- Истории ✈️ и уроки авиации для кругозора и личного развития
Сразу же уточню, дорогой читатель, что эта статья посвящена реактивным двигателям именно пассажирской авиации. Именно их производят серийно в огромном количестве. Давайте же разберемся, что с ними происходит, и почему сейчас "толстые" побеждают "худых". Начнем с фотоснимка летящей "Кометы":
Двигатели самолета почти сливаются с крыльями. Это делалось в первую очередь для уменьшения лобового сопротивления, увеличения скорости полета. "Кометы" были первым пассажирским реактивным самолетом и летали в 1950-х годах.
А теперь посмотрим на Ту-104, первый советский лайнер также с реактивными двигателями:
Здесь гондолы (корпуса) двигателей чуть больше, но и двигателей всего два, в отличие от "Кометы". Однако двигатель также "вписан" в крыло, воздухозаборники имеют небольшой диаметр. К слову, и "Кометы" и первые "Ту" летали на скоростях около 850 км/час. Я уже писал об этом в статье "Гонка на скорость проиграна?" здесь >>
Эти самолеты создавались в середине 20-го века. А теперь давайте перемахнем на полвека вперед, с хвостиком. Смотрим на Боинг 787:
Ба! Диаметр двигателя чуть ли не в половину размера фюзелляжа! Такой уже точно не впишешь в крыло. А вот и Airbus A350:
Похожая картина! Что же так "раздуло" двигатели? Неужели непонятно, что это дополнительное аэродинамическое сопротивление и "минус" для скорости? На самом деле минус есть, но он далеко не такой существенный. Ведь вентилятор сам же и двигает самолет. Поэтому большой диаметр двигателя действительно влияет на скорость полета, уменьшая ее, но это не так существенно. В любом случае, существуют очень веские причины, почему инженеры пошли именно по такому пути.
Давайте же посмотрим на первые двигатели пристальнее. Вот двигатель АМ-3, установленный на Ту-104:
АМ-3 имел длину примерно 5,4 метра, а диаметр 1,4 метра. То есть отношение длины к диаметру равно 3,86.
А вот и первый для пассажирской авиации США двигатель Pratt & Whitney, тоже очень "длинный":
Так когда же появилась идея сделать двигатели "шире"?
Вы удивитесь! Но первый проект подобного современному двигателя начал разрабатываться еще в 1942 году! И изобретателем концепции был советский инженер Архип Михайлович Люлька! Поскольку тогда реактивная авиация в целом была в новинку, а также по множеству других причин проект не был поддержан. И вернуться к нему удалось только в 1970-е годы.
Еще важно сказать, что рассматриваемые в этой статье двигатели основаны на дозвуковых потоках реактивной струи. Только они в пассажирской авиации удовлетворяют требованиям по шуму. Сверхзвуковые двигатели более "громкие".
Более широкие двигатели называются "двухконтурными", тогда как первые были "одноконтурными". Вот одноконтурный двигатель в разрезе:
Если смотреть на процесс слева направо, то внешний воздух, попадая на лопатки компрессора "холодной" секции сжимается, и может уплотняться до 20 и более раз. Этим создаются необходимые условия в камере сгорания. В камере сгорания происходит смешение топлива и воздуха и сгорание смеси. При горении температура повышается, газ расширяется, и с большой скоростью движется направо через турбину и выбрасывается в сопло, создавая реактивную тягу.
Самое интересное здесь то, что энергии "вылетающей" реактивной струи достаточно не только для реактивной тяги, но и для привода той самой турбины в "горячей секции", которая используется для поддержания вращения левого "холодного" компрессора. Можно сказать, что, запустившись, двигатель способен сам себя разгонять. Да, оговорюсь, что секция называется "холодной" условно. Нам здесь важно понять относительные разницы температур. Если в зоне горения температуры порядка 2000 градусов, то в левой зоне, которую мы называем "холодной", температура может быть в несколько сотен градусов - двигатель греется из-а теплопередачи и других причин.
Давайте для упрощения представим, что идея двигателя несколько не такая, как сейчас. Допустим, мы решили сжать воздух компрессором за счет какой-то внешней энергии (не турбины), а затем направляем его в камеру сгорания. Здесь сгорает топливо-воздушная смесь, и реактивная струя вылетает в сопло напрямую, не через турбину. Тогда мы тоже получаем реактивную тягу. Представили?
И вот здесь кроется самый интересный момент, который и поможет нам понять переход к современным двигателям.
При расширении сгоревшей смеси топлива и воздуха, происходит переход внутренней энергии топлива сначала в тепловую энергию, азатем в кинетическую энергию струи реактивных газов. Это верно. Но довольно трудно использовать ее всю целиком. Как и у всех преобразователей энергии, у этого двигателя есть свой КПД (коэффициент полезного действия), который меньше единицы. То есть часть энергии теряется в любом случае. Это связано как с изменениями газодинамических параметров, так и с необходимостью регулировать температуру стенок, что конструктивно часто делается впусканием дополнительных потоков воздуха, который уже используется не для горения, а только для охлаждения.
Оказалось, что эффективным решением является доведение параметров струи до нужных просто путем отбора части ее энергии в "горячей" турбине. А уже энергию турбины можно использовать для компрессора, для питания аккумуляторов самолета, для системы его вентиляции, и так далее.
Я рассказал все несколько иначе, чем принято. Прошу специалистов за это меня извинить. Но надеюсь, тем, кто знакомится с темой "с нуля", такое описание дает основы понимания работы таких двигателей.
Кстати говоря, идея Архипа Михайловича Люльки была логическим продолжением того, что мы сейчас обсудили. То есть, если все равно компрессорный воздух приходится разделять на потоки для охлаждения "горячей части", и если важно стремиться повышать скорость истекающих газов, то не сделать ли это путем создания дополнительно потока воздуха "снаружи" обычного турбореактивного двигателя?
Оказалось, что эта идея приводит и к повышению КПД, и к снижению шума двигателя, и к экономичности, то есть для той же тяги новый двигатель будет требовать меньшего расхода топлива!
На схеме выше вы видите пример двухконтурного двигателя. И он заметно "шире" уже потому, что есть тот самый "второй контур" движения воздуха. Здесь и компрессор высокого давления, и вентилятор питает энергия раскручиваемой газами турбины.
Ну, а после этого открытия пошли эксперименты из разряда "а что, если..." И появились новые типы двигателей, в которых второй контур существенно короче, и даже не закрывает полностью первый. Плюс ко всему оказалось эффективнее делать входящий вентилятор очень большого диаметра. Именно в соответствующих конструкциях удается достигать и большой тяги, и большой эффективности в плане топлива, и низкого шума.
Даже появилося новый термин "степень двухконтурности". Он означает отношения секундного расхода воздуха, проходящего через внешний контур, к секундному расходу через внутренний контур. То есть, если через внутренний контур "пролетает" в секунду 1 кг воздуха, а через внешний 8, то степень двухконтурности будет равна восьми. Для современных движков обычной уже стала степень двухконтурности около 10. И есть более продвинутые разработки. Через лет пять двигателестроители удвоят этот показатель, если не больше. Давайте посмотрим, что есть уже сейчас.
Вот пример двигателя General Electric GEnx, применяемого на Боингах 787, где внешний контур не закрывает полностью внутренний. У этого двигателя длина 4,6 метра при диаметре лопаток вентилятора 2,8 метра. То есть теперь отношение длины к "ширине" уменьшилось до 1,6! Помним, что у двигателя АМ-3 это отношение было равно 3,86, то есть почти 4!
А вот двигатель Rolls-Royce Trent XWB в разрезе, помещенный в гондоле:
Такие двигатели стоят на Airbus A350. Также видно, что второй контур по длине короче первого, и гораздо шире.
Вот, собственно, и вся история о том, почему "толстый" победил "худого". Двигатели очень изменились и по причине коммерческих требований эффективности, и из-за желания увеличить дальность полетов, и вследствие требований по "экологии" - шум, выхлоп и т.д.
Самое интересное для меня в этой истории, как и во многих других инженерных "эволюциях", что одна идея изменений "цепляет" другую, и получается результат в духе "выиграл-выиграл". То есть отбор энергии от потока увеличил эффективность двигателя, еще больший отбор для "вентилятора" - еще выше эффективность.
Итак, эта эволюция привела к появлению менее шумных, более экономичных двигателей и, одновременно, существенно более мощных двигателей.
Почему-то вспомнился фильм "Я, робот" с Уиллом Смитом, где фантом изобретателя говорил : "Я могу отвечать только на правильные вопросы". И как только вопрос задавался правильно, тут же цепочкой шли открытие за открытием!
Удивительно и то, что принципы "изобретательства" в авиации и в жизни порой пересекаются. Ведь часто одно правильно принятое решение (о взаимоотношениях, карьере, саморазвитии) может тоже запустить каскадный процесс положительных изменений.
Ну, это уже лирика. Что-то я увлекся. Давайте уже в завершении приглашу вас в несколько вопросов:
- Какие остались нераскрытые темы?
- Есть ли комментарии по улучшению?
- Что вам понравилось, что удивило, а что нет?
Пишите, делитесь, пожалуйста, в комментариях!
А на этом пока все. И спасибо, что дочитали до конца!
Поскольку ДЗЕН показывает не все статьи, заходите в мой канал СЮДА!
