Как работает турбореактивный двигатель
Приветствую, ХАБРчане. Пришла мне в голову идея создать турбореактивный мотоцикл. И, естественно, пришлось собирать техническую информацию и во всём разбираться. Но простого объяснения принципа работы такого двигателя я не нашёл. Везде рассказывается сложным техническим языком, зачастую понятным только инженеру. И я решил попробовать рассказать по-простому так, чтобы понял и инженер, и ребёнок.
Физический принцип
Чтобы объяснить, на каком принципе работает турбореактивный двигатель, рассмотрим следующий пример.
Давайте представим, что мы взяли обычный домашний вентилятор. Включив его в розетку, мы увидим, что электрический двигатель будет раскручивать крыльчатку вентилятора и она начнёт создавать тот самый поток воздуха, который мы так любим в сильную жару. А теперь давайте поставим второй вентилятор напротив первого.
Тогда поток ветра с первого вентилятора будет вращать крыльчатку второго (не подключённого к сети) вентилятора, и если на второй вентилятор вместо двигателя мы установим электрогенератор, то он, разумеется, будет вырабатывать электричество. Получится как бы ветряной генератор. И тут сама собой напрашивается идея соединить эти два вентилятора проводами, то есть запитать первый вентилятор от генератора. Получится так называемая замкнутая система. Генератор вырабатывает электричество для двигателя, а двигатель вырабатывает ветер для генератора.
Замкнутая система
Получается, как бы вечный двигатель. Но сразу спешу огорчить, что вечного двигателя на самом деле не получится, так как и у крыльчаток, и у двигателя, и у генератора есть какой‑то свой коэффициент полезного действия (КПД). И, к сожалению, он почти всегда меньше единицы, ибо в этой замкнутой системе много потерь. В итоге эта связь двух вентиляторов будет иметь затухающий характер. Но люди придумали следующее: они расположили между этими двумя вентиляторами огонь.
Поскольку при сжигании керосина происходит расширение газов примерно в 27 раз, к тому же эти выхлопные газы будут изрядно разогреты, а значит дополнительно увеличены в объёме, то на второй вентилятор будет приходить намного больше энергии, чем тратит первый вентилятор.
И в таком случае мы действительно можем соединить оба вентилятора проводом, и эта система будет работать. Тогда наш генератор (вентилятор № 2) будет вырабатывать электричество с избытком, даже больше, чем потребуется для вращения первого вентилятора. И тут возникает вопрос: а зачем нам вообще нужен генератор, двигатель, провода, когда можно просто взять две крыльчатки и просто закрепить их на один общий вал, тем самым избавиться от преобразования в электричество и исключить тяжёлые дорогие агрегаты? В такой схеме механизм упрощён до максимума, а его эффективность будет даже выше, так как исключены лишние преобразования энергии в электричество и обратно.
Вот на таком простом принципе и работают все турбореактивные двигатели.
Турбокомпрессор
Первый вентилятор (нагнетающий воздух) называется турбокомпрессором и порой состоит из десятка последовательно расположенных крыльчаток для создания необходимого давления. А второй вентилятор называется силовой турбиной. Силовой, потому что она и вращает этот самый турбокомпрессор. В итоге эта система вращающихся крыльчаток раскручивается до огромных скоростей: 100 и даже 200 тысяч оборотов в минуту в зависимости от размеров турбины. В результате этого выходящие потоки воздуха и выхлопных газов двигаются с такой скоростью, что формируют реактивную струю такой силы, что этого достаточно, чтобы толкать самолёт.
Применение
Применение этой турбинной системы не ограничивается одними только самолётами. С вала турбины можно отбирать механическую энергию (турбовальная схема) и вращать генератор, который будет питать целый город. Поэтому такая технология ГТУ (газотурбинная установка) широко используется на электростанциях, а также различных перекачивающих нагнетающих компрессорах и даже на некоторых танках.
Из плюсов подобных силовых установок можно отметить большую мощность при малых размерах и весе, поэтому подобные реактивные двигатели так полюбились в авиации. Но есть у них и минусы: большой расход топлива (относительно ДВС) и огромная стоимость. Так что вряд ли вы когда-то увидите реактивный трактор или автобус.
Заключение
На мой взгляд, турбореактивный двигатель (ТРД) лучше всего подойдёт для создания будущего реактивного мотоцикла. И, кстати, работа по конструированию такого двигателя уже началась. Как и в предыдущих моих проектах, мне интересно поделиться процессом создания этого реактивного ЧУДОвища. Поэтому, будет сделана серия коротких видео, где я всё подробно рассказываю, показываю и объясняю с применением самодельных объясняющих анимаций.
Первый выпуск, в котором описывается принцип работы реактивного двигателя, можно посмотреть здесь:
Как это работает. Ракетный двигатель
Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.
С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.
Космически просто
И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.
Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос
Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.
Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.
Как работает жидкостный ракетный двигатель
Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.
Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация
В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.
Устройство РД-107/108
Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.
Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.
Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.
Рекордсмен космоса
Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.
Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.
РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.
Принцип работы и устройство реактивного двигателя
Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.
Двигатели, работающие на топливе
Гюйгенс ван Зейлихем
Наибольшего успеха на этом поприще добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Зейлихем, который в 1687 году первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. Согласно замыслу, в двигателе создавалась камера внутреннего сгорания, в которой должен был сжигаться порох, а выделенная в результате горения энергия, преобразовываться в силу, приводящую определенный элемент в движение. Порох являлся первым прототипом современного топлива.
Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.
Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.
Явление отдачи
Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.
Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.
Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.
Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.
Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.
Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.
Реактивный двигатель и принцип его работы
Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.
Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.
- закон сохранения импульса;
- третий закон Ньютона.
Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.
Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.
Устройство реактивного двигателя
- компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
- камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
- турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
- сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.
Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.
Реактивные двигатели в самолете
Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.
В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.
Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.
Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель
В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.
С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.
Реактивные двигатели в космосе
Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.
Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?
В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.
Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.
Как работает авиационный двигатель — простым языком.
✈Самолетный двигатель является его сердцем. Не зря в песне поется «А вместо сердца пламенный мотор». В нем внутри действительно пламя и огромные температуры. То что вы видите под крылом это не турбина, а именно авиационный двигатель, а турбина — это его составная часть.
🔹Итак по порядку: Авиационный турбовентиляторный реактивный двигатель необходим для создания тяги, которая преодолеет сопротивление воздуха, сопротивление самолета и его частей. Разгонит самолет до скорости на которой вырастет подъемная сила, способная оторвать самолет от земли и унести его с полной загрузкой в небо.
🔹Передняя часть двигателя называется воздухозаборник. Воздух попадая в него уже начинает частично сжиматься, благодаря его форме.
🔹Далее воздух попадает на ступени вентилятора и ряд лопаток, где его давление и температура от сжимания начинает расти. Воздух дальше идет по двум контурам по внутреннему и внешнему. Внешний контур сжимает воздух только благодаря своей форме. Воздух, который пошел во внутренний контур все больше и больше сжимается проходя каждый ряд статичных и крутящихся лопаток. Они имеют определенную форму и сделаны из титана и жаропрочных материалов. Пройдя несколько ступеней компрессора низкого давления воздух попадает в компрессор высокого давления.Там он все более сжимается и его температура растет все больше и больше.
🔹И вот подогретый и сжатый воздух попадает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом, которое впрыскивается туда через форсунки и поджигается с помощью факельного воспламенителя. В результате этого, резко растет тепловая энергия.
🔹Далее происходит следующее: разогретые до огромной температуры газы выходят с бешеной скоростью из камеры сгорания и расширяются. Попадая на колесо турбины, они приводят ее в вращение.Турбина сидит на одном валу с компрессором. В результате чего компрессор начинает вращаться и получается замкнутая цепь. Воздух вновь засасывается компрессором и процесс продолжается.Турбина низкого давления вращает компрессор низкого давления и вентилятор, а турбина высокого давления вращает компрессор высокого давления.
🔹Далее выходящие газы попадают в сопло и на выходе из него смешиваясь с воздухом с внешнего контура создают реактивную струю, которая и толкает наш самолет сквозь воздушную среду. Подобно тому, как струя воздуха толкает воздушный шарик, если его надуть и не завязывая отпустить.
🌀 Ну и у двигателя есть еще реверс, который изменяет направление этой струи на противоположное во время пробега самолета по ВПП. В результате самолет теряет скорость и пилоты применив тормоза останавливают многотонную машину.
8.6K постов 16.6K подписчиков
Правила сообщества
Короче говоря: двигло жрёт воздух, сжимает его, смешивает с топливом и высирает тугой струёй через жопу.
это ТРД (турбореактивный двигатель), авиационным двигателем может быть и электродвигатель, и поршневой, и хоть педали с ногами.
Из чего делают лопасти турбин в камере сгорания? По сути там плавильная камера.
Bristol F.2B Fighter (1/72 Roden). Заметки по сборке
Приветствую, уважаемые подписчики, коллеги-моделисты и просто читатели! Работа на заказ для моделиста (любителя Первой Мировой и авто), потерявшего руку на известных событиях. Я уже делал ему триплан Фоккер Манфреда фон Рихтгофена, заказчик остался доволен. Но только Драйдеккер я собирал с нуля, а этот самолёт был уже частично собран и даже окрашен владельцем, то есть тут нужно было закончить модель. Ещё одно существенное преимущество немецкого триплана — он практически не имел расчалок, чего нельзя сказать о Бристоле. Я не умею с ними работать, и честно предупреждал заказчика, но он настоял. И ещё «за компанию» он попросил окрасить корпус советской металлической модельки (или игрушки?) машины Альфа Ромео Giulia SS. Эту покраску я тоже выложу здесь в качестве бонуса. Смотрим!
В таком виде мне досталась модель
О наборе: Набор 2003 года от украинской (г.Киев) фирмы Roden, выполненный по технологии литья под низким давлением. В компактной коробочке изначально лежали четыре литника из белого полистирола, декаль и инструкция. Мне же досталась примерно на 80% собранная и на 30% окрашенная кистью модель. В наборе было по моим подсчётам 102 детали, что весьма немало для своего масштаба. Качество литья на «троечку»: имеются участки замыленности и облой, следы стыковки пресс-формы, питатели доволно толстые и кое-где сильно портят детали. Я бы сказал «неплохо для ЛНД», если бы не имел несколько великолепнейших моделей от ModelSvit, выполненных по этой же технологии. Пластик хрупкий, обрабатывается и клеится легко. Детализация на достойном уровне: довольно подробно показан интерьер кабины и двигатель, неплохо передан рельеф полотняной обшивки, прекрасно выполнен пулемёт Льюиса. Расшивка тонкая и неглубокая, в некоторых местах сглажена — работать с ней неудобно. Стыкуемость, предсказуемо, невысокая. Очевидно, я не могу сказать о всей модели — большую часть сборки я не проводил, но судя по уже склеенным стыкам, там не всё шло гладко. Лично у меня возникло немало проблем с установкой верхнего крыла на 12 точечных опор. Набор имеет среднюю вариативности по сборке. Выбираем между двумя типами винтов и выхлопных труб, также есть возможность сделать модель с убранными панелями капота, чтобы было видно двигатель и носовой пулемёт. Фигур, подставок или прочих бонусов нет. Инструкция — небольшая, чёрно-белая, содержит весьма подробную статью о прототипе на украинском и английском языках, этапы сборки показаны нормально, но совершенно нет схемы натяжки расчалок, как будто производитель и не предполагает их делать в таком некрупном масштабе. Косвенно это подтверждается тем, что на коробке указан «уровень сложности 3» из 5 возможных, а с расчалками и тягами сложность взлетит в разы. Схемы окраски в инструкции чёрно-белые, самолёт показан с левого бока, а крылья сверху и снизу, ещё одна схема на задней стороне коробки цветная. Предлагаются целых семь вариантов.
Машина с боксарта — самолёт Эндрю МаКивера на октябрь 1918 года, основной цвет оливковый, капот серый, нижние поверхности цвета полотна, маркировка относительно скучная.
Первый вариант из инструкции — самолёт лейтенанта Гриффитса, окраска и маркировка очень похожи на предыдущую, только есть крупная надпись на правом борту.
Ещё один самолёт МакКивера, только более ранний — октябрь 1917 года. Отличается от того, что на бокс-арте удлиннёными выхлопными трубами и интересными тактическими обозначениями на бортах.
Самолёт из частей ПВО Великобритании, борт лейтенанта Тёрнера, имеет такую же окраску, но кругляши и маркировку на хвосте без белого цвета и изображение белого петуха на бортах.
Машина с Итальянского фронта, пилот майор Баркер, стрелок — принц Уэльский Эдвард (sic!) отличается двойной белой полосой вокруг корпуса и крупными литерами D на бортах и крыле. Также имеет четырёхлопастной винт.
Истребитель Австралийского Лётного Корпуса капитана Вильямса, отличается окраской. Нос и одна половина крыльев оливковые, вторые половины крыльев и остальной корпус белые, снизу также цвет полотна. Маркировка стандартная.
Ещё одна австралийская машина, пилот не указан. Имеет похожую окраску и маркировку, но только крылья оливковые с белыми элеронами.
Декаль нормального качества, несколько более ломкая, чем хотелось бы, но это может объясняться довольно длительным хранением. Цена набора мне доподлинно неизвестна, но я знаю, что Роден весьма недорог. Другое дело, что в некоторых странах цены на украинские модели взлетели на порядок, да и найти их можно далеко не во всех магазинах. Есть ли альтернативы сказать точно не могу, но мне на глаза не попадались. Модель однозначно не для новичков, какой бы уровень сложности ей не присваивал производитель. Однозначно радует детализация и обилие вариантов, но невысокое качество пластика требует определённой сноровки и крепости нервов.
Про машинку трудно что-то сказать, ибо мне принесли её в разобранном виде, к тому же не все детали. Металлический корпус, открываемые двери, капот и багажник, пластиковый салон. Между деталями щели, копийность никакая. Не знаю, уместно ли называть это моделью. Просто игрушечная машинка в масштабе 1/43. На днище написано Alfa-Romeo Giulia SS, Made in USSR.