылары жеткізген барлық оттегіні жағу қозғалтқыштың ішкі құрылымын едәуір әлсіретуге жеткілікті температураны тудырады, бірақ жанатын өнімдерді компрессордан шыққан күймеген ауамен араластыру арқылы, оттегінің маңызды бөлігі (отын/ауа қатынасы 0,014, ал оттегінің жоқ мәні 0,0687) әлі де кейіннен жағу үшін көп мөлшерде отынды жағуға қолжетімді. Газ температурасы турбинадан өткен сайын төмендейді. Кейіннен жағу камерасы газды қайта жылытады, бірақ ТЭТ-тен әлдеқайда жоғары температураға дейін. Кейіннен жағу камерасында температураның көтерілуі нәтижесінде газ алдымен Рейли ағыны деп аталатын жылу қосылуымен, содан кейін сопло арқылы, кейіннен жағусыз кездесетінге қарағанда жоғары шығыс жылдамдығына дейін жылдамдатылады. Кейіннен жағу отынының қосылуымен массалық ағын да сәл артады. Кейіннен жағумен итермелеу күші . Көрінетін шығарындыларда шок алмастары болуы мүмкін, олар қоршаған ортаның қысымы мен шығарынды қысымы арасындағы шағын айырмашылықтардан пайда болған толқындардан туындайды. Бұл өзара әсерлесу шығарынды ағынының диаметрінде қысқа қашықтықта тербелістерге және қысым мен температураның ең жоғары болған жерінде көрінетін жолақты тудырады.

The first jet engine with after burner was the E variant of Jumo 004. Jet engine thrust is an application of Newton's reaction principle, in which the engine generates thrust because it increases the momentum of the air passing through it. Thrust depends on two things: the velocity of the exhaust gas and the mass of the gas exiting the nozzle. A jet engine can produce more thrust by either accelerating the gas to a higher velocity or ejecting a greater mass of gas from the engine. Designing a basic turbojet engine around the second principle produces the turbofan engine, which creates slower gas, but more of it. Turbofans are highly fuel efficient and can deliver high thrust for long periods of time, but the design tradeoff is a large size relative to the power output. Generating increased power with a more compact engine for short periods can be achieved using an afterburner. The afterburner increases thrust primarily by accelerating the exhaust gas to a higher velocity. The following values and parameters are for an early jet engine, the Pratt & Whitney J57, stationary on the runway, and illustrate the high values of afterburner fuel flow, gas temperature and thrust compared to those for the engine operating within the temperature limitations for its turbine. The highest temperature in the engine (about ) occurs in the combustion chamber, where fuel is burned at an approximate rate of in a relatively small proportion of the air entering the engine. The combustion products have to be diluted with air from the compressor to bring the gas temperature down to a specific value, known as the Turbine Entry Temperature (TET) , which gives the turbine an acceptable life. Having to reduce the temperature of the combustion products by a large amount is one of the primary limitations on how much thrust can be generated Burning all the oxygen delivered by the compressor stages would create temperatures high enough to significantly weaken the internal structure of the engine, but by mixing the combustion products with unburned air from the compressor at a substantial amount of oxygen (fuel/air ratio 0.014 compared to a no oxygen remaining value 0.0687) is still available for burning large quantities of fuel in an afterburner. The gas temperature decreases as it passes through the turbine to The afterburner combustor reheats the gas, but to a much higher temperature than the TET As a result of the temperature rise in the afterburner combustor, the gas is accelerated, firstly by the heat addition, known as Rayleigh flow, then by the nozzle to a higher exit velocity than that which occurs without the afterburner. The mass flow is also slightly increased by the addition of the afterburner fuel. The thrust with afterburning is
The visible exhaust may show shock diamonds, which are caused by shock waves formed due to slight differences between ambient pressure and the exhaust pressure. This interaction causes oscillations in the exhaust jet diameter over a short distance and causes visible banding where pressure and temperature are highest.

Байпасты ауаны қыздыру арқылы итермелеуді арттыру

Иткіңді көбейтуге турбофендердегі араласқан ыстық және суық ағындардың орнына турбофеннің суық айналма ауасында отынды жағу арқылы қол жеткізуге болады. Pratt & Whitney TF30 – ерте кеңейтілген турбовентилятор, ол айналма және өзекті ағындар үшін бөлек жану аймақтарын пайдаланды. Қарсыластыратын болсақ, Rolls Royce Spey отын коллекторларына бұрын жиырма каналды араластырғышты қолданды. Пленум камералы жану (PCB) Бристоль Сиддли BS100 векторлік итеріс қозғалтқышы үшін Хакер Сиддли P.1154 үшін жартылай дамытылды, бірақ 1965 жылы бағдарлама тоқтатылды. Салқын айналма және ыстық өзек ағындары Rolls Royce Pegasus сияқты алдыңғы және артқы екі жұп соплоға бөлінді, ал отын алдыңғы соплолардан шығар алдында желдеткіш ауасында жағылды. Бұл Hawker Siddeley Harrier-ге ұқсас, бірақ одан үлкен ұшаққа ұшуға арналған күшті және жоғары жылдамдықты арттырар еді. Pratt & Whitney компаниясы 1964 жылы АҚШ-тың үстізден ұшу бағдарламасы үшін JTF17 турбовентилятор ұсынысында арналық жылытуды қолданды. Арналық жылытқыш сақина тәрізді жануды пайдаланды және ұшақтың салмағына байланысты әртүрлі күшейте отырып, 2.7 Мах жылдамдығымен ұшуға, көтерілуге және круиздік режимде қолданылар еді.

Дизайн

Ұшақ қозғалтқышының соңғы күйдіргіші – қосымша отын шашығыштары бар кеңейтілген шығару бөлімі. Ұшақ қозғалтқышының алдындағы бөлігі (яғни, турбинаға дейін) сіңіретін оттегінің көбін пайдаланбайтындықтан, газ ағыны турбинадан өткеннен кейін қосымша отынды жағуға болады. Соңғы күйдіргіш іске қосылғанда, отын шашылады және тұтандырғыштар қосылады. Бұл күю процесі соңғы күйдіргіштен шығу (соплоға кіру) температурасын арттырады, нәтижесінде қозғалтқыштың итеру күші күрт өседі. Соңғы күйдіргіштен шығу температурасының артуымен қатар, сопло арқылы массалық ағын да артады (яғни, соңғы күйдіргішке кіретін массалық ағын және тиімді отын ағынының қосындысы), бірақ соңғы күйдіргіштен шығу қысымы төмендейді (бұл жылу, үйкеліс және турбуленттілік салдарынан болатын негізгі шығындарға байланысты). Соңғы күйдіргіштен шығу көлемінің артуы соплоның тамақша ауданын ұлғайту арқылы өтесіледі. Әйтпесе, егер қысым төмендетілмесе, газ кері ағып, қайтадан жануы мүмкін, бұл компрессордың тоқтауына (немесе турбовентиляторлық қолдануда желдеткіштің секіруіне) әкелуі мүмкін. Алғашқы конструкциялар, мысалы, F7U Cutlass, F94 Starfire және F89 Scorpion ұшақтарында қолданылған Solar соңғы күйдіргіштерінде 2 позициялы қақпақшалы соплолар болған. Қазіргі заманғы конструкциялар VG соплоларын ғана емес, сонымен қатар жеке шашығыш тақталар арқылы бірнеше сатылы күшейтуді де қамтиды. Бірінші ретте, жалпы итеру қатынасы (күйдіргеннен кейін/күйдірмегеннен кейін) соңғы күйдіргіш арқылы температура қатынасының квадрат түбіріне тікелей пропорционалды (яғни, шығу/кіру).

Шектеулер

Отынның жоғары шығынына байланысты, артқы жанғыштар қысқа мерзімге және жоғары итермелеу қажет болғанда ғана қолданылады. Мұндай жағдайларға ауыр салмақты ұшу, қысқа ұшу-қону жолағынан ұшу, авианосецтерден катапультамен ұшыруға көмектесу және әуе шайқасы кіреді. Атап айтарлық ерекшелік – SR-71 Blackbird ұшағында қолданылған Pratt & Whitney J58 қозғалтқышы, ол артқы жанғышын ұзақ уақыт бойы пайдаланды және әрбір барлау миссиясы барысында ұшу кезінде жанармаймен толықтырылды. Артқы жанғыштың қызмет мерзімі оның аралық сипаттамасына сәйкес келеді. J58 үздіксіз жұмыс режиміне арналған ерекше қозғалтқыш болды. Бұл қаптама мен от ұстағыштарға жылу оқшаулағыш жабын жағу арқылы және қаптама мен соплоны турбиналық газдардың орнына компрессордан алынған ауамен салқындату арқылы қол жеткізілді.

Тиімділік

Жылу қозғалтқыштарында, мысалы реактивтік қозғалтқыштарда, тиімділік жануға қол жеткізе алатын ең жоғары қысым мен температурада туындайды және атмосфералық қысымға дейін кеңейеді (Карно циклын қараңыз). Газдағы оттегінің мөлшері бұрынғы жану процесінен азайғандықтан және жанар май тығыз қысылған ауа тірегінде жануға қатыспайтындықтан, артқы жану процесі негізгі жану процесімен салыстырғанда көбінесе тиімсіз болады. Бұл шектеу тек турбоожеттік қозғалтқыштарға ғана қатысты. Әскери турбовентиляторлық ұрыс қозғалтқышында, ауа ағыны шығарылатын газға қосылады, бұл өзек пен артқы жану тиімділігін арттырады. Турбоожеттік қозғалтқыштардағы пайда 50%-қа дейін шектеледі, ал турбовентиляторлық қозғалтқыштарда ол айналма коэффициентіне байланысты және 70%-ға дейін жете алады. Дегенмен, SR-71 қарсы мысалы болып табылады, ол жоғары жылдамдығы (маха 3,2) және соның салдарынан жоғары қысымы (рамды қабылдаудан туындаған) арқасында жоғары биіктікте ("жалынды") режимде тиімді болды.

Циклді таңдауға әсер ету

Қозғалтқыштың форсаждық режимі қозғалтқыш циклын таңдауға маңызды әсер етеді. Желдеткіштің қысым коэффициентін төмендету нақты итермелеуді төмендетеді (құрғақ және форсаждық режимдерде), бірақ форсаждық камераға кіретін температураны төмендетеді. Форсаждық камерадан шығатын температура белгілі болғандықтан, камера ішіндегі температураның өсуі артады, нәтижесінде форсаждық отын ағыны көбейеді. Жалпы отын ағыны таза итермелеуге қарағанда жылдам өседі, бұл отынның жоғары меншікті тұтынуына (SFC) әкеледі. Дегенмен, құрғақ режимдегі қуаттың SFC көрсеткіші жақсарады (яғни, нақты итермелеу төмендейді). Форсаждық камера арқылы жоғары температуралық қатынас итермелеудің жақсы күшеюіне ықпал етеді. Егер ұшақ отынының көп бөлігін форсаждық режимде жағса, жоғары нақты итермелеуге ие қозғалтқыш циклын таңдаған жөн (яғни, жоғары желдеткіш қысым коэффициенті/төмен айналма коэффициенті). Нәтижесінде алынған қозғалтқыш форсаждық режимде (мысалы, жауынгерлік/ұшып шығу) салыстырмалы түрде тиімді отынды пайдаланады, бірақ құрғақ режимде көп отын жұмсайды. Егер форсаждық режим сирек қолданылса, онда төмен нақты итермелеуге ие цикл (желдеткіштің төмен қысым коэффициенті/жоғары айналма коэффициенті) тиімдірек болады. Мұндай қозғалтқыш құрғақ режимде жақсы SFC көрсеткішіне ие, бірақ жауынгерлік/ұшып шығу кезінде форсаждық режимде SFC нашарлайды. Көбінесе қозғалтқыш конструкторы осы екі шектің арасындағы шартты келісімге келуге мәжбүр болады.

Тарих

Италиялық инженер Секондо Кампини жобалаған Caproni Campini C. C.2 моторлы реактивтік ұшағы – кейіннен жану камерасы (форсаж) бар алғашқы ұшақ. C. C.2-нің алғашқы ұшуы 1941 жылдың 11 сәуірінде өтті. Британдықтардың алғашқы "қайта қыздыру" жұмыстарына 1944 жылдың соңында Rolls Royce W2/B23 қозғалтқышы бар Gloster Meteor I ұшағында ұшу сынақтары, ал 1945 жылдың ортасында Power Jets W2/700 қозғалтқышында жердегі сынақтар кірді. Бұл қозғалтқыш Miles M.52 жоғарғы дыбыстық жылдамдықтағы ұшақ жобасына арналған. Бұл тұжырымға қатысты алғашқы американдық зерттеулерді Кливлендте (Огайо штаты) NACA жүргізді, нәтижесінде 1947 жылдың қаңтарында "Турбореактивтік қозғалтқыштардың қозғалтқыш қуатын арттыруды теориялық зерттеу" атты мақала жарияланды. 1948 жылы американдықтар форсажды пайдаланып, Pirate, Starfire және Scorpion сияқты ертедегі тік қанатты ұшақтарға орнатты. Жаңа Pratt & Whitney J48 турбореактивтік қозғалтқышы, форсажмен 8000 фунт (36 кН) итеру күшіне ие, Grumman F9F 6 истребителін қуаттандырды, ол өндіріске кірісе бастады. Басқа да жаңа әскери ұшақтардың арасында Chance Vought F7U 3 Cutlass, екі Westinghouse J46 қозғалтқышы бар. 1950 жылдары бірнеше ірі форсаждық қозғалтқыштар жасалды, мысалы, Orenda Iroquois және британдық de Havilland Gyron және Rolls Royce Avon RB.146 түрлері. Avon және оның түрлері RAF қызметіндегі алғашқы дыбыс жылдамдығынан асып ұшатын ұшақ болған English Electric Lightning истребителін қуаттандырды. Bristol Siddeley/Rolls Royce Olympus қозғалтқышы BAC TSR 2 ұшағымен пайдалану үшін форсажбен жабдықталды. Бұл жүйені Bristol Siddeley және Сан-Диегодағы Solar компаниясы бірлесіп жобалап, әзірледі. Concord ұшағының форсаж жүйесін Snecma компаниясы әзірледі. Форсаж әдетте әскери ұшақтарда ғана қолданылады және истребительдердің стандартты жабдығы болып саналады. Оны қолданған бірнеше азаматтық ұшақтардың арасында NASA зерттеу ұшақтары, Туполев Ту 144, Concorde және Scaled Composites компаниясының White Knight ұшағы бар. Concord ұшағы дыбыс жылдамдығынан асып ұзын қашықтыққа ұшты. Форсаждың жоғары отын шығынына байланысты, ұзақ уақыт бойы жоғары жылдамдықты ұстап тұру мүмкін емес болды, сондықтан ұшақ ұшып тұрғанда және жоғары созылу режимінде уақытты қысқарту үшін форсаж қолданылды. Форсажсыз дыбыс жылдамдығынан асып ұшу суперкруиз деп аталады. Форсажбен жабдықталған турбореактивтік қозғалтқыш "форсажды турбореактивтік" деп, ал сондай-ақ жабдықталған турбовентиляторлық қозғалтқыш кейде "көбейтілген турбовентилятор" деп аталады. "Отынды төгіп, жағу" – бұл авиашоудағы әсерлі көрініс, онда отын төгіліп, содан кейін форсаж арқылы қасақана тұтандырылады. Жарқыраған жалын мен жоғары жылдамдық бұл көріністі әуе шоуларында немесе салюттың финалында танымал етеді. Отын төгу негізінен ауыр және жылдам қонуды болдырмау үшін ұшақтың салмағын азайту үшін қолданылады. Қауіпсіздік немесе төтенше жағдайлардан басқа, отын төгудің практикалық маңызы жоқ.

The Caproni Campini C. C.2 motorjet, designed by the Italian engineer Secondo Campini, was the first aircraft to incorporate an afterburner. The first flight of a C. C.2, with its afterburners operating, took place on 11 April 1941. Early British afterburner ("reheat") work included flight tests on a Rolls Royce W2/B23 in a Gloster Meteor I in late 1944 and ground tests on a Power Jets W2/700 engine in mid 1945. This engine was destined for the Miles M.52 supersonic aircraft project. Early American research on the concept was done by NACA, in Cleveland, Ohio, leading to the publication of the paper "Theoretical Investigation of Thrust Augmentation of Turbojet Engines by Tail pipe Burning" in January 1947. American work on afterburners in 1948 resulted in installations on early straight wing jets such as the Pirate, Starfire and Scorpion. The new Pratt & Whitney J48 turbojet, at 8,000 lbf (36 kN) thrust with afterburners, would power the Grumman swept wing fighter F9F 6, which was about to go into production. Other new Navy fighters with afterburners included the Chance Vought F7U 3 Cutlass, powered by two 6,000 lbf (27 kN) thrust Westinghouse J46 engines. In the 1950s, several large afterburning engines were developed, such as the Orenda Iroquois and the British de Havilland Gyron and Rolls Royce Avon RB.146 variants. The Avon and its variants powered the English Electric Lightning, the first supersonic aircraft in RAF service. The Bristol Siddeley/Rolls Royce Olympus was fitted with afterburners for use with the BAC TSR 2. This system was designed and developed jointly by Bristol Siddeley and Solar of San Diego. The afterburner system for the Concorde was developed by Snecma. Afterburners are generally used only in military aircraft, and are considered standard equipment on fighter aircraft. The handful of civilian planes that have used them include some NASA research aircraft, the Tupolev Tu 144, Concorde and the White Knight of Scaled Composites. Concorde flew long distances at supersonic speeds. Sustained high speeds would be impossible with the high fuel consumption of afterburner, and the plane used afterburners at takeoff and to minimize time spent in the high drag transonic flight regime. Supersonic flight without afterburners is referred to as supercruise. A turbojet engine equipped with an afterburner is called an "afterburning turbojet", whereas a turbofan engine similarly equipped is sometimes called an "augmented turbofan". A "dump and burn" is an airshow display feature where fuel is jettisoned, then intentionally ignited using the afterburner. A spectacular flame combined with high speed makes this a popular display for airshows, or as a finale to fireworks. Fuel dumping is used primarily to reduce the weight of an aircraft to avoid a heavy, high speed landing. Other than for safety or emergency reasons, fuel dumping does not have a practical use.