История развития реактивного двигателя

Область применения ТРД 

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолетов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытеснеными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД). 

• Двухконтурный турбореактивный двигатель

Схема ТРДД с  малой степенью двухконтурности. 
1 — Вентилятор. 
2 — Компрессор низкого давления. 
3 — Компрессор высокого давления. 
4 — Камера сгорания. 
5 — Турбина высокого давления. 
6 — Турбина низкого давления. 
7 — Сопло. 
8 — Вал ротора высокого давления. 
9 — Вал ротора низкого давления.

На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года). В основу двухконтурных ТРД (далее — ТРДД), в англоязычной литературе — Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД. 
Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора. 
Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний  контур. 
Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М.

ТРДД АИ-25 используемый на пассажирском самолете Як-40

Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением  потоков за турбиной и без смешения.

В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.

Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолете Як-40 — 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолете L-39 — 3358 мм.

ТРДД  как и ТРД могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности  для сверхзвуковых военных самолетов. 

Область применения ТРДД

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день, в самолетном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространенным классом ВРД, используемых на самолетах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью, до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолетов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

4. Винтовентиляторный двигатель

Як-44 с винтовентиляторными двигателями Д-27 

У винтовентиляторного  двигателя поток холодного воздуха  создаётся двумя соосными, вращающимися в противоположных направлениях, многолопастными саблевидными винтами, приводимыми в движение от турбины  через редуктор. Степень двухконтурности таких двигателей достигает 90. 
На сегодня известен лишь один серийный образец двигателя этого типа — Д-27 (ЗМКБ «Прогресс» им. академика А. Г. Ивченко, г. Запорожье, Украина.), использовавшийся на самолёте Як-44, с крейсерской скоростью полёта 670 км/час, и на Ан-70, с крейсерской скоростью 750 км/час.

5. Турбовинтовой двигатель (ТВД)

Турбовинтовой двигатель. Привод винта от вала турбины  осуществляется через редуктор.

Устройство турбовинтового двигателя 

Турбовинтовые или турбовальные двигатели (ТВД) относятся  к ВРД непрямой реакции. Конструктивно  ТВД схож с ТРД в котором  мощность, развиваемая последним  каскадом турбины передаётся на вал воздушного винта (обычно, через редуктор). Этот двигатель не является, строго говоря, реактивным (реакция выхлопа турбины составляет не более 10 % его суммарной тяги), однако традиционно их относят к ВРД.

Турбовинтовые двигатели используются в транспортной и гражданской авиации при  полётах с крейсерскими скоростями 400—800 км/час. 
Вариант этого двигателя с вертикальным выходным валом редуктора используется для привода винтов вертолётов, такие двигатели называют также турбовальными. 
 
 
 
 
 

Основные характеристики ВРД 

Основные  параметры характеризующие двигатели  следующие.

1. Тяга  для двигателей прямой реакции  / мощность для двигателей непрямой  реакции. 
2.Масса. 
3.Габариты (входной диаметр и длина по оси). 
4.Удельный расход топлива. (отношение расхода топлива за единицу времени к создаваемой двигателем  тяге/мощности). 
5.Расход воздуха. 
6.Степень повышения  полного давления. 
7. Температура газа перед турбиной. 

Некоторые распространенные заблуждения, связанные с ВРД:

B-17 над Европой

1. Двигатель отталкивается от воздуха турбинами. На самом деле, турбина это только привод компрессора и вентилятора. 
2. Тяга создается в сопле. Если бы тягу создавало только сопло — остальные части двигателя были бы не нужны. Тягу создает весь двигатель. 
3. Рёв турбин. ВРД создают немало шума, однако турбина — один из самых «тихих» узлов двигателя. основную часть шума создают компрессор, вентилятор, воздушные винты, сопло. 
4. Инверсионный след — это реактивный след. Инверсионный след не имеет ни малейшего отношения непосредственно к реактивным двигателям. Это — результат взаимодействия частичек сгоревшего топлива и (или) поверхностей самолёта с атмосферным воздухом. 
 

Примечания

1. Совершенствование авиационных поршневых ДВС шло по пути повышения степени сжатия, что позволяло увеличивать удельную мощность двигателя (мощность на килограмм массы). Однако, повышение степени сжатия влечёт повышение температуры и давления рабочего тела, а вместе с тем растёт нагрев двигателя и обостряется проблема его охлаждения. На заре авиации использовалось воздушное охлаждение двигателей, затем, (в конце 1930-х годов) стали переходить на водяное, а к концу 1940-х — в качестве теплоносителя системы охлаждения в некоторых случаях использовался металлический натрий. Но возможности и этих систем охлаждения, в конце концов, были исчерпаны и дальше повышать мощность поршневого ДВС можно было только за счёт увеличения рабочего объёма цилиндров и, следовательно, размеров и массы двигателя.
2. Имеется в виду «большая авиация». В «малой» поршневые ДВС используются и сегодня.
3. Поскольку тяга поршневого ДВС создаётся воздушным винтом, самолёт с таким двигателем в принципе не может достичь сверхзвуковой скорости в горизонтальном полёте, так как на участке волнового кризиса воздушный винт становится недейственным.
4. Отношение массы чистого кислорода к массе горючего при полном его окислении составляет: для этанола — 2,1; керосина, октана или ацетилена — 3,4; метана — 4; водорода — 8.
5. Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
6. В сверхзвуковых соплах реактивных двигателей давление рабочего тела при истечении может опускаться и ниже атмосферного — так называемый режим перерасширения. При проектировании ВРД его стараются избегать, поскольку он приводит к снижению тяги.
7. Г. Н. Абрамович ПРИКЛАДНАЯ ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА. Издание 4-е. ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА». ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. МОСКВА 1976.
8. Начиная с Leduc 021 (Франция 1950г) по настоящее время было создано около десятка экспериментальных самолётов с ПВРД (главным образом, в США), в серийное производство так и не поступивших, за исключением SR-71 Blackbird с гибридным ТРД/ПВРД Pratt & Whitney J58, выпущенного в количестве 32 изделий.
9. Выпускавшийся серийно в Германии (1944—1945гг) ПуВРД Argus As-014 ракеты Фау-1 работал на частоте пульсаций около 45гц
10. Устройство и работу серийного клапанного ПуВРД модели «ДайнаДжет» можно подробно увидеть в видеофильме.
11. См. видео о запуске V-1 с катапульты.
12. ПуВРД Argus As-014 также мог работать в этом режиме, но развиваемая им при этом тяга была слишком мала, чтобы разогнать ракету Фау-1, поэтому она стартовала с катапульты, сообщавшей ей скорость, при которой двигатель становился эффективным.
13. Иллюстрированное описание нескольких конструкций бесклапанных ПуВРД (на английском)
14. Видеозаписи испытаний экспериментальных детонационных ПуВРД.
15. Что касается получившего широкую известность боевого применения самолёта-снаряда Фау-1, оборудованного ПуВРД, нужно отметить, что даже по меркам периода Второй мировой войны он уже не отвечал требованиям к такому оружию по скорости: более половины этих снарядов уничтожались средствами ПВО того времени, главным образом, самолётами-истребителями с поршневыми двигателями, и своим умеренным успехом Фау-1 был обязан низкому уровню развития в то время средств заблаговременного обнаружения воздушных целей.

Литература

• Стечкин Б. С. Избранные труды. Теория тепловых двигателей. — М.: Наука, 1977. — 410 с.
• Казанджан П. К., Алексеев Л. П., Говоров А. Н., Коновалов Н. Е., Ю. Н. Нечаев, Павленко В. Ф., Федоров Р. М. Теория реактивных двигателей. М. Воениздат. 1955
• В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
• Кулагин В. В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Изд. 2-е. М. Машиностроение. 2003.
• Клячкин А. Л., Теория воздушно-реактивных двигателей, М., 1969

Ссылки

• Исследование пульсирующих ВРД на примере немецкого самолёта-снаряда V-1 (англ.), США, 1946.
• Работы по ПВРД и крылатым ракетам дальнего действия с ПВРД в СССР (1947—1960)
• Двухконтурные ТРД