Как работает реактивный двигатель

Взгляните подробно на сложную работу современного турбовентиляторного двигателя — это поразит вас.

Реактивный двигатель — это очень сложная часть оборудования, выполняющая простую задачу: придать самолету тягу, необходимую ему для полета. Любой, кто чувствовал, что его слегка отодвинуло назад в кресле, когда самолет мчался по взлетно-посадочной полосе, а затем поднимался в небо, вероятно, интуитивно почувствовал, что происходит. Турбовентиляторные двигатели под каждым крылом всасывают воздух и разгоняют его сзади, создавая тягу.

Детали внутри коммерческих двигателей таких компаний, как General Electric, Rolls-Royce и Pratt & Whitney, могут различаться, но основы того, что происходит, одинаковы.

«Современный турбовентиляторный реактивный двигатель работает на основе третьего закона Ньютона, — говорит Эмма Бут, руководитель подсистемы Rolls-Royce. «Каждое действие имеет равное и противоположное противодействие».

Хотя описание высокого уровня может показаться простым, процесс внутри самого движка одновременно сложен и увлекателен. Вот что нужно знать о внутренней работе двигателя, где воздух сжимается, топливо воспламеняется, а температура становится чрезвычайно высокой.

Посмотрите на двигатель снаружи — вы можете увидеть это из окна аэропорта — и вы заметите лопасти вентилятора спереди, расположенные внутри корпуса двигателя. Они могут быть абсолютно огромными в диаметре. Например, GE9X от General Electric оснащен вентилятором с 16 лопастями и диаметром более 11 футов. Один из этих двигателей может развивать тягу в 105 000 фунтов, в 2017 году он установил рекорд .

«Спереди находится большой вентилятор, который фактически обеспечивает около 90 процентов тяги», — говорит Кристофер Лоренс, главный инженер GE Aerospace.

Рассмотрим двигатель GE90, который висит под крыльями таких самолетов, как Boeing 777. Компания заявляет, что один из них будет всасывать около 3600 фунтов воздуха каждую секунду, когда самолет взлетает.

Вентилятор всасывает воздух, и по мере того, как воздух проходит через двигатель, меньшее количество воздуха проходит по одному пути через центр машины — ее ядро. Но большая часть воздуха обходит ядро, и выходит сзади. Когда дело доходит до движения самолета, большую часть работы выполняет воздух, который не проходит через ядро.

Разница между объемом воздуха, который проходит через ядро, и объемом воздуха, не прошедшим через ядро, называется коэффициентом двухконтурности двигателя. Производители двигателей хотят, чтобы соотношение было высоким для максимальной эффективности. «Самый эффективный способ сделать это — взять много воздуха и немного увеличить давление», — говорит Лоренс.

Исключением здесь являются реактивные двигатели военных самолетов, таких как истребители, у которых нет большой степени двухконтурности, которая есть у двигателей коммерческих самолетов. У этих самолетов есть и другие достоинства, помимо экономии топлива. Например высокая маневренность, способность развивать сверхзвуковые скорости.

Лопасти вентилятора в передней части нуждаются в энергии для вращения, и именно здесь вступает в действие сердцевина двигателя. Небольшой процент воздуха, который проходит через ядро (Бут из Rolls-Royce говорит, что это около 10 процентов), подвергается многоступенчатому процессу.

Первая часть ядра — ступень компрессора, где воздух, как вы уже догадались, сжимается. Воздух становится более плотным и нагревается. «Существует много ступеней вращающихся лопастей компрессора и неподвижных вен компрессора, и воздух как бы постепенно сжимается, сжимается и сжимается по мере того, как эти лопасти компрессора становятся все меньше, меньше и меньше», — говорит Бут.

Затем, после ступени компрессора, идет камера сгорания. Реактивное топливо воспламеняется и еще больше нагревает воздух. Лоренс из GE говорит, что если температура воздуха в задней части компрессора составляет от 1200 до 1300 градусов по Фаренгейту, то после прохождения через камеру сгорания он может нагреваться до 3000 градусов по Фаренгейту или около того. Для сравнения, лава из вулкана на Гавайях обычно имеет температуру около 2140 градусов.

Обжигающий воздух, выходящий из камеры сгорания, как ни удивительно, «выше, чем температура плавления лопаток турбины, которые следуют за ним», — говорит Лоренс. «Нам на самом деле приходится прокачивать воздух через эти лопасти, чтобы они не расплавились». Этот относительно более холодный воздух поступает из ступени компрессора. Rolls-Royce также делает что-то подобное, чтобы предотвратить плавление лопастей турбины.

И точно так же, как производители двигателей хотят иметь большую степень двухконтурности, они также хотят, чтобы двигатель был очень горячим внутри. «Чем выше температура, тем эффективнее работает ядро», — говорит Лоренс.

После того, как воздух нагрет, у него есть важная задача: раскрутить несколько турбин. В двигателе General Electric есть две турбины — турбина высокого давления и турбина низкого давления. «У вас есть куча воздуха, в котором много энергии», — говорит Лоренс. «Вы сделали все это для того, чтобы энергия могла высвобождаться через эти ступени турбины».

У каждой из этих двух турбин есть определенная задача. Во-первых, турбина высокого давления «берет эту энергию и вращает компрессор, который, по сути, приводит в действие ядро», — говорит Лоренс. «А затем в турбине низкого давления она берет эту энергию и вращает вал, который вращает лопасти в передней части двигателя».

В двигателях Roll-Royce Trent , как и в Airbus A350, также есть турбина среднего давления между турбинами высокого и низкого давления. В этом случае первые две турбины приводят в действие компрессор, а последняя приводит в действие большие лопасти вентилятора спереди.

В двух словах: воздух, поступающий в активную зону, сжимается и нагревается горящим топливом. Затем он приводит в действие турбины, и одна из этих турбин приводит в действие лопасти вентилятора в передней части двигателя. И помните, именно воздух, обходящий ядро, дает двигателю большую часть тяги.