Как работает двигатель самолета

Впервые самолет с турбореактивным двигателем (ТРД) поднялся в воздух в 1939 году. С тех пор устройство двигателей самолетов совершенствовалось, появились различные виды, но принцип работы у всех них примерно одинаковый. Чтобы понять, почему воздушное судно, имеющий столь большую массу, так легко поднимается в воздух, следует узнать, как работает двигатель самолета. ТРД приводит в движение воздушное судно за счет реактивной тяги. В свою очередь, реактивная тяга является силой отдачи струи газа, которая вылетает из сопла. То есть получается, что турбореактивная установка толкает самолет и всех находящихся в салоне людей с помощью газовой струи. Реактивная струя, вылетая из сопла, отталкивается от воздуха и таким образом, приводит в движение воздушное судно.

Устройство турбовентиляторного двигателя

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В двигателях воздушных судов могут быть установлены различные сопла. Наиболее совершенными считаются подвижные. Подвижное сопло способно расширяться и сжиматься, а также регулировать угол, задавая правильное направление реактивной струе. Самолеты с такими двигателями характеризуются отличной маневренностью.

Виды двигателей

Двигатели для самолетов бывают различных типов:

• классические;
• турбовинтовые;
• турбовентиляторные;
• прямоточные.

Классические установки работают по принципу, описанному выше. Такие двигатели устанавливают на воздушных судах различной модификации. Турбовинтовые функционируют несколько иначе. В них газовая турбина не имеет механической связи с трансмиссией. Эти установки приводят самолет в движение с помощью реактивной тяги лишь частично. Основную часть энергии горячей смеси данный вид установки использует для привода воздушного винта через редуктор. В такой установке вместо одной присутствует 2 турбины. Одна из них приводит компрессор, а вторая – винт. В отличие от классических турбореактивных, винтовые установки более экономичны. Но они не позволяют самолетам развивать высокие скорости. Их устанавливают на малоскоростных воздушных судах. ТРД позволяют развивать гораздо большую скорость во время полета.

Турбовентиляторные двигатели представляют собой комбинированные установки, сочетающие элементы турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Они отличаются от классических большим размером лопастей вентилятора. И вентилятор, и винт функционируют на дозвуковых скоростях. Скорость перемещения воздуха понижается за счет наличия специального обтекателя, в который помещен вентилятор. Такие двигатели более экономично расходуют топливо, чем классические. Кроме того, они характеризуются более высоким КПД. Чаще всего их устанавливают на лайнерах и самолетах большой вместительности.

Размер двигателя самолета относительно человеческого роста

Прямоточные воздушно-реактивные установки не предполагают использование подвижных элементов. Воздух втягивается естественным путем благодаря обтекателю, установленному на входном отверстии. После поступления воздуха двигатель работает аналогично классическому.

Некоторые самолеты летают на турбовинтовых двигателях, устройство которых гораздо проще, чем устройство ТРД. Поэтому у многих возникает вопрос: зачем использовать более сложные установки, если можно ограничиться винтовой? Ответ прост: ТРД превосходят винтовые двигатели по мощности. Они мощнее в десятки раз. Соответственно, ТРД выдает гораздо большую тягу. Благодаря этому обеспечивается возможность поднимать в воздух большие самолеты и осуществлять перелеты на высокой скорости.

Как это работает. Турбореактивный двухконтурный двигатель

Фото: ОАК

22 апреля 1941 года конструктор Архип Люлька получил авторское свидетельство на схему турбореактивного двухконтурного двигателя. Сегодня по схеме Люльки выпускается большинство турбореактивных двухконтурных двигателей в мире. 

Об устройстве турбореактивных двухконтурных двигателей и новых возможностях, которые они принесли в авиацию, – в нашем материале.

История создания

Поршневые двигатели, аналогичные тем, которые и сегодня стоят под капотом любой легковушки, поднимали в небо самолеты в первые сорок лет истории авиации. Во время Второй мировой войны, когда скорость боевых машин имела критическое значение, стало понятно, что поршневые самолеты подошли к своему пределу, и нужно искать что-то новое. Этим новым стал реактивный двигатель. 

Еще в 1903 году, когда взлетали первые самолеты братьев Райт, Константин Циолковский предложил применять реактивную тягу для преодоления притяжения Земли в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В СССР самым успешным проектом ТРД стали работы авиаконструктора Архипа Люльки. Разрабатывать тему он начал еще в 1930-е годы. Осенью 1940 года группа конструктора в Ленинграде закончила проект двигателя, получившего название РД-1. В 1941 году Люлька запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, которая и сегодня является эталоном для подобных силовых установок во всем мире.

Турбореактивный двигатель РД-1

К началу Великой Отечественной войны команда Люльки успела на 70% выполнить двигатель РД-1 в металле, но эвакуация на Урал прервала работы. Когда стало известно, что немцы достигли успеха в реактивном двигателестроении, об Архипе Люльке вспомнили. Вместе с командой саперов конструктор смог вывезти из блокадного Ленинграда чертежи и детали своего реактивного первенца и возобновить разработки. В 1947 году состоялся первый полет истребителя-перехватчика Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработанными в конструкторском бюро Архипа Люльки. Это была победа конструктора и начало длительного сотрудничества с КБ Павла Сухого.

Принцип работы турбореактивного двигателя

Если говорить совсем просто, не погружаясь в глубины термодинамики, то турбореактивный двигатель – это тепловая машина, преобразующая энергию в механическую работу. В качестве носителя энергии выступает атмосферный воздух, который, сжимаясь и расширяясь в двигателе, приводит самолет в движение. 

Для получения максимального полезного эффекта в ТРД воздух перед сжатием необходимо охладить, а перед расширением нагреть. Поэтому механизм турбореактивного двигателя можно условно разделить на устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. В ТРД в их качестве выступают компрессор, камера сгорания, турбина, а за охлаждение газа отвечает атмосфера. 

Сам процесс работы двигателя можно описать следующим образом. Воздух затягивается внутрь установки посредством компрессора с рядами рабочих лопаток на оси и затем сжимается. Далее в камере сгорания воздух смешивается с продуктами горения топлива, нагревается и расширяется. Затем расширенный газ на огромной скорости подается на турбину, также оснащенную лопатками, которая в свою очередь вращает компрессор. После этого раскаленный газ вырывается наружу через реактивное сопло, толкая самолет вперед. Скорость самолета при этом зависит от массы и скорости выходящих газов. 

Самой нагруженной частью ТРД является турбина, скорость вращения которой может составлять до 30 тыс. оборотов в минуту. А температура в камере сгорания может подниматься до 1,5 тыс. °C.

Чем отличается двухконтурный ТРД

В 1950-е годы, когда турбореактивные двигатели распространились в авиации, встал вопрос об их «прожорливости», то есть об уменьшении потребления топлива при сохранении мощности. Тогда Архип Люлька смог вернуться к своему проекту 1941 года – двухконтурному ТРД. 

Конструктор предложил добавить в установку еще один воздушный контур. При этом поступающий в двигатель воздух делится на два потока. Один поток, как и в прежних ТРД, поступает во внутренний контур. Другой поток воздуха проходит по внешнему контуру, минуя нагрев, и выбрасывается сразу в сопло вместе с горячими газами, что и создает дополнительную тягу. 

Таким образом при сохранении нужной скорости можно экономить топливо. На дозвуковых скоростях турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) обеспечивает экономный режим, а при необходимости самолет может выходить в режим форсажа и достигать сверхзвуковых скоростей. По этой схеме сегодня работает большинство турбореактивных двигателей в мире. 

Двигатель АЛ-31Ф М2. Фото: wikimedia.org

Важным параметром в ТРДД является степень двухконтурности, то есть соотношение объемов газов, проходящих по внешнему и внутреннему контуру. Чем выше показатель, тем менее «прожорлив» двигатель. Для военных самолетов, где расход топлива не так критичен, как большая тяга, применяются ТРДД с низкой степенью двухконтурности. А в пассажирских самолетах основная тяга двигателя создается за счет внешнего контура, поэтому они более экономичны, что влияет на стоимость перелетов. 

Архип Люлька не дожил всего год до окончания государственных испытаний своего детища в 1985 году, но застал его массовый старт. Производство первого советского ТРДД, получившего название АЛ-31Ф в честь своего создателя, началось в 1981 году. Этот турбореактивный двухконтурный двигатель стал основой для целого семейства силовых установок, предназначенных для военной авиации. ОКБ имени А. Люльки – филиал ПАО «ОДК-УМПО» продолжает модернизировать АЛ-31 – возможности для его развития еще далеко не исчерпаны.

Двигатели

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Жоао Карлоу Медау

Когда вы садитесь в самолет, вы можете не думать о двигателях. Но это единственная причина, по которой 700 000 фунтов алюминия и пассажиров могут летать по воздуху со скоростью, равной 80% скорости звука. Так как же они работают? Давайте взглянем.

Основы

Реактивные двигатели, также называемые газовыми турбинами, работают за счет всасывания воздуха в переднюю часть двигателя с помощью вентилятора. Оттуда двигатель сжимает воздух, смешивает с ним топливо, воспламеняет топливно-воздушную смесь и выбрасывает ее из задней части двигателя, создавая тягу.

Это довольно простое объяснение того, как это работает, так что давайте взглянем на каждую часть реактивного двигателя, чтобы увидеть, что происходит на самом деле.

Детали реактивного двигателя

Существует 4 основных типа газотурбинных двигателей, но в этом примере мы будем использовать турбовентиляторный двигатель, который сегодня является наиболее распространенным типом газотурбинного двигателя, используемого в реактивных самолетах.

Вентилятор

Вентилятор является первой частью турбовентилятора. Это также та часть, которую вы можете увидеть, когда смотрите на переднюю часть самолета.

Drewski2112

Вентилятор, который почти всегда сделан из титановых лопастей, всасывает в двигатель огромное количество воздуха.

Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в сердцевину двигателя, где и происходит сгорание. Остальной воздух, называемый «байпасным воздухом», перемещается снаружи ядра двигателя по воздуховоду. Этот перепускной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и делает его тише, заглушая отработавший воздух, выходящий из двигателя. В современных турбовентиляторных двигателях перепускной воздух создает большую часть тяги двигателя.

Компрессор

Компрессор расположен в первой части ядра двигателя. А он, как вы, наверное, догадались, сжимает воздух .

Компрессор, который называется «компрессор с осевым потоком», использует серию вращающихся лопастей аэродинамической формы для ускорения и сжатия воздуха. Это называется осевым потоком, потому что воздух проходит через двигатель в направлении, параллельном валу двигателя (в отличие от центробежного потока).

Когда воздух проходит через компрессор, каждый набор лопастей становится немного меньше, добавляя воздуху больше энергии и сжатия.

Между каждым набором лопаток компрессора находятся неподвижные лопатки аэродинамической формы, называемые «статорами». Эти статоры (которые также называются лопастями) увеличивают давление воздуха за счет преобразования энергии вращения в статическое давление. Статоры также готовят воздух для входа в следующий набор вращающихся лопастей. Другими словами, они «выпрямляют» поток воздуха.

В сочетании пара вращающихся и неподвижных лопастей называется сценой.

Камера сгорания

Камера сгорания — это место, где возникает огонь. Когда воздух выходит из компрессора и поступает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется.

Звучит просто, но на самом деле это очень сложный процесс. Это связано с тем, что камера сгорания должна поддерживать стабильное сгорание топливно-воздушной смеси, в то время как воздух проходит через камеру сгорания с чрезвычайно высокой скоростью.

Корпус содержит все части камеры сгорания, и внутри него диффузор — это первая часть, которая работает.

Диффузор замедляет поток воздуха из компрессора, облегчая воспламенение. Купол и завихритель создают турбулентность воздуха, чтобы он легче смешивался с топливом. А топливная форсунка, как вы, наверное, догадались, распыляет топливо в воздух, создавая топливно-воздушную смесь, которая может воспламениться.

Оттуда, в гильзе, происходит фактическое возгорание. Вкладыш имеет несколько впускных отверстий, что позволяет воздуху поступать в несколько точек зоны горения.

Последней основной частью является воспламенитель, который очень похож на свечи зажигания в вашем автомобиле или самолете с поршневым двигателем. Как только воспламенитель зажигает огонь, он становится самоподдерживающимся, и воспламенитель выключается (хотя его часто используют в качестве резервного в плохую погоду и в условиях обледенения).

Турбина

Когда воздух проходит через камеру сгорания, он проходит через турбину. Турбина представляет собой набор лопаток аэродинамической формы, очень похожих на лопатки компрессора. Когда горячий, высокоскоростной воздух обтекает лопасти турбины, они извлекают энергию из воздуха, вращая турбину по кругу и вращая вал двигателя, к которому она подключена.

Это тот же вал, к которому подключены вентилятор и компрессор, поэтому, вращая турбину, вентилятор и компрессор в передней части двигателя продолжают всасывать больше воздуха, который вскоре смешивается с топливом и сжигается.

Сопло

Последний этап процесса происходит в сопле. Сопло — это, по сути, выхлопной канал двигателя, и через него сзади выбрасывается высокоскоростной воздух.

Это также та часть, где вступает в действие третий закон сэра Исаака Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Проще говоря, вытесняя воздух из задней части двигателя на высокой скорости, самолет толкается вперед.

В некоторых двигателях также имеется смеситель в выхлопном сопле. Это просто смешивает часть перепускного воздуха, обтекающего двигатель, с горячим воздухом сгорания, делая двигатель тише.