Понимание основных компонентов реактивного двигателя и их функций

Реактивный двигатель использует воздух и топливо для производства энергии, которая либо обеспечивает тягу выхлопных газов, либо приводит в движение вал, соединенный с пропеллером или лопастями несущего винта. Реактивный двигатель состоит из холодной и горячей частей. Холодная секция включает в себя впускной, перепускной каналы, компрессор, диффузор и приводной вал. Горячая секция состоит из камеры сгорания, турбины, сопла, камеры дожигания и выхлопа. Реактивный двигатель работает, втягивая холодный воздух, сжимая его, смешивая с топливом, сжигая его и затем выбрасывая через выхлопные газы. В этой статье будут подробно рассмотрены основные компоненты реактивного двигателя.

Из каких частей состоит горячая секция реактивного двигателя?

Горячая секция реактивного двигателя начинается в камере сгорания, также известной как газогенератор. Здесь создается горячий газ, который движется назад, расширяясь через лопатки турбины, сверхзвуковое сопло, камеру дожигания и, наконец, через выхлоп. Горячая секция называется таковой, потому что она содержит горячий газ, образующийся в камере сгорания. Температура газов в выхлопе составляет 550–850 °C или до 1500 °C с камерой дожигания.

1. Камера сгорания

Камера сгорания – это место, где воздух и топливо смешиваются и воспламеняются. Камера сгорания должна замедлять поток воздуха примерно со скорости 80–500 футов/с и создавать мертвую зону посередине, где загорается пламя. Топливо циркулирует по камере, обеспечивая правильную смесь с воздухом. Температура газов, выделяющихся из камеры сгорания, находится в пределах 1800–2000 °С. Чтобы камера не расплавилась, необходимы две вещи. Во-первых, некоторое количество воздуха из потока воздуха перед горением вводится в качестве пограничного слоя между горячим газом и камерой. Во-вторых, камера сгорания изготовлена ​​из титанового сплава с керамическим покрытием. Эти очень тонкие керамические покрытия снижают температуру материала примерно до 300 °C. Титановые камеры сгорания отливаются, а затем свариваются вместе перед нанесением керамического покрытия.

2. Турбина

Затем горячий газ покидает камеру сгорания и расширяется с большой скоростью. Расширение газа частично поглощается лопатками турбины, приводя их во вращение. Лопатки турбины соединены через приводной вал с лопатками компрессора для всасывания нового воздуха. Лопатки турбин изготовлены из единого кристалла сплава на основе никеля, чтобы предотвратить ползучесть между металлическими пограничными слоями. Лопатки турбины также покрыты керамическим покрытием, предотвращающим их плавление. В дополнение к покрытию лопасти имеют внутренние воздушные каналы, которые позволяют холодному воздуху выходить из отверстий на поверхности, создавая пограничный слой прохладного воздуха над лопастями.

3. Сверхзвуковое сопло 

В большинстве реактивных двигателей выхлопное сопло представляет собой сужающийся канал. Он ускоряет поток газа до сверхзвуковой скорости для придания скорости набегающему потоку за пределами двигателя. 

4. Дожигатель

Форсажные камеры — это просто системы впрыска топлива, которые добавляют дополнительное топливо к горячему газу после сгорания, чтобы на короткое время добавить дополнительную мощность двигателю. В реактивном двигателе с форсажной камерой обычно имеется двойная стенка с воздушным зазором между ними. Имеющийся горячий газ смешивается с потоком холодного воздуха из передней части двигателя через пространство, называемое внутренней стенкой двигателя. Это также предотвращает передачу тепла на конструкцию самолета. 

5. Выхлоп

Температура выхлопных газов, выходящих из выхлопной системы, находится в диапазоне 550–850 °C. Чтобы противостоять этим условиям, выхлопная система изготавливается из никелевого или титанового сплава. Одним из широко используемых никелевых сплавов является Inconel®. 

Из каких частей состоит холодная секция реактивного двигателя?

Внутри холодной секции реактивного двигателя расположены воздухозаборник, компрессор, перепускные каналы, валы, соединяющие лопатки компрессора и турбины, диффузорная секция. Холодная часть двигателя на самом деле может быть довольно горячей из-за трения и сжатия воздуха, которому она подвергается.  Однако холодная секция холоднее горячей секции двигателя, которая представляет собой камеру сгорания и выхлопную систему.

1. Воздухозаборник

Воздухозаборники кажутся простыми, но на самом деле они довольно сложны. Геометрия воздухозаборника бывает сужающейся или расходящейся. Сходящийся воздухозаборник используется для ускорения воздуха примерно до 0,5 Маха для двигателей, скорость которых ниже 0,5 Маха. Расходящиеся воздуховоды используются для замедления воздуха до 0,5 Маха для двигателей, работающих со скоростью выше 0,5 Маха. Воздухозаборники также оснащены системами обогрева, предотвращающими накопление льда, который создает турбулентный поток в двигатель и может остановить двигатель, если он отвалится большими кусками. 

2. Вал

Валы газовой турбины передают мощность от дисков турбины в задней части двигателя к лопаткам компрессора спереди, позволяя компрессору всасывать воздух. Количество валов зависит от золотника двигателя. Однокатушечный двигатель имеет один диск компрессора, один диск турбины и один вал. Двойной золотник имеет два диска и вала компрессора и турбины, которые движутся независимо друг от друга. Валы реактивного двигателя изготавливаются из термообработанной стали, поскольку им необходимо выдерживать экстремальные температуры и крутящий момент. Валы обычно изготавливаются из крупных кусков стали на токарных станках. 

3. Компрессор

Компрессоры используются для сжатия входящего воздушного потока за счет увеличения кинетической энергии воздуха. Затем диффузор замедляет движение воздуха и преобразует кинетическую энергию в потенциальную энергию (давление), что повышает эффективность двигателя. Компрессор может представлять собой рабочее колесо с радиальным потоком, которое ускоряет поток наружу к диффузору. Или компрессор может быть компрессором с осевым потоком, который ускоряет поток воздуха назад к диффузору. Оба лезвия традиционно изготавливаются из титана, алюминия или стали. Титан часто предпочитают из-за его легкого веса, устойчивости к коррозии и ползучести. Лопасти из углеродного волокна также используются, особенно в двигателе GEnx. Металлические лопатки компрессора отливаются из расплавленного металла, охлаждаются, а затем подвергаются механической обработке до окончательной формы. 

4. Обходные каналы

Обводные каналы позволяют воздуху, сжатому перепускным вентилятором, проходить вокруг активной зоны двигателя и использоваться либо в качестве тяги, либо для повторного введения в двигатель для функций охлаждения. Обводные каналы представляют собой большую часть двигателя, поэтому их обычно изготавливают из алюминия или углеродного волокна для уменьшения их веса. Алюминий используется для изготовления панелей, которые устанавливаются в воздуховод. Воздуховоды из углеродного волокна изготавливаются путем укладки углеродного волокна в форму и отверждения его смолой. После отверждения панели из углеродного волокна можно устанавливать на двигатель для создания воздуховода. 

5. Раздел обезвреживания

Секция диффузора используется для преобразования кинетической энергии воздуха, создаваемого лопатками компрессора, в потенциальную энергию (энергию давления) для повышения эффективности сгорания. Диффузоры обычно представляют собой лопатки статора, которые по сути представляют собой статические лопатки компрессора, используемые для замедления воздушного потока в двигателе. Лопасти статора изготавливаются из стали или сплавов на основе никеля, таких как Inconel®. 

Что такое реактивный двигатель?

Реактивный двигатель — это двигатель, состоящий из воздухозаборника, компрессора, диффузора, камеры сгорания, турбин и выхлопа. Реактивные двигатели будут либо обеспечивать тягу выхлопных газов, либо приводить в движение диск турбины, который приводит в движение пропеллер или несущий винт вертолета. Реактивный двигатель работает по непрерывному циклу, в течение которого поток воздуха постоянно всасывается, сжимается, сгорает и выбрасывается. 

Реактивные двигатели — это большие, сложные машины, которые собираются из частей. После утверждения конструкции двигателя необходимо изготовить компоненты. Некоторые из них будут изготовлены собственными силами, но многие будут привезены из других компаний и затем собраны. Например, Rolls-Royce Trent состоит из восьми модулей. Основные компоненты, такие как камера сгорания и компрессор, изготавливаются отдельно, а затем соединяются вместе при окончательном производстве. После сборки основных частей добавляются такие аксессуары, как кабели и гидравлика. Завершающим этапом производства являются испытания, в ходе которых двигатель обкатывается на испытательном стенде для проверки его соответствия эксплуатационным характеристикам. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Что такое литье алюминия?»

Как работает реактивный двигатель?

Реактивный двигатель работает, всасывая воздух из воздухозаборника и сжимая его. Сжатие достигается за счет быстрого ускорения и замедления воздуха для создания кинетической энергии и преобразования ее в энергию давления. Затем сжатый воздух смешивается с топливом и воспламеняется. Воспламененная смесь затем быстро расширяется. Расширяющийся газ достигает двух целей:во-первых, он приводит в движение турбины, которые заставляют компрессор всасывать больше воздуха. Во-вторых, он приводит самолет в движение, либо быстро покидая его за счет тяги через выхлоп, либо приводя в движение другой набор турбин, которые приводят в движение пропеллер или головку несущего винта вертолета. 

Как производятся реактивные двигатели?

Реактивные двигатели — это большие, сложные машины, которые собираются из частей. После утверждения конструкции двигателя необходимо изготовить компоненты. Некоторые из них будут изготовлены собственными силами, но многие будут привезены из других компаний и затем собраны. Например, Rolls-Royce Trent состоит из восьми модулей. Основные компоненты, такие как камера сгорания и компрессор, изготавливаются отдельно, а затем соединяются вместе при окончательном производстве. После сборки основных частей добавляются такие аксессуары, как кабели и гидравлика. Завершающим этапом производства являются испытания, в ходе которых двигатель обкатывается на испытательном стенде для проверки его соответствия эксплуатационным характеристикам.

Каков состав материалов реактивного двигателя?

Реактивные двигатели изготавливаются из множества современных, прочных и легких материалов из-за экстремальных нагрузок и условий окружающей среды, которым они подвергаются. Для полета требуется невероятная сила, поэтому сохранение минимального веса при максимальном увеличении мощности является ключевой целью производителей реактивных двигателей. Большинство материалов представляют собой металлические сплавы, к которым относятся:

1. Сплавы на основе никеля 
2. Сплавы на основе кобальта 
3. Титановый сплав 

В двигателях также используются неметаллические материалы, такие как:

1. Карбид кремния 
2. Углеродное волокно 

Производство реактивных двигателей чрезвычайно сложно из-за экстремальных условий их эксплуатации, а также требований безопасности, которым должен соответствовать двигатель. Реактивные двигатели подвергаются экстремальным термическим, механическим и аэродинамическим нагрузкам. Они также должны иметь очень низкий уровень отказов по соображениям безопасности. Сочетание этих двух факторов делает производство реактивных двигателей таким трудным. 

Кроме того, некоторые части реактивных двигателей напечатаны на 3D-принтере. Хотя печатать детали двигателя сложно из-за требуемых механических свойств, производство некоторых деталей теперь включает этот метод. Лопатки турбины General Electric GE9X напечатаны на 3D-принтере из материала TiAl, который слишком хрупок, чтобы его можно было использовать с использованием других технологий производства. Дополнительную информацию можно найти в нашем руководстве по 3D-печати в аэрокосмической промышленности.

Как осуществляется контроль качества при производстве компонентов реактивных двигателей?

Многие производители придерживаются стандарта AS9100, который является авиационным аналогом системы управления качеством ISO 9001 (QMS). AS9100 — это международно признанный стандарт, устанавливающий требования к эффективному управлению качеством. Требования включают внедрение систем работы и использование правильной документации для обеспечения надлежащего качества и отслеживаемости всех деталей. 



10 проверенных методов устранения ползучести тепла при 3D-печати FDM Revit против AutoCAD:выбор подходящего инструмента Autodesk CAD для ваших проектов