Термин «реактивные двигатели» применяется к четырем основным типам авиационных реактивных двигателей: газотурбинным, ракетным, пульсирующим воздушно-реактивным и прямоточным воздушно-реактивным. В данном разделе приведены общие сведения о принципе работы всех четырех типов двигателей и даны примеры их применения.
Принцип действия реактивного двигателя можно понять, если рассмотреть работу пожарного брандспойта. Вода под давлением подается по шлангу к брандспойту и истекает из него. Внутреннее сечение наконечника брандспойта сужается к концу, в связи с чем струя вытекающей воды имеет большую скорость, чем в шланге. Сила реакции, или обратного давления, которую ощущает пожарник, направляющий брандспойт, является прямым следствием возрастания скорости движения струи воды. Эта сила давления, или тяга, настолько велика, что пожарник должен напрягать свои силы, чтобы удерживать брандспойт в требуемом направлении. Сила реакции действует в обратную сторону по отношению к направлению истечения воды и не зависит от того, что происходит со струей воды после ее истечения из наконечника. Сила реакции остается неизменной независимо от того, истекает ли струя в воздух, не встречая преград, или же направлена на стену, то есть струя воды после истечения не оказывает какого-либо давления на брандспойт.
Этот принцип можно применить теперь к авиационному реактивному двигателю. Рассмотрим трубу с открытыми концами, установленную на движущемся самолете. Допустим, передняя часть трубы, в которую поступает воздух вследствие движения самолета, имеет расширяющееся внутреннее поперечное сечение. Вследствие расширения трубы скорость поступившего в нее воздуха снижается, а давление соответственно увеличивается. Допустим далее, что в расширенной части трубы в поток воздуха впрыскивается и сжигается горючее. Эту часть трубы можно назвать камерой сгорания. Тепловая энергия, выделившаяся за счет сгорания топлива, повышает общую энергию воздушного потока или, точнее говоря, потока газов, представляющих собой смесь воздуха с продуктами сгорания топлива. Затем газы вытекают в атмосферу через сужающееся реактивное сопло с обратной стороны нашей трубы. Вследствие того что энергия газов значительно повысилась, скорость их истечения из заднего конца трубы существенно превышает скорость воздуха, входящего через передний конец трубы. Другими словами, скорость потока газов увеличивается, и он — подобно струе воды в наконечнике брандспойта — создает реактивную силу тяги. Эта сила тяги используется для толкания самолета вперед.
Схема двухконтурного турбореактивного двигателя с двухкаскадным компрессоромДвигатель, работающий по описанной выше схеме, называется прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Нетрудно видеть, что такой двигатель может работать только в том случае, если он движется в воздухе со значительной скоростью, обеспечивающей поступление количества воздуха, достаточного для сжигания впрыскиваемого горючего и создания тем самым необходимой силы тяги. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может быть приведен в действие, если он не находится в движении.
Очевидно, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может широко применяться в качестве силовой установки для самолетов. Самолете таким двигателем должен или запускаться с другого самолета, или же осуществлять взлет и разгон с помощью специального стартового двигателя. Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель вследствие простоты конструкции, дешевизны производства и небольших размеров может найти широкое применение в качестве основной силовой установки для управляемых реактивных снарядов, которые запускаются с пусковых установок с помощью сбрасываемых стартовых двигателей.
Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателяПульсирующий воздушно-реактивный двигатель не обладает указанным выше недостатком, присущим прямоточному двигателю. Пульсирующий двигатель отличается от прямоточного двигателя наличием воздушных клапанов на входе в камеру сгорания. Горючее в пульсирующем двигателе, так же как и в прямоточном, впрыскивается в камеру сгорания и там сжигается. Продукты сгорания вытекают через реактивнее сопло в атмосферу. Выходу газов вперед препятствуют воздушные клапаны. После истечения газов из камеры сгорания в ней создается разрежение, и воздушные клапаны под действием напора наружного воздуха открываются. В камеру сгорания поступает новая порция свежего воздуха, причем при работе двигателя без движения часть воздуха может поступать и через задний конец трубы, являющийся выхлопным соплом. Когда давление в камере и давление наружного воздуха выравниваются, клапаны закрываются, горючее впрыскивается и поджигается, и весь цикл повторяется снова. В существующих пульсирующих двигателях циклы работы повторяются с большой частотой. Так, например, пульсирующий двигатель «Аргус», применявшийся на немецком самолете-снаряде Fi-103 (Фау-1) работал с частотой 2800 циклов в минуту.
В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, так же как и в прямоточном, реактивная тяга создается за счет того, что тепловая энергия, сообщенная воздуху и продуктам сгорания, заставляет их вытекать через сужающееся реактивное сопло со скоростью, значительно превышающей скорость воздуха, поступающего в двигатель. Если самолет или снаряд движется с достаточной скоростью, то возможность поступления воздуха в камеру сгорания через сопло исключается.
Интересной разновидностью пульсирующих воздушно-реактивных двигателей являются некоторые французские двигатели, у которых входная часть профилирована таким образом, что отсутствует необходимость установки специальных механических воздушных клапанов. У этих двигателей входная часть представляет собой так называемый «аэродинамический клапан», позволяющий воздуху свободно поступать в двигатель, но препятствующий выходу в обратном направлении.
ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Прямоточные и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, принцип действия которых в интересах сохранения логической последовательности был изложен вначале, нашли лишь ограниченное применение в качестве авиационных силовых установок. Наиболее широкое применение получили газотурбинные двигатели, которые начиная с 1940 г. произвели революцию в авиационной технике.
В принципе газотурбинный двигатель состоит из воздушного компрессора, который приводится во вращение газовой турбиной, сидящей на одном с ним валу. Воздух в компрессоре сжимается до давления, в 6—7 раз превышающего атмосферное, и поступает в камеры сгорания, где происходит сгорание впрыскиваемого горючего. Продукты сгорания поступают в газовую турбину, приводя ее во вращение, и затем через реактивное сопло истекают в атмосферу.
Компрессоры газотурбинных двигателей подразделяются на два основных типа: центробежные и осевые. Центробежный компрессор обычно имеет одну крыльчатку, с радиальными лопатками. Воздух из воздухозаборника поступает к центру крыльчатки. В каналах между лопатками скорость движения воздуха под действием центробежных сил возрастает. При движений в диффузоре его скорость уменьшается, а давление повышается. Из диффузора сжатый воздух поступает в камеры сгорания.
Схема простейшего турбореактивного двигателяОсевой компрессор имеет ротор с несколькими рядами (ступенями) профилированных лопаток. Ротор компрессора находится на одном валу с газовой турбиной. Между вращающимися лопатками находятся неподвижные лопатки направляющего аппарата. Воздух, двигаясь вдоль оси компрессора, сжимается в каждой ступени и из последней ступени поступает в камеры сгорания. Хотя осевой компрессор более сложен и дорог в производстве, чем центробежный, однако вследствие того, что осевой компрессор позволяет получить более высокое давление, на всех мощных газотурбинных двигателях применяются главным образом такие компрессоры.
Количество энергии, выделяемой при сгорании горючего, которым может быть керосин, бензин, дизельное топливо и т. д., значительно превосходит количество энергии, которое может быть поглощено турбиной для приведения во вращение компрессора. Большая часть энергии газов может быть использована в реактивном сопле для увеличения скорости газовой струи и создания таким путем реактивной тяги. Газотурбинный двигатель, газовая турбина которого, состоящая из одного или нескольких дисков с профилированными лопатками, использует только такое количество энергии, какое необходимо для вращения компрессора, а остальная энергия газов идет на создание реактивной силы тяги, называется турбореактивным двигателем.
Схема турбореактивного двигателя с двухкаскадным компрессоромБолее совершенным типом турбореактивного двигателя является турбореактивный двигатель с двухкаскадным компрессором. Такой двигатель имеет два компрессора и две турбины. Передний компрессор, или компрессор низкого давления, приводится вo вращение задней турбиной, с которой сидит на одном валу. Задний компрессор, или компрессор высокого давления, приводится во вращение передней турбиной, сидящей с ним также на одном валу. Последний вал является полым, и внутри него проходит вал переднего компрессора и задней турбины. Двухкаскадный компрессор позволяет получить большую степень повышения давления, а следовательно, двигатель с двухкаскадным компрессором является более экономичным.
Тяга турбореактивных двигателей может форсироваться, то есть увеличиваться на короткий период времени различными способами. Наиболее широкое применение нашли впрыск воды и дожигание. Впрыск воды дает сравнительно небольшое увеличение силы тяги без существенного увеличения веса двигателя и используется главным образом при взлете. Дожигание заключается в следующем: в поток газов позади турбины дополнительно впрыскивается топливо, которое сгорает за счет кислорода воздуха, не использованного в камерах сгорания. С помощью дожигания можно кратковременно увеличить тягу на 25—30% при малых скоростях и до 70 % при больших скоростях полета. Дожигание применяется на двигателях военных самолетов для увеличения скорости при взлете или в воздушном бою.
Схема турбовинтового двигателяГазотурбинный двигатель, у которого большая часть энергии газов поглощается турбиной, приводящей во вращение компрессор и воздушный винт, называется турбовинтовым двигателем. Воздушный винт соединен через редуктор с основным валом двигателя, на котором находятся компрессор и турбина. Турбина турбовинтового двигателя рассчитана таким образом, чтобы использовать как можно больше энергии газов.
Турбовинтовой двигатель, так же как и турбореактивный, может иметь центробежный или осевой компрессор. Турбовинтовой двигатель может иметь две турбины, одна из которых, передняя, приводит во вращение компрессор, а вторая, задняя, — воздушный винт. В этом случае турбины, имея соосные валы, являются совершенно независимыми. Двигатель такого типа называется турбовинтовым двигателем со свободной турбиной.
Схема турбовинтового двигателя с двухкаскадным компрессоромТурбовинтовой двигатель может также иметь двух-каскадный компрессор. Турбовинтовые двигатели с двухкаскадным компрессором проектируются с целью получения постоянной мощности на валу в широком диапазоне высот (от уровня моря до высоты порядка 7500 м) и температур. Двигатель такого типа имеет компрессор и турбину высокого давления, находящиеся на одном валу, а также компрессор и турбину низкого давления на другом валу, помещенном внутри первого вала. Турбина низкого давления приводит во вращение воздушный винт и компрессор низкого давления. Компрессор низкого давления расположен впереди компрессора высокого давления и подает в него поджатый воздух. В двигателях этого типа нет механической связи между секциями низкого и высокого давления.
Третьим типом газотурбинных двигателей, применяемых на самолетах, являются двухконтурные турбореактивные двигатели. Увеличение тяги в таком двигателе достигается за счет смешения горячих газов, выходящих из турбины, с воздухом, поступающим по второму контуру. По периметру диска турбины двигателя помещены лопатки вентилятора, представляющие собой, по сути дела, воздушный винт с укороченными лопастями. Воздух, поступающий во второй контур, подсасывается лопатками вентилятора и подается в реактивное сопло, где, смешиваясь с горячими газами, увеличивает общую массу вытекающих газов.
Схема двухконтурного турбореактивного двигателяДругой разновидностью двухконтурного турбореактивного двигателя является двигатель, схема которого приведена на рис. 9. В этом двигателе увеличение тяги достигается несколько иным способом. Двигатель имеет двухкаскадный компрессор, причем компрессор низкого давления имеет больший диаметр, чем компрессор высокого давления. По выходе из компрессора низкого давления поток воздуха раздваивается. Около 80% воздуха протекает обычным путем по внутреннему контуру через компрессор высокого давления, камеры сгорания и турбины в реактивное сопло, а остальная часть воздуха по второму контуру поступает непосредственно в реактивное сопло, где смешивается с горячими газами первого контура.
РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Принцип действия ракетных двигателей в основном аналогичен принципу действия описанных выше двигателей. Однако в ракетных двигателях кислород, необходимый для сжигания горючего, берется не из атмосферы, а является составной частью топлива, находящегося в баках, расположенных на борту самолета. Под действием высокого давления, развивающегося в камере сгорания двигателя, продукты сгорания с большой скоростью истекают из реактивного сопла, создавая реактивную силу тяги.
Схема двухконтурного турбореактивного двигателя с двухкаскадным компрессоромРакетные двигатели, таким образом, не зависят от воздуха, и чем больше высота полета, тем больше сила тяги двигателя вследствие уменьшения атмосферного давления. Однако в связи с чрезмерно большим расходом ракетными двигателями топлива, которое все должно находиться на борту самолета, продолжительность полета самолета с таким двигателем может составлять только несколько минут.
В зависимости от характера протекания реакции в камере сгорания ракетные двигатели подразделяются на два типа. В двигателях первого типа, работающих на монотопливе (однокомпонентноё, или унитарное топливо), как, например, перекись водорода, топливо в присутствии катализатора разлагается на пар и кислород, которые, истекая из камеры сгорания через реактивное сопло, создают тягу. Так как разложение перекиси водорода происходит при сравнительно низких температурах, то двигатели такого типа называются «холодными».
В двигателях второго типа используется двухкомпонентное топливо (горючее и окислитель).Окислитель содержит кислород, необходимый для сгорания топлива. Типичными топливами для двигателей этого типа являются керосин — жидкий кислород, анилин— азотная кислота и керосин — перекись водорода. Так как горение этих топлив в камере сгорания происходит при высоких температурах, то двигатели, работающие на этих топливах, принято называть «горячими».
