Як працює реактивний двигун

Кожного дня повітряний простір України перетинає чимало пасажирських, вантажних літаків (так було до 2022), і більшість із них – швидкі та масивні судна, обладнані реактивними двигунами.

В певний момент авіаційна сфера активно розвивалась, був потрібен новий тип авіаційного двигуна, який допоміг би літати як мінімум швидше, а в ідеалі ще економніше. Таким двигуном став реактивний авіаційний двигун, винайдення якого призвело до різкого стрибка у розвитку авіації. Сьогодні дуже-дуже коротко розкажу про те, як працює реактивний двигун.

Коротка відповідь: двигун засмоктує повітря, компресор його стискає, у камері згоряння до нього додають пальне і підпалюють. Гарячі гази крутять турбіну, яка через вал обертає компресор, а потім вилітають із сопла назад. Двигун відкидає масу газу назад – і за третім законом Ньютона літак отримує тягу вперед.

Схема турбореактивного двигуна

Існують одноконтурні (turbojet) та двоконтурні (turbofan) турбореактивні двигуни, і вони різняться числом контурів (потоків) у системі.

Ключовим параметром є ступінь двоконтурності (bypass ratio) – відношення масової витрати повітря через зовнішній контур до витрати повітря через внутрішній (NASA Glenn). У одноконтурного двигуна він дорівнює нулю, у сучасних пасажирських – приблизно від 5 до 12.

• Двигуни з малим ступенем двоконтурності (менше 1–2) застосовуються на військових літаках, призначених для високих дозвукових та надзвукових швидкостей, часто з форсажною камерою (afterburner).
• Великий ступінь двоконтурності характерний для двигунів пасажирських лайнерів, які літають на дозвукових швидкостях, близько 0,8 Маха.

Одноконтурні ТРД

Одноконтурні ТРД перетворюють енергію, що вивільняється при згорянні пального, в кінетичну енергію струменя газів, що викидаються з сопла. Частину цієї енергії забирає турбіна, щоб обертати компресор.

Одноконтурні ТРД мають найкращі показники економічності при високих швидкостях. Принцип його роботи описаний нижче:

1. Спершу повітря потрапляє у повітрозабірник (inlet), який підводить його до компресора рівним потоком.
2. Повітря прямує до компресора низького тиску, де стискається і прогрівається.
3. Повітря проходить через компресор високого тиску, який підготовлює потік до серця двигуна – камери згоряння. У цій камері повітря змішується з паливом і згоряє.
4. Гарячі гази розширюються і проходять через турбіну (turbine). Турбіна через вал обертає компресор, який, як ви вже зрозуміли, всмоктує повітря на початковому етапі циклу.
5. На кінцевому етапі гази доходять до сопла (nozzle), розганяються і вилітають назад потужним струменем. Двигун штовхає газ назад, а газ штовхає двигун і літак вперед – це третій закон Ньютона.

Завдяки турбореактивним двигунам швидкість польоту пасажирських літаків збільшилася до 800-900 км/год.

У другій половині 20 століття почали встановлювати двигуни нового типу із зовнішнім контуром для збільшення масової витрати повітря. Це дозволяло покращити ефективність та знизити витрату палива.

Двоконтурні ТРД (турбовентиляторні при високому ступені двоконтурності)

Турбореактивний двигун з внутрішнім і зовнішнім контурами є системою, в якій частина енергії гарячих газів забирається турбіною низького тиску і обертає великий вентилятор (fan) спереду.

Особливістю таких двигунів є ступінь двоконтурності, що визначає співвідношення мас повітря, що проходять через зовнішній та внутрішній контури. Пального ядро витрачає майже стільки ж, скільки без вентилятора, а тяги виходить значно більше. Тому такі двигуни дуже економні (NASA Glenn).

Двоконтурні двигуни включають два контури: зовнішній (холодний) і внутрішній (гарячий). Зовнішнім контуром проходить повітря від великого вентилятора, яке йде навколо ядра двигуна. Принцип роботи описаний нижче:

1. Спершу повітря потрапляє у повітрозабірник і далі на лопатки вентилятора, де тиск трохи зростає.
2. За вентилятором потік ділиться. Більша частина йде зовнішнім контуром навколо ядра. Менша – у внутрішній контур.
3. У внутрішньому контурі повітря ще більше стискається компресорами і прогрівається.
4. Далі камера згоряння – серце двигуна. У ній повітря змішується з паливом і згоряє.
5. Гарячі гази крутять турбіни: турбіна високого тиску обертає компресор, турбіна низького тиску – вентилятор.
6. На кінцевому етапі гарячий потік виходить із сопла ядра, а холодний – із сопла зовнішнього контуру. У більшості сучасних лайнерів ці потоки виходять окремо, а в деяких двигунах змішуються перед соплом. Більшу частину тяги в лайнерах дає саме вентилятор.

Вибір між одноконтурним та двоконтурним ТРД залежить від вимог конкретного повітряного судна, його місії та характеристик. На пасажирських авіалайнерах здебільшого встановлюють двоконтурні турбореактивні двигуни з високим ступенем двоконтурності (turbofan).

Що буде, якщо двигун відмовить у польоті?

Лайнер не впаде. Двомоторні пасажирські літаки сертифікують так, щоб вони могли злетіти, летіти і сісти на одному двигуні. Пілоти відпрацьовують відмову двигуна на тренажері регулярно. Навіть якщо відмовлять обидва, літак планує – це показав рейс US Airways 1549, який сів на річку Гудзон.

Система FADEC

На сьогодні здебільшого авіаційні двигуни керуються спеціальним комп’ютером FADEC (Full Authority Digital Engine Control). Він контролює всі аспекти роботи двигуна, аналізуючи різні параметри, зовнішні умови.

Таким чином, немає потреби в механічних тягах від кабіни до двигуна. Замість механічного резерву FADEC зазвичай має два незалежні канали: якщо один відмовить, двигуном керує другий. FADEC забезпечує більш автоматизоване та точне керування двигуном, підвищуючи ефективність та безпеку польотів.

Більш детально про переваги та недоліки FADEC

Таким чином, реактивний двигун працює за принципом всмоктування, стиснення, згоряння та викидування газів, створюючи потужну тягу, необхідну для руху літака в повітрі.

FAQ

Чим turbofan кращий за turbojet?

Він тихіший і економніший на дозвукових швидкостях. Вентилятор розганяє багато повітря трохи, а не мало повітря дуже сильно, і це вигідніше.

Чому вентилятори лайнерів такі великі?

Більший вентилятор – більший ступінь двоконтурності, а отже менша витрата пального. Межа – місце під крилом і вага двигуна.

Турбогвинтовий двигун – теж реактивний?

Він теж газотурбінний, але майже всю енергію турбіна віддає на гвинт. Тягу створює переважно гвинт, а не реактивний струмінь.

Яке пальне використовує реактивний двигун?

Авіаційний гас, найчастіше Jet A-1. Про види пального – в окремій статті за посиланням вище.