Серия «Физика в воздухе»

*Турбореактивные двигатели двухконтурные (форсажные)

Ну, как и обещал, сегодня расскажу вам про двухконтурный реактивный двигатель. Это, пожалуй, самый распространенный тип ВРД в современной авиации. Он устанавливается на подавляющее большинство пассажирских самолетов, широко используются в грузовой и высокоманевренной авиации. Его главная особенность, как понятно из названия, двухконтурность. Она позволяет снизить расход топлива, сократить удельную массу двигателя, дает возможность форсировать его и позволяет играться с эффективностью, путем увеличения этой самой двухконтурности.

У таких ГТД присутствует внешний и внутренний контуры. Внутренний контур это все то, что вырабатывает энергию для подъема ЛА в воздух, то есть КВД (компрессор высокого давления), ТВД (турбина высокого давления) и камера сгорания (КС); внешний же, независимый контур, воздух для которого отбирается от вентилятора (упрощенный принцип работы я описывал здесь), нужен преимущественно для снижения расхода топлива и шума, а также для увеличения тяги

Общий принцип работы в принципе понятен. Воздух изначально входит в двигатель через вентилятор, далее разделяется и попадает в КНД и во внешний контур (см. картинку). Во внешнем контуре (холодном) он никак дополнительно не сжимается и выходит в общую форсажную камеру (ФК), если она есть. А во внутреннем, после КНД, поток начинает сжиматься, как я описывал раньше, и уже горячий воздух также выбрасывается в общую ФК

Какая же магия происходит после КНД? Общий принцип уже ясен — воздух сжимается и нагревается, увеличивая свою тепловую энергию. Часть энергии сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу, которая используется для вращения компрессора и привода вспомогательных агрегатов, а другая часть идет уже на полезную работу, которую совершает двигатель. Полезная работа — это тяга, она может быть создана вентилятором (если степень двухконтурности достаточно велика) и избыточным давлением. Последнее же и создается как раз после КНД. Согласно обощенному уравнению Бернулли, подведенная к газу внешняя работа расходуется на его сжатие, изменение кинетической энергии и преодоление сил трения. Внешняя работа — это сжигание топлива в КС. Также поперечное сечение уменьшается от КНД до КС, а тяга — это давление, умноженное на площадь сечения. В следствии этого повышается давление и кинетическая энергия. Все это раскручивает ТВД (которая сидит на одном валу с КВД), а за ним и ТНД (которая сидит на одном валу с КНД).

Поток не идет в обратную сторону, так как компрессор создает повышенное давление перед КС, горячий газ, нагретый там вытекает в турбину, раскручивая ее, а она в свою очередь раскручивает компрессор, такой самоподдерживающийся процесс получается, пока в КС поступает топливо.

Итого — тяга создается вентилятором и высоким давлением (реактивной струей). Давление создается повышенной температурой в КС. Все это толкает самолет вперед.

А для чего нужен тогда второй контур? Зачем нужно было с ним заморачиваться, если все в итоге смешается? Это до банального просто. Оказалось, что во время полета эффективнее и экономичнее отталкиваться от воздуха вентилятором, нежели реактивной струей (на скорости ниже скорости звука). Также в ФК этот воздух смешивается с воздухом из внутреннего контура, что увеличивает объем отбрасываемых газов, а это в свою очередь еще сильнее увеличивает тягу и делает двигатель еще более эффективным. Как-то так

Сейчас двигателисты играются со степенью двухконтурности, есть агрегаты с изменяемой степенью двухконтурности, что позволяет максимально эффективно использовать двигатель на разных режимах полета. Даже поговаривают о трехконтурных двигателях, но дальше расчетов и чертежей разговоры пока не зашли. Как-то так. Дальше расскажу о ТВД и военных

Подписывайтесь на Авиаконструктора в телеграмм

Как думаете, что сложнее всего проектировать и изготавливать у самолета? Конечно же это газотурбинный двигатель. Обычно в авиаотрасли их производством занимаются не те же самые компании, которые производят сам планер. То есть спроектировать фюзеляж, крыло, электическую проводку и все остальные узлы и агрегаты в самолете намного легче, чем создать двигатель. Это крайне сложное и высокотехнологичное устройство, которое поднимает многотонную машину в воздух. В мире всего 5 стран-производителей авиационных двигателей. Давайте поговорим немного про их устройство, в максимально общих чертах.

Посмотрите на картинку.

Пока понятно, что ничего непонятно

Микропояснения к картинке:

1 — Забор воздуха

2 — Компрессор низкого давления

3 — Компрессор высокого давления

4 — Камера сгорания

5 — Расширение рабочего тела (воздуха) в турбине и сопле

6 — Горячая зона

7 — Турбина

8 — Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания

9 —  Холодная зона

10 — входное устройство, или «вентилятор»

Итак, как вкраце работает эта магия? Воздух входит в двигатель сам (набегающим потоком, или с помощью вентилятора и немного сжимается, далее посильнее сжимается в комрессоре низкого давления (КНД), потом еще сильнее сжимается в компрессоре высокого давления (КВД), в камере сгорания в этот сжатый воздух впрыскивается топливо и там же поджигатется, потом этот сжатый и горячий воздух расширяется в турбине высокого давления (ТВД), еще сильнее расширяется в турбине низкого давления (ТНД) и выбрасывается через сопло. То есть газотурбинный двигатель (ГТД) работает по термодинамическому циклу Брайтона. Это если максимально кратко и просто. В следующей статье расскажу подробнее. Ожидайте в моем телеграмм-канале

Подробнее -- в моем телеграмм

Ламинарный поток характеризуется гладкими, упорядоченными слоями жидкости (газа), скользящей друг по другу без смешивания. Такой режим течения крайне экономичен и течет без сопротивления. Турбулентный поток имеет хаотичные, закрученные узоры с нерегулярными колебаниями. Он часто приводит к повышенному рассеиванию энергии и перемешиванию слоев жидкости (газа).

Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости (низких значениях числа Ренольдца Re). При больших скоростях потока (больших значениях числа Re) режим течения переходит в турбулентный

В большинстве источников вводят понятие критическое значение числа Re, обычно равное 2100...2400. Считается что ниже этого значения ламинарное течение устойчивое. Для «некруглых» каналов значение числа Re обычно считают по гидравлическому диаметру канала d =4А/П, где А — площадь сечения, а П — смоченный периметр

Применение турбулентного и ламинарного потоков

На картинке — продувка  Porsche 911 в аэротрубе

Турбулентный режим течения находит свое применение в различных сферах, жизни человека, где так или иначе используются потоки и воздушные течения. Например:

Теплообмен

Конвекторы в домах основываются на смешении горячих и холодных потоках, что вызывает их смешение и способствует теплообмену в квартире

Технология пожаротушения

Современные системы пожаротушения, такие как аэрозольные генераторы, используют турбулентность для более эффективного распределения огнетушащих веществ. В авиационном пожаротушении турбулентность, создаваемая воздушными потоками от двигателей, помогает рассеивать огнетушащие порошки или жидкости.

Аэродинамика

В области аэродинамики турбулентное обтекание поверхностей при определенных условиях  может помочь уменьшить лобовое сопротивление, например, в мячах для гольфа, где углубления создают турбулентный пограничный слой, который уменьшает лобовое сопротивление и позволяет мячу двигаться дольше

Ламинарное течение также может быть применено на благо человеку. А именно:

Аэродинамика и гидродинамика

Ламинарный поток используется в конструкции самолетов, автомобилей, кораблей и других транспортных средств для уменьшения сопротивления и повышения эффективности движения.

Химическая промышленность

В химической промышленности ламинарный поток используется для смешивания реагентов и реакционных смесей, обеспечивая высокую эффективность и качество процессов.