Воздушно-реактивный двигатель

Airbreathing воздушно - реактивный двигатель (или обтекателе реактивный двигатель ) представляет собой реактивный двигатель , который испускает струю горячих выхлопных газов , образованных из воздуха , который нагнетается в двигатель на несколько этапов центробежного , осевого или барана сжатия , который затем нагревается и расширяется через а сопло . Обычно это газотурбинные двигатели . Большая часть массового потока через воздушно-реактивный двигатель обеспечивается воздухом, забираемым извне двигателя и нагреваемым изнутри с использованием энергии, накопленной в виде топлива.

Все практические воздушно-реактивные двигатели - это двигатели внутреннего сгорания, которые непосредственно нагревают воздух за счет сжигания топлива, а образующиеся горячие газы используются для приведения в движение через пропульсивное сопло , хотя экспериментировались и другие методы нагрева воздуха (например, ядерные реактивные двигатели). Большинство современных реактивных двигателей - это турбовентиляторные двигатели , которые в значительной степени заменили турбореактивные . В этих современных двигателях используется сердечник газотурбинного двигателя с высоким общим коэффициентом давлений (около 40: 1 в 1995 году) и высокой температурой на входе в турбину (около 1800 K в 1995 году) ^[1]и обеспечивают большую часть своей тяги за счет ступени вентилятора с приводом от турбины, а не за счет чистой выхлопной тяги, как в турбореактивном двигателе. Сочетание этих характеристик обеспечивает высокий КПД по сравнению с турбореактивным двигателем. Несколько реактивных двигатели используют простой баран эффект ( ПВРД ) или сгорание импульсов ( пульсирующий воздушно-реактивный двигатель ) , чтобы дать сжатие.

Фон [ править ]

Первоначально воздушно-реактивный газотурбинный двигатель был ТРД . Это была идея, воплощенная в жизнь двумя инженерами: Фрэнком Уиттлом из Англии, Великобритания, и Хансом фон Охайном из Германии . Турбореактивный двигатель сжимает и нагревает воздух, а затем выпускает его в виде высокоскоростной высокотемпературной струи для создания тяги. Хотя эти двигатели способны создавать высокие уровни тяги, они наиболее эффективны на очень высоких скоростях (более 1 Маха) из-за маломассового расхода и высокой скорости выхлопных газов.

Современные турбовентиляторные двигатели - это развитие турбореактивного двигателя; По сути, это турбореактивный двигатель, который включает новую секцию, называемую ступенью вентилятора . Вместо того, чтобы использовать все выхлопные газы для обеспечения прямой тяги, как у турбореактивного двигателя, турбовентиляторный двигатель извлекает часть мощности из выхлопных газов внутри двигателя и использует ее для питания ступени вентилятора. Ступень вентилятора разгоняет большой объем воздуха через канал, минуя сердечник двигателя.(собственно газотурбинный компонент двигателя) и выбрасывает его сзади как реактивный двигатель, создавая тягу. Часть воздуха, проходящего через ступень вентилятора, попадает в сердечник двигателя, а не направляется назад, и, таким образом, сжимается и нагревается; часть энергии отбирается для питания компрессоров и вентиляторов, а остальная часть выводится сзади. Этот высокоскоростной выхлоп горячего газа смешивается с низкоскоростным выхлопом холодного воздуха из ступени вентилятора, и оба они вносят свой вклад в общую тягу двигателя. В зависимости от того, какая часть холодного воздуха обходится вокруг сердечника двигателя, турбовентиляторные двигатели можно назвать двигателями с низким байпасом , высоким байпасом или очень высоким байпасом .

Двигатели с малым байпасом были первыми производимыми турбовентиляторными двигателями и обеспечивали большую часть своей тяги за счет горячих выхлопных газов активной зоны, в то время как ступень вентилятора только дополняет это. Эти двигатели по-прежнему часто используются на военных истребителях , поскольку они обеспечивают более эффективную тягу на сверхзвуковых скоростях и имеют более узкую лобовую поверхность, что сводит к минимуму аэродинамическое сопротивление . Их сравнительно высокий уровень шума и дозвуковой расход топлива считаются приемлемыми для такого применения, в то время как, хотя в первом поколении авиалайнеров с турбовентиляторными двигателями использовались двигатели с малым байпасом, их высокий уровень шума и расход топлива означают, что они вышли из моды для больших самолетов. Высокий байпасдвигатели имеют гораздо большую ступень вентилятора и обеспечивают большую часть своей тяги за счет воздуха, подаваемого вентилятором; ядро двигателя обеспечивает мощность для ступени вентилятора, и только часть общей тяги создается выхлопным потоком в сердечнике двигателя. Турбореактивный двухконтурный двигатель с высокой степенью байпаса работает очень похоже на турбовинтовой двигатель, за исключением того, что он использует многолопастной вентилятор, а не многолопастной пропеллер , и полагается на канал для правильного направления воздушного потока для создания тяги.

За последние несколько десятилетий произошел переход к двигателям с очень большим байпасом , в которых используются вентиляторы, которые намного больше, чем сам сердечник двигателя, что обычно представляет собой современную высокоэффективную двух- или трехконтактную конструкцию. Высокая эффективность и мощность - вот что делает такие большие вентиляторы жизнеспособными, а доступная увеличенная тяга (до 75 000 фунтов на двигатель в таких двигателях, как Rolls-Royce Trent XWB или General Electric GENx ) позволила перейти на большой двухцилиндровый двигатель. самолет с двигателем, такой как Airbus A350 или Boeing 777 , а также позволяющий самолету с двумя двигателями выполнять полеты по протяженным надводным маршрутам , ранее являвшимся областью применения трехмоторных или4-х моторный самолет .

Реактивные двигатели были разработаны для питания самолетов, но использовались для двигателей реактивных автомобилей и реактивных лодок для попыток установления рекордов скорости и даже для коммерческого использования, например, на железных дорогах для очистки от снега и льда стрелочных переводов на железнодорожных путях (установленных в специальных железнодорожных вагонах), и гоночными трассами для сушки вне трассы после дождя (устанавливаются на специальных грузовиках с продувкой струи выхлопа на поверхность трассы).

Типы воздушно-реактивных двигателей [ править ]

Воздушно-реактивные двигатели почти всегда представляют собой двигатели внутреннего сгорания, которые получают тягу от сгорания топлива внутри двигателя. Кислород, присутствующий в атмосфере, используется для окисления источника топлива, обычно реактивного топлива на углеводородной основе . ^[2] Горящая смесь значительно расширяется в объеме, прогоняя нагретый воздух через сопло .

Газотурбинные двигатели:

• турбореактивный
• турбовентилятор

Реактивный двигатель с тараном:

• прямоточный воздушно-реактивный двигатель
• ГПВРД

Реактивный двигатель с импульсным сгоранием:

• импульсный детонационный двигатель
• импульсный реактивный двигатель
• моторджет

Турбореактивный двигатель [ править ]

Два инженера, Франк Уиттл из Великобритании и Ханс фон Охайн из Германии , независимо разработали концепцию турбореактивного двигателя в практические двигатели в конце 1930-х годов.

Турбореактивные двигатели состоят из воздухозаборника, компрессора , камеры сгорания, турбины (которая приводит в движение компрессор) и движущего сопла. Сжатый воздух нагревается в камере сгорания и проходит через турбину, затем расширяется в сопле, образуя высокоскоростную метательную струю ^[3].

Турбореактивные двигатели имеют низкую тяговую эффективность ниже примерно 2 Маха ^{[ необходима цитата ]} и производят много шума от струи, как результат очень высокой скорости выхлопа. Современные реактивные самолеты оснащены турбовентиляторными двигателями . Эти двигатели с более низкой скоростью выхлопа производят меньше шума от струи и потребляют меньше топлива. Турбореактивные двигатели по-прежнему используются для питания крылатых ракет средней дальности ^{[ необходима цитата ]} из-за их высокой скорости истечения, низкой лобовой площади, что снижает лобовое сопротивление, и относительной простоты, что снижает стоимость.

Турбореактивный двигатель [ править ]

Большинство современных реактивных двигателей - турбовентиляторные. Компрессор низкого давления (LPC), обычно известный как вентилятор, сжимает воздух в байпасный канал, в то время как его внутренняя часть нагнетает компрессор сердечника. Вентилятор часто является неотъемлемой частью многоступенчатого сердечника LPC. Обводной воздушный поток либо проходит в отдельное «холодное сопло», либо смешивается с выхлопными газами турбины низкого давления, а затем расширяется через «сопло смешанного потока».

В 1960-х годах не было большой разницы между гражданскими и военными реактивными двигателями, за исключением использования дожигания в некоторых (сверхзвуковых) приложениях. Сегодня турбовентиляторные двигатели используются в авиалайнерах, потому что их скорость выхлопа лучше соответствует дозвуковой скорости полета авиалайнера. На скоростях полета авиалайнера скорость выхлопа турбореактивного двигателя чрезмерно высока и расходует энергию. Более низкая скорость выхлопа турбовентиляторного двигателя обеспечивает лучший расход топлива. Увеличенный воздушный поток от вентилятора дает большую тягу на низких оборотах. Более низкая скорость выхлопа также снижает шум струи.

Сравнительно большой фронтальный вентилятор имеет несколько эффектов. По сравнению с турбореактивным двигателем с идентичной тягой, ТРДД имеет гораздо больший расход воздуха, а поток через байпасный канал создает значительную долю тяги. Дополнительный воздуховод не воспламенился, что придает ему медленную скорость, но для обеспечения этой тяги не требуется дополнительного топлива. Вместо этого энергия берется из центрального сердечника, что также снижает скорость выхлопа. Таким образом, снижается средняя скорость смешанного отработанного воздуха (низкая удельная тяга ), что снижает расход энергии, но снижает максимальную скорость. В целом турбовентиляторный двигатель может быть намного более экономичным и более тихим, и оказывается, что вентилятор также обеспечивает большую полезную тягу на низких скоростях.

Таким образом, гражданские турбовентиляторные двигатели сегодня имеют низкую скорость выхлопа (низкая удельная тяга - чистая тяга, деленная на воздушный поток), чтобы свести к минимуму шум реактивной струи и повысить топливную эффективность. Следовательно, коэффициент байпаса (байпасный поток, деленный на основной поток) относительно высок (обычно используются коэффициенты от 4: 1 до 8: 1), а Rolls-Royce Trent XWB приближается к 10: 1. ^[4] Требуется только одна ступень вентилятора, поскольку низкая удельная тяга подразумевает низкий коэффициент давления вентилятора.

Турбореактивные двухконтурные двигатели в гражданских самолетах обычно имеют ярко выраженную большую переднюю часть для размещения очень большого вентилятора, так как их конструкция предусматривает гораздо большую массу воздуха, проходящего в обход сердечника, поэтому они могут извлечь выгоду из этих эффектов, в то время как в военных самолетах , где шум и эффективность ниже Что важно по сравнению с характеристиками и сопротивлением, меньшее количество воздуха обычно проходит мимо сердечника. Турбореактивные двигатели, разработанные для дозвуковых гражданских самолетов, также обычно имеют только один передний вентилятор, поскольку их дополнительная тяга создается за счет большой дополнительной массы воздуха, который только умеренно сжимается, а не меньшего количества воздуха, который сильно сжимается.

Военные турбовентиляторные двигатели , однако, имеют относительно высокую удельную тягу , чтобы максимизировать тягу для данной лобовой области, при этом шум реактивной струи менее важен для военных целей по сравнению с гражданскими. Многоступенчатые вентиляторы обычно необходимы для достижения относительно высокого соотношения давлений вентилятора, необходимого для высокой удельной тяги. Несмотря на то, что часто используются высокие температуры на входе в турбину, коэффициент байпасирования имеет тенденцию быть низким, обычно значительно меньше 2,0.

Турбовинтовой и турбовальный [ править ]

Турбовинтовые двигатели - это производные реактивных двигателей, по-прежнему газовые турбины, которые извлекают работу из струи горячего выхлопа для вращения вращающегося вала, который затем используется для создания тяги другими способами. Турбовинтовые двигатели не являются строго реактивными в том смысле, что они полагаются на вспомогательный механизм для создания тяги, но очень похожи на другие турбинные реактивные двигатели и часто описываются как таковые.

В турбовинтовых двигателях часть тяги двигателя создается за счет вращения пропеллера , а не только за счет выхлопа высокоскоростных реактивных двигателей. Турбовинтовые двигатели, создающие тягу в обоих направлениях, иногда называют гибридным реактивным двигателем. Они отличаются от турбовентиляторных двигателей тем, что большую часть тяги обеспечивает традиционный пропеллер, а не канальный вентилятор. В большинстве турбовинтовых двигателей между турбиной и гребным винтом используется редуктор . ( ТРДД также имеют редуктор), но они встречаются реже. Выхлоп с горячей струей составляет важную меньшинство тяги, и максимальная тяга достигается за счет согласования двух составляющих тяги. ^[5] Турбовинтовые двигатели обычно имеют лучшие характеристики, чем турбореактивные двигатели или турбовентиляторные двигатели, на низких скоростях, когда эффективность винта высока, но становятся все более шумными и неэффективными на высоких скоростях. ^[6]

Турбовальные двигатели очень похожи на турбовинтовые, отличаясь тем, что почти вся энергия выхлопных газов отбирается для вращения вращающегося вала, который используется для привода механизмов, а не гребного винта, поэтому они практически не создают реактивной тяги и часто используются для привода. вертолеты . ^[7]

Propfan [ править ]

Винтовентилятор двигатель (называемый также «unducted вентилятора», «открытый ротором», или «ультра-двухконтурности») представляет собой реактивный двигатель , который использует свой газовый генератор к власти открытого вентилятор, похожий на турбовинтовые двигатели. Как и турбовинтовые двигатели, пропеллер создает большую часть тяги, а не выхлопной струи. Основное различие между турбовинтовым двигателем и конструкцией винтового вентилятора заключается в том, что лопасти гребного винта имеют большую стреловидность, что позволяет им работать на скоростях около 0,8 Маха , что позволяет конкурировать с современными коммерческими турбовентиляторными двигателями. Эти двигатели обладают преимуществами топливной экономичности турбовинтовых двигателей по сравнению с коммерческими турбовентиляторными двигателями. ^[8] Хотя на винтовых вентиляторах были проведены значительные исследования и испытания (включая летные испытания), ни один из них не запущен в производство.

Основные компоненты [ править ]

Основные компоненты турбореактивного двигателя, включая ссылки на турбовентиляторные двигатели, турбовинтовые двигатели и турбовальные двигатели:

Холодная секция [ править ]

• Воздухозаборник ( Впуск ) - для дозвуковых самолетов впускной канал является воздуховодом, который необходим для обеспечения плавного потока воздуха в двигатель, несмотря на то, что воздух приближается к впускному отверстию не прямо вперед, а с других направлений. Это происходит на земле из-за бокового ветра и в полете при движении самолета по тангажу и рысканью. Длина воздуховода сведена к минимуму, чтобы уменьшить сопротивление и вес. ^[9] Воздух поступает в компрессор примерно со скоростью, равной половине скорости звука, поэтому при более низких скоростях полета поток будет ускоряться вдоль входа, а на более высоких скоростях полета он замедлится. Таким образом, внутренний профиль входа должен выдерживать как ускоряющийся, так и рассеивающий поток без чрезмерных потерь. Для сверхзвуковых самолетов входной патрубок имеет такие элементы, как конусы и аппарели, чтобы производить наиболее эффективную сериюударные волны, образующиеся при замедлении сверхзвукового потока. Воздух замедляется от скорости полета до дозвуковой скорости через ударные волны, а затем примерно до половины скорости звука в компрессоре через дозвуковую часть входного отверстия. Конкретная система ударных волн выбирается с учетом многих ограничений, таких как стоимость и эксплуатационные потребности, чтобы минимизировать потери, что, в свою очередь, максимизирует восстановление давления в компрессоре. ^[10]
• Компрессор или вентилятор - Компрессор состоит из ступеней. Каждая ступень состоит из вращающихся лопастей и неподвижных статоров или лопаток. По мере прохождения воздуха через компрессор его давление и температура повышаются. Мощность для привода компрессора исходит оттурбины(см. Ниже) в видекрутящего момента навалуи скорости.
• Байпасные каналы доставляют поток от вентилятора с минимальными потерями к байпасному соплу. В качестве альтернативы поток вентилятора может быть смешан с выхлопом турбины перед входом в одиночное сопло. В другом варианте между смесителем и соплом может быть установлен дожигатель.
• Вал - Вал соединяет турбину с компрессором и проходит большую часть длины двигателя. Может быть до трех концентрических валов, вращающихся с независимыми скоростями, с таким же количеством комплектов турбин и компрессоров. Охлаждающий воздух для турбин может течь через вал от компрессора.
• Секция диффузора : - Диффузор замедляет подачу воздуха компрессора для уменьшения потерь потока в камере сгорания. Более медленный воздух также необходим для стабилизации пламени сгорания, а более высокое статическое давление улучшает эффективность сгорания. ^[11]

Горячий раздел [ править ]

• Камера сгорания или камера сгорания - топливо непрерывно сжигается после первоначального воспламенения при запуске двигателя.

• Турбина - Турбина представляет собой серию лопастных дисков, которые действуют как ветряная мельница, отбирая энергию из горячих газов, выходящих из камеры сгорания . Часть этой энергии используется для привода компрессора . Турбовинтовые, турбовальные и турбовентиляторные двигатели имеют дополнительные ступени турбины для привода гребного винта, байпасного вентилятора или ротора вертолета. В свободной турбине турбина, приводящая в движение компрессор, вращается независимо от той, которая приводит в действие винт или ротор вертолета. Охлаждающий воздух, отводимый из компрессора, может использоваться для охлаждения лопаток, лопаток и дисков турбины, чтобы обеспечить более высокие температуры газа на входе в турбину при тех же температурах материала турбины. **
  Лопатка с внутренним охлаждением, применяемая в турбине высокого давления
• Форсаж илиподогрев(британский) - (в основном военный) Создает дополнительную тягу за счет сжигания топлива в форсунке. Этот повторный нагрев выхлопного газа турбины увеличивает температуру на входе в сопло и скорость выхлопа. Площадь сопла увеличена, чтобы приспособиться к большему удельному объему выхлопных газов. Это поддерживает тот же воздушный поток, проходящий через двигатель, чтобы гарантировать неизменность его рабочих характеристик.

• Выхлоп или сопло. Выхлопные газы турбины проходят через сопло, создавая высокоскоростную струю. Сопло обычно сходящееся с фиксированным проходным сечением.
• Сверхзвуковое сопло - для высоких отношений давления в сопле (давление на входе в сопло / давление окружающей среды) используется сходящееся-расширяющееся сопло (де Лаваля) . Расширение до атмосферного давления и сверхзвуковой скорости газа продолжается после горловины и создает большую тягу.

Различные компоненты, упомянутые выше, имеют ограничения на то, как они собираются вместе для обеспечения максимальной эффективности или производительности. Производительность и эффективность двигателя нельзя рассматривать изолированно; например, эффективность расхода топлива / расстояния сверхзвукового реактивного двигателя достигает максимума примерно на 2 мах, тогда как сопротивление транспортного средства, на котором он находится, возрастает по квадратичному закону и имеет гораздо большее сопротивление в околозвуковой области. Таким образом, максимальная топливная эффективность для автомобиля в целом составляет ~ 0,85 Маха.

Для оптимизации двигателя по назначению здесь важны конструкция воздухозаборника, габаритные размеры, количество ступеней компрессора (комплектов лопаток), тип топлива, количество ступеней выпуска, металлургия компонентов, количество использованного байпасного воздуха, где байпас вводится воздух и многие другие факторы. Примером может служить конструкция воздухозаборника.

Операция [ править ]

Цикл двигателя [ править ]

Термодинамика типичного воздушно-реактивного двигателя моделируется приблизительно с помощью цикла Брайтона, который представляет собой термодинамический цикл , описывающий работу газотурбинного двигателя, являющегося основой воздушно-реактивного двигателя и других. Он назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера, который разработал его, хотя первоначально он был предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году. ^[12] Иногда он также известен как цикл Джоуля .

Промежуток тяги [ править ]

Номинальная чистая тяга, указанная для реактивного двигателя, обычно относится к статическому состоянию на уровне моря (SLS) либо для Международной стандартной атмосферы (ISA), либо для условий жаркого дня (например, ISA + 10 ° C). Например, GE90-76B имеет взлетную статическую тягу 76 000 фунтов силы (360 кН) при SLS, ISA + 15 ° C.

Естественно, что чистая тяга будет уменьшаться с высотой из-за меньшей плотности воздуха. Однако существует также эффект скорости полета.

Первоначально, когда самолет набирает скорость на взлетно-посадочной полосе, давление и температура сопла будут незначительно увеличиваться, поскольку подъем поршня во впускном патрубке очень мал. Также будет небольшое изменение массового расхода. Следовательно, максимальная тяга сопла сначала лишь незначительно увеличивается с увеличением скорости полета. Однако, поскольку он является двигателем с воздушным дыханием (в отличие от обычной ракеты), есть штраф за забирание на борт воздуха из атмосферы. Это называется тараном. Хотя штраф равен нулю в статических условиях, он быстро увеличивается со скоростью полета, что приводит к снижению полезной тяги.

По мере того, как скорость полета увеличивается после взлета, подъем поршня во впускном патрубке начинает оказывать значительное влияние на давление / температуру сопла и поток всасываемого воздуха, вызывая более быстрое увеличение общей тяги сопла. Этот член теперь начинает компенсировать все еще увеличивающееся сопротивление гидроцилиндра, в конечном итоге вызывая увеличение чистой тяги. В некоторых двигателях чистая тяга, скажем, на уровне 1,0 Маха на уровне моря может даже быть немного больше статической тяги. При скорости выше 1,0 Маха при дозвуковой конструкции впускного патрубка потери на ударную нагрузку имеют тенденцию к уменьшению полезной тяги, однако сверхзвуковой впускной патрубок соответствующей конструкции может привести к более низкому снижению восстановления давления на впуске, позволяя чистой тяге продолжать набирать высоту в сверхзвуковом режиме.

Безопасность и надежность [ править ]

Реактивные двигатели обычно очень надежны и имеют очень хорошие показатели безопасности. Однако иногда случаются сбои.

Помпаж двигателя [ править ]

В некоторых случаях в реактивных двигателях условия в двигателе из-за потока воздуха, входящего в двигатель, или других изменений могут вызвать остановку лопаток компрессора . Когда это происходит, давление в двигателе выходит за пределы лопастей, и срыв сохраняется до тех пор, пока давление не снизится и двигатель не потеряет всю тягу. Затем лопасти компрессора обычно выходят из остановки и повышают давление в двигателе. Если условия не исправлены, цикл обычно повторяется. Это называется выбросом . В зависимости от двигателя это может сильно повредить двигатель и вызвать тревожную вибрацию для экипажа.

Сдерживание клинка [ править ]

Отказы лопаток вентилятора, компрессора или турбины должны быть локализованы в корпусе двигателя. Для этого двигатель должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать испытания на герметичность лопастей, как указано сертификационными органами. ^[13]

Проглатывание птиц [ править ]

Заглатывание птиц - это термин, используемый, когда птицы попадают в воздухозаборник реактивного двигателя. Это обычная угроза безопасности самолетов, приводящая к несчастным случаям со смертельным исходом. В 1988 году Ethiopian Airlines Boeing 737 глотали Голуби в обоих двигателей во время взлета , а затем врезался в попытке вернуться в Бахр Дар аэропорта; из 104 человек на борту 35 погибли и 21 получили ранения. Во время другого инцидента в 1995 году Dassault Falcon 20 разбился в аэропорту Парижа во время попытки аварийной посадки после попадания чиби в двигатель, что вызвало отказ двигателя и пожар в фюзеляже самолета ; все 10 человек на борту погибли. ^[14]

Реактивные двигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать попадание внутрь птиц определенного веса и количества и не терять тягу, превышающую установленную. Вес и количество птиц, которые могут быть проглочены без ущерба для безопасного полета самолета, зависят от зоны всасывания двигателя. ^[15] В 2009 году самолет Airbus A320 , рейс 1549 US Airways , проглотил по одному канадскому гуся в каждый двигатель. Самолет упал в реке Гудзон после взлета из международного аэропорта Ла Гуардия в Нью-Йорке. Погибших нет. Инцидент проиллюстрировал опасность проглатывания птиц сверх «предусмотренного» предела.

Результат заглатывания и то, приведет ли оно к аварии, будь то на небольшом быстром самолете, таком как военные реактивные истребители , или на большом транспортном средстве, зависит от количества и веса птиц, а также от того, где они ударяются о размах лопастей вентилятора или носовой обтекатель. Повреждение сердечника обычно происходит в результате ударов около ножки лезвия или носового конуса.

Немногие птицы летают высоко, поэтому наибольший риск их проглатывания возникает во время взлета и посадки, а также при полете на малой высоте.

Вулканический пепел [ править ]

Если реактивный самолет пролетает через воздух, загрязненный вулканическим пеплом , существует риск того, что проглоченный пепел вызовет эрозионное повреждение лопаток компрессора, закупорку отверстий для воздуха в топливных форсунках и засорение охлаждающих каналов турбины. Некоторые из этих эффектов могут вызвать всплеск или пламя двигателя во время полета. Повторное зажигание обычно бывает успешным после погасания пламени, но со значительной потерей высоты. Это был случай рейса 9 British Airways, который пролетел сквозь вулканическую пыль на высоте 37 000 футов. Все 4 двигателя загорелись, и попытки повторного зажигания были успешными на высоте около 13 000 футов ^[16].

Неконтролируемые сбои [ править ]

Один из классов отказов, которые привели к несчастным случаям, - это неконтролируемый отказ, когда вращающиеся части двигателя отламываются и выходят через корпус. Эти высокоэнергетические детали могут перерезать топливопровод и линии управления, а также проникнуть в кабину. Несмотря на то, топливо и линия управления, как правило , дублируется на надежность, то сбой из United Airlines Flight 232 был вызван , когда гидравлическая жидкость линия для всех трех независимых гидравлических систем одновременно разорваны осколками от неконтролируемого отказа двигателя. До крушения United 232 вероятность одновременного отказа всех трех гидравлических систем оценивалась как один миллиард к одному. Однако статистические моделиИспользуемые для получения этой цифры не учитывали ни тот факт, что двигатель номер два был установлен в хвостовой части, близко ко всем гидравлическим линиям, ни возможность того, что отказ двигателя приведет к выбросу множества осколков во многих направлениях. С тех пор более современные конструкции авиационных двигателей сосредоточены на предотвращении проникновения шрапнели в капот или воздуховоды и все чаще используют высокопрочные композитные материалы для достижения необходимого сопротивления проникновению при сохранении низкого веса.

Экономические соображения [ править ]

В 2007 году стоимость авиакеросина , хотя и сильно варьировалась от одной авиакомпании к другой, составляла в среднем 26,5% от общих операционных расходов, что делало ее крупнейшими операционными расходами для большинства авиакомпаний. ^[17]

Соображения по охране окружающей среды [ править ]

Реактивные двигатели обычно работают на ископаемом топливе и поэтому являются источником двуокиси углерода в атмосфере. Реактивные двигатели также могут работать на биотопливе или водороде, хотя водород обычно получают из ископаемого топлива.

Около 7,2% масла, использованного в 2004 году, было потреблено реактивными двигателями. ^[18]

Некоторые ученые ^{[ кто? ]} считают, что реактивные двигатели также являются источником глобального затемнения из-за водяного пара в выхлопе, вызывающего образование облаков. ^{[ необходима цитата ]}

Соединения азота также образуются в процессе горения в результате реакции с атмосферным азотом. Считается, что на малых высотах это не особенно вредно, но для сверхзвуковых самолетов, которые летают в стратосфере, может произойти некоторое разрушение озона.

Сульфаты также выделяются, если топливо содержит серу.

Продвинутый дизайн [ править ]

Ramjet [ править ]

ПВРД - это разновидность воздушно-реактивного двигателя, использующего поступательное движение двигателя для сжатия поступающего воздуха без роторного компрессора. ПВРД не могут создавать тягу при нулевой воздушной скорости и, следовательно, не могут сдвинуть самолет с места. Для хорошей работы ПВРД требуется значительная поступательная скорость, и, как класс, наиболее эффективно они работают на скоростях около  3 Маха . Этот тип реактивных двигателей может работать до 6 Маха.

Они состоят из трех секций; входное отверстие для сжатия поступающего воздуха, камера сгорания для впрыска и сжигания топлива и сопло для удаления горячих газов и создания тяги. ПВРД требует относительно высокой скорости для эффективного сжатия поступающего воздуха, поэтому ПВРД не могут работать в неподвижном состоянии и наиболее эффективны на сверхзвуковых скоростях. Ключевой особенностью ПВРД является то, что сгорание осуществляется на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой входящий воздух резко замедляется через входное отверстие, где он затем сгорает на гораздо более медленных дозвуковых скоростях. ^[19] Однако чем быстрее поступающий воздух, тем менее эффективным становится его замедление до дозвуковых скоростей. Поэтому скорость ПВРД ограничена примерно 5 Махами ^[20].

ПВРД могут быть особенно полезны в приложениях, требующих небольшого и простого двигателя для использования на высоких скоростях, таких как ракеты , в то время как конструкторы оружия стремятся использовать технологию ПВРД в артиллерийских снарядах для увеличения дальности: ожидается, что 120-мм минометный снаряд, при помощи прямоточного воздушно-реактивного двигателя может достичь дальности до 22 миль (35 км). ^[21] Они также успешно, хотя и неэффективно, использовались в качестве реактивных двигателей на винтах вертолетов . ^[22]

ПВРД часто путают с импульсными , которые используют прерывистое сгорание, но ПВРД используют процесс непрерывного сгорания и представляют собой совершенно особый тип реактивного двигателя.

Scramjets [ править ]

ГПРД - это эволюция ПВРД, которые могут работать на гораздо более высоких скоростях, чем любой другой тип дыхательных двигателей. Они имеют аналогичную структуру с прямоточными воздушно-реактивными двигателями, представляя собой трубу особой формы, которая сжимает воздух без движущихся частей за счет сжатия набегающего воздуха. Они состоят из входа, камеры сгорания и сопла. Основное различие между прямоточными и прямоточными воздушно-прямыми реактивными двигателями состоит в том, что они не замедляют набегающий воздушный поток до дозвуковых скоростей для сгорания. Таким образом, прямоточные воздушные двигатели не имеют диффузора, необходимого для прямоточных воздушно-прямоточных двигателей для замедления набегающего воздушного потока до дозвуковых скоростей. Они используют вместо сверхзвукового горения и название «ГПВРД» происходит от « S upersonic С ombusting ПВРД .»

ГПРД начинают работать со скоростью не менее 4 Маха и имеют максимальную полезную скорость примерно 17 Маха ^[23]. Из-за аэродинамического нагрева на этих высоких скоростях охлаждение представляет собой проблему для инженеров.

Поскольку ГПВРД используют сверхзвуковое сгорание, они могут работать на скоростях выше 6 Маха, где традиционные ПВРД слишком неэффективны. Еще одно различие между прямоточными и прямоточными воздушно-прямыми реактивными двигателями заключается в том, как каждый тип двигателя сжимает набегающий воздушный поток: в то время как впускное отверстие обеспечивает большую часть сжатия для ПВРД, высокие скорости, на которых работают прямоточные воздушные двигатели, позволяют им использовать сжатие, создаваемое , прежде всего, ударными волнами. косые удары . ^[24]

Было построено и запущено очень мало ГПВП. В мае 2010 года Boeing X-51 установил рекорд по продолжительности горения ГПВРД - более 200 секунд. ^[25]

P&W J58 Mach 3+ ТРД с форсажем [ править ]

Для работы турбореактивного двигателя на всем диапазоне полета от нуля до 3+ Маха требуются функции, позволяющие компрессору правильно работать при высоких температурах на входе, превышающих 2,5 Маха, а также на низких скоростях полета. ^[26] Решение компрессора J58 заключалось в отводе воздуха из 4-й ступени компрессора на скоростях выше примерно 2 Маха. ^[27] Отводной поток, 20% при 3 Маха, возвращался в двигатель через 6 внешних трубок для охлаждения гильзы камеры дожигания. и первичное сопло, а также для обеспечения дополнительного воздуха для горения. ^[28] Двигатель J58 был единственным действующим турбореактивным двигателем, предназначенным для непрерывной работы даже на максимальном форсажном режиме на крейсерском режиме 3,2 Маха.

Альтернативное решение рассматривается в современной установке, которая не достигла рабочего состояния, Mach 3 GE YJ93 / XB-70. Он использовал компрессор с регулируемым статором. ^[29] Еще одно решение было указано в предложении для разведывательного Фантома со скоростью 3 Маха. Это было предкомпрессорным охлаждением, хотя и доступным в течение относительно короткого времени. ^{[30] [31]}

Воздушно-реактивные двигатели, работающие на водороде [ править ]

Реактивные двигатели могут работать практически на любом топливе. Водород - очень желательное топливо, поскольку, хотя энергия на моль не слишком высока, молекула намного легче других молекул. Энергия на килограмм водорода в два раза больше, чем у более обычных видов топлива, и это дает удельный импульс вдвое. Кроме того, реактивные двигатели, работающие на водороде, довольно легко построить - первый в истории турбореактивный двигатель работал на водороде. Кроме того, хотя и не канальные двигатели, но и ракетные двигатели, работающие на водороде, нашли широкое применение.

Однако почти во всех остальных отношениях водород проблематичен. Обратной стороной водорода является его плотность; в газообразной форме баллоны непрактичны для полета, но даже в виде жидкого водорода он имеет плотность в четырнадцатую от плотности воды. Он также является глубоко криогенным и требует очень значительной изоляции, которая не позволяет хранить его в крыльях. В конечном итоге транспортное средство окажется очень большим, и его будет трудно разместить в большинстве аэропортов. Наконец, чистый водород не встречается в природе и должен производиться либо путем парового риформинга, либо путем дорогостоящего электролиза . Несколько экспериментальных самолетов с водородным двигателем летали с винтами, и были предложены реактивные двигатели, которые могут быть осуществимы. ^[32]

Предварительно охлажденные реактивные двигатели [ править ]

Идея, выдвинутая Робертом П. Кармайклом в 1955 году ^[33], состоит в том, что двигатели, работающие на водороде, теоретически могли бы иметь гораздо более высокие характеристики, чем двигатели, работающие на углеводородном топливе, если бы для охлаждения поступающего воздуха использовался теплообменник. Низкая температура позволяет использовать более легкие материалы, больший массовый расход через двигатели и позволяет камерам сгорания впрыскивать больше топлива без перегрева двигателя.

Эта идея приводит к правдоподобным проектам, таким как реактивные двигатели SABRE , которые могут позволить одноступенчатые ракеты-носители на орбиту , ^[34] и ATREX , которые могут позволить использовать реактивные двигатели до гиперзвуковых скоростей и больших высот для ускорителей для ракет-носителей. . Евросоюз также изучает эту идею для достижения безостановочного антиподального сверхзвукового пассажирского движения на скорости 5 Махов ( реактивные двигатели A2 ).

Турборокет [ править ]

Воздух turborocket является формой комбинированного цикла реактивного двигателя . Базовая схема включает газогенератор , который производит газ под высоким давлением, который приводит в действие узел турбина / компрессор, который сжимает атмосферный воздух в камеру сгорания. Затем эта смесь сжигается перед тем, как покинуть устройство через сопло и создать тягу.

Есть много разных типов воздушных турбореактивных двигателей. Различные типы обычно различаются по принципу работы газогенераторной части двигателя.

Воздушные турбореактивные двигатели часто называют турбореактивными двигателями , турбореактивными ракетами , расширителями турбореактивных двигателей и многими другими. Поскольку нет единого мнения о том, какие названия относятся к каким конкретным концепциям, разные источники могут использовать одно и то же имя для двух разных концепций. ^[35]

Терминология [ править ]

Для указания числа оборотов в минуту или частоты вращения ротора реактивного двигателя обычно используются сокращения:

• Для турбовинтового двигателя N _p относится к числу оборотов гребного вала. Например, обычное N _p будет около 2200 об / мин для винта с постоянной скоростью .
• N ₁ или N _g относится к частоте вращения секции газогенератора. Каждый производитель двигателей будет выбирать между этими двумя сокращениями. N1 также используется для скорости вращения вентилятора на турбовентиляторном , в этом случае N ₂ является скорость газового генератора (2 вала двигателя). N _g в основном используется для турбовинтовых или турбовальных двигателей. Например, обычный _Ng будет порядка 30 000 об / мин.
• N ₂ или N _f относится к скорости секции силовой турбины. Каждый производитель двигателей будет выбирать между этими двумя сокращениями, но N2 в основном используется для турбовентиляторных двигателей, тогда как Nf в основном используется для турбовинтовых или турбовальных двигателей. Во многих случаях, даже для свободных газотурбинных двигателей, N ₁ и N ₂ могут быть очень похожими. ^{[ необходима цитата ]}
• N _s относится к частоте вращения выходного вала редуктора (RGB) для турбовальных двигателей. ^{[36] [37]}

Во многих случаях вместо того, чтобы выражать скорости винта (N ₁ , N ₂ ) в виде оборотов в минуту на дисплеях кабины пилотов, пилоты получают значения скорости, выраженные в процентах от расчетной скорости. Например, на полной мощности N ₁ может составлять 101,5% или 100%. Это решение, связанное с пользовательским интерфейсом , было принято с учетом человеческого фактора , поскольку пилоты с большей вероятностью заметят проблему с двузначным или трехзначным процентом (где 100% подразумевает номинальное значение), чем с пятизначным числом оборотов в минуту.

См. Также [ править ]

• Насос-струйный
• Ракетный двигатель
• Турбовинтовой - газотурбинный двигатель, используемый для вращения гребных винтов.
• Турбовальный - газотурбинный двигатель вертолетов.

Ссылки [ править ]