Воздушно-реактивный двигатель - Airbreathing jet engine

An воздушно-реактивный двигатель (или же канальный реактивный двигатель) это реактивный двигатель что испускает струю горячего выхлопные газы образуется из воздуха, который нагнетается в двигатель несколькими ступенями центробежный, осевой или таран сжатие, который затем нагревается и расширяется через сопло. Обычно они 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 практичные воздушно-реактивные двигатели двигатель внутреннего сгорания которые непосредственно нагревают воздух за счет сжигания топлива, в результате чего горячие газы используются для движения через пропульсивное сопло, хотя экспериментировались и другие методы нагрева воздуха (например, ядерный реактивный самолет двигатели). Большинство современных конструкций реактивных двигателей турбовентиляторы, которые в значительной степени заменили турбореактивные двигатели. Эти современные двигатели используют газовая турбина сердечник двигателя с высоким общий коэффициент давления (около 40: 1 в 1995 году) и высокая температура 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. Некоторые реактивные двигатели используют простой ударный эффект (прямоточный воздушно-реактивный двигатель ) или импульсное горение (импульсный ) для сжатия.

Фон

Первоначальный воздушно-реактивный газотурбинный двигатель был турбореактивный. Это была концепция, воплощенная в жизнь двумя инженерами, Фрэнк Уиттл в Англия Великобритания и Ганс фон Охайн в Германия. 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; это в основном турбореактивный двигатель, который включает новую секцию, называемую фан-сцена. 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 по воздуховоду, минуя ядро 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 сочетается с низкоскоростным выхлопом холодного воздуха из ступени вентилятора, и оба они вносят свой вклад в общую тягу двигателя. В зависимости от того, какая доля холодного воздуха обойден вокруг сердечника двигателя турбовентилятор можно назвать низкий байпас, высокий байпас, или же очень высокий байпас двигатели.

Низкий байпас двигатели были первыми произведенными турбовентиляторными двигателями и обеспечивают большую часть своей тяги за счет горячих выхлопных газов ядра, в то время как ступень вентилятора только дополняет это. Эти двигатели до сих пор часто встречаются на военных самолет истребитель, поскольку они обеспечивают более эффективную тягу на сверхзвуковой скорости и имеют более узкую фронтальную область, сводя к минимуму аэродинамическое сопротивление. Их сравнительно высокий уровень шума и дозвуковой расход топлива считаются приемлемыми для такого применения, в то время как турбовентиляторные двигатели первого поколения авиалайнеры использовались двигатели с малым байпасом, их высокий уровень шума и расход топлива означают, что они вышли из моды для больших самолетов. Высокий байпас двигатели имеют гораздо большую ступень вентилятора и обеспечивают большую часть своей тяги за счет воздушного потока вентилятора; ядро двигателя обеспечивает мощность для ступени вентилятора, и только часть общей тяги создается выхлопным потоком ядра двигателя. Турбореактивный двухконтурный двигатель с высокой степенью байпаса работает очень похоже на турбовинтовой двигатель, за исключением использования многолопастного поклонник а не многолезвие пропеллер, и полагается на воздуховод для правильного направления воздушного потока для создания тяги.

За последние несколько десятилетий произошел сдвиг в сторону очень высокий байпас Двигатели, в которых используются вентиляторы, намного превышающие размеры самого сердечника двигателя, который обычно представляет собой современную высокоэффективную двух- или трехконтактную конструкцию. Такой высокий КПД и мощность позволяют таким большим вентиляторам быть жизнеспособными, а также иметь увеличенную тягу (до 75000 фунтов на двигатель в таких двигателях, как Роллс-Ройс Трент XWB или же General Electric GENx ), позволили перейти на большие двухмоторные самолеты, такие как Airbus A350 или же Боинг 777, а также позволяя двухмоторным самолетам совершать полеты по протяженным надводным маршрутам, ранее принадлежавшая 3 двигателя или же 4-х моторный самолет.

Реактивные двигатели были разработаны для питания самолетов, но использовались для питания реактивные автомобили и реактивные лодки для попыток установления рекорда скорости и даже для коммерческого использования, например, на железных дорогах для уборки снега и льда с переключатели в ограды (устанавливается в специальных железнодорожных вагонах), а также гоночными трассами для сушки вне трассы после дождя (устанавливается в специальных тележках с обдувом струи выхлопа на поверхность трассы).

Типы воздушно-реактивных двигателей

Воздушно-реактивные двигатели почти всегда двигатель внутреннего сгорания которые получают тягу от сгорания топлива внутри двигателя. Кислород присутствует в атмосфере используется для окислять источник топлива, обычно на углеводородной основе реактивное топливо.[2] Горящая смесь значительно расширяется в объеме, прогоняя нагретый воздух через форсунка.

Газовая турбина двигатели с приводом:

Реактивный двигатель с тараном:

Реактивный двигатель с импульсным сгоранием:

Турбореактивный двигатель

Основная статья: турбореактивный двигатель
Схема турбореактивного двигателя

Два инженера, Фрэнк Уиттл в Великобритании и Ганс фон Охайн в Германия, разработала турбореактивный концепция независимо в практические двигатели в конце 1930-х годов.

Турбореактивные двигатели состоят из воздухозаборника, компрессор, камера сгорания, турбина (приводящая в движение компрессор) и метательное сопло. Сжатый воздух нагревается в камере сгорания и проходит через турбину, затем расширяется в сопле, создавая высокоскоростную движущуюся струю.[3]

Турбореактивные двигатели имеют низкую тяговую эффективность ниже 2 Маха.[нужна цитата ] и производят сильный струйный шум, как результат очень высокой скорости выхлопа. Современные реактивные самолеты оснащены двигателями турбовентиляторы. Эти двигатели с более низкой скоростью выхлопа производят меньше шума от струи и потребляют меньше топлива. Турбореактивные двигатели по-прежнему используются для двигателей средней дальности. крылатые ракеты,[нужна цитата ] за счет высокой скорости выхлопа, небольшой лобовой площади и относительной простоты.

Турбореактивный двигатель

Основная статья: Турбовентиляторный
Анимированный турбовентиляторный двигатель

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 между гражданскими и военными реактивными двигателями не было большой разницы, за исключением использования дожигание в некоторых (сверхзвуковых) приложениях. Сегодня турбовентиляторные двигатели используются для авиалайнеры потому что они имеют скорость выхлопа, которая 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 часть 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, средняя скорость смешанного отработанного воздуха уменьшается (низкая удельная тяга ), что требует меньших затрат 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 ТРДД сегодня имеют низкую скорость выхлопа (низкий удельная тяга - чистая тяга, разделенная на воздушный поток), чтобы свести к минимуму шум реактивного двигателя и повысить топливную экономичность. Следовательно, коэффициент байпаса (байпасный поток, деленный на основной поток) относительно высок (обычно используются соотношения от 4: 1 до 8: 1), Rolls-Royce Трент 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 включает в себя гораздо большую массу воздуха, проходящего в обход сердечника, поэтому они могут извлечь выгоду из этих эффектов, в то время как в военный самолет, где шум и эффективность менее важны по сравнению с производительностью и сопротивлением, меньшее количество воздуха обычно проходит в обход сердечника. Турбореактивные двухконтурные двигатели, предназначенные для дозвуковых гражданских самолетов, также обычно имеют только один передний вентилятор, поскольку их дополнительная тяга создается большой дополнительной массой воздуха, который только умеренно сжат, а не меньшим количеством воздуха, который сильно сжат.

Однако военные турбовентиляторные двигатели имеют относительно высокую удельная тяга, чтобы максимизировать тягу для заданной области фронта, при этом шум реактивной струи менее опасен 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

Основные статьи: Турбовинтовой и Турбовальный
Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой 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 пропеллер вместо того, чтобы полагаться исключительно на высокоскоростной реактивный выхлоп. Турбовинтовые двигатели, создающие тягу в обоих направлениях, иногда называют гибридным реактивным двигателем. Они отличаются от ТРДД тем, что большую часть тяги обеспечивает традиционный пропеллер, а не канальный вентилятор. Большинство турбовинтовых двигателей используют редуктор между турбиной и гребным винтом. (ТРДД с редуктором также есть 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]

Пропфан

Основная статья: Пропфан
Винтовой двигатель

А пропфан Двигатель (также называемый «вентилятор без вентилятора», «открытый ротор» или «сверхвысокий байпас») - это реактивный двигатель, который использует свой газогенератор для питания открытого вентилятора, аналогично турбовинтовым двигателям. Как и турбовинтовые двигатели, пропеллер создает большую часть тяги, а не выхлопной струи. Основное различие между турбовинтовой конструкцией и конструкцией винтового вентилятора заключается в том, что лопасти гребного винта имеют большую стреловидность, что позволяет им работать на скоростях около Мах 0.8, что не уступает современным коммерческим ТРДД. Эти двигатели обладают преимуществами топливной экономичности турбовинтовых двигателей по сравнению с коммерческими турбовентиляторными двигателями.[8] Хотя были проведены серьезные исследования и испытания (включая летные испытания) на винтовых вентиляторах, ни один из них не запущен в производство.

Основные компоненты

Основная статья: Компоненты реактивных двигателей
Основные узлы ТРДД.

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

Холодная секция

  • Воздухозаборник (Вход) - Для дозвуковых самолетов воздухозаборник представляет собой воздуховод, который необходим для обеспечения плавного поступления воздуха в двигатель, несмотря на то, что воздух приближается к входному отверстию не прямо, а с других направлений. Это происходит на земле из-за бокового ветра и в полете с движениями самолета по тангажу и рысканию. 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 входного отверстия, 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 серию ударные волны которые образуются 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 же Поклонник - 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 поступает от турбина (см. ниже), поскольку вал крутящий момент и скорость.
  • Обводные каналы доставлять поток от вентилятора с минимальными потерями в байпасное движущееся сопло. В качестве альтернативы поток вентилятора может быть смешан с выхлопом турбины перед входом в одно движущееся сопло. В другом варианте между смесителем и соплом может быть установлен дожигатель.
  • Вал - Вал соединяет турбина к компрессор, и работает 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.
  • Диффузор раздел: - Диффузор замедляет поступление воздуха в компрессор 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

  • Камера сгорания или же Камера сгорания - Топливо непрерывно сжигается после первоначального зажигания при запуске двигателя.

  • Турбина - Турбина представляет собой серию лопастных дисков, которые действуют как ветряная мельница, извлекая энергию из горячих газов, покидающих камера сгорания. Часть этой энергии используется для приведения в движение компрессор. Турбовинтовые, турбовальные и турбовентиляторные двигатели имеют дополнительные ступени турбины для привода гребного винта, байпасного вентилятора или ротора вертолета. В свободная турбина турбина, приводящая в движение компрессор, вращается независимо от той, которая приводит в действие винт или винт 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 или же разогреть (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 же 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) a конвергентно-расходящееся сопло (де Лаваля) используется. 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, чтобы обеспечить максимальную эффективность или производительность. 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, увеличивается 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

Цикл двигателя

Основная статья: Цикл Брайтона
Цикл Брайтона

Термодинамика типичного воздушно-реактивного двигателя моделируется приблизительно Цикл Брайтона который является термодинамический цикл который описывает работу газовая турбина двигатель, являющийся основой воздушно-реактивного двигателя и др. Он назван в честь Джордж Брайтон (1830–1892), американский инженер, который разработал его, хотя первоначально он был предложен и запатентован англичанином. Джон Барбер в 1791 г.[12] Его также иногда называют Джоуль цикл.

Смещение тяги

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 отверстии начинает оказывать значительное влияние на давление / температуру сопла и поток воздуха на впуске, вызывая более быстрое увеличение общей тяги сопла. Этот член теперь начинает компенсировать все еще увеличивающееся сопротивление гидроцилиндра, что в конечном итоге приводит к увеличению полезной тяги. В некоторых двигателях чистая тяга, скажем, 1,0 Маха на уровне моря может даже немного превышать статическую тягу. 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 увеличиваться в сверхзвуковом режиме.

Безопасность и надежность

Основная статья: Безопасность полетов

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

Помпаж двигателя

В некоторых случаях в реактивных двигателях условия в двигателе из-за потока воздуха, поступающего в двигатель, или других изменений могут вызвать лопасти компрессора для остановки. 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 всплеск. В зависимости от двигателя это может сильно повредить двигатель и вызвать тревожную вибрацию для экипажа.

Сдерживание клинка

Основная статья: Blade Off тестирование

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 в соответствии с требованиями сертификационных органов.[13]

Проглатывание птиц

Дальнейшая информация: Куриный пистолет

Заглатывание птиц - это термин, используемый, когда птицы попадают в воздухозаборник реактивного двигателя. Это распространенная угроза безопасности самолетов, приводящая к несчастным случаям со смертельным исходом. В 1988 г. Эфиопские авиалинии Боинг 737 проглоченный голуби в оба двигателя во время взлета, а затем разбился при попытке вернуться в Бахир Дар аэропорт; из 104 человек на борту 35 погибли и 21 получили ранения. В другом инциденте в 1995 г. Dassault Falcon 20 разбился на Париж аэропорт во время попытки аварийной посадки после проглатывания чибисы в двигатель, что привело к отказу двигателя и возгоранию самолета фюзеляж; 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 г. Airbus A320 самолет, Рейс 1549 US Airways, проглотил один Канадский гусь 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 события проглатывания и то, является ли оно причиной аварии, будь то на небольшом быстром самолете, таком как военный. реактивные истребители или крупногабаритный транспорт, зависит от количества и веса птиц, а также от того, где они ударяются о размах крыльев 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 посадка и во время полетов на малых высотах.

Вулканический пепел

Основная статья: Вулканический пепел § Самолет

Если реактивный самолет летит в воздухе, загрязненном вулканический пепел, существует риск того, что попадание золы вызовет эрозионное повреждение лопаток компрессора, закупорку воздушных отверстий топливных форсунок и засорение охлаждающих каналов турбины. Некоторые из этих эффектов могут привести к скачку давления или возгоранию двигателя во время полета. Повторное зажигание обычно бывает успешным после погасания пламени, но со значительной потерей высоты. Это был случай British Airways, рейс 9 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

Основные статьи: Неконтролируемый отказ двигателя и Известные инциденты

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. Хотя топливопроводы и линии управления обычно дублируются для надежности, крушение из Рейс 232 United Airlines был вызван, когда трубопроводы гидравлической жидкости все три независимые гидравлические системы были одновременно повреждены осколками в результате неконтролируемого отказа двигателя. До крушения United 232 вероятность одновременного отказа всех трех гидравлических систем оценивалась как один миллиард к одному. Тем не менее статистические модели Используемые 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 были сосредоточены на предотвращении проникновения шрапнели в капот или воздуховодов, и все чаще используются высокопрочные композитные материалы для достижения необходимого сопротивления проникновению при сохранении небольшого веса.

Экономические соображения

В 2007 г. стоимость реактивное топливо, хотя они сильно варьируются от одной авиакомпании к другой, в среднем они составляют 26,5% от общих операционных расходов, что делает их крупнейшими операционными расходами для большинства авиакомпаний.[17]

Экологические соображения

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

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

Некоторые ученые[ВОЗ? ] считают, что реактивные двигатели также являются источником глобальное затемнение из-за водяного пара в выхлопе, вызывающего образование облаков.[нужна 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

Ramjet

Основная статья: прямоточный воздушно-реактивный двигатель
Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, где "М" - число Маха воздушного потока.
Работа двигателя ГПВРД

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. Ramjet требует значительной скорости движения вперед, чтобы работать хорошо, и как класс работают наиболее эффективно на скоростях около Мах 3. Этот тип струи может работать со скоростью до 6 Махов.

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 состоянии покоя и наиболее эффективны при сверхзвуковой скорости. Ключевой особенностью ПВРД является то, что сгорание осуществляется на дозвуковых скоростях. Входящий сверхзвуковой 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. Таким образом, скорость ПВРД ограничена примерно 5 Махами.[20]

Ramjets 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, чтобы увеличить дальность действия: ожидается, что 120-мм минометный снаряд при содействии ПВРД может достичь дальности 22 мили (35 км).[21] Они также успешно, хотя и неэффективно, использовались в качестве наконечники форсунок на вертолет роторы.[22]

Ramjets часто путают с импульсные двигатели, которые используют прерывистое сгорание, но ПВРД используют непрерывный процесс сгорания и представляют собой совершенно особый тип реактивного двигателя.

ГПД

Основная статья: Scramjet

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 двигателями заключается 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. Вместо этого они используют сверхзвуковое сгорание, а название «ГПВРД» происходит от «Sсверхзвуковой Cсжигание Ramjet."

ГПРД начинают работать со скоростью не менее 4 Маха, а максимальная полезная скорость составляет примерно 17 Маха.[23] Из-за аэродинамический обогрев на таких 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. Другое различие между прямоточными и прямоточными воздушно-прямыми 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 прямоточными воздушно-прямыми двигателями. ударные волны, в первую очередь косые удары.[24]

Было построено и запущено очень мало ГПВП. В мае 2010 г. Боинг Х-51 установил рекорд выносливости по самому продолжительному горению ГПВРД - более 200 секунд.[25]

Турбореактивный дожигатель P&W J58 Mach 3+

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 том, чтобы отводить воздушный поток из 4-й ступени компрессора на скоростях выше примерно 2 Маха.[27] Отводимый поток, 20% при 3 Маха, возвращался в двигатель через 6 внешних трубок для охлаждения гильзы дожигателя и первичного сопла, а также для обеспечения дополнительного воздуха для сгорания.[28] Двигатель J58 был единственным действующим турбореактивным двигателем, рассчитанным на непрерывную работу 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 по разведывательному Phantom со скоростью 3 Маха. Это было предкомпрессорным охлаждением, хотя и доступным в течение относительно короткого времени.[30][31]

Воздушно-реактивные двигатели, работающие на водороде

Реактивные двигатели могут работать практически на любом топливе. Водород - очень желательное топливо, поскольку, хотя крот не является необычно высоким, 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, несмотря на то, что это не канальные двигатели, ракетные двигатели, работающие на водороде, нашли широкое применение.

Однако почти во всех остальных отношениях водород проблематичен. Обратной стороной водорода является его плотность; в газообразном виде баллоны непрактичны для полета, но даже в виде жидкий водород его плотность составляет одну 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 паровой риформинг или дорого электролиз. Несколько экспериментальных самолет на водороде летали с пропеллерами, и были предложены реактивные двигатели, которые могут быть осуществимы.[32]

Реактивные двигатели с предварительным охлаждением

Основная статья: Реактивный двигатель с предварительным охлаждением

Идея возникла у Роберта П. Кармайкла в 1955 году.[33] заключается 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, более высокий массовый расход через двигатели и позволяет камерам сгорания впрыскивать больше топлива без перегрева двигателя.

Эта идея приводит к правдоподобным проектам вроде Двигатели реакции SABRE, что может позволить одноступенчатые ракеты-носители на орбиту,[34] и ATREX, что могло бы позволить использовать реактивные двигатели до гиперзвуковых скоростей и больших высот для ускорителей для ракет-носителей. Евросоюз также изучает эту идею для достижения безостановочного встречного сверхзвукового пассажирского движения на скорости 5 Махов (Двигатели реакции A2 ).

Турборокет

Основная статья: Воздушный турбореактивный двигатель

В воздушный турбореактивный двигатель это форма комбинированного цикла реактивный двигатель. Базовый макет 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 турбореактивные двигатели, турбореактивные ракеты, турбодетандеры, и много других. 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

Чтобы указать Об / мин, или скорости ротора реактивного двигателя, обычно используются сокращения:

  • Для турбовинтового двигателя Нп относится к частоте вращения карданного вала. Например, обычное Nп будет около 2200 об / мин для пропеллер с постоянной скоростью.
  • N1 или Nграмм относится к частоте вращения секции газогенератора. Каждый производитель двигателей будет выбирать между этими двумя сокращениями. N1 также используется для скорости вентилятора на турбовентилятор, в этом случае N2 - частота вращения газогенератора (двухвальный двигатель). Nграмм в основном используется для турбовинтовой или же турбовальный двигатели. Например, обычное Nграмм было бы в порядке 30 000 об / мин.
  • N2 или Nж 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 свободная турбина двигателей, N1 и н2 может быть очень похожим.[нужна цитата ]
  • Ns относится к скорости редуктор (RGB) выходной вал для турбовальных двигателей.[36][37]

Во многих случаях вместо выражения скорости ротора (N1, N2) в качестве Об / мин на кабина На дисплеях пилотам предоставляются значения скорости, выраженные в процентах от расчетной скорости. Например, на полной мощности N1 может быть 101,5% или 100%. Этот пользовательский интерфейс decision has been made as a человеческие факторы consideration, since pilots are more likely to notice a problem with a two- or 3-digit percentage (where 100% implies a nominal value) than with a 5-digit RPM.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Gas Turbine Technology Evolution: A Designer's Perspective" Bernard L.Koff Journal of Propulsion and Power Vol20 No4 July–August 2004 Fig.34/41
  2. ^ Angelo, Joseph A. (2004). The Facts on File dictionary of space technology (3-е изд.). Публикация информационной базы. п. 14. ISBN  0-8160-5222-0.
  3. ^ "Turbojet Engine". Исследовательский центр НАСА Гленна. Архивировано из оригинал 8 мая 2009 г.. Получено 6 мая 2009.
  4. ^ "Trent XWB infographic". Получено 15 октября 2015.
  5. ^ Hill & Peterson 1992 С. 190.
  6. ^ Маттингли 2006 С. 12–14.
  7. ^ Mattingly, p. 12
  8. ^ Sweetman, Bill (2005). The Short, Happy Life of the Prop-fan В архиве 14 октября 2013 г. Wayback Machine. Журнал Air & Space. 1 сентября 2005 г.
  9. ^ "Trade-offs in jet inlet design" Andras Sobester Journal of Aircraft, Vol44 No3 May–June 2007
  10. ^ "Jet Propulsion for Aerospace Applications" 2nd edition, Walter J.hesse Nicholas V.S. MumfordPitman Publishing Corp 1964 p110
  11. ^ "Jet Propulsion for Aerospace Applications" 2nd edition, Walter J.hesse Nicholas V.S. MumfordPitman Publishing Corp 1964 p216
  12. ^ в соответствии с Gas Turbine History В архиве 3 июня 2010 г. Wayback Machine
  13. ^ "Part33 Airworthiness Standards- Aircraft Engines" para 33.94 Blade containment and rotor out of balance tests
  14. ^ "Transport Canada – Sharing the Skies". Tc.gc.ca. 6 января 2010 г. В архиве из оригинала 17 марта 2010 г.. Получено 26 марта 2010.
  15. ^ "Part33-Airworthiness Standards-Aircraft Engines section 33.76 Bird ingestion
  16. ^ flightglobal archive Flight International 10 July 1982 p59
  17. ^ "U.S. Airlines: Operating in an Era of High Jet Fuel Prices" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 30 октября 2008 г.. Получено 29 июн 2010.
  18. ^ "How many air-miles are left in the world's fuel tank?". After-oil.co.uk. 29 июня 2005 г. В архиве из оригинала 17 марта 2010 г.. Получено 26 марта 2010.
  19. ^ Mattingly, p. 14
  20. ^ Бенсон, Том. Ramjet Propulsion. Исследовательский центр НАСА Гленна. Updated: 11 July 2008. Retrieved: 23 July 2010.
  21. ^ Макнаб, Крис; Hunter Keeter (2008). Инструменты насилия: пушки, танки и грязные бомбы. Osprey Publishing. п.145. ISBN  1-84603-225-3.
  22. ^ "Here Comes the Flying Stovepipe". ВРЕМЯ. 26 November 1965. В архиве из оригинала 9 марта 2008 г.. Получено 9 марта 2008.
  23. ^ "Astronautix X30". Astronautix.com. Получено 26 марта 2010.
  24. ^ Heiser, William H.; Pratt, David T. (1994). Hypersonic Airbreathing Propulsion. AIAA Education Series. Washington, D.C.: American Institute of Aeronautics and Astronautics. стр.23 –4. ISBN  978-1-56347-035-6.
  25. ^ X-51 Waverider makes historic hypersonic flight. United States Air Force. 26 May 2010. Retrieved: 23 July 2010.
  26. ^ U.S.Patent 3,344,606 "Recover Bleed Air Turbojet" Robert B. Abernethy
  27. ^ sr-71.org Blackbird Manual Section 1 Description and Operation page 1-20
  28. ^ enginehistory.org Presentation by Pete Law "SR-71 Propulsion, Part 2"
  29. ^ "Jet Propulsion for Aerospace Applications- second edition" Walter J. Hesse, Nicholas V.S. Mumford,Jr. Pitman Publishing corporation. p377
  30. ^ aviationtrivia.blogspot.ca "Tails Through Time" J P Santiago Wednesday,18 July 2012 "The Mach 3 Phantom"
  31. ^ "F-12 Series Aircraft Propulsion System Performance and Development"David H. Campbell, J.AircraftVol 11, No 11, November 1974
  32. ^ например Reaction engines A2 hypersonic airliner
  33. ^ "NASA history Other Interests in Hydrogen". Hq.nasa.gov. 21 October 1955. Archived from оригинал 16 апреля 2015 г.. Получено 26 марта 2010.
  34. ^ "The Skylon Spaceplane" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 15 июня 2011 г.. Получено 26 марта 2010.
  35. ^ Heiser and Pratt, p. 457
  36. ^ PRATT & WHITNEY CANADAMAINTENANCE MANUAL – MANUAL PART NO. 3017042 – Introduction – Page 6
  37. ^ Email from subject matter expert – Sr. Field Support Representative, Pratt & Whitney Canada Worldwide Support Network 12 January 2010