Введение
Турбореактивный двигатель, который обычно используется в самолетах. Он состоит из газовой турбины с двигательной соплой. Газовая турбина имеет воздухозаборник, включающий в себя входные направляющие лопатки, компрессор, камеру сгорания и турбину (приводящую в действие компрессор). Сжатый воздух из компрессора нагревается путем сжигания топлива в камере сгорания, а затем расширяется в турбине. Выхлопные газы турбины затем расширяются в двигательной сопле, где ускоряются до высокой скорости для создания тяги. Два инженера, Фрэнк Уиттл в Великобритании и Ханс фон Охайн в Германии, независимо друг от друга разработали эту концепцию в практические двигатели в конце 1930-х годов. Турбореактивные двигатели имеют низкую эффективность на низких скоростях, что ограничивает их применение в транспортных средствах, отличных от самолетов. Турбореактивные двигатели в отдельных случаях использовались для привода транспортных средств, отличных от самолетов, как правило, для попыток установить рекорды скорости на земле. В тех случаях, когда транспортные средства "приводятся в движение турбиной", чаще используется турбовинтовой двигатель – развитие газотурбинного двигателя, в котором дополнительная турбина используется для привода вращающегося выходного вала. Они широко используются в вертолетах и на воздушных подушках. Турбореактивные двигатели применялись на Concorde и дальних версиях Ту-144, которым требовалось длительное время лететь со сверхзвуковой скоростью. Турбореактивные двигатели распространены в крылатых ракетах средней дальности благодаря их высокой скорости выхлопа, небольшой лобовой площади и относительной простоте. Они используются на некоторых сверхзвуковых истребителях, таких как МиГ-25, но большинство истребителей проводят мало времени на сверхзвуковой скорости и поэтому используют турбовентиляторные двигатели и форсажные камеры для увеличения скорости выхлопа при кратковременных сверхзвуковых ускорениях.
the Hong Kong based ferry company
The turbojet is an airbreathing jet engine which is typically used in aircraft. It consists of a gas turbine with a propelling nozzle. The gas turbine has an air inlet which includes inlet guide vanes, a compressor, a combustion chamber, and a turbine (that drives the compressor). The compressed air from the compressor is heated by burning fuel in the combustion chamber and then allowed to expand through the turbine. The turbine exhaust is then expanded in the propelling nozzle where it is accelerated to high speed to provide thrust. Two engineers, Frank Whittle in the United Kingdom and Hans von Ohain in Germany, developed the concept independently into practical engines during the late 1930s. Turbojets have poor efficiency at low vehicle speeds, which limits their usefulness in vehicles other than aircraft. Turbojet engines have been used in isolated cases to power vehicles other than aircraft, typically for attempts on land speed records. Where vehicles are "turbine powered", this is more commonly by use of a turboshaft engine, a development of the gas turbine engine where an additional turbine is used to drive a rotating output shaft. These are common in helicopters and hovercraft. Turbojets were used on Concorde and the longer range versions of the Tu 144 which were required to spend a long period travelling supersonically. Turbojets are common in medium range cruise missiles, due to their high exhaust speed, small frontal area, and relative simplicity. They are used on some supersonic fighters such as the MiG 25, but most fighters spend little time travelling supersonically, and so employ turbofans and use afterburners to raise exhaust speed for bursts of supersonic travel.
История
Первый патент на использование газовой турбины для привода самолета был подан в 1921 году французом Максимом Гийомом. Его двигатель должен был быть турбореактивным с осевым потоком, но так и не был построен, поскольку для этого потребовались бы значительные улучшения в области компрессоров по сравнению с существующим уровнем техники. В 1928 году британский кадет RAF College Cranwell Фрэнк Уиттл официально представил свои идеи турбореактивного двигателя своим начальству. В октябре 1929 года он развил эти идеи. 16 января 1930 года в Англии Уиттл подал свой первый патент (оформленный в 1932 году). В патенте был показан двухступенчатый осевой компрессор, подающий воздух в односторонний центробежный компрессор. Создание практичных осевых компрессоров стало возможным благодаря идеям А.А. Гриффита, изложенным в основополагающей работе 1926 года ("Аэродинамическая теория проектирования турбин"). Позже Уиттл сосредоточился исключительно на более простом центробежном компрессоре по ряду практических соображений. Двигатель Уиттла, Power Jets WU, стал первым турбореактивным двигателем, который заработал 12 апреля 1937 года. Он работал на жидком топливе. Команда Уиттла испытала почти панику во время первых попыток запуска, когда двигатель неконтролируемо разгонялся до относительно высокой скорости, несмотря на отключение подачи топлива. Впоследствии выяснилось, что топливо просачивалось в камеру сгорания во время предстартовых проверок и скапливалось, поэтому двигатель не останавливался, пока все просочившееся топливо не сгорело. Уиттл не смог заинтересовать правительство своим изобретением, и разработка продвигалась медленными темпами. В Германии Ганс фон Охайн запатентовал аналогичный двигатель в 1935 году. Его конструкция, двигатель с осевым потоком, в отличие от центробежного двигателя Уиттла, в конечном итоге была принята большинством производителей к 1950-м годам. 27 августа 1939 года Heinkel He 178, оснащенный конструкцией фон Охайна, стал первым в мире самолетом, совершившим полет с использованием тяги турбореактивного двигателя. Пилотировал летчик-испытатель Эрих Варсиц. Gloster E.28/39 (также известный как "Gloster Whittle", "Gloster Pioneer" или "Gloster G.40") совершил первый британский полет на реактивном двигателе в 1941 году. Он был разработан для испытания реактивного двигателя Уиттла в полете и привел к созданию Gloster Meteor. Первыми серийными турбореактивными самолетами стали Messerschmitt Me 262 и Gloster Meteor, поступившие на вооружение в 1944 году, в конце Второй мировой войны: Me 262 в апреле и Gloster Meteor в июле. Около 15 самолетов Meteor участвовали в боевых действиях Второй мировой войны, но было произведено до 1400 Me 262, из которых 300 приняли участие в боях, совершив первые наземные атаки и одержав первые воздушные победы реактивных самолетов. Воздух засасывается во вращающийся компрессор через воздухозаборник и сжимается до более высокого давления перед поступлением в камеру сгорания. Топливо смешивается со сжатым воздухом и сгорает в камере сгорания. Продукты сгорания покидают камеру сгорания и расширяются в турбине, где извлекается энергия для привода компрессора. Выхлопные газы турбины все еще содержат значительную энергию, которая преобразуется в сопле в высокоскоростную струю. Первые турбореактивные двигатели использовали либо центробежный компрессор (как в Heinkel HeS 3), либо осевой компрессор (как в Junkers Jumo 004), который обеспечивал меньший диаметр, хотя и большую длину двигателя. Заменой воздушного винта поршневых двигателей на высокоскоростную выхлопную струю стало возможным достижение более высоких скоростей самолетов. Одной из последних областей применения турбореактивного двигателя стал Concorde, который использовал двигатель Olympus 593. Однако совместные исследования Rolls Royce и Snecma для двигателя SST второго поколения с использованием ядра 593 были проведены более чем за три года до начала эксплуатации Concorde. В них оценивались двухконтурные двигатели с коэффициентом двухконтурности от 0,1 до 1,0 для повышения взлетно-крейсерских характеристик. Тем не менее, 593 соответствовал всем требованиям программы Concorde. Оценки, сделанные в 1964 году для конструкции Concorde на скорости 2,2 Маха, показали, что потеря дальности для сверхзвукового авиалайнера, в пересчете на миль на галлон, по сравнению с дозвуковыми авиалайнерами на скорости 0,85 Маха (Boeing 707, DC 8) была относительно небольшой. Это связано с тем, что значительное увеличение сопротивления в значительной степени компенсируется повышением эффективности силовой установки (эффективность двигателя увеличивается за счет повышения давления нагнетателя, которое добавляется к повышению давления компрессора, а более высокая скорость самолета приближается к скорости выхлопной струи, что повышает тяговую эффективность). Турбореактивные двигатели оказали значительное влияние на коммерческую авиацию. Помимо обеспечения более высоких скоростей полета, турбореактивные двигатели были более надежными, чем поршневые, причем некоторые модели демонстрировали коэффициент готовности к отправлению более 99,9%. Коммерческие самолеты до появления реактивной авиации проектировались с четырьмя двигателями, отчасти из-за опасений по поводу отказов в полете. Маршруты полетов за границу прокладывались таким образом, чтобы самолеты находились в пределах часа полета от аэродрома, что удлиняло время в пути. Повышение надежности, пришедшее с турбореактивным двигателем, позволило использовать конструкции с тремя и двумя двигателями, а также более прямые маршруты дальних перелетов. Высокотемпературные сплавы были узким местом, ключевой технологией, которая тормозила прогресс в области реактивных двигателей. Небританские реактивные двигатели, построенные в 1930-х и 1940-х годах, приходилось ремонтировать каждые 10–20 часов из-за ползучести и других видов повреждений лопаток. Однако британские двигатели использовали сплавы Nimonic, которые позволяли продлить срок службы без ремонта, такие как Rolls Royce Welland и Rolls Royce Derwent, а к 1949 году de Havilland Goblin проходил стендовые испытания в течение 500 часов без обслуживания. Только в 1950-х годах технология производства суперсплавов позволила другим странам производить экономически целесообразные двигатели.
Ранние проекты
Ранние немецкие турбореактивные двигатели имели серьезные ограничения по времени работы из-за отсутствия подходящих жаропрочных материалов для турбин. Британские двигатели, такие как Rolls Royce Welland, использовали более качественные материалы, что обеспечивало повышенную долговечность. Welland первоначально получил сертификат типа на 80 часов, впоследствии увеличенный до 150 часов между капитальными ремонтами, благодаря успешному прохождению 500-часового испытания. Компания General Electric в Соединенных Штатах имела хорошие возможности для выхода на рынок реактивных двигателей благодаря своему опыту работы с жаропрочными материалами, использовавшимися в их турбокомпрессорах во время Второй мировой войны. Впрыск воды был распространенным методом увеличения тяги, обычно при взлете, в ранних турбореактивных двигателях, ограниченных допустимой температурой газа перед турбиной. Вода увеличивала тягу при достижении температурного предела, но препятствовала полному сгоранию, часто оставляя хорошо видимый дымный след. Допустимые температуры газа перед турбиной неуклонно повышались с течением времени как за счет внедрения более совершенных сплавов и покрытий, так и благодаря разработке и повышению эффективности систем охлаждения лопаток. На ранних двигателях пилот должен был контролировать и не превышать предельную температуру турбины, особенно при запуске и на максимальной тяге. Автоматическое ограничение температуры было введено для снижения рабочей нагрузки на пилота и уменьшения риска повреждения турбины из-за перегрева.
Впуск воздуха
Перед компрессором необходим воздухозаборник, или канал, для обеспечения плавного направления поступающего воздуха на вращающиеся лопатки компрессора. В более ранних двигателях перед движущимися лопатками располагались неподвижные направляющие аппараты. Эти аппараты также помогали направлять воздушный поток на лопатки. Воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, всегда является дозвуковым, независимо от скорости самого самолета. Воздухозаборник должен подавать воздух в двигатель с минимально допустимыми колебаниями давления (известными как искажения потока) и с наименьшими возможными потерями энергии (известными как восстановление полного давления). Увеличение давления в воздухозаборнике является вкладом воздухозаборника в общее отношение давлений и тепловую эффективность двигательной установки. Воздухозаборник становится особенно важным на высоких скоростях, когда он обеспечивает сжатие большее, чем ступень компрессора. Хорошо известными примерами являются двигательные установки Concorde и Lockheed SR-71 Blackbird, где вклад воздухозаборника и двигателя в общее сжатие составлял 63%/8% при числе Маха 2 и 54%/17% при числе Маха 3+. Длина воздухозаборников варьировалась от "нулевой" в установке турбовентиляторного двигателя Pratt & Whitney TF33 на Lockheed C-141 Starlifter до двух воздухозаборников длиной 20 метров на North American XB-70 Valkyrie, каждый из которых питает три двигателя с расходом воздуха около .
Компрессор
Турбина вращает компрессор на высокой скорости, добавляя энергию воздушному потоку и сжимая его в меньшем объеме. Сжатие воздуха повышает его давление и температуру. Чем меньше компрессор, тем выше скорость его вращения. (Большой) вентилятор GE90 115B вращается со скоростью около 2500 об/мин, в то время как компрессор небольшого вертолетного двигателя – около 50 000 об/мин. Турбореактивные двигатели подают отбираемый воздух из компрессора в самолет для работы различных подсистем, таких как система контроля окружающей среды, система защиты от обледенения и система поддержания давления в топливных баках. Для работы самого двигателя требуется воздух с различными значениями давления и расхода. Этот воздух поступает из компрессора, и без него турбины перегреются, смазочное масло будет вытекать из подшипниковых полостей, роторные упорные подшипники будут пробуксовывать или перегружаться, а на носовом конусе образуется лед. Воздух из компрессора, называемый вторичным воздухом, используется для охлаждения турбин, герметизации подшипниковых полостей, защиты от обледенения и обеспечения того, чтобы осевая нагрузка на упорный подшипник ротора не привела к его преждевременному износу. Отбор воздуха для нужд самолета снижает эффективность двигателя, поскольку он уже сжат, но не участвует в создании тяги. Компрессоры, используемые в турбореактивных двигателях, обычно были осевыми или центробежными. Ранние турбореактивные компрессоры имели низкое сжатие, достигающее примерно 5:1. Аэродинамические улучшения, включая разделение компрессора на две независимо вращающиеся секции, использование изменяемого угла установки лопаток входных направляющих аппаратов и статоров, а также отбор воздуха из компрессора, позволили более поздним турбореактивным двигателям достигать общего сжатия 15:1 и выше. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания.
Камера сгорания
Процесс горения в камере сгорания существенно отличается от процесса горения в поршневом двигателе. В поршневом двигателе сгорающие газы ограничены малым объемом, и по мере сгорания топлива давление возрастает. В турбореактивном двигателе смесь воздуха и топлива сгорает в камере сгорания и непрерывно поступает в турбину, без повышения давления. Вместо этого в камере сгорания происходит небольшая потеря давления. Смесь воздуха и топлива может гореть только в потоке воздуха с низкой скоростью, поэтому форсунки топлива поддерживают зону обратного потока для приблизительно стехиометрического горения в первичной зоне. Далее подается дополнительный сжатый воздух, который завершает процесс сгорания и снижает температуру продуктов сгорания до уровня, допустимого для турбины. Обычно для сгорания используется менее 25% воздуха, поскольку для соблюдения температурных ограничений турбины требуется обедненная смесь в целом.
Турбина
Горячие газы, выходящие из камеры сгорания, расширяются в турбине. Типичные материалы для турбин включают инконель и Нимоник. Самые горячие направляющие и рабочие лопатки турбины в двигателе имеют внутренние каналы для охлаждения. Воздух из компрессора подается через эти каналы для поддержания температуры металла в допустимых пределах. Остальные ступени охлаждению не требуют. На первой ступени турбина в основном является импульсной (подобна колесу Пелтона) и вращается за счет воздействия струи горячего газа. На последующих ступенях газ ускоряется в сужающихся каналах. Энергия передается на вал посредством обмена импульсом, в обратном направлении по сравнению с передачей энергии в компрессоре. Мощность, развиваемая турбиной, приводит в действие компрессор и вспомогательное оборудование, такое как топливные, масляные и гидравлические насосы, приводимые в движение вспомогательной коробкой передач.
Дюзл
После турбины газы расширяются через сопло, образуя высокоскоростную струю. В сужающемся сопле канал последовательно сужается к критическому сечению (горлу). Отношение давлений в сопле турбореактивного двигателя достаточно велико при высоких режимах тяги, чтобы вызвать защемление потока в сопле. Однако, если установлено конвергентно-дивергентное сопло де Лаваля, расширяющаяся (увеличивающая площадь потока) секция позволяет газам достичь сверхзвуковой скорости в расширяющейся части. Дополнительная тяга создается за счет более высокой результирующей скорости истечения.
Увеличение тяги
Наиболее часто тяга увеличивалась в турбореактивных двигателях за счет впрыска воды/метанола или форсажной камеры. Некоторые двигатели использовали оба способа. Впрыск жидкости испытывался на Power Jets W.1 в 1941 году, начиная с аммиака, а затем с водой и, наконец, с водного раствора метанола. Была разработана система для испытания этой технологии на самолете Gloster E.28/39, но она так и не была установлена.
Послегородник
Последователь (или форсажная камера) — это камера сгорания, добавляемая для дожигания выхлопных газов турбины. Расход топлива очень высок, обычно в четыре раза больше, чем у основного двигателя. Последователи используются почти исключительно на сверхзвуковых самолетах, большинство из которых — военные. Два сверхзвуковых авиалайнера, Concorde и Ту-144, также использовали последователи, как и Scaled Composites White Knight — самолет-носитель для экспериментального суборбитального космического корабля SpaceShipOne. Дожигание было испытано в полете в 1944 году на двигателях W.2/700 на самолете Gloster Meteor I.
Улучшения цикла
Работа турбореактивного двигателя приблизительно моделируется циклом Брэйтона. Эффективность газотурбины повышается за счет увеличения общего отношения давлений, что требует применения более жаропрочных материалов для компрессора, а также повышения температуры газов на входе в турбину, что требует более совершенных материалов турбины и/или усовершенствованных систем охлаждения лопаток. Эффективность также повышается за счет снижения потерь при движении потока от воздухозаборника до сопла. Эти потери количественно оцениваются эффективностью компрессора и турбины, а также перепадами давления в воздуховодах. При использовании в турбореактивной схеме, где энергия газотурбинного цикла используется в сопле, повышение температуры турбины увеличивает скорость истечения газов. На обычных дозвуковых скоростях это снижает тяговую эффективность, что приводит к общим потерям, отражающимся в повышенном расходе топлива, или удельном расходе топлива (SFC). Однако для сверхзвуковых самолетов это может быть выгодно, и является одной из причин, по которой в самолете "Конкорд" использовались турбореактивные двигатели. Турбореактивные системы – сложные системы, поэтому для обеспечения их оптимальной работы необходимо, чтобы новые модели оснащались усовершенствованными системами управления, использующими новейшие достижения в области автоматизации, для повышения безопасности и эффективности.