Как работают турбореактивные двигатели? Какие бывают ТРД?

Турбореактивный двигатель (периодически мы будем его называть сокращенно ТРД) — сколько в этом названии величественного, сразу представляются самолеты, ракеты, космос. Безусловно тот толчок научно-технического прогресса, который произошел благодаря изобретению реактивного двигателя, сыграл очень большую роль в развитии транспорта, и не только авиационного. Также на близкой нашему порталу железной дороге за счет турбореактивной тяги работают такие локомотивы как газотурбовозы, и РЖД считает их довольно перспективными, правда в рамках «штучной» эксплуатации. Водный транспорт тоже не уступает, в мире полно всяких авторских катеров с газотурбинными установками, способными развивать бешенное ускорение, и конечно экранопланы, вроде заржавевшего «Каспийского монстра», используют реактивную тягу для движения.

В данном материале мы не будем обсуждать трехэтажные формулы, учить фамилии конструкторов и первооткрывателей. Особенностью рубрики является попытка простого объяснения работы сложных технических устройств в области транспорта. Также поговорим о видах и принципах работы турбореактивных двигателей. Но начнем мы с обратного: как же ТРД удается перемещать летательные аппараты и экранопланы, что дало толчок к развитию ТРД?

Как турбореактивные двигатели перемещают летательные аппараты и экранопланы

Представьте себе ситуацию, будто вы сидите посреди большой пустой комнаты на стуле с колесиками, но дотянуться ногами до пола не можете, и предметов вокруг, от которых можно оттолкнуться тоже нет, а вам нужно как-то переместиться в сторону выхода. Задача эта совершенно не решаема, если у вас нет при себе никаких предметов, включая одежду. Но если при вас есть хоть что-то, обладающее массой, вы можете со всей силы отбросить это в сторону, противоположную выходу. Удивительным образом стул двинется в сторону выхода, и если вдруг в кармане вы обнаружите пару гантелей или гирю, особых проблем с путешествием не будет.

Главный принцип здесь заключается в следующем: если мы бросаем какой-либо предмет в сторону, на нас действует точно такая же сила, как и на предмет, только противоположно направленная. Если мы хотим кинуть волейбольный мяч, придав ему ускорение рукой, то наша рука почувствует удар — это и есть та сила, действующая в противоположном полету мяча направлении. Поскольку мяч гораздо легче, чем человек, он вынужден отлететь на большое расстояние, при приложенной силе. Но если с той же силой удара, что приложена к мячу, долбануть по гире, которая всего в четыре раза легче человека, то сила удара уже заставит кости сломаться.

Когда человечество получило доступ к поршневым двигателям высокой на тот момент мощности, пришла идея создания летательных аппаратов, известных ныне как самолеты. На валу поршневого движка внутреннего сгорания устанавливался винт с лопастями, отбрасывающий большой объем воздуха, в противоположном полету направлении. Однако скорость полетов на ДВС с воздушным винтом была весьма ограничена, а растущей индустриализации требовались все большие скорости, и тогда вспомнили про газовую турбину.

Движение летательного аппарата с турбореактивными двигателями происходит за счет отбрасывания двигателем газовой смеси с высокой скоростью и в большом объеме, в противоположную движению самолета сторону. Все довольно просто. Воздух — это газовая смесь, и каждый газ, входящий в данную смесь, обладает массой, плотностью, объемом и температурой. Реактивная сила, создаваемая двигателем, зависит от скорости истекания газовой струи и ее массе (или объема при заданной плотности). Чем выше любой из множителей, тем выше сила отталкивания самолета в противоположном направлении.

Принцип действия турбореактивного двигателя

Академическое понятие ТРД выглядит так:
Турбореактивный двигатель — газотурбинный двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.

Поясним некоторые моменты: газотурбинный двигатель — это основа любого ТРД, рассматривая далее виды турбореактивных двигателей, данный факт будет хорошо прослеживаться. Под химической энергией имеется в виду высвобождение большого количества теплоты за счет сгорания топлива в присутствии кислорода. Что же касается сопла, то струя газа не всегда имеет максимальную кинетическую энергию при выходе из него, почему — рассмотрим далее.

Основной принцип работы любого газотурбинного двигателя — тепловое расширение воздуха за счет сгорания топлива, и как следствие образование реактивной струи — быстродвижущегося потока газов.

Как это работает

Турбина — это колесо с лопатками (своего рода лопастями), направленных к потоку газов под некоторым углом. Соответственно чем быстрее движется этот поток, тем большее усилие воздействует на лопатки, заставляя их поворачивать турбинное колесо. Надо сказать, что справедливо и обратное утверждение: если турбинное колесо вращается не за счет реактивной струи, то лопатки начинают увлекать за особой воздушный поток, словно вентилятор. Кстати лопасти винта самолета, мельницы или ветрогенератора используют похожий принцип, что и турбинное колесо, только в последнем случае давление, температура и скорость потока куда выше.

Обратите внимание на иллюстрацию работы классической турбореактивной установки, или иначе говоря газотурбинной установки. Мы видим общий вал, на котором расположены кольца (колеса) с лопатками (их все можно также назвать турбинными кольцами (колесами), так как они ни чем не отличаются). С левой стороны изображена «холодная» а справа «горячая» части турбины. Давайте рассмотрим рабочий процесс данного двигателя, слева на право, с самого момента запуска:

• Изначально окружающий воздух через воздухозаборник контактирует с компрессором низкого давления. Специальный турбостартер (в случае больших двигателей) за счет создания высокого давления воздуха, подаваемого на лопатки одного из турбинных колец, раскручивает вал турбины, приводя в движение компрессор низкого и высокого давления, а также турбинные колеса.
• Лопатки компрессора низкого давления начинают «проталкивать» воздушный поток к лопаткам компрессора более высокого давления, которое в свою очередь перемещает воздух к следующему компрессору, и с каждым последующим переходом давление воздуха продолжает расти, а также растет и скорость потока. Проходя через лопатки последнего компрессора поток оказывается в просторной камере сгорания, в которой расположены топливные форсунки и свечи для поджига топлива, словно в автомобиле, только гораздо мощнее.
• Как только давление и скорость потока воздуха достигнут необходимых показателей, через форсунки начинает подаваться жидкий керосин, либо любой горючий газ, а свечи зажигания дают искру. После воспламенения топлива в камере сгорания резко возрастает давление, так как весь объем газовой смеси (включая воздушную смесь), вынужден увеличиться в несколько сотен раз за счет температурного расширения. В этот момент турбостартер (или электростартер), раскручивающий вал турбины, отключается.
• Весь горячий газ из камеры сгорания под огромным давлением и скоростью встречает на своем пути главную часть двигателя — турбинные колеса, которые вращают вал всей турбины (либо напрямую, либо через редуктор). За счет того, что турбинные колеса изначально вращаются гораздо медленнее, не соответствуя скорости только что разогретого в камере сгорания газа, поток начинает раскручивать турбину, теряя при этом часть кинетической энергии. Таким образом турбина работает самостоятельно, без участия стартера.
• Пройдя последнее турбинное колесо поток газа вырывается наружу через специально созданное сужение, называемое соплом. За счет сужения скорость потока газа увеличивается еще немного, что создаст большую реактивную силу.

Виды турбореактивных двигателей в авиации

Турбореактивные установки используются сейчас во многих областях техники, сохраняя единый принцип действия. В основе различий в типах ТРД лежит использование кинетической энергии газа, оставшейся после прохождения турбинных колес. Ее можно использовать как напрямую — то есть как реактивную струю, а можно направить еще на ряд турбинных колес, только уже вращающих другие валы. С каждым таким колесом струя газа будет терять энергию, и последующее использование ее реактивных качеств будет уже неоправданным, но как оказалось большим самолетам лучше всего летать не за счет непосредственно реактивной струи газа из камеры сгорания, а за счет большого винта, либо за счет вентилятора огромного диаметра.

Такое раздельное использование газовой струи ввело в обиход двигателестроителей такое понятие как «двухконтурность» турбореактивных двигателей. Контур — это один путь для воздушной струи через двигатель, соответственно один контур — это всегда главная газовая турбина, а второй контур это вентилятор огромного диаметра, создающий гораздо более массивный воздушный поток. Если объем одного контура превышает объем другого, речь идет о большой или малой степени двухконтурности.

Турбовинтовой двигатель

Начнем с двигателей с самым большим показателем степени двухконтурности (это условное выражение, так как подобные двигатели не принято называть двухконтурными) — Турбовинтовых ТРД.

Во главе угла газовая турбина, есть и компрессор низкого и высокого давления, и воздухозаборник, правда не прямоточный, а также камера сгорания и турбина отбора мощности, так сказать, да, чуть не забыл про сопло. Хотя от него в данном двигателе толку никакого нет. Струя газа после камеры сгорания тратит 5% своей энергии на вращение компрессоров, и 90% на вращение турбинного колеса, установленного на валу воздушного винта, через планетарный редуктор для увеличения мощности, за счет снижения оборотов. Таким образом реактивная струя вращает массивный винт, который действительно очень большой. Самолеты на поршневых двигателях не могли о таких винтах даже мечтать.

Сейчас большая авиация уже отказалась от таких двигателей в пользу турбовентиляторных ТРД, однако на малой авиации турбовиновые машины не теряют популярность. Даже на небольшие самолеты есть возможность установки турбовинтовых моторов, так как они гораздо надежней поршневых двигателей внутреннего сгорания, однако производство ТРД всегда обходится дороже, так как там важна точность обработки материалов и их качество, ведь работать предстоит при высоких давлениях, скоростях и температурах.

Турбовентиляторный двигатель

Вот здесь можно разгуляться по степеням двухконтурности, каких соотношений только в мире не найти. В свое время инженеры заметили, что вентилятор, состоящий из большого количества лопастей (как большой компрессор ТРД), способен создавать более быстрый и стабильный поток воздуха, нежели винт, но и это не все прелести. Многие из нас, кто родом из СССР, наверняка помнят, что было, когда где-то в небе пролетал самолет. Неважно какая у него была высота, хоть все 11 км, всегда у земли был слышен грохот реактивных машин или винтов. Жизнь возле аэропортов вообще представляла из себя сущий кошмар, с трясущимися стенами. Но вот сейчас все это в прошлом. Разве что военные учения с их турбовинтовыми бомбардировщиками, напомнят о прошлых временах в авиации.

Так вот турбовентиляторный ТРД подарил нам тишину. Их гигантский размер и высокая мощность не требуют высоких оборотов, а значит не производят сильный шум.

Как можно видеть из схемы, основное отличие от турбовинтового двигателя заключается в том, что отбор реактивной мощности идет на вращение вентилятора, а не винта. Турбовентиляторный двигатель создает движущую реактивную струю на 70% за счет вентилятора, 30% выходящих из сопла газов.

Турбовальные и иные виды ТРД

Я думаю мне удалось продемонстрировать связь всех видов ТРД друг с другом, и огромное множество применений этого революционного изобретения рассматривать не имеет смысла. Скажем лишь, что не только самолеты используют реактивную мощность, но и вертолеты.

На вертолетах ТРД установлен таким образом, чтобы струи газа, выходящие из сопла, были направлены назад. Это помогает уменьшить расход топлива и скорость при движении вперед. А вот основной потребитель мощности, через вал и редуктор реактивной турбины, установлен перпендикулярно турбодвигателю — на крыше. В принципе через редуктор можно передать вращательное движение от вала куда угодно и как угодно. Такие ТРД называют турбовальными.

Автор: Томаш Гетихен

Использованы материалы:
Большая российская энциклопедия