Повітряний гвинт, що обертається, тягне літак вперед. Але реактивний двигун з великою швидкістю викидає гарячі гази, що відпрацювали, назад і тим самим створює реактивну силу тяги, спрямовану вперед.
Типи реактивних двигунів
Існує чотири типи реактивних, або газотурбінних двигунів:
Турбореактивні;
Турбовентиляторні- такі, як використовувані на пасажирських лайнерах Боїнг-747;
Турбогвинтові, де використовують повітряні гвинти, що наводяться в дію турбінами;
і Турбувальні, які ставлять на гелікоптери.
Турбовентиляторний двигунскладається з трьох основних частин: компресора, камери згоряння та турбіни, що дає енергію. Спочатку повітря надходить у двигун і стискається за допомогою вентилятора. Потім, в камері згоряння, стиснене повітря змішується з пальним і згоряє, утворюючи газ при високій температурі та високому тиску. Цей газ проходить через турбіну, змушуючи її обертатися з величезною швидкістю і викидається назад, створюючи таким чином реактивну силу тяги, спрямовану вперед.
Зображення клікабельне
Потрапивши в турбінний двигун, повітря проходить кілька ступенів стиснення. Особливо сильно виростають тиск та обсяг газу після проходження камери згоряння. Сила тяги, створювана вихлопними газами, дозволяє реактивним літакам рухатися на висотах і швидкостях, що набагато перевершують ті, що доступні гвинтокрилим машинам з поршневими двигунами.
У турбореактивному двигуніповітря забирається попереду, стискається і згоряє разом із паливом. Ті, що утворюються в результаті згоряння вихлопні газистворюють реактивну силу тяги.
Турбогвинтові двигуни з'єднують реактивну тягу вихлопних газівз передньою тягою, що створюється при обертанні повітряного гвинта.
РЕФЕРАТ
ПО ТЕМІ:
Реактивні Двигуни .
Написав: Кисельов А.В.
м.КАЛІНІНГРАД
Вступ
Реактивний двигун, двигун, що створює необхідну для руху силу тяги шляхом перетворення вихідної енергії в кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла; в результаті закінчення робочого тіла із сопла двигуна утворюється реактивна сила у вигляді реакції (віддачі) струменя, що переміщає в просторі двигун і конструктивно пов'язаний з ним апарат у бік, протилежний до закінчення струменя. У кінетичну (швидкісну) енергію реактивного струменя в Р. д. можуть перетворюватися різні види енергії (хімічна, ядерна, електрична, сонячна). Р. д. (двигун прямої реакції) поєднує в собі власне двигун з рушієм, тобто забезпечує власний рух без участі проміжних механізмів.
Для створення реактивної тяги, що використовується Р. д., необхідні:
джерело вихідної (первинної) енергії, яка перетворюється на кінетичну енергію реактивного струменя;
робоче тіло, Яке у вигляді реактивного струменя викидається з Р. д.;
сам Р. д. – перетворювач енергії.
Вихідна енергія запасається на борту літального або ін апарату, оснащеного Р. д. (хімічне пальне, ядерне паливо), або (в принципі) може надходити ззовні (енергія Сонця). Для отримання робочого тіла в Р. д. може використовуватися речовина, що відбирається з навколишнього середовища (наприклад, повітря або вода);
речовина, що знаходиться в баках апарата або безпосередньо в камері Р. буд.; суміш речовин, що надходять з навколишнього середовища та запасаються на борту апарату.
У сучасних Р. д. як первинна найчастіше використовується хімічна
Вогневі випробування ракетного
двигуна Спейс Шаттла
Турбореактивні двигуни АЛ-31Флітака Су-30МК. Належать до класу повітряно-реактивних двигунів
Енергія. У цьому випадку робоче тіло є розжареними газами - продуктами згоряння хімічного палива. При роботі Р. д. хімічна енергія згоряючих речовин перетворюється на теплову енергію продуктів згоряння, а теплова енергія гарячих газів перетворюється на механічну енергію поступального руху реактивного струменя і, отже, апарата, на якому встановлений двигун. Основною частиною будь-якого Р. д. є камера згоряння, в якій генерується робоче тіло. Кінцева частина камери, що служить для прискорення робочого тіла та отримання реактивного струменя, називається реактивним соплом.
Залежно від того, використовується чи ні при роботі Р. д. довкілля, їх поділяють на 2 основні класи - повітряно- реактивні двигуни(ВРД) та ракетні двигуни (РД). Усі ВРД - теплові двигуни, робоче тіло яких утворюється при реакції окислення палива киснем повітря. Повітря, що надходить з атмосфери, становить основну масу робочого тіла ВРД. Т. о., апарат з ВРД несе на борту джерело енергії (пальне), а більшу частину робочого тіла черпає з навколишнього середовища. На відміну від ВРД, всі компоненти робочого тіла РД знаходяться на борту апарату, оснащеного РД. Відсутність рушія, що взаємодіє з довкіллямі наявність всіх компонентів робочого тіла на борту апарату роблять РД єдино придатним для роботи в космосі. Існують також комбіновані ракетні двигуни, що являють собою поєднання обох основних типів.
Історія реактивних двигунів
Принцип реактивного руху відомий дуже давно. Родоначальником Р. д. можна вважати кулю Герона. Твердопаливні ракетні двигуни – порохові ракети з'явилися в Китаї в 10 ст. н. е. Упродовж сотень років такі ракети застосовувалися спочатку на Сході, а потім у Європі як феєрверкові, сигнальні, бойові. У 1903 К. Е. Ціолковський у роботі "Дослідження світових просторів реактивними приладами" вперше у світі висунув основні положення теорії рідинних ракетних двигунів та запропонував основні елементи пристрою РД на рідкому паливі. Перші радянські рідинні ракетні двигуни - ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 були спроектовані В. П. Глушком і під його керівництвом створені в 1930-31 в Газодинамічній лабораторії (ГДЛ). У 1926 Р. Годдард здійснив запуск ракети на рідкому паливі. Вперше електротермічний РД був створений та випробуваний Глушком у ГДЛ у 1929-33.
У 1939 у СРСР відбулися випробування ракет із прямоточними повітряно-реактивними двигунами конструкції І. А. Меркулова. Перша схема турбореактивного двигуна? була запропонована російським інженером Н. Герасимовим у 1909 році.
У 1939 на Кіровському заводі в Ленінграді почалося будівництво турбореактивних двигунів конструкції А. М. Люльки. Випробування створеного двигуна завадила Велика Вітчизняна війна 1941-45. У 1941 вперше було встановлено на літак і випробувано турбореактивний двигун конструкції Ф. Уіттла (Великобританія). Велике значення до створення Р. д. мали теоретичні роботи російських учених З. З. Неждановского, І. У. Мещерського, М. Є. Жуковського, праці французького вченого Р. Ено-Пельтрі, німецького вченого Р. Оберта. Важливим внеском у створення ВРД була робота радянського вченого Б. С. Стечкіна "Теорія повітряно-реактивного двигуна", опублікована 1929 року.
Р. д. мають різне призначення і сфера їх застосування постійно розширюється.
Найбільш широко Р. д. використовуються на літальних апаратах різних типів.
Турбореактивними двигунами та двоконтурними турбореактивними двигунами оснащена більшість військових та цивільних літаків у всьому світі, їх застосовують на гелікоптерах. Ці Р. д. придатні для польотів як із дозвуковими, так і з надзвуковими швидкостями; їх встановлюють на літаках-снарядах, надзвукові турбореактивні двигуни можуть використовуватися на перших щаблях повітряно-космічних літаків. Прямоточні повітряно-реактивні двигуни встановлюють на зенітних керованих ракетах, крилатих ракетах, надзвукових винищувачах-перехоплювачах. Дозвукові прямоточні двигуни застосовуються на гелікоптерах (встановлюються на кінцях лопатей несучого гвинта). Пульсуючі повітряно-реактивні двигуни мають невелику тягу і призначаються лише для літальних апаратів із дозвуковою швидкістю. Під час 2-ої світової війни 1939-45 цими двигунами було оснащено літаки-снаряди ФАУ-1.
РД у більшості випадків використовуються на високошвидкісних літальних апаратах.
Рідинні ракетні двигуни застосовуються на ракетах-носіях космічних літальних апаратів і космічних апаратах як маршові, гальмівні і управляючі двигуни, а також на керованих балістичних ракетах. Твердопаливні ракетні двигуни використовують у балістичних, зенітних, протитанкових та інших ракетах військового призначення, а також на ракетах-носіях та космічних літальних апаратах. Невеликі твердопаливні двигуни застосовуються як прискорювачі при зльоті літаків. Електричні ракетні двигуни та ядерні ракетні двигуни можуть використовуватись на космічних літальних апаратах.
Однак цей могутній ствол, принцип прямої реакції, дав життя величезній кроні "генеалогічного дерева" сім'ї реактивних двигунів. Щоб познайомитися з основними гілками його крони, що вінчає "стовбур" прямої реакції. Незабаром, як можна бачити на малюнку (див. нижче), цей ствол ділиться на дві частини, як би розщеплений ударом блискавки. Обидва нові стволи однаково прикрашені могутніми кронами. Цей поділ відбувся через те, що всі "хімічні" реактивні двигуни діляться на два класи в залежності від того, використовують вони для своєї роботи навколишнє повітря чи ні.
Один із новостворених стволів - це клас повітряно-реактивних двигунів (ВРД). Як показує сама назва, вони не можуть працювати поза атмосферою. Ось чому ці двигуни – основа сучасної авіації, як пілотованої, так і безпілотної. ВРД використовують атмосферний кисень для згоряння палива, без нього реакція згоряння двигуна не піде. Але все ж таки в даний час найбільш широко застосовуються турбореактивні двигуни
(ТРД), що встановлюються майже на всіх без винятку сучасних літаках. Як і всі двигуни, що використовують атмосферне повітря, ТРД потребують спеціального пристрою для стиснення повітря перед подачею в камеру згоряння. Адже якщо тиск у камері згоряння не буде значно перевищувати атмосферний, то гази не витікатимуть з двигуна з більшою швидкістю- саме тиск виштовхує їх назовні. Але при малій швидкості закінчення тяга двигуна буде малою, а палива двигун витрачатиме багато, такий двигун не знайде застосування. У ТРД для стиску повітря служить компресор, і конструкція двигуна багато в чому залежить від типу компресора. Існує двигуни з осьовим і відцентровим компресором, осьові компресори можуть дякувати за користування нашою системою менше або більше ступенів стиснення, бути одно-двохкаскадними і т.д. Для приведення в обертання компресора ТРД має газову турбіну, яка дала назву двигуну. Через компресор і турбіну конструкція двигуна виявляється дуже складною.
Значно простіше за конструкцією безкомпресорні повітряно-реактивні двигуни, в яких необхідне підвищення тиску здійснюється іншими способами, які мають назви: пульсуючі та прямоточні двигуни.
У пульсуючому двигуні для цього служить зазвичай клапанні грати, встановлені на вході в двигун, коли нова порція паливно-повітряної суміші заповнює камеру згоряння і в ній відбувається спалах, клапани закриваються, ізолюючи камеру згоряння від вхідного отвору двигуна. Тому тиск у камері підвищується, і гази спрямовуються через реактивне сопло назовні, після чого весь процес повторюється.
У безкомпресорному двигуні іншого типу, прямоточному, немає навіть цієї клапанної решітки і тиск у камері згоряння підвищується в результаті швидкісного натиску, тобто швидкісного напору. гальмування зустрічного потоку повітря, що надходить у двигун у польоті. Зрозуміло, що такий двигун здатний працювати лише тоді, коли літальний апаратвже летить із досить великою швидкістю, на стоянці він тяги не розвине. Але зате дуже великої швидкості, у 4-5 разів більшої швидкості звуку, прямоточний двигун розвиває дуже велику тягу та витрачає менше палива, ніж будь-який інший "хімічний" реактивний двигун за цих умов. Ось чому прямоточні двигуни.
Особливість аеродинамічної схеми надзвукових літальних апаратів з прямоточними повітряно-реактивними двигунами (ПВРД) обумовлена наявністю спеціальних прискорювальних двигунів, що забезпечують швидкість руху, необхідну для початку сталої роботи ПРД. Це обтяжує хвостову частину конструкції та для забезпечення необхідної стійкості потребує встановлення стабілізаторів.
Принцип роботи реактивного мотора.
У основі сучасних потужних реактивних двигунах різних типів лежить принцип прямої реакції, тобто. принцип створення рушійної сили (або тяги) у вигляді реакції (віддачі) струменя з двигуна "робочої речовини", зазвичай - розпечених газів.
У всіх двигунах існує два процеси перетворення енергії. Спочатку хімічна енергія палива перетворюється на теплову енергію продуктів згоряння, а потім теплова енергія використовується для здійснення механічної роботи. До таких двигунів відносяться поршневі двигуниавтомобілів, тепловозів, парові та газові турбіни електростанцій і т.д.
Розглянемо цей процес стосовно реактивних двигунів. Почнемо з камери згоряння двигуна, в якому тим чи іншим способом, що залежить від типу двигуна та роду палива, вже створена горюча суміш. Це може бути, наприклад, суміш повітря з гасом, як у турбореактивному двигуні сучасного реактивного літака, або суміш рідкого кисню зі спиртом, як в деяких рідинних ракетних двигунах, або, нарешті, якесь тверде паливо порохових ракет. Горюча суміш може згоряти, тобто. вступати у хімічну реакцію із бурхливим виділенням енергії у вигляді тепла. Здатність виділяти енергію при хімічній реакції і є потенційна хімічна енергія молекул суміші. Хімічна енергія молекул пов'язані з особливостями їх будови, точніше, будови їх електронних оболонок, тобто. тієї електронної хмари, яка оточує ядра атомів, що становлять молекулу. Через війну хімічної реакції, коли одні молекули руйнуються, інші виникають, відбувається, природно, перебудова електронних оболонок. У цій перебудові - джерело хімічної енергії, що виділяється. Видно, що паливами реактивних двигунів можуть служити лише такі речовини, які при хімічній реакції в двигуні (згорянні) виділяють досить багато тепла, а також утворюють при цьому велику кількість газів. Всі ці процеси відбуваються в камері згоряння, але зупинимося на реакції не на молекулярному рівні (це вже розглянули вище), а на "фазах" роботи. Поки згоряння не почалося, суміш має великий запас потенційної хімічної енергії. Але полум'я охопило суміш, ще мить - і хімічна реакція закінчена. Тепер уже замість молекул горючої сумішікамеру заповнюють молекули продуктів горіння, щільніше "упаковані". Надлишок енергії зв'язку, що є хімічною енергією минулої реакції згоряння, виділився. Молекули, що володіють цією надмірною енергією, майже миттєво передали її іншим молекулам і атомам в результаті частих зіткнень з ними. Всі молекули та атоми в камері згоряння стали безладно, хаотично рухатися зі значно більшою швидкістю, температура газів зросла. Так стався перехід потенційної хімічної енергії палива на теплову енергію продуктів згоряння.
Подібних перехід здійснювався і в інших теплових двигунах, але реактивні двигуни принципово відрізняються від них щодо подальшої долі розпечених продуктів згоряння.
Після того, як у тепловому двигуні утворилися гарячі гази, що містять велику теплову енергію, ця енергія повинна бути перетворена на механічну. Адже двигуни для того і служать щоб здійснювати механічну роботу, Щось "рухати", приводити в дію, все одно, будь то динамо-машина на прохання доповнити малюнками електростанції, тепловоз, автомобіль або літак.
Щоб теплова енергія газів перейшла в механічну, їх обсяг має зрости. За такого розширення гази і виконують роботу, яку витрачається їх внутрішня і теплова енергія.
У разі поршневого двигуна гази, що розширюються, тиснуть на поршень, що рухається всередині циліндра, поршень штовхає шатун, а той вже обертає колінчастий вал двигуна. Вал зв'язується з ротором динамомашини, провідними осями тепловоза або автомобіля або повітряним гвинтом літака - двигун здійснює корисну роботу. У паровий машині, або газовій турбіні гази, розширюючись, змушують обертати пов'язане з валом турбіною колесо - тут відпадає потреба в передавальному кривошипно-шатунному механізмі, в чому полягає одна з великих переваг турбіни
Розширюються гази, звичайно, і в реактивному двигуні, адже без цього вони не виконують роботи. Але робота розширення у разі не витрачається на обертання валу. Пов'язаного з приводним механізмом, як у інших теплових двигунах. Призначення реактивного двигуна інше - створювати реактивну тягу, а для цього необхідно, щоб з двигуна випливав назовні з великою швидкістю струмінь газів - продуктів згоряння: сила реакції цього струменя і є тяга двигуна. Отже, робота розширення газоподібних продуктів згоряння палива в двигуні повинна бути витрачена на розгін самих газів. Це означає, що теплова енергія газів у реактивному двигуні має бути перетворена на їхню кінетичну енергію - безладний хаотичний тепловий рух молекул має замінитися організованою їхньою течією в одному, загальному для всіх напрямках.
Для цієї мети є одна з найважливіших частин двигуна, так зване реактивне сопло. До якого б не все там правда типу не належав той чи інший реактивний двигун, він обов'язково забезпечений соплом, через яке з двигуна назовні з величезною швидкістю витікають розжарені гази - продукти згоряння палива в двигуні. В одних двигунах гази потрапляють у сопло відразу ж після камери згоряння, наприклад, у ракетних або прямоточних двигунах. В інших, турбореактивних - гази спочатку проходять через турбіну, якій віддають частину своєї теплової енергії. Вона витрачає в цьому випадку для руху компресора, що служить для стиснення повітря перед камерою згоряння. Але, так чи інакше, сопло є останньою частиною двигуна – через нього течуть гази, перед тим як залишити двигун.
Реактивне сопло може мати різні форми, і тим більше різну конструкцію в залежності від типу двигуна. Головне полягає у тій швидкості, з якою гази випливають із двигуна. Якщо ця швидкість закінчення не перевищує швидкості, з якою в газах, що витікають, поширюються звукові хвилі, то сопло являє собою простий циліндричний або звужує відрізок труби. Якщо ж швидкість закінчення повинна перевищувати швидкість звуку, то соплу надається форма труби, що розширюється, або ж спочатку звужується, а за тим розширюється (сопло Лавля). Тільки в трубі такої форми, як показує теорія та досвід, можна розігнати газ до надзвукових швидкостей, переступити через "звуковий бар'єр".
Схема реактивного двигуна
Турбовентиляторний двигун - це реактивний двигун, що найбільш широко використовується в цивільній авіації.
Пальне, потрапляючи в двигун (1), перемішується зі стисненим повітрям і згоряє камери згоряння (2). Гази, що розширюються, обертають швидкохідну (3) і тихохідну) турбіни, які, у свою чергу, приводять в рух компресор (5), що проштовхує повітря в камеру згоряння, і вентилятори (6), що проганяють повітря через цю камеру і направляють його в вихлопну трубу. Витісняючи повітря, вентилятори забезпечують додаткову тягу. Двигун цього типу здатний розвивати тягу до 13 600кг.
Висновок
Реактивний двигун має багато чудових особливостей, але головна з них полягає в наступному. Ракеті для руху не потрібні ні земля, ні вода, ні повітря, оскільки вона рухається внаслідок взаємодії з газами, що утворюються при згорянні палива. Тому ракета може рухатися у безповітряному просторі.
Ціолковський - основоположник теорії космічних польотів. Науковий доказ можливості використання ракети для польотів у космічний простір, за межі земної атмосфери та інших планет Сонячної системи було дано вперше російським вченим і винахідником Костянтином Едуардовичем Ціолковським
Список літератури
Словник Юного Техніка.
Теплові явища в техніці.
Матеріали із сайту http://goldref.ru/;
Реактивнерух (2)
Реферат >> ФізикаЯке у вигляді реактивноюструмені викидається з реактивного двигуна; сам реактивний двигун- перетворювач енергії... з якої реактивний двигунвпливає на апарат, оснащений цим реактивним двигуном. Тяга реактивного двигуназалежить від...
Реактивнерух у природі та техніці
Реферат >> ФізикаСальпа вперед. Найбільший інтерес становить реактивний двигункальмари. Кальмар є самим... тобто. апарат з реактивним двигуном, що використовує пальне та окислювач, що знаходяться на самому апараті. Реактивний двигун– це двигун, що перетворює...
Реактивнасистема залпового вогню БМ-13 Катюша
Історичні особистостіГоловної частини та порохового реактивного двигуна. Головна частина по своїй... підривник і додатковий детонатор. Реактивний двигунмає камеру згоряння, в... різкому збільшенню вогневих можливостей реактивною
Реактивний рух - це процес, у якому від певного тіла з деякою швидкістю відокремлюється одна з його частин. Сила, що виникає при цьому, працює сама по собі, без найменшого контакту із зовнішніми тілами. Реактивний рух став поштовхом до створення реактивного двигуна. Принцип роботи його ґрунтується саме на цій силі. Як діє такий двигун? Спробуємо розібратися.
Історичні факти
Ідею використання реактивної тяги, яка б подолати силу тяжіння Землі, висунув 1903 року феномен російської науки - Ціолковський. Він опублікував ціле дослідження на цю тему, але воно не було сприйняте серйозно. Костянтин Едуардович, переживши зміну політичного устрою, витратив роки праць, щоб довести всім свою правоту.
Сьогодні дуже багато чуток про те, що першим у цьому питанні був революціонер Кібальчич. Але заповіт цієї людини на момент публікації праць Ціолковського було поховано разом із Кибальчичем. Крім того, це була не повноцінна праця, а лише ескізи та нариси – революціонер не зміг підвести надійну базу під теоретичні викладки у своїх роботах.
Як діє реактивна сила?
Щоб зрозуміти принцип роботи реактивного двигуна, слід розуміти, як діє ця сила.
Отже, представимо постріл з будь-якої вогнепальної зброї. Це наочний прикладдії реактивної сили. Струмінь розпеченого газу, який утворився в процесі згоряння заряду в патроні, відштовхує зброю назад. Чим потужніший заряд, тим сильнішою буде віддача.
А тепер представимо процес запалювання горючої суміші: він проходить поступово та безперервно. Саме так виглядає принцип роботи прямоточного реактивного двигуна. Подібним чином працює ракета з твердопаливним реактивним двигуном – це найпростіша з його варіацій. З нею знайомі навіть ракетомоделісти-початківці.
Як паливо для реактивних двигунів спочатку застосовували димний порох. Реактивні двигуни, принцип роботи яких був уже більш досконалий, вимагали палива з основою нітроцелюлози, яка розчинялася в нітрогліцерині. У великих агрегатах, що запускають ракети, що виводять шатли на орбіту, сьогодні використовують спеціальну суміш полімерного пального з амонію перхлоратом в якості окислювача.
Принцип дії РД
Тепер варто розібратися із принципом роботи реактивного двигуна. Для цього можна розглянути класику рідинні двигуни, які практично не змінилися з часів Ціолковського У цих агрегатах застосовується паливо та окислювач.
Як останній використовується рідкий кисень або азотна кислота. Як паливо застосовують гас. Сучасні рідинні двигуни кріогенного типу споживають рідкий водень. Він при окисленні киснем збільшує питомий імпульс (на 30 відсотків). Ідея про те, що можна використовувати водень, також народилася у голові Ціолковського. Однак на той момент через надзвичайну вибухонебезпечність довелося шукати інше пальне.
Принцип роботи полягає в наступному. Компоненти надходять у камеру згоряння із двох окремих баків. Після змішування вони перетворюються на масу, яка при згорянні виділяє величезну кількість тепла та десятки тисяч атмосфер тиску. Окислювач подається до камери згоряння. Паливна сумішу міру проходження між здвоєними стінками камери та сопла охолоджує ці елементи. Далі пальне, підігріте стінами, потрапить через безліч форсунок в зону займання. Струмінь, що формується за допомогою сопла, виривається назовні. За рахунок цього і забезпечується момент, що штовхає.
Коротко принцип роботи реактивного двигуна можна порівняти з паяльною лампою. Однак остання влаштована значно простіше. У схемі її роботи немає різних допоміжних системдвигуна. А це компресори, необхідні для створення тиску упорскування, турбіни, клапана, а також інші елементи, без яких реактивний двигун просто неможливий.
Незважаючи на те, що рідинні двигуни споживають дуже багато пального (витрата палива становить приблизно 1000 грам на 200 кілограмів вантажу), їх досі використовують як маршові агрегати для ракети-носіїв і маневрові для орбітальних станцій, а також інших апаратів космічного призначення.
Пристрій
Влаштований типовий реактивний двигун в такий спосіб. Основні його вузли – це:
компресор;
Камера для згоряння;
Турбіни;
Вихлопна система.
Розглянемо ці елементи докладніше. Компресор є кілька турбін. Їхнє завдання - всмоктувати та стискати повітря у міру того, як воно проходить через лопаті. У процесі стиснення підвищується температура та тиск повітря. Частина такого стиснутого повітряподається до камери згоряння. У ній повітря поєднується з паливом і відбувається запалення. Цей процес ще більше підвищує теплову енергію.
Суміш виходить із камери згоряння на високої швидкостіа потім розширюється. Далі вона слідує ще через одну турбіну, лопаті якої обертаються за рахунок впливу газів. Ця турбіна, з'єднуючись з компресором, що знаходиться в передній частині агрегату, і приводить його в рух. Повітря, нагріте до високих температур, виходить через випускну систему. Температура, що вже досить висока, продовжує зростати за рахунок ефекту дроселювання. Потім повітря виходить остаточно.
Мотор літака
У літаках також використовують ці двигуни. Приміром, у величезних пасажирських лайнерах встановлюють турбореактивні агрегати. Вони від звичайних наявністю двох баків. В одному знаходиться пальне, а в іншому – окислювач. У той час як турбореактивний мотор несе тільки паливо, а як окислювач використовується повітря, що нагнітається з атмосфери.
Турбореактивний двигун
Принцип роботи реактивного двигуна літака ґрунтується на тій же реактивній силі і тих самих законах фізики. Найважливіша частина – це лопаті турбіни. Від розмірів лопаті залежить підсумкова потужність.
Саме завдяки турбінам виробляється тяга, яка потрібна для прискорення літаків. Кожна з лопатей у десять разів потужніша за звичайний автомобільного ДВС. Турбіни встановлені після камери згоряння там, де найвищий тиск. А температура тут може досягати півтори тисячі градусів.
Двоконтурний РД
Ці агрегати мають масу переваг перед турбореактивними. Наприклад, значно менша витрата палива за тієї ж потужності.
Але сам двигун має більш складну конструкцію та більшу вагу.
Та й принцип роботи двоконтурного реактивного двигуна трохи інший. Повітря, захоплене турбіною, частково стискається і подається в перший контур на компресор і на другий - до нерухомих лопат. Турбіна при цьому працює як компресор низького тиску. У першому контурі двигуна повітря стискається та підігрівається, а потім за допомогою компресора високого тискуподається до камери згоряння. Тут відбувається суміш з паливом та займання. Утворюються гази, що подаються на турбіну високого тиску, за рахунок чого й обертаються лопаті турбіни, що подають, у свою чергу, обертальний рух на компресор високого тиску. Потім гази проходять через турбіну низького тиску. Остання приводить у дію вентилятор і нарешті гази потрапляють назовні, створюючи тягу.
Синхронні РД
Це електричні двигуни. Принцип роботи синхронного реактивного двигуна аналогічний до роботи крокового агрегату. Змінний струмподається на статор та створює магнітне поле навколо ротора. Останній обертається за рахунок того, що намагається мінімізувати магнітний опір. Ці мотори не мають відношення до освоєння космосу та запуску шатлів.
Реактивний двигун - пристрій, що створює необхідну для руху силу тяги, перетворюючи внутрішню енергію пального на кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла.
Класи реактивних двигунів:
Усі реактивні двигуни поділяють на 2 класи:
- Повітряно-реактивні – теплові двигуни, що використовують енергію окиснення повітря, одержуваного з атмосфери У цих двигунах робоче тіло представлене сумішшю продуктів горіння з іншими елементами відібраного повітря.
- Ракетні – двигуни, які на борту містять усі необхідні компонентиі здатні працювати навіть у безповітряному просторі.
Прямоточний повітряно-реактивний двигун- Найпростіший у класі ВРД по конструкції. Потрібне для роботи пристрою підвищення тиску утворюється шляхом гальмування зустрічного повітряного потоку.
Робочий процес ПВРД можна коротко описати так:
- У вхідний пристрій двигуна надходить повітря зі швидкістю польоту, його кінетична енергія перетворюється на внутрішню, тиск і температура повітря підвищуються. На вході в камеру згоряння та по всій довжині проточної частини спостерігається максимальний тиск.
- Нагрівання стисненого повітря в камері згоряння відбувається шляхом окислення повітря, що подається, при цьому внутрішня енергія робочого тіла збільшується.
- Далі потік звужується в соплі, робоче тіло досягає звукової швидкості, а знову при розширенні - надзвуковий. За рахунок того, що робоче тіло рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість зустрічного потоку, створюється всередині реактивна тяга.
У конструктивному планіПВРД є гранично простим пристроєм. У складі двигуна є камера згоряння, всередину якої пальне надходить з паливних форсунок, А повітря - з дифузора. Камера згоряння закінчується входом у сопло, яке є звужується-розширюється.
Розвиток технології сумішевого твердого палива спричинило використання цього пального в ПВРД. У камері згоряння розташовується паливна шашка із центральним поздовжнім каналом. Проходячи каналом, робоче тіло поступово окислює поверхню палива і нагрівається саме. Застосування твердого палива ще більше спрощує конструкцію двигуна, що складається: Паливна системастає непотрібною.
Сумішне паливо за своїм складом у ПВРД відрізняється від застосовуваного РДТТ. Якщо в ракетному двигунібільшу частину складу палива займає окислювач, то ПВРД він використовується в невеликих пропорціях для активування процесу горіння.
Наповнювач сумішевого палива ПВРД переважно складається з дрібнодисперсного порошку берилію, магнію або алюмінію. Їх теплота окислення значно перевищує теплоту згоряння вуглеводневого палива. Як приклад твердопаливного ПВРД можна навести маршовий двигун крилатої протикорабельної ракети «П-270 Москіт».
Тяга ПВРД залежить від швидкості польоту та визначається виходячи з впливу кількох факторів:
- Чим більший показник швидкості польоту, тим більшою буде витрата повітря, що проходить через тракт двигуна, відповідно, Велика кількістькисню проникатиме в камеру згоряння, що збільшує витрату палива, теплову та механічну потужністьдвигуна.
- Чим більше витрата повітря крізь тракт двигуна, тим вище буде тяга, що створюється мотором. Однак існує певна межа, витрата повітря крізь тракт мотора не може збільшуватися необмежено.
- У разі зростання швидкості польоту збільшується рівень тиску в камері згоряння. Внаслідок цього збільшується термічний ККД двигуна.
- Чим більше різницяміж швидкістю польоту апарату та швидкістю проходження реактивного струменя, тим більше тяга двигуна.
Залежність тяги прямоточного повітряно-реактивного двигуна від швидкості польоту можна так: до того моменту, поки швидкість польоту набагато нижче швидкості проходження реактивного струменя, тяга буде збільшуватися разом із зростанням швидкості польоту. Коли швидкість польоту наближається до швидкості реактивного струменя, тяга починає падати, минувши певний максимум, у якому спостерігається оптимальна швидкістьпольоту.
Залежно від швидкості польоту виділяють такі категорії ПВРД:
- дозвукові;
- надзвукові;
- гіперзвукові.
Кожна з груп має свої відмінні особливостіконструкції.
Дозвукові ПВРД
Ця група двигунів варта забезпечення польотів на швидкостях, рівних від 0,5 до 1,0 числа Маха. Стиснення повітря і гальмування в таких двигунах відбувається в дифузорі - каналі пристрою, що розширюється, на вході потоку.
Дані двигуни мають вкрай низьку ефективність. При польотах на швидкості М = 0,5 рівень збільшення тиску в них дорівнює 1,186, через що ідеальний термічний ККД для них - всього 4,76%, а якщо ще й враховувати втрати реальному двигуніця величина буде наближатися до нуля. Це означає, що з польотах на швидкостях M<0,5 дозвуковой ПВРД неработоспособен.
Але навіть на граничній швидкості для дозвукового діапазону при М = 1 рівень збільшення тиску дорівнює 1,89, а ідеальний термічний коефіцієнт - 16, 7%. Ці показники в 1,5 рази менші, ніж у поршневих двигунів внутрішнього згоряння, і в 2 рази менше, ніж у газотурбінних двигунів. Газотурбінні і поршневі двигуни також ефективні для використання при роботі в стаціонарному положенні. Тому прямоточні дозвукові двигуни, порівняно з іншими авіаційними двигунами, виявилися неконкурентоспроможними і в даний час серійно не випускаються.
Надзвукові ПВРД
Надзвукові ПВРД розраховані на здійснення польотів у діапазоні швидкостей 1< M < 5.
Гальмування надзвукового газового потоку завжди виконується розривно, при цьому утворюється ударна хвиля, яка називається стрибком ущільнення. На дистанції ударної хвилі процес стиснення газу перестав бути изоэнтропийным. Отже, спостерігаються втрати механічної енергії, рівень підвищення тиску у ньому менший, ніж у изоэнтропийном процесі. Чим потужнішим буде стрибок ущільнення, тим більше зміниться швидкість потоку на фронті, відповідно, більше втрати тиску, що іноді досягають 50%.
Для того щоб мінімізувати втрати тиску, організується стиск не в одному, а в декількох стрибках ущільнення з меншою інтенсивністю. Після кожного з таких стрибків спостерігається зниження швидкості потоку, що залишається надзвуковою. Це досягається, якщо фронт стрибків розташований під кутом до напрямку швидкості потоку. Параметри потоку в інтервалах між стрибками залишаються незмінними.
В останньому стрибку швидкість досягає дозвукового показника, подальші процеси гальмування та стиснення повітря відбуваються безперервно в каналі дифузора.
Якщо вхідний пристрій двигуна розташований в області незбуреного потоку (наприклад, попереду літального апарата на носовому закінченні або на достатньому віддаленні від фюзеляжу на крильовій консолі), він виконується асиметричним і комплектується центральним тілом - гострим довгим конусом, що виходить з обичайки. Центральне тіло призначене для створення у зустрічному повітряному потоці косих стрибків ущільнення, які забезпечують стиснення та гальмування повітря до моменту надходження в спеціальний канал вхідного пристрою. Представлені вхідні пристрої одержали назву пристроїв конічної течії, повітря всередині них циркулює, утворюючи конічну форму.
Центральне конічне тіло може бути оснащене механічним приводом, який дозволяє йому рухатися вздовж осі двигуна та оптимізувати гальмування потоку повітря на різних швидкостях польоту. Ці вхідні пристрої називаються регульованими.
При фіксації двигуна під крилом або знизу фюзеляжу, тобто області аеродинамічного впливу елементів конструкції літака, використовують вхідні пристрої плоскої форми двовимірної течії. Вони не оснащуються центральним тілом і мають поперечний прямокутний переріз. Їх ще називають пристроями змішаного або внутрішнього стиску, оскільки зовнішнє стиск тут має місце тільки при стрибках ущільнення, що утворюються біля передньої кромки крила або закінчення літального апарату. Вхідні регульовані пристрої прямокутного перерізу здатні змінювати положення клинів усередині каналу.
У надзвуковому швидкісному діапазоні ПВРД ефективніший, ніж у дозвуковому. Наприклад, швидкості польоту М=3 ступінь збільшення тиску становить 36,7, що наближається до показника турбореактивних двигунів, а розрахунковий ідеальний ККД досягає 64,3 %. Насправді ці показники менші, але з швидкостях у діапазоні М=3-5 СПВРД з ефективності перевершують всі існуючі типи ВРД.
При температурі незбуреного повітряного потоку 273 K і швидкості літака М = 5 температура робочого загальмованого тіла дорівнює 1638 К, при швидкості М = 6 - 2238 К, а в реальному польоті з урахуванням стрибків ущільнення і дії сили тертя стає ще вище.
Подальше нагрівання робочого тіла є проблематичним через термічну нестійкість конструкційних матеріалів, що входять до складу двигуна. Тому граничною для СПВРД вважається швидкість, що дорівнює М=5.
Гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний двигун
До категорії гіперзвукових ПВРД належить ПВРД, що працює на швидкостях понад 5М. Станом на початок XXI століття існування такого двигуна було лише гіпотетичним: не зібрано жодного зразка, який би пройшов льотні випробування та підтвердив доцільність та актуальність його серійного випуску.
На вході у пристрій ГПВРД гальмування повітря виконується лише частково, і протягом решти такту переміщення робочого тіла є надзвуковим. Більшість кінетичної вихідної енергії потоку при цьому зберігається, після стиснення температура відносно низька, що дозволяє звільнити робочому тілу значну кількість тепла. Після вхідного пристрою проточна частина двигуна по всій довжині розширюється. За рахунок згоряння палива у надзвуковому потоці відбувається нагрівання робочого тіла, воно розширюється та прискорюється.
Цей тип двигуна призначений для проведення польотів у розрідженій стратосфері. Теоретично такий двигун можна використовувати на багаторазових носіях космічних апаратів.
Однією з основних проблем конструювання ГПВРД є організація згоряння палива в надзвуковому потоці.
У різних країнах розпочато кілька програм зі створення ГПВРД, всі вони знаходяться на стадії теоретичних досліджень та передпроектних лабораторних досліджень.
Де застосовуються ПВРД
ПВРД не працює при нульовій швидкості та низьких швидкостях польоту. Літальний апарат з таким двигуном вимагає встановлення на ньому допоміжних приводів, у ролі яких може виступати твердопаливний ракетний прискорювач або літак-носій, з якого проводиться запуск апарата з ПВРД.
Через неефективність ПВРД на малих швидкостях його практично недоречно використовувати на пілотованих літаках. Такі двигуни переважно використовувати для безпілотних, крилатих, бойових ракет одноразового застосування завдяки надійності, простоті та дешевизні. ПВРД також застосовують у літаючих мішенях. Конкуренцію за характеристиками ПВРД складає лише ракетний двигун.
Ядерний ПВРД
У період холодної війни між СРСР та США створювалися проекти прямоточних повітряних реактивних двигунів із ядерним реактором.
У таких агрегатах як джерело енергії виступала не хімічна реакція спалювання палива, а тепло, яке виробляв ядерний реактор, встановлений замість камери згоряння. У такому ПВРД повітря, що надходить крізь вхідний пристрій, проникає в активну область реактора, охолоджує конструкцію і сам нагрівається до 3000 К. Далі відбувається його витікання із сопла двигуна зі швидкістю, наближеною до швидкості скоєних ракетних двигунів. Ядерні ПВРД призначалися для встановлення у міжконтинентальних крилатих ракетах, що несуть ядерний заряд. Конструктори в обох країнах створили малогабаритні ядерні реактори, які помістилися до габаритів крилатої ракети.
У 1964 році в рамках програм дослідження ядерних ПВРД Tory та Pluto провели стаціонарні вогневі випробування ядерного ПВРД Tory-IIC. Програму випробувань було закрито у липні 1964 р., льотні випробування двигуна не проводили. Імовірною причиною згортання програми могло стати вдосконалення комплектації балістичних ракет ракетними хімічними двигунами, які дозволяли реалізувати бойові завдання без залучення ядерних ПВРД.
У передній частині реактивного двигуна розміщується вентилятор. Він забирає повітря із зовнішнього середовища, засмоктуючи його в турбіну. У двигунах, які застосовуються в ракетах, повітря замінює рідкий кисень. Вентилятор має безліч титанових лопатей, що мають спеціальну форму.
Площа вентилятора намагаються зробити досить велику. Крім забору повітря ця частина системи бере участь також і в охолодженні двигуна, оберігаючи камери від руйнування. Позаду вентилятора розташовується компресор. Він під великим тиском нагнітає повітря на камеру згоряння.
Один із головних конструктивних елементів реактивного двигуна – камера згоряння. У ній паливо поєднується з повітрям і підпалюється. Відбувається спалах суміші, що супроводжується сильним розігрівом деталей корпусу. Паливна суміш під впливом високої температури розширюється. Фактично у двигуні відбувається керований вибух.
З камери згоряння суміш палива з повітрям надходить у турбіну, що складається з безлічі лопаток. Реактивний потік із зусиллям тисне на них і приводить турбіну до обертання. Зусилля передається на вал, компресор та вентилятор. Утворюється замкнута система, для роботи якої потрібно лише постійне підведення паливної суміші.
Остання деталь реактивного двигуна – сопло. Сюди з турбіни надходить розігрітий потік, формуючи реактивний струмінь. У цю частину двигуна також подається від вентилятора холодне повітря. Він служить для охолодження всієї конструкції. Повітряний потік захищає манжету сопла від шкідливого впливу реактивного струменя, не дозволяючи розплавитися деталям.
Як працює реактивний двигун
Робочим тілом двигуна є реактивна. Вона з дуже великою швидкістю спливає із сопла. При цьому утворюється реактивна сила, яка штовхає весь пристрій у протилежному напрямку. Тягове зусилля створюється виключно за рахунок дії струменя, без опори на інші тіла. Ця особливість роботи реактивного двигуна дозволяє використовувати його як силову установку для ракет, літаків і космічних апаратів.
Частково робота реактивного двигуна можна порівняти з дією струменя води, що з шлангу. Під величезним тиском рідина подається по рукаву до звуженого кінця шланга. Швидкість води при виході з брандспойту вища, ніж усередині шланга. При цьому утворюється сила зворотного тиску, яка дозволяє пожежному утримувати шланг лише з великими труднощами.
Виробництво реактивних двигунів є особливою галуззю техніки. Оскільки температура робочого тіла тут досягає кількох тисяч градусів, деталі двигуна виготовляють із високоміцних металів та тих матеріалів, які стійкі до плавлення. Окремі частини реактивних двигунів виконують, наприклад, спеціальних керамічних складів.
