Основные компоненты реактивного двигателя и их функции

Реактивный двигатель использует воздух и топливо для производства тяги из сопла или вращения вала, соединенного с пропеллером или роторными лопастями. Реактивный двигатель состоит из холодного и горячего участков. Холодный участок включает воздухозаборник, обходные каналы, компрессор, диффузор и приводной вал. Горячий участок состоит из камеры сгорания, турбины, сопла, форсажа и выхлопной системы. Двигатель работает за счет засасывания холодного воздуха, его сжатия, смешения с топливом, сгорания и выброса через выхлоп. В этой статье подробно рассматриваются основные компоненты реактивного двигателя.

Компоненты горячего участка реактивного двигателя

Горячий участок начинается с камеры сгорания, также называемой газогенератором. Здесь создается горячий газ, движущийся заднеперед через лопасти турбины, сверхзвуковое сопло, форсаж и наконец через выхлоп. Участок назван горячим, потому что содержит горячий газ, образованный в камере сгорания. Температура газов в выхлопе составляет 550–850 °C, или до 1500 °C с форсажом.

1. Камера сгорания

В камере сгорания воздух и топливо смешиваются и воспламеняются. Камера должна замедлить поток воздуха от ~80–500 фут/с и создать мертвую зону в центре, где зажигается пламя. Топливо завихряется в камере для обеспечения правильного смешения с воздухом. Температура газов, выходящих из камеры сгорания, составляет 1800–2000 °C. Для предотвращения плавления камеры необходимы два условия. Во-первых, часть воздуха из предсгорания вводится как пограничный слой между горячим газом и стенками камеры. Во-вторых, камера изготовлена из титанового сплава с керамическим покрытием. Эти тонкие керамические покрытия снижают температуру материала до ~300 °C. Титановые камеры сгорания отливают, затем сваркивают вместе перед нанесением керамического покрытия.

2. Турбина

Горячий газ покидает камеру сгорания и расширяется с высокой скоростью. Расширение газа частично поглощается лопастями турбины для их вращения. Лопасти турбины соединены через приводной вал с компрессорными лопастями для засасывания нового воздуха. Лопасти турбины изготавливаются из монокристалла никелевого сплава для предотвращения ползучести между металлическими пограничными слоями. Лопасти также покрыты керамическим покрытием для предотвращения плавления. Помимо покрытия, лопасти имеют внутренние воздушные каналы, позволяющие холодному воздуху выходить через отверстия на поверхности, создавая пограничный слой холодного воздуха над лопастями.

3. Сверхзвуковое сопло

В большинстве реактивных двигателей выхлопное сопло — сходящийся канал. Оно ускоряет газовый поток до сверхзвуковой скорости для введения в свободную потоковую скорость снаружи двигателя.

4. Форсаж

Форсажи — это топливные форсунки, добавляющие дополнительное топливо в горячий газ после сгорания для кратковременного увеличения тяги. В двигателе с форсажом обычно есть двойная стенка с воздушным зазором между ними. Существующий горячий газ смешивается с потоком холодного воздуха от передней части двигателя через пространство, называемое внутренней стенкой двигателя. Это также предотвращает передачу тепла к конструкции самолета.

5. Выхлоп

Выхлопные газы, покидающие выхлоп, имеют температуру 550–850 °C. Для выдержки этих условий выхлоп изготавливают из никелевого или титанового сплава. Один из распространенных никелевых сплавов — Inconel®.

Компоненты холодного участка реактивного двигателя

Внутри холодного участка находятся воздухозаборник, компрессор, обходные каналы, валы, соединяющие компрессорные и турбинные лопасти, и диффузорный участок. Холодный участок может быть довольно горячим из-за трения и сжатия воздуха. Однако он холоден по сравнению с горячим участком — от камеры сгорания до выхлопа.

1. Воздухозаборник

Воздухозаборники кажутся простыми, но на самом деле сложны. Геометрия заборника — сходящаяся или расходящаяся. Сходящийся заборник ускоряет воздух примерно до 0,5 Маха для двигателей со скоростью ниже 0,5 Маха. Расходящиеся каналы замедляют воздух до 0,5 Маха для двигателей, работающих выше 0,5 Маха. Заборники также включают отогревательные системы для предотвращения наледи, создающей турбулентный поток в двигатель и способной заглушить его, если отваливается крупными кусками.

2. Вал

Валы газовой турбины передают мощность от турбинных дисков в задней части двигателя к компрессорным лопастям спереди, позволяя компрессору засасывать воздух. Число вал зависит от схемы двигателя. Однореактивный двигатель имеет один компрессорный диск, один турбинный диск и один вал. Двухреактивный — два компрессорных и турбинных диска и валы, движущиеся независимо. Валы изготавливают из термически обработанной стали, так как они должны выдерживать экстремальные температуры и крутящий момент. Валы обычно обрабатывают на токарных станках из крупных сталезаготовок.

3. Компрессор

Компрессоры сжимают входящий воздушный поток за счет увеличения кинетической энергии воздуха. Диффузор затем замедляет воздух и преобразует кинетическую энергию в потенциальную (давление), повышая КПД двигателя. Компрессор может быть радиальным колесом, ускоряющим поток наружу к диффузору. Или осевым компрессором, ускоряющим поток заднеперед к диффузору. Обе лопасти традиционно изготавливают из титана, алюминия или стали. Титан часто предпочтителен из-за малого веса и устойчивости к коррозии и ползучести. Углеродволокнистые лопасти также используются, особенно в двигателе GEnx. Металлические компрессорные лопасти отливают расплавленным металлом, охлаждают и затем механически обрабатывают до конечной формы.

4. Обходные каналы

Обходные каналы позволяют воздуху, сжатому обходным вентилятором, двигаться вокруг ядра двигателя и использоваться как тяга или для повторного введения в двигатель для охлаждающих функций. Обходные каналы — большой участок двигателя, поэтому их обычно делают из алюминия или углеродного волокна для снижения веса. Алюминий используется для изготовления панелей, собираемых в канал. Углеродволокнистые каналы делают укладкой углеродного волокна в форму и отверждением смолой. После отверждения панели устанавливают на двигатель для формирования канала.

5. Диффузорный участок

Диффузорный участок превращает кинетическую энергию воздуха, созданную компрессорными лопастями, в потенциальную (давление) энергию для повышения эффективности сгорания. Диффузоры обычно — статорные лопатки, по сути статичные компрессорные лопасти, замедляющие воздушный поток в двигателе. Статорные лопатки производят из стали или никелевых сплавов вроде Inconel®.

Что такое реактивный двигатель?

Реактивный двигатель — это двигатель, построенный из воздухозаборника, компрессора, диффузора, камеры сгорания, турбин и выхлопа. Реактивные двигатели либо дают тягу из выхлопа, либо вращают турбинный диск, который вращает пропеллер или главный ротор вертолета. Реактивный двигатель работает в непрерывном цикле, в котором постоянно засасывается, сжимается, сгорает и выталкивается поток воздуха.

Реактивные двигатели — крупные, сложные машины, собираемые из частей. После одобрения конструкции компоненты должны быть изготовлены. Часть изготавливается внутри компании, но многое привозится из других компаний и собирается. Например, Rolls-Royce Trent состоит из восьми модулей. Крупные компоненты вроде камеры сгорания и компрессора строятся отдельно, затем соединяются на финальной сборке. После сборки основных частей добавляют аксессуары вроде кабелей и гидравлики. Финальный этап — испытания, на которых двигатель работает на испытательном стенде для обеспечения соответствия эксплуатационным спецификациям. Для дополнительной информации см. наше руководство по What is Aluminum Casting?

Как работает реактивный двигатель?

Реактивный двигатель работает за счет засасывания воздуха из заборника и его сжатия. Сжатие достигается ускорением и замедлением воздуха для создания кинетической энергии и превращения её в энергию давления. Сжатый воздух затем смешивается с топливом и воспламеняется. Воспламененная смесь затем быстро расширяется. Расширяющийся газ делает две вещи: во-первых, вращает турбины, которые вращают компрессор для засасывания больше воздуха. Во-вторых, толкает самолет либо быстрым уходом как тяга через выхлоп, либо вращением другого набора турбин, вращающих пропеллер или главный ротор вертолета.

Как производят реактивные двигатели?

Реактивные двигатели — крупные, сложные машины, собираемые из частей. После одобрения конструкции компоненты должны быть изготовлены. Часть изготавливается внутри компании, но многое привозится из других компаний и собирается. Например, Rolls-Royce Trent состоит из восьми модулей. Крупные компоненты вроде камеры сгорания и компрессора строятся отдельно, затем соединяются на финальной сборке. После сборки основных частей добавляют аксессуары вроде кабелей и гидравлики. Финальный этап — испытания, на которых двигатель работает на испытательном стенде для обеспечения соответствия эксплуатационным спецификациям.

Материальный состав реактивного двигателя

Реактивные двигатели сделаны из множества передовых, прочных и легких материалов из-за экстремальных нагрузок и сред, которые они переживают. Для полета требуется невероятная сила, поэтому минимизация веса при максимизации мощности — ключевая цель производителей. Большинство материалов — металлические сплавы, включая:

1. Никелевые сплавы
2. Кобальтовые сплавы
3. Титановые сплавы

Двигатели также используют неметаллические материалы, такие как:

1. Кремневый карбид
2. Углеродное волокно

Производство реактивных двигателей чрезвычайно сложно из-за их экстремальных рабочих условий и требований безопасности. Двигатели подвергаются экстремальным термическим, механическим и аэродинамическим нагрузкам. Они также должны иметь очень низкий уровень отказов для безопасности. Сочетание этих двух факторов делает производство реактивных двигателей таким сложным.

Кроме того, некоторые детали реактивных двигателей теперь 3D-печатаются. Хотя печать деталей двигателя сложна из-за требуемых механических свойств, производство некоторых деталей теперь включает этот метод. Генерал Электрик GE9X имеет 3D-печатанные турбинные лопасти из материала TiAl, который слишком ломок для других производственных техник. Для дополнительной информации см. наше руководство по 3D Printing in Aerospace Industry.

Контроль качества при производстве компонентов реактивного двигателя

Многие производители придерживаются AS9100 — авиационного аналога системы управления качеством ISO 9001 (QMS). AS9100 — международно признанный стандарт, устанавливающий требования для эффективного управления качеством. Требования включают внедрение систем работы и использование правильной документации для обеспечения того, что все детали правильного качества и прослеживаемы.