Реактивный двигатель

Когда речь идет о реактивных двигателях, обычно имеется в виду именно газотурбинный двигатель, такой который используется на самолетах. Хотя на самом деле, реактивным двигателем является и ракетный двигатель и водомет корабля. Все дело в принципе, который используется для движения. Если это реактивная струя — двигатель реактивный.

Но в этой статье речь пойдет в основном именно о самолетных турбо-реактивных двигателях или газо-турбинных двигателях. Что это такое и как они работают?

Что такое реактивный двигатель

Реактивных двигателей очень много, некоторые прообразы встречаться даже в дикой природе. Поэтому понять как они работают просто.

Реактивный двигатель — это двигатель который использует принцип реактивного движения.

Простыми словами, чтобы двигаться вперед, нужно что-то отбросить назад. Так делает, например, кальмар или каракатица. Эти животные набирают в себя воду, а потом быстро выбрасывают ее в сторону противоположную той, в которую они хотят двигаться. Секрет движения находиться в слове «быстро».

Принцип реактивного движения

Закон сохранения импульса гласит, что в замкнутой системе сумма всех импульсов постоянна. В случае с кальмаром и водой, это означает, что выплевывая воду назад, он должен двигаться вперед. Скорость движения будет тем больше, чем большая масса воды была выброшена и с чем большей скоростью это было сделано.

Кальмар — живой реактивный двигатель

Продемонстрировать закон реактивного движения можно и на человеке. Для этого достаточно встать на коньки или ролики (для уменьшения трения) взять в руки что-то тяжелое и отбросить груз в сторону. В результате, человек отъедет в противоположную от броска сторону. Больше масса груза и/или скорость броска — отъедет дальше и быстрее.

Не зря импульс называют еще и «количеством движения». Импульс, это масса умноженная на скорость. Простая формула:

P=mV

В нашем случае закон сохранения импульса:

m₁V₁=m₂V₂ или m₁V₁-m₂V₂=0

То есть реактивный двигатель работает так: выбрасывает рабочее тело в одну сторону, чтобы двигаться в другую. Рабочее тело, это газ или жидкость. И так как масса двигателя, и того аппарата который он приводит в движение, больше массы рабочего тела, нужно обеспечить очень высокую скорость.

Иначе не получится, масса рабочего тела не может быть больше массы двигателя, так получится какой-то очень странный транспорт. Поэтому, главная задача реактивного двигателя — обеспечить как можно большую скорость реактивной струи и как можно больший расход массовый расход.

Масса тоже имеет значение, чем больше двигатель прокачивает через себя воздуха или воды, тем лучше. Ведь импульс — это скорость умноженная на массу.

Принцип работы реактивного двигателя прост, раз уж им пользуются даже такие примитивные существа как кальмары. Но эта простота не значит, что сделать первый турбо-реактивный двигатель было просто.

Как работает реактивный двигатель

Турбо-реактивный двигатель:

1. Втягивает внутрь окружающий воздух
2. Сжимает его
3. Смешивает с топливом
4. Поджигает эту смесь
5. С большой скоростью выбрасывает наружу

Точно так же работает и ракетный двигатель, только окружающий воздух ему не нужен.

В этом и состоит принципиальная разница между ракетой и самолетом. Ракета (с ракетным двигателем) не нуждается в воздухе, а самолетному реактивному двигателю он необходим.

Зачем двигателю самолета воздух? Во-первых в воздухе содержится кислород, который нужен для горения, а во-вторых воздуха вокруг много, его не нужно возить с собой. Можно рассчитывать на то, что в реактивной струе двигателя, которая и создает движение доля воздуха будет очень большой.

Именно поэтому мы летаем на самолетах с турбореактивными двигателями, а не на самолетах с ракетными двигателем. Это просто более эффективно. Самолет не возит рабочее тело для двигателя с собой, ка ракета, он берет его столько сколько нужно из окружающей его атмосферы.

Так работает реактивный двигатель простыми словами. Но простое описание не означает, что придумать и создать турбо-реактивный двигатель просто.  А вот примитивный ракетный двигатель, наоборот, создать просто, это делали в Китае еще до нашей эры.

Итак реактивный двигатель должен созывать тягу, для этого он должен забирать большие объемы воздуха и с большой скоростью выбрасывать его в сторону противоположную полету самолета.

Поэтому одна из основных характеристик такого двигателя это степень повышения давления. Эта величина которая показывает во сколько раз давление перед компрессором и за ним отличается.

Устройство газотурбинного двигателя

Обычно газо-турбинный двигатель состоит из таких частей:

1. Воздухозаборник или входное устройство
2. Компрессор. Одноступенчатый или многоступенчатый с вентилятором или без него
3. Камера сгорания
4. Турбина
5. Сопло

4.1 Форсажная камера между турбиной и соплом (у пассажирских самолетов ее нет). Туда впрыскивается дополнительное топливо, чтобы резко увеличить тягу.

Компрессор — это часть реактивного двигателя которая сжимает воздух. Простыми словами именно благодаря компрессору двигатель может «засасывать» окружающий его воздух через воздухозаборник, сжимать его и подавать в камеру сгорания.

После компрессора вдело вступает камера сгорания. То место где сжатый воздух смешивается с топливом и поджигается. Это нужно для того, чтобы:

1. Увеличить давление
2. Увеличить скорость
3. Увеличение температуры — так сказать вредный побочный эффект но без него ника не обойтись

Задача камеры сгорания извлечь энергию  созданную горючей смесью и превратить ее в скорость потока на выходе из двигателя, а также во вращение турбины.

Турбина, находится сразу после камеры сгорания. На ее лопатки попадает горячий воздух из камеры сгорания. Горячий может означать температуру около 2000 градусов Цельсия.

Турбина вращает компрессор который сжимает воздух и вентилятор, если это турбо-вентиляторный двигатель. В принципе, турбина в конструкции реактивного двигателя не обязательный элемент.

Если бы существовал эффективный способ вращать компрессор без участия турбины, было бы лучше. Такой двигатель был бы эффективнее и дешевле, ведь лопатки турбины подвергаться самым большим нагрузкам и как результат — турбина и ее лопатки очень сложный и дорогой механизм.

В добавок к этому на вращение турбины тратиться энергия, которая могла бы использоваться для создания реактивной тяги.

Двигатель, в котором нет турбины и компрессор вращается с помощью внешнего привода называется мотокомпрессорным двигателем. В самом начале развития реактивных двигателей такие конструкции предлагались и даже использовались. Но развития такая конструкция не получила.

Поэтому классический вариант реактивного двигателя состоит из трех основных частей: компрессора, камеры сгорания и турбины.

Впрочем, есть один тип двигателя в котором нет не только турбины но и компрессора — прямоточный двигатель. В таком двигателе воздух сжимается за счет скорости движения. То есть чтобы прямоточный двигатель работал, его нужно самого разогнать до большой скорости.

За турбиной находится сопло, его задача — понизить скорость исходящих газов до оптимального значения. Обычно до дозвуковой скорости. Потому, что сверхзвуковая скорость означает появление ударных волн.

У дозвуковых пассажирских самолетов сопло, это просто труба. Но у сверхзвуковых самолетов сопло делают управляемым. К тому же у сверхзвуковых самолетов между турбиной и соплом находится форсажная камера, в которую при необходимости впрыскивается дополнительное топливо, чтобы увеличить тягу двигателя.

Выше простым языком описана контракция газотурбинного двигателя с осевым компрессором, самого распространенного типа. Но простота описания и простота принципа действия не должны вводить в заблуждение. Газотурбинный двигатель — это очень сложный для разработки и производства механизм.

Только 5 стран в мире могут создавать конкурентоспособные* реактивные двигатели. А рынок гражданских двигателей вообще поделен между четырьмя крупнейшими производителями:

• CFM International (Франция и США) — 39%
• Pratt & Whitney (США) — 35%
• General Electric (США) — 14%
• Rolls-Royce (Великобритания) — 12%

*Такие страны, как Китай, Индия, Турция или Южная Корея, находятся лишь в самом начале пути, разрабатывая двигатели для собственных боевых самолетов, и насколько эти изделия качественные или некачественные, узнать невозможно.

Несмотря на сложность, газотурбинный двигатель имеет очень высокий коэффициент полезного действия, теоретически до 60%. Для сравнения максимальный теоретический КПД поршневого двигателя — 40%. Проще говоря, такой двигатель очень эффективен. Но главное, это большая тяга, которую может обеспечить газотурбинный двигатель и отношение тяги к его массе.

Поршневой двигатель проигрывает потому, что с увеличением его мощности масса растет слишком сильно. Проще говоря, дальше увеличивать его размеры просто неэффективно, слишком тяжелый груз нужно будет поднимать в воздух.

Первый реактивный двигатель

Кто придумал реактивный двигатель

Это спорный вопрос, который лучше разделить на два:

1. Кто придумал реактивный двигатель
2. Кто первым создал реактивный двигатель
3. Кто первым сумел довести двигатель до летных испытаний

Первый патент на что-то похожее на турбо-реактивный двигатель получил в 1921 году французский инженер Максим Гийом. Но это был только чертеж турбины и ничего больше. Так что считать Гийома изобретателем газо-турбинного двигателя нельзя.

А вот первый работающий двигатель показал английский инженер Фрэнк Уиттл. Поэтому как изобретатель реактивного двигателя в историю воше именно он.

Не смотря на то, что первый самолет с реактивным двигателем взлетел не в Великобритании, а в 1939 году в Германии и приводился в движение он двигателем созданным другим инженером — Хансом фон Охаймом.

Патент на изобретение был оформлен Уиттлом в 1930 году, а Охаймом, только в 1936. Поэтому изобретателем газотурбинного двигателя и первым кто создал рабочий образец считается Фрэнк Уиттл.

Первый серийный реактивный самолет Великобритании Gloster Meteor с двигателем W1 поднялся в воздух 15 мая 1943 года. Через 13 лет после того, как Уиттл оформил свой патент.

Создание турбореактивного двигателя заняло столько времени в первую очередь потому, что его изобретателю было сложно найти инвесторов или заинтересовать правительство Великобритании.

На изобретение Уиттла обратили внимание только после начала Второй Мировой войны.

В конструкции своего реактивного двигателя Уиттл нашел решения сразу для нескольких инженерных проблем. И эти решения были настолько удачными, что ими пользуются до сих пор.

Проблемы первого газотурбинного двигателя

Вот несколько примеров задач и изящных решений:

Как сделать так, чтобы камера сгорания двигателя не сгорела или не расправилась? Ведь температура горения газов в первом реактивном двигателе достигала 700 градусов Цельсия. А в современных двигателях температура и того больше, от 1500 до 2000 градусов целься.

Уиттл придумал гениальное решение: смесь горит внутри трубы из холодного воздуха. В камере сгорания было сделано множество отверстий, сквозь которые воздух попадал внутрь и обволакивал камеру сгорания изнутри.

Поэтому огонь со стенками камеры сгорания не контактирует. Не смотря на то, что такая камера сгорания была изобретена Уиттлом в 30-е годы 2-ого века, так делают и в современных двигателях.

А как сделать так, чтобы смесь вообще горела? Ведь скорость потока на входе в камеру сгорания составляла 90 метров в секунду или 324 км/час. Как на таком «ветру» обеспечить зажигание горение?

Фрэнк Уиттл решил и эту проблему. Он установил специальные лопатки, которые закручивали воздух таким образом, чтобы сформировалась область обратных токов. Простыми словами, некий мешок из воздуха в который закручивается поток создавая внутри «спокойную зону» как внутри урагана. Это решение используется инженерами до сих пор.

Третья проблема и третье ее гениальное инженерное решение. А как сделать так, чтобы лопатки турбины и сама турбина, которые крутятся  газом с температурой 700 градусов, не оплавилась и не деформировалась? Делать лопатки и диск турбины толще? Но тогда двигатель будет слишком тяжелым.

Британский инженер не стал утяжелять контракцию, он создал систему обдува диска турбины чтобы охлаждать ее. Точно также делают и на современных газотурбинных двигателях. Но в добавок к охлаждению диска охлаждаться и лопатки турбины. Внутри которых делаются специальные каналы для протока воздуха

Нужно также учитывать что турбина вращалась со скоростью 17 000 оборотов в минуту. И кроме перегрева испытывает еще и механические нагрузки. А значит будет ломаться так или иначе. Поэтому лопатки турбины в двигателе Уиттла были съемными. Чтобы сломанную лопату можно было заменить не меняя всю турбину целиком. Точно также делается по сей день.

Первый реактивный двигатель в истории был многим похож на современный, кроме одной важнейшей детали: у двигателя Уиттла был центробежный компрессор, а не осевой как в современных двигателях.

Осевой компрессор используется потому, что на нем проще увеличивать давление. Нужно просто добавлять больше дисков. Центробежный компрессор может обеспечить сжатие до 4 раз, а современный осевой — в 40!

Но во всех ранних реактивных двигателях компрессоры были именно осевыми, потому, что инженеры еще не умели рассчитывать потоки в нескольких каскадах компрессора и бороться с таким вредным эффектом как помпаж.

А поэтому было выбрано более нежадное хотя и менее эффективное решение. Ведь центробежные нагнетатели уже широко использовались в конструкции поршневых двигателей. Конструкция, достоинства и недостатки были давно изучены.

Центробежный компрессор был и у двигателя HeS Ханса фон Охайма. Его можно было бы тоже назвать изобретателем реактивного двигателя, ведь самолет с его двигателем взлетел раньше, а значит конструкция его была лучше. Но нет, известно что фон Охайм видел патент на двигатель Уиттла, ведь патент — не секретный документ.

Работа по созданию реактивного двигателя в Германии шла быстрее, чем в Великобритании, ведь началась она позже, когда мир находился в преддверии новой Войны и в Германии не жалели ресурсов на создание оружия.

Хенкель, на предприятии которого работал Охайм дал все ресурсы, которые мог предоставить самый крупное в Европе авиационное предприятие. Нов замен потребовал, чтобы через год, реактивный двигатель поднял самолет в воздух.

такая спешка не могла окончиться ничем хорошим…

Первые реактивные самолеты

Первым самолетом с реактивным двигателем был немецкий Heinkel 178, он совершил свой первый полет в августе 1939 года.

В Великобритании самолет с двигателем Уиттла поднялся в воздух в мае 1941 года, это был экспериментальный Gloster E.28/39

В США первым реактивным истребителем был F-80 Shooting Star. Он совершил первый полет только в 1944 году. Важно отметить что в качестве двигателя использовалась лицензионная копия английского Rolls-Royce Derwent конструкции Френка Уиттла.

Первым серийным самолетом с реактивным двигателем стал Мессершмит Ме 262. На нем было установлено два реактивных двигателя Jumo-004В, естественно тоже серийных. Отличительной особенностью Jumo-004 был осевой компрессор, как на современных авиадвигателях.

Но почему, в серийных немецких самолетах не использовался двигатель от Хенкель, конструкции Охайма? Почему предпочтение отдали двигателю от Юнкерс и для истребителя Ме 262 и для Arado Ar 234?

Кстати, компания BMW тоже проектировала газотурбинный двигатель BMW 003, и он тоже проиграл конкурентную борьбу Юнкерсу.

Видимо потому, что двигатель Охайма оказался неудачным. Ведь нигде нет упоминания о том как долго он мог работать и о его его надежности. Да и история советских реактивных самолетов на что-то такое намекает.

Первым реактивным истребителем в СССР стал МИГ-9. На нем был установлен двигатель Р-10, а это копия немецкого Jumo-004. первый полет он совершил в 1946 году. В дальнейшем в СССР предпочти британские двигатели.

Массовый и эффективный истребитель Миг-15 был оснащен копией английского двигателя Rolls-Royce Nene. Правительство СССР купило несколько таких у англичан, но в советском союзе они назывались РД-45. В общем «честно» украли у англичан двигатель (за лицензию не платили), потому, что он был лучшим на то время.

Первым пассажирским самолетом с реактивным двигателем был английский De Havilland Comet. Он совершил первый полет в уже в 1949 году, а коммерческие рейсы начал выполнять только в 1952-м. На первых моделях использовались двигатели с центробежным компрессором, как на двигателе Уиттла, но позже они были заменены на двигатели с осевым компрессором от компании Ролс-Ройс.

Виды реактивных двигателей

• ГТД — газо-турбинный двигатель. Реактивный двигатель в котором турбина приводится в движение потоком газа и вращает компрессор.
• ТРД — турбо-реактивный двигатель, это двигатель в котором тяга возникает благодаря потоку раскаленных газов
• ТВД — турбо-винтовой двигатель. В отличие от ТРД, тягу создает воздушный винт
• ТВД — турбо-вальный двигатель. Это двигатель в котором энергия реактивной струи используется для вращения вала. Такие двигатели используют в вертолетах.
• ТРДД — турбо-реактивный двухконтурный двигатель. Реактивный двигатель в котором есть два контура: внутренний с горячим газом и внешний — с холодным воздухом.
• ТВРД —турбо-вентиляторный двигатель. То же что и двухконтурный двигатель. Только второй контур с холодным воздухом больше, чем с гарячим. Поэтому то, что у двухконтурного двигателя называется «компрессор низкого давления» у турбо-вентиляторного называется «вентилятор». Такие двигатели более эффективны и экономичны, поэтому в современной пассажирской авиации используются именно двухконтурные двигатели с высокой степенью двухконтурности и вентилятором. Именно вентилятор создает большую часть тяги двигателя.
• ПВРД — прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Двигатель у которого нет ни компрессора ни турбины. Газ в нем сжимается не благодаря работе компрессора, а за счет набегающего потока. То есть, чтобы работать этому двигателю нужна начальная очень высокая скорость. Прямоточные двигатели наиболее эффективны только на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях. У первой крылатой ракеты в мире, немецкой Фау-1 был как раз пульсирующий прямоточный двигатель, потому, что он был дешевле и проще поршневого.

Самый большой реактивный двигатель в мире

Самый большой газо-турбинный двигатель в истории — это GE90 от Дженерал Электрик. Он же является и самым мощным турбо вентиляторным двигателем в мире. Характеристики и размеры действительно впечатляют:

• Диаметр — 4,2 метра*
• Диаметр вентилятора — 3,3 метра
• Максимальная тяга — 532 800 Ньютонов**
• Степень повышения давления — 1:40
• Компрессор: вентилятор, 3 ступени низкого давления, 10 высокого
• Турбина: 2 ступени низкого давления, 6 ступеней высокого
• Температура в камере сгорания — 1300 градусов Цельсия

*это больше чем диаметр фюзеляжа такого самолета как Боинг 737 — 3,76 метра.

**или 53,2 тонны. Рекордный показатель этого двигателя — 61 тонна тяги.

Принцип работы реактивного двигателя прост. Им пользуются даже такие примитивные существа как кальмары. Но эта простота не значит, что сделать турбо-реактивный двигатель было просто.

Это и сейчас очень сложная задача, несмотря на очень простой принцип работы. Его очень сложно реализовать правильно и эффективно.