Турбореактивный двигатель - Википедия - Turbojet

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Турбореактивный»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Апрель 2008 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Схема типичного газотурбинного реактивного двигателя

Фрэнк Уиттл

Ганс фон Охайн

В турбореактивный является воздушно-реактивный двигатель, обычно используется в самолетах. Он состоит из газовая турбина с форсунка. Газовая турбина имеет воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания и турбина (который приводит в движение компрессор). Сжатый воздух из компрессора нагревается за счет сжигания топлива в камере сгорания, а затем расширяется через турбину. Затем выхлоп турбины расширяется в движущем сопле, где он ускоряется до высокой скорости для создания тяги.^[1] Два инженера, Фрэнк Уиттл в объединенное Королевство и Ганс фон Охайн в Германия, независимо развил концепцию в практические двигатели в конце 1930-х годов.

Хотя турбореактивный двигатель был первой формой газотурбинной силовой установки для авиации, он был в значительной степени заменен другими разработками первоначальной концепции. Во время работы турбореактивные двигатели обычно создают тягу за счет ускорения относительно небольшого количества воздуха до очень высокой. сверхзвуковой скорости, тогда как турбовентиляторы разогнать большее количество воздуха, чтобы опустить трансзвуковой скорости. В более медленных самолетах турбореактивные двигатели заменены на турбовинтовые потому что у них лучше удельный расход топлива. На средних скоростях, когда пропеллер уже неэффективен, турбовинтовые двигатели были заменены на турбовентиляторные. Турбореактивный двухконтурный двигатель тише и имеет лучший расход топлива в зависимости от дальности полета, чем турбореактивный двигатель. Турбореактивные двигатели могут быть высокоэффективными для сверхзвуковой самолет.

Турбореактивные двигатели имеют низкую эффективность на низких скоростях транспортного средства, что ограничивает их применимость в транспортных средствах, кроме самолетов. Турбореактивные двигатели использовались в отдельных случаях для питания транспортных средств, отличных от самолетов, обычно для попыток рекорды наземной скорости. Если автомобили имеют "турбинный двигатель", это чаще всего происходит за счет использования турбовальный двигатель, развитие газотурбинного двигателя, в котором дополнительная турбина используется для привода вращающегося выходного вала. Они распространены в вертолетах и ​​судах на воздушной подушке. Турбореактивные двигатели использовались на Concorde и версиях дальнего радиуса действия Ту-144 которые требовалось провести долгое время в сверхзвуковых путешествиях. Турбореактивные двигатели по-прежнему распространены на средних дистанциях. крылатые ракеты, благодаря высокой скорости выхлопа, небольшой лобовой площади и относительной простоте. Они также все еще используются на некоторых сверхзвуковых истребителях, таких как МиГ-25, но большинство из них тратят мало времени на сверхзвуковые путешествия, поэтому используют турбовентиляторные двигатели и форсажные камеры для увеличения скорости выхлопа при сверхзвуковом спринте.

История

Альберт Фоно Немецкий патент на реактивные двигатели (январь 1928 г.). Третья иллюстрация - турбореактивный двигатель.

Heinkel He 178, первый в мире самолет, работающий исключительно на турбореактивном двигателе с использованием HeS 3 двигатель

Первый патент на использование газовой турбины для привода самолета был подан в 1921 году французом. Максим Гийом.^[2] Его двигатель должен был быть турбореактивным с осевым потоком, но так и не был сконструирован, так как требовал значительного прогресса по сравнению с современными компрессорами.^[3]

В Whittle W.2 / 700 двигатель прилетел в Gloster E.28 / 39, первый британский самолет с турбореактивным двигателем, и Глостер Метеор

В 1928 году британские RAF College Cranwell кадет^[4] Фрэнк Уиттл официально представил свои идеи турбореактивного двигателя начальству. В октябре 1929 г. он развил свои идеи дальше.^[5] 16 января 1930 года в Англии Уиттл подал свой первый патент (выданный в 1932 году).^[6] В патенте показана двухступенчатая осевой компрессор подача одностороннего центробежный компрессор. Практические осевые компрессоры стали возможны благодаря идеям от А.А. Гриффит в основополагающей статье 1926 года («Аэродинамическая теория конструкции турбины»). Позже Уиттл сконцентрировался только на более простом центробежном компрессоре по ряду практических причин. У Уиттла был запущен первый турбореактивный двигатель, Power Jets WU 12 апреля 1937 года. Он работал на жидком топливе и включал автономный топливный насос. Команда Уиттла испытала почти панику, когда двигатель не останавливался, разгоняясь даже после отключения топлива. Оказалось, что топливо просочилось в двигатель и скопилось в лужах, поэтому двигатель не остановился, пока не сгорело все вытекшее топливо. Уиттл не смог заинтересовать правительство своим изобретением, и разработка продолжалась медленными темпами.

В Германии Ганс фон Охайн запатентовал аналогичный двигатель в 1935 году.^[7]

27 августа 1939 г. Heinkel He 178 стал первым в мире самолетом, летавшим на турбореактивном двигателе, с пилотом-испытателем Эрих Варсиц на пульте управления,^[8] таким образом став первым практическим реактивным самолетом. В Gloster E.28 / 39, (также известный как «Глостер Уиттл», «Глостер Пионер» или «Глостер G.40») был первым британским самолетом с реактивным двигателем, который летал. Он был разработан для испытания реактивного двигателя Уиттла в полете, что привело к созданию Gloster Meteor.^[9]

Первые два действующих турбореактивных самолета, Messerschmitt Me 262 а затем Глостер Метеор, вступил в строй в 1944 г., ближе к концу Вторая Мировая Война.^[10][11]

Воздух всасывается во вращающийся компрессор через впускное отверстие и сжимается до более высокого давления перед поступлением в камеру сгорания. Топливо смешивается со сжатым воздухом и горит в камере сгорания. Продукты сгорания покидают камеру сгорания и расширяются через турбина куда мощность извлекается для привода компрессора. Выхлопные газы турбины по-прежнему содержат значительную энергию, которая преобразуется в сопле двигателя в высокоскоростную струю.

Первые реактивные двигатели были турбореактивными, с либо центробежный компрессор (как в Heinkel HeS 3 ), или же осевые компрессоры (как в Юнкерс Юмо 004 ), что дало меньший диаметр, но более длинный двигатель. Путем замены пропеллера, используемого в поршневых двигателях, на высокоскоростную выхлопную струю, можно было получить более высокие скорости самолета.

Одна из последних заявок на турбореактивный двигатель была Конкорд который использовал Олимп 593 двигатель. В ходе проектирования было обнаружено, что турбореактивный двигатель является оптимальным для крейсерского полета с удвоенной скоростью звука, несмотря на преимущество турбореактивных двигателей для более низких скоростей. Конкорду требовалось меньше топлива для создания заданной тяги на милю со скоростью 2,0 Маха, чем современному ТРДД с большим байпасом, таким как General Electric CF6 при оптимальной скорости 0,86 Маха.^[12]

Турбореактивные двигатели оказали значительное влияние на коммерческая авиация. Помимо обеспечения более высоких скоростей полета турбореактивные двигатели обладали большей надежностью, чем поршневые двигатели, причем некоторые модели демонстрировали рейтинг надежности диспетчеризации, превышающий 99,9%. Предварительно реактивные коммерческие самолеты были спроектированы с четырьмя двигателями отчасти из-за опасений по поводу отказов в полете. Маршруты зарубежных полетов были проложены таким образом, чтобы самолеты находились в пределах часа от посадочной площадки, что увеличивало продолжительность полетов. Повышенная надежность турбореактивного двигателя позволила создать трех- и двухмоторную конструкцию и увеличить число прямых перелетов на дальние расстояния.^[13]

Жаропрочные сплавы были обратный выступ, ключевая технология, которая ускорила развитие реактивных двигателей. Реактивные двигатели не британского производства, построенные в 1930-х и 1940-х годах, приходилось ремонтировать каждые 10 или 20 часов из-за отказ от ползучести и другие виды повреждений лезвий. Однако британские двигатели использовали Нимоник сплавы, которые позволяли длительное использование без капитального ремонта, двигатели, такие как Роллс-Ройс Велланд и Роллс-Ройс Дервент,^[14] и к 1949 г. де Хэвилленд Гоблин, существование типовые испытания на 500 часов без обслуживания.^[15] Только в 1950-х годах суперсплав Технология позволила другим странам производить экономичные двигатели.^[16]

Ранние проекты

Ранние немецкие турбореактивные двигатели имели серьезные ограничения на количество оборотов, которые они могли сделать, из-за отсутствия подходящих жаропрочных материалов для турбин. Британские двигатели, такие как Роллс-Ройс Велланд использовались более качественные материалы, обеспечивающие повышенную прочность. Велленд был сертифицированный в течение 80 часов первоначально, позже увеличено до 150 часов между капитальными ремонтами в результате продления 500-часового пробега, достигнутого в ходе испытаний.^[17] Несмотря на высокие требования к техническому обслуживанию, некоторые из первых реактивных истребителей все еще эксплуатируются с исходными двигателями.

Турбореактивный двигатель J85-GE-17A от General Electric (1970)

General Electric в Соединенных Штатах имела хорошие возможности для входа в бизнес по производству реактивных двигателей благодаря своему опыту работы с высокотемпературными материалами, которые использовались в их турбокомпрессорах во время Второй мировой войны.^[18]

Впрыск воды был обычным методом, используемым для увеличения тяги, обычно во время взлета, в ранних турбореактивных двигателях, которые были ограничены их допустимой температурой входа в турбину. Вода увеличивала тягу на пределе температуры, но препятствовала полному сгоранию, часто оставляя очень заметный след дыма.

Допустимые температуры на входе в турбину неуклонно увеличивались с течением времени как с введением лучших сплавов и покрытий, так и с введением и повышением эффективности конструкции охлаждения лопаток. На ранних двигателях пилот должен был следить за температурным пределом турбины и избегать его, как правило, во время запуска и при максимальной настройке тяги. Было введено автоматическое ограничение температуры, чтобы снизить рабочую нагрузку на пилота и снизить вероятность повреждения турбины из-за перегрева.

Дизайн

Анимация осевого компрессора. Неподвижные лопатки - это статоры.

Турбореактивная анимация

Принципиальная схема, показывающая работу турбореактивного двигателя с центробежным потоком. Компрессор приводится в действие ступенью турбины и выбрасывает воздух наружу, что требует его перенаправления параллельно оси тяги.

Принципиальная схема, показывающая работу турбореактивного двигателя с осевым потоком. Здесь компрессор снова приводится в движение турбиной, но воздушный поток остается параллельным оси тяги.

Воздухозаборник

Перед компрессором необходим воздухозаборник или трубка, чтобы помочь плавно направлять поступающий воздух в движущиеся лопасти компрессора. У старых двигателей были неподвижные лопасти перед движущимися лопастями. Эти лопасти также помогали направлять воздух на лопасти. Воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, всегда дозвуковой, независимо от скорости самого самолета.

Воздухозаборник должен подавать воздух в двигатель с приемлемо малым изменением давления (известным как искажение) и с минимальными потерями энергии в пути (это называется восстановлением давления). Повышение давления гидроцилиндра на впуске - это вклад впускного канала в силовую установку. общий коэффициент давления и тепловая эффективность.

Воздухозаборник становится заметным на высоких скоростях, когда он передает на планер больше тяги, чем двигатель. Хорошо известными примерами являются Concorde и Локхид SR-71 Блэкберд силовые установки, в которых доля впуска и двигателя в общей силовой установке составляла 63% / 8%^[19] на 2 Маха и 54% / 17%^[20] на скорости 3+ Маха. Приемы варьировались от "нулевой длины"^[21] на Пратт и Уитни TF33 турбовентилятор установка в Локхид C-141 Старлифтер, к двойному, 65 футов длиной, воздухозаборники на Североамериканский XB-70 Valkyrie каждый питает три двигателя с потоком всасываемого воздуха около 800 фунтов / сек.

Компрессор

Компрессор приводится в движение турбиной. Он вращается с большой скоростью, добавляя энергия к воздушному потоку и в то же время сжимая (сжимая) его в меньшее пространство. Сжатие воздуха увеличивает его давление и температура. Чем меньше компрессор, тем быстрее он вращается. В самом конце диапазона вентилятор GE-90-115 вращается со скоростью около 2500 об / мин, в то время как небольшой компрессор двигателя вертолета вращается со скоростью около 50 000 об / мин.

Поставка турбореактивных двигателей стравить воздух от компрессора до самолета для система экологического контроля, например, для защиты от обледенения и создания избыточного давления в топливном баке. Самому двигателю для работы необходим воздух с различным давлением и расходом. Этот воздух поступает из компрессора, и без него турбины перегреются, смазочное масло вытечет из полостей подшипников, упорные подшипники ротора будут скользить или перегружены, а на носовом конусе образуется лед. Воздух из компрессора, называемый вторичным воздухом, используется для охлаждения турбины, уплотнения полости подшипника, защиты от обледенения и предотвращения его преждевременного износа из-за осевой нагрузки ротора на упорный подшипник. Подача отбираемого воздуха на самолет снижает эффективность двигателя, поскольку он был сжат, но не способствует созданию тяги. Отвод воздуха для обслуживания самолетов больше не требуется на турбовентиляторных двигателях. Боинг 787.

Типы компрессоров, используемых в турбореактивных двигателях, обычно были осевыми или центробежными. Ранние турбореактивные компрессоры имели низкое соотношение давлений примерно до 5: 1. Аэродинамические улучшения, включая разделение компрессора на две отдельно вращающиеся части, включение регулируемых углов лопастей для входных направляющих лопаток и статоров, а также стравливание воздуха из компрессора, позволили более поздним турбореактивным двигателям иметь общий коэффициент давления 15: 1 или более. Для сравнения, современные гражданские турбовентилятор двигатели имеют общий коэффициент давлений 44: 1 или более. После выхода из компрессора воздух попадает в камеру сгорания.

Камера сгорания

Процесс горения в камера сгорания существенно отличается от такового в поршневой двигатель. В поршневом двигателе горящие газы ограничены небольшим объемом, и по мере сгорания топлива давление увеличивается. В турбореактивном двигателе смесь воздуха и топлива сгорает в камере сгорания и проходит через турбину в непрерывном потоке без повышения давления. Вместо этого в камере сгорания возникает небольшая потеря давления.

Топливно-воздушная смесь может гореть только в медленно движущемся воздухе, поэтому область обратного потока поддерживается за счет топливных форсунок для приблизительно стехиометрического горения в первичной зоне. Далее вводится сжатый воздух, который завершает процесс сгорания и снижает температуру продуктов сгорания до уровня, приемлемого для турбины. Для сжигания обычно используется менее 25% воздуха, так как общая обедненная смесь требуется, чтобы не выходить за пределы температуры турбины.

Турбина

В турбинных колесах используются разные лопатки.

Горячие газы, выходящие из камеры сгорания, расширяются через турбину. Типичные материалы для турбин включают: инконель и Нимоник.^[22] Самые горячие лопатки турбины в двигателе имеют внутренние охлаждающие каналы. Через них пропускается воздух из компрессора, чтобы поддерживать температуру металла в определенных пределах. Остальные этапы в охлаждении не нуждаются.

На первом этапе турбина в основном представляет собой импульсную турбину (похожую на колесо пелтона ) и вращается под действием струи горячего газа. Более поздние стадии представляют собой сходящиеся каналы, которые ускоряют газ. Энергия передается в вал посредством обмена импульсом, противоположным передаче энергии в компрессоре. Мощность, развиваемая турбиной, приводит в действие компрессор и вспомогательное оборудование, например топливные, масляные и гидравлические насосы, которые приводятся в действие коробкой передач.

Сопло

После турбины газы расширяются через выхлопное сопло, создавая высокоскоростную струю. В сужающемся сопле воздуховод постепенно сужается до горловины. Степень давления в сопле турбореактивного двигателя достаточно высока при более высоких настройках тяги, чтобы вызвать дросселирование сопла.

Если же сходящийся-расходящийся сопло де Лаваля Установлено, что расширяющаяся (увеличивающаяся сечение потока) секция позволяет газам достигать сверхзвуковой скорости в расширяющейся секции. Дополнительная тяга создается более высокой результирующей скоростью выхлопа.

Увеличение тяги

Чаще всего тяга увеличивалась в турбореактивных двигателях с закачка воды / метанола или же дожигание.Некоторые двигатели использовали оба одновременно.

Впрыск жидкости тестировался на Силовые форсунки W.1 в 1941 г. первоначально использовала аммиак перед переходом на воду, а затем на воду-метанол. Система для проверки техники в Gloster E.28 / 39 был разработан, но так и не был установлен.^[23]

Форсаж

Форсажная камера или «реактивная труба повторного нагрева» - это камера сгорания, добавляемая для повторного нагрева выхлопных газов турбины. Расход топлива очень высокий, обычно в четыре раза больше, чем у главного двигателя. Форсажные камеры используются почти исключительно на сверхзвуковой самолет, большинство из которых являются военными самолетами. Два сверхзвуковых авиалайнера, Конкорд и Ту-144, также использовал форсажные камеры, как и Чешуйчатые композиты White Knight, авианосец для опытных SpaceShipOne суборбитальный космический корабль.

Лётные испытания Reheat прошли в 1944 г. W.2 / 700 двигатели в Глостер Метеор I.^[24]

Чистая тяга

Сеть толкать ${ Displaystyle F_ {N} ;}$ турбореактивного двигателя определяется по:^[25][26]

${ displaystyle F_ {N} = ({ dot {m}} _ {air} + { dot {m}} _ {f}) V_ {j} - { dot {m}} _ {air} V }$

куда:

${ displaystyle { dot {m}} _ {воздух}}$	скорость потока воздуха через двигатель
${ displaystyle { dot {m}} _ {f}}$	скорость потока топлива, поступающего в двигатель
${ Displaystyle V_ {j} ;}$	- скорость струи (выхлопного шлейфа) и принимается меньше скорость звука
${ Displaystyle V ;}$	это истинная воздушная скорость самолета
${ displaystyle ({ dot {m}} _ {air} + { dot {m}} _ {f}) V_ {j}}$	представляет собой общую тягу сопла
${ displaystyle { dot {m}} _ {air} V}$	представляет собой лобовое сопротивление впускного коллектора

Если скорость струи равна скорость звука сопло называется "задохнулся ". Если сопло засорено, давление в выходной плоскости сопла превышает атмосферное давление, и к приведенному выше уравнению необходимо добавить дополнительные члены для учета тяги давления.^[27]

Скорость потока топлива, поступающего в двигатель, очень мала по сравнению со скоростью потока воздуха.^[25] Если не учитывать вклад топлива в полную тягу форсунки, чистая тяга будет:

${ displaystyle F_ {N} = { dot {m}} _ {air} (V_ {j} -V)}$

Скорость струи ${ Displaystyle V_ {j} ;}$ должен превышать истинную скорость самолета ${ Displaystyle V ;}$если должна быть чистая прямая тяга планера. Скорость ${ Displaystyle V_ {j} ;}$ можно рассчитать термодинамически на основе адиабатическое расширение.^[28]

Улучшения цикла

Работа турбореактивного двигателя приблизительно моделируется Цикл Брайтона.

Эффективность газовой турбины повышается за счет увеличения общего перепада давлений, требующего использования материалов компрессора с более высокими температурами, и повышения температуры на входе в турбину, что требует более качественных материалов турбины и / или улучшенного охлаждения лопаток / лопаток. Он также увеличивается за счет уменьшения потерь по мере продвижения потока от впускного отверстия к движущемуся соплу. Эти потери количественно оцениваются КПД компрессора и турбины и потерями давления в воздуховоде. При использовании в турбореактивном двигателе, когда выходная мощность газовой турбины используется в движущем сопле, повышение температуры турбины увеличивает скорость струи. На обычных дозвуковых скоростях это снижает эффективность пропульсивной установки, приводя к общим потерям, что отражается в более высоком расходе топлива или SFC.^[29] Однако для сверхзвуковых самолетов это может быть выгодно и является одной из причин, по которым Concorde использовал турбореактивные двигатели. Турбореактивные системы представляют собой сложные системы, поэтому для обеспечения оптимального функционирования такой системы существует потребность в разработке новых моделей для улучшения управляемости. системы для внедрения новейших знаний из области автоматизации, чтобы повысить ее безопасность и эффективность.^[30]

Смотрите также

• Система воздушного пуска
• Экзоскелетный двигатель
• Реактивный автомобиль
• Отказ турбинного двигателя
• Разработка турбореактивного двигателя в РАЭ
• Двигатель с переменным циклом

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Спрингер, Эдвин Х. (2001). Строительство турбореактивного двигателя с турбонаддувом. Турбореактивные технологии.

внешняя ссылка

• Эрих Варсиц, первый в мире пилот реактивного самолета: включает редкие видео (Heinkel He 178) и аудиокомментарии.
• Описание поршневого двигателя НАСА: включает модель программного обеспечения
• Возможности реактивного движения: Обзор 1941 г. с обсуждением экспериментальных разработок 1920-1930-х гг.
• Бумаги Whittle Power Jet - Переписка из архивов Питерхаус, Кембриджский колледж относящиеся к развитию Уиттла поршневой двигатель в Кембриджская цифровая библиотека
• [1]