Реактивний двигун

Коли йдеться про реактивні двигуни, зазвичай мають на увазі газотурбінний двигун, такий як той, що використовується на літаках. Хоча насправді реактивним двигуном є і ракетний двигун, і водомет корабля. Справа в принципі, який використовується для руху. Якщо це реактивний струмінь — двигун реактивний.

Але в цій статті йтиметься переважно про авіаційні турбо-реактивні двигуни або газо-турбинні двигуни. Що це таке і як вони працюють?

Що таке реактивний двигун

Реактивних двигунів дуже багато, деякі прообрази зустрічаються навіть у дикій природі. Тому зрозуміти як вони працюють просто.

Реактивний двигун — це двигун, який використовує принцип реактивного руху.

Простими словами, щоб рухатися вперед, потрібно щось відкинути назад. Так робить, наприклад, кальмар або каракатиця. Ці тварини набирають у себе воду, а потім швидко викидають її в бік, протилежний до того, в який вони хочуть рухатися. Секрет руху знаходиться в слові “швидко”.

Принцип реактивного руху

Закон збереження імпульсу стверджує, що в замкненій системі сума всіх імпульсів є постійною. У випадку з кальмаром і водою, це означає, що, викидаючи воду назад, він повинен рухатися вперед. Швидкість руху буде тим більшою, чим більша маса води була викинута і з якою більшою швидкістю це було зроблено.

Кальмар — живий реактивний двигун

Продемонструвати закон реактивного руху можна і на людині. Для цього достатньо стати на ковзани або роликови (для зменшення тертя), взяти в руки щось важке і відкинути це вбік. Внаслідок цього людина від’їде в протилежний від напрмку кидка бік. Чим більша маса вантажу та/або швидкість кидка — тим далі і швидше від’їде.

Не дарма імпульс ще й називають «кількістю руху». Імпульс — це маса, помножена на швидкість. Проста формула:

P=mV

У нашому випадку закон збереження імпульсу:

m₁V₁=m₂V₂ або m₁V₁-m₂V₂=0

Тобто реактивний двигун працює так: викидає робоче тіло в один бік, щоб рухатися в інший. Робоче тіло — це газ або рідина. І оскільки маса двигуна і того апарату, який він приводить у рух, більша за масу робочого тіла, потрібно забезпечити дуже високу швидкість.

Інакше не вийде, маса робочого тіла не може бути більшою за масу двигуна, інакше вийде якийсь дуже дивний транспорт. Тому головне завдання реактивного двигуна — забезпечити якомога більшу швидкість реактивного струменя та якомога більшу масову витрату.

Маса також має значення, чим більше двигун прокачує через себе повітря або води, тим краще. Адже імпульс — це швидкість, помножена на масу.

Принцип роботи реактивного двигуна простий, раз вже ним користуються навіть такі примітивні створіння як кальмари. Але ця простота не означає, що створити перший турбо-реактивний двигун було легко.

Як працює реактивний двигун

Турбо-реактивний двигун:

1. Втягує всередину навколишнє повітря
2. Стискає його
3. Змішує з паливом
4. Підпалює цю суміш
5. З великою швидкістю викидає назовні

Точно так само працює і ракетний двигун, тільки навколишнє повітря йому не потрібне.

У цьому й полягає принципова різниця між ракетою і літаком. Ракета (з ракетним двигуном) не потребує повітря, а авіаційному реактивному двигуну він необхідний.

Навіщо двигуну літака повітря? По-перше, в повітрі міститься кисень, який потрібен для горіння, а по-друге, повітря навколо багато, його не треба возити з собою. Можна розраховувати на те, що в реактивному струмені двигуна, який і створює рух, частка повітря буде дуже великою.

Саме тому ми літаємо на літаках з турбореактивними двигунами, а не на літаках з ракетними двигунами. Це просто більш ефективно. Літак не возить робоче тіло для двигуна з собою, як ракета, він бере стільки, скільки потрібно з навколишньої атмосфери.

Так працює реактивний двигун простими словами. Але просте пояснення не означає, що придумати і створити турбо-реактивний двигун було просто. А от примітивний ракетний двигун, навпаки, створити просто, це робили в Китаї ще до нашої ери.

Отже, реактивний двигун повинен створювати тягу, для цього він повинен забирати великі обсяги повітря і з великою швидкістю викидати його в бік, протилежний польоту літака.

Тому одна з основних характеристик такого двигуна — це ступінь підвищення тиску. Ця величина показує, у скільки разів тиск перед компресором і за ним відрізняється.

Будова газотурбінного двигуна

Зазвичай газо-турбинний двигун складається з таких частин:

1. Повітрозабірник або вхідний пристрій
2. Компресор. Одноступеневий або багатоступеневий, з вентилятором або без нього
3. Камера згоряння
4. Турбіна
5. Сопло

4.1 Форсажна камера між турбіною і соплом (у сучасних пасажирських літаків її немає, були колись дуже давно лише у Конкорда та Ту-144). Туди впорскується додаткове паливо, щоб різко збільшити тягу.

Компресор

Компресор — це частина реактивного двигуна, яка стискає повітря. Простими словами, саме завдяки компресору двигун може “всмоктувати” навколишнє його повітря через повітрозабірник, стискати його і подавати в камеру згоряння.

Камера згоряння

Після компресора — камера згоряння. Це місце, де стиснене повітря змішується з паливом і підпалюється. Це потрібно для того, щоб:

1. Збільшити тиск
2. Збільшити швидкість
3. Збільшення температури — так би мовити шкідливий побічний ефект, але без нього нікуди не подітися

Завдання камери згоряння — “витягнути” енергію, створену горючою сумішшю, і перетворити її на швидкість потоку на виході з двигуна, а також на обертання турбіни.

Туріна

Турбіна, розташована відразу після камери згоряння. На її лопатки потрапляє гарячий газ з камери згоряння. “Гарячий” може означати температуру близько 2000 градусів Цельсія.

Турбіна обертає компресор, який стискає повітря і вентилятор, якщо це турбо-вентиляторний двигун. Загалом, турбіна в конструкції реактивного двигуна не обов’язковий елемент.

Якби існував ефективний спосіб обертати компресор без участі турбіни, було б краще. Такий двигун був би ефективнішим і дешевшим, адже лопатки турбіни зазнають найбільших навантажень і як результат — турбіна і її лопатки дуже складний і дорогий механізм.

До того ж на обертання турбіни витрачається енергія, яка могла б використовуватися для створення реактивної тяги.

Двигун, в якому немає турбіни і компресор обертається за допомогою зовнішнього приводу, називається мотокомпресорним двигуном. На самому початку розвитку реактивних двигунів такі конструкції пропонувалися і навіть використовувалися. Але розвитку така конструкція не отримала.

Тому класичний варіант реактивного двигуна складається з трьох основних частин: компресора, камери згоряння і турбіни.

Втім, є один тип двигуна, в якому немає ні турбіни, ні компресора — прямоточний двигун. У такому двигуні повітря стискається за рахунок швидкості руху. Тобто, щоб прямоточний двигун працював, його потрібно самого розігнати до великої швидкості.

За турбіною знаходиться сопло, його завдання — знизити швидкість вихідних газів до оптимального значення. Зазвичай до дозвукової швидкості. Тому що надзвукова швидкість означає появу ударних хвиль.

У дозвукових пасажирських літаків сопло — це просто труба. Але у надзвукових літаків сопло роблять керованим. Крім того, у надзвукових літаків між турбіною і соплом знаходиться форсажна камера, в яку за необхідності впорскується додаткове паливо, щоб збільшити тягу двигуна.

Вище простою мовою описана конструкція газотурбінного двигуна з осьовим компресором, найбільш поширеного типу. Але простота опису і простота принципу дії не повинні вводити в оману. Газотурбінний двигун — це дуже складний для розробки і виробництва механізм.

Тільки 5 країн у світі можуть створювати конкурентоспроможні реактивні двигуни. А ринок цивільних двигунів взагалі поділений між чотирма найбільшими виробниками:

• CFM International (Франція та США) — 39%
• Pratt & Whitney (США) — 35%
• General Electric (США) — 14%
• Rolls-Royce (Великобританія) — 12%

Такі країни к Китай, Індія, Туреччина чи Південа Корея знаходяться тільки на самому початку шляху, розробляють двигуни для власних військових літаків, і наскільки це яксні або неякісні вироби дізнатися неможливо.

Незважаючи на складність, газотурбінний двигун має дуже високий коефіцієнт корисної дії, теоретично до 60%. Для порівняння, максимальний теоретичний ККД поршневого двигуна — 40%. Простіше кажучи, такий двигун дуже ефективний. Але головне — це велика тяга, яку може забезпечити газотурбінний двигун, і співвідношення тяги до його маси.

Поршневий двигун програє, тому що з підвищенням його потужності маса зростає занадто сильно (той самий закон квадрата куба). Простіше кажучи, далі збільшувати його розміри просто неефективно, занадто важкий вантаж треба буде підіймати в повітря.

Перший реактивний двигун

Хто придумав реактивний двигун

Це спірне питання, яке краще розділити на два або навіть на три:

1. Хто придумав реактивний двигун
2. Хто першим створив реактивний двигун
3. Хто першим зумів довести двигун до льотних випробувань

Перший патент на щось схоже на турбо-реактивний двигун отримав у 1921 році французький інженер Максим Гійом. Але це було лише креслення турбіни і нічого більше. Тому вважати Гійома винахідником газо-турбінного двигуна не можна.

То хто винайшов реактивний двигун?

А от перший працюючий двигун показав англійський інженер Фрек Уіттл. Тому як винахідник реактивного двигуна в історію увійшов саме він.

Незважаючи на те, що перший літак з реактивним двигуном злетів не у Великобританії, ав Німеччині. В 1939 році в Німеччині перше злетів літак який приводився в рух двигуном створеним іншим інженером — Хансом фон Охаймом.

Патент на винахід був оформлений Уіттлом у 1930 році, а Охаймом, тільки в 1936. Тому винахідником газотурбінного двигуна і першим, хто створив робочий зразок, вважається Фрек Уіттл.

Перший реактивний двигун Френка Уіттла

Перший серійний реактивний літак Великобританії Gloster Meteor з двигуном W1 піднявся в повітря 15 травня 1943 року. Через 13 років після того, як Уіттл оформив свій патент.

Створення турбореактивного двигуна зайняло стільки часу в першу чергу тому, що його винахіднику було складно знайти інвесторів або зацікавити уряд Великобританії.

На винахід Уіттла звернули увагу лише після початку Другої Світової війни.

У конструкції свого реактивного двигуна Уіттл знайшов рішення відразу для кількох інженерних проблем. І ці рішення були настільки вдалими, що ними користуються досі.

Проблеми першого газотурбінного двигуна

Ось декілька прикладів задач та витончених рішень:

• Як зробити так, щоб камера згоряння двигуна не згоріла або не розплавилася? Адже температура горіння газів у першому реактивному двигуні досягала 700 градусів Цельсія. А в сучасних двигунах температура ще вища, від 1500 до 2000 градусів Цельсія.

Уіттл придумав геніальне рішення: суміш горить всередині труби з холодного повітря. У камері згоряння було зроблено безліч отворів, крізь які повітря потрапляло всередину і обволікало камеру згоряння зсередини.

Тому вогонь не контактує зі стінками камери згоряння. Незважаючи на те, що така камера згоряння була винайдена Уіттлом у 30-ті роки 20-го століття, так роблять і в сучасних двигунах.

• А як зробити так, щоб суміш взагалі горіла? Адже швидкість потоку на вході в камеру згоряння становила 90 метрів за секунду або 324 км/год. Як на такому “вітрі” забезпечити займання горіння?

Фрек Уіттл вирішив і цю проблему. Він встановив спеціальні лопатки, які закручували повітря таким чином, щоб сформувалася область зворотних токів. Простими словами, деякий мішок з повітря, в який закручується потік, створюючи всередині “спокійну зону” як всередині урагану. Це рішення використовується інженерами до цих пір.

Третя проблема і третє її геніальне інженерне рішення.

• А як зробити так, щоб лопатки турбіни і сама турбіна, які обертаються газом з температурою 700 градусів, не розплавилися і не деформувалися? Робити лопатки і диск турбіни товщими? Але тоді двигун буде занадто важким.

Британський інженер не став обтяжувати конструкцію, він створив систему обдуву диска турбіни, щоб охолоджувати її.

Точно так само роблять і на сучасних газотурбінних двигунах. Але на додаток до охолодження диска охолоджуються й лопатки турбіни. Всередині яких робляться спеціальні канали для протоку повітря.

Треба також враховувати, що турбіна оберталася зі швидкістю 17 000 обертів на хвилину. І крім перегріву випробує ще й механічні навантаження. А значить буде ламатися так чи інакше. Тому лопатки турбіни в двигуні Уіттла були знімними. Щоб зламану лопать можна було замінити, не міняючи всю турбіну цілком. Точно так само робиться по сей день.

Перший реактивний двигун в історії був багато в чому схожий на сучасний, крім однієї найважливішої деталі: у двигуна Уіттла був відцентровий компресор, а не осьовий як в сучасних двигунах.

Осьовий компресор використовується тому, що на ньому простіше збільшувати тиск. Треба просто додавати більше дисків. Відцентровий компресор може забезпечити стиснення до 4 разів, а сучасний осьовий — в 40!

Але в усіх ранніх реактивних двигунах компресори були саме осьовими, тому що інженери ще не вміли розраховувати потоки в кількох каскадах компресора і боротися з таким шкідливим ефектом як помпаж.
А тому було обрано більш м’яке, хоча й менш ефективне рішення. Адже відцентрові нагнітачі вже широко використовувалися в конструкції поршневих двигунів. Конструкція, переваги та недоліки були давно вивчені.

Відцентровий компресор був і у двигуна HeS Ханса фон Охайма.

Його можна було б теж назвати винахідником реактивного двигуна, адже літак з його двигуном злетів раніше, а значить конструкція його була краще. Але ні, відомо, що фон Охайм бачив патент на двигун Уіттла, адже патент — не секретний документ.

Робота зі створення реактивного двигуна в Німеччині йшла швидше, ніж у Великобританії, адже почалася вона пізніше, коли світ перебував напередодні нової Війни і в Німеччині не шкодували ресурсів на створення зброї.

Хенкель, на підприємстві якого працював Охайм, дав всі ресурси, які міг надати найбільше в Європі авіаційне підприємство. Але натомість вимагав, щоб через рік реактивний двигун підняв літак у повітря. Така поспішність не могла закінчитися нічим хорошим…

Перші реактивні літаки

1. Першим літаком з реактивним двигуном був німецький Heinkel 178, він здійснив свій перший політ у серпні 1939 року.
2. У Великобританії літак з двигуном Уіттла піднявся в повітря лише в травні 1941 року, це був експериментальний Gloster E.28/39
3. У США першим реактивним винищувачем був F-80 Shooting Star. Він здійснив перший політ тільки в 1944 році. Важливо зазначити, що в якості двигуна використовувалася ліцензійна копія англійського Rolls-Royce Derwent конструкції Френка Уіттла.
4. Першим серійним літаком з реактивним двигуном став Мессершмітт Ме 262. На ньому було встановлено два реактивних двигуни Jumo-004В, звісно ж теж серійних. Відмінною особливістю Jumo-004 був осьовий компресор, як на сучасних авіадвигунах.

Але чому в серійних німецьких літаках не використовувався двигун конструкції Охайма? Чому перевагу віддали двигуну від Юнкерс для винищувача Ме 262 і для Arado Ar 234?

До речі, компанія BMW теж проектувала газотурбінний двигун BMW 003, і він теж програв конкурентну боротьбу Юнкерсу.

Мабуть тому, що двигун Охайма виявився невдалим. Адже ніде немає згадування про те, як довго він міг працювати і про його надійність. Та й історія радянських реактивних літаків на щось таке натякає…

Першим реактивним винищувачем в СРСР став МіГ-9. На ньому був встановлений двигун Р-10, а це копія німецького Jumo-004. Перший політ він здійснив у 1946 році. У подальшому в СРСР віддали перевагу британським двигунам.

Масовий і ефективний винищувач Міг-15 був оснащений копією англійського двигуна Rolls-Royce Nene. Уряд СРСР купив декілька таких у англійців, але в Радянському Союзі вони називалися РД-45. Загалом “чесно” вкрали у англійців двигун (за ліцензію не платили), тому що він був найкращим на той час.

Першим пасажирським літаком з реактивним двигуном був англійський De Havilland Comet. Він здійснив перший політ уже в 1949 році, а комерційні рейси почав виконувати тільки в 1952-м. На перших моделях використовувалися двигуни з відцентровим компресором, як на двигуні Уіттла, але пізніше вони були замінені на двигуни з осьовим компресором від компанії Роллс-Ройс.

Види реактивних двигунів

• ГТД — газо-турбінний двигун. Реактивний двигун, в якому турбіна приводиться в рух потоком газу і обертає компресор.
• ТРД — турбо-реактивний двигун, це двигун, в якому тяга виникає завдяки потоку розпечених газів
• ТГД — турбо-гвинтовий двигун. На відміну від ТРД, тягу створює повітряний гвинт
• ТВД — турбо-вальний двигун. Це двигун, в якому енергія реактивного струменя використовується для обертання валу. Такі двигуни використовують у вертольотах.
• ТРДД — турбо-реактивний двоконтурний двигун. Реактивний двигун, в якому є два контури: внутрішній з гарячим газом і зовнішній — з холодним повітрям.
• ТВРД —турбо-вентиляторний двигун. Те саме, що й двоконтурний двигун. Тільки другий контур з холодним повітрям більший, ніж з гарячим. Тому те, що в двоконтурного двигуна називається “компресор низького тиску” у турбо-вентиляторного називається “вентилятор”. Такі двигуни більш ефективні та економічні, тому в сучасній пасажирській авіації використовуються саме двоконтурні двигуни з високою степеню двоконтурності і вентилятором. Саме вентилятор створює більшу частину тяги двигуна.
• ПВРД — прямоточний повітряно-реактивний двигун. Двигун, у якого немає ні компресора, ні турбіни. Газ в ньому стискається не завдяки роботі компресора, а за рахунок набігаючого потоку. Тобто, щоб працювати, цьому двигуну потрібна початкова дуже висока швидкість. Прямоточні двигуни найбільш ефективні тільки на надзвукових і гіперзвукових швидкостях. У першої крилатої ракети в світі, німецької Фау-1, був саме пульсуючий прямоточний двигун, тому що він був дешевший і простіший за поршневий.

Найбільший реактивний двигун у світі

Найбільший газо-турбінний двигун в історії — це GE90 від Дженерал Електрик. Він же є і найпотужнішим турбо-вентиляторним двигуном у світі. Характеристики та розміри дійсно вражають:

• Діаметр — 4,2 метра*
• Діаметр вентилятора — 3,3 метра
• Максимальна тяга — 532 800 Ньютонів**
• Ступінь підвищення тиску — 1:40
• Компресор: вентилятор, 3 ступені низького тиску, 10 високого
• Турбіна: 2 ступені низького тиску, 6 ступенів високого
• Температура в камері згоряння — 1300 градусів Цельсія

*це більше, ніж діаметр фюзеляжу такого літака як Боїнг 737 — 3,76 метра.
**або 53,2 тонни. Рекордний показник цього двигуна — 61 тонна тяги.

Принцип роботи реактивного двигуна простий. Ним користуються навіть такі примітивні створіння як кальмари. Але ця простота не означає, що зробити турбо-реактивний двигун було просто. Це і зараз дуже складне завдання, незважаючи на дуже простий принцип роботи. Його дуже складно реалізувати правильно і ефективно.