Silnik odrzutowy do oddychania - Airbreathing jet engine

Silnik odrzutowy airbreathing (lub odprowadzane silników odrzutowych ) jest silnik odrzutowy , który emituje strumień gorących gazów spalinowych wytworzonych z powietrza, który jest zmuszony do silnika przez kilka etapów odśrodkowej , osiowo lub RAM kompresji , którą następnie ogrzewa się i ekspanduje przez A dysza . Są to typowo silniki turbinowe gazowe . Większość masowego przepływu przez napowietrzający silnik odrzutowy jest dostarczana przez powietrze pobierane z zewnątrz silnika i ogrzewane wewnętrznie, wykorzystując energię zmagazynowaną w postaci paliwa.

Wszystkie praktyczne silniki odrzutowe do oddychania powietrzem są silnikami spalinowymi, które bezpośrednio ogrzewają powietrze poprzez spalanie paliwa, a powstałe w ten sposób gorące gazy są wykorzystywane do napędu za pomocą dyszy napędowej , chociaż eksperymentowano z innymi technikami ogrzewania powietrza (na przykład z silnikami odrzutowymi jądrowymi ). Większość nowoczesnych konstrukcji silników odrzutowych to turbowentylatory , które w dużej mierze zastąpiły silniki turboodrzutowe . Te nowoczesne silniki wykorzystują rdzeń silnika z turbiną gazową o wysokim ogólnym stosunku ciśnień (około 40:1 w 1995 r.) i wysokiej temperaturze wejściowej turbiny (około 1800 K w 1995 r.) i zapewniają dużą część ciągu dzięki zasilanemu turbinie stopniowi wentylatora , a nie z czystym ciągiem wydechowym, jak w turboodrzutowym. Te cechy łączą się, dając wysoką sprawność w porównaniu z turboodrzutowym. Kilka silników odrzutowych wykorzystuje prosty efekt tłoka ( strumieniowy ) lub spalanie pulsacyjne ( impulsowe ) w celu uzyskania kompresji.

Tło

Pierwotnym silnikiem odrzutowym z turbiną gazową do oddychania powietrzem był turboodrzutowy . Była to koncepcja zrealizowana przez dwóch inżynierów, Franka Whittle'a w Anglii w Wielkiej Brytanii i Hansa von Ohaina w Niemczech . Turboodrzutowiec kompresuje i podgrzewa powietrze, a następnie wypuszcza je w postaci strumienia o wysokiej prędkości i wysokiej temperaturze, aby wytworzyć ciąg. Chociaż silniki te są w stanie dawać wysokie poziomy ciągu, są najbardziej wydajne przy bardzo dużych prędkościach (powyżej Mach 1), ze względu na niski przepływ masy i dużą prędkość spalin.

Nowoczesne turbowentylatory są rozwinięciem turboodrzutowca; to w zasadzie turboodrzutowiec, który zawiera nową sekcję zwaną sceną wentylatora . Zamiast wykorzystywać wszystkie swoje spaliny do zapewnienia bezpośredniego ciągu, jak w przypadku turboodrzutowca, silnik turbowentylatorowy pobiera część mocy ze spalin wewnątrz silnika i wykorzystuje ją do napędzania stopnia wentylatora. Stopień wentylatora przyspiesza dużą ilość powietrza przez kanał, omijając rdzeń silnika (właściwy element turbiny gazowej silnika) i wyrzucając go z tyłu jako strumień, tworząc ciąg. Część powietrza, która przechodzi przez stopień wentylatora, trafia do rdzenia silnika, a nie jest kierowana do tyłu, dzięki czemu jest sprężana i podgrzewana; część energii jest pobierana do zasilania sprężarek i wentylatorów, a pozostała część jest wyprowadzana z tyłu. Te szybkie spaliny z gorącym gazem mieszają się z wolnoobrotowymi, chłodnymi spalinami ze stopnia wentylatora i oba te elementy przyczyniają się do ogólnego ciągu silnika. W zależności od tego, jaka część chłodnego powietrza jest omijana wokół rdzenia silnika, turbowentylator można nazwać silnikami z niskimi obwodnicami , z wysokimi obwodnicami lub z bardzo wysokimi obwodnicami .

Silniki z niskim obejściem były pierwszymi wyprodukowanymi silnikami turbowentylatorowymi i zapewniają większość ciągu z gorących gazów spalinowych rdzenia, podczas gdy stopień wentylatora tylko to uzupełnia. Silniki te są nadal powszechnie spotykane w wojskowych samolotach myśliwskich , ponieważ mają mniejszą powierzchnię czołową, co powoduje mniejszy opór tłoka przy prędkościach naddźwiękowych, pozostawiając więcej ciągu wytwarzanego przez silnik do napędzania samolotu. Ich stosunkowo wysoki poziom hałasu i poddźwiękowe zużycie paliwa są uważane za dopuszczalne w takim zastosowaniu, podczas gdy chociaż pierwsza generacja samolotów turbowentylatorowych wykorzystywała silniki z niskim obejściem, ich wysoki poziom hałasu i zużycie paliwa oznaczają, że wypadły one z łask dla dużych samolotów. Silniki z wysokim obejściem mają znacznie większy stopień wentylatora i zapewniają większość ciągu z powietrza wentylacyjnego; rdzeń silnika dostarcza moc do stopnia wentylatora, a tylko część całkowitego ciągu pochodzi ze strumienia spalin rdzenia silnika. Wysokoobrotowy turbowentylator działa bardzo podobnie do silnika turbośmigłowego , z wyjątkiem tego, że wykorzystuje wielołopatowy wentylator zamiast wielołopatkowego śmigła i opiera się na kanale, który odpowiednio kieruje przepływ powietrza w celu wytworzenia ciągu.

W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat nastąpił ruch w kierunku silników z bardzo wysokimi obwodnicami , które wykorzystują wentylatory znacznie większe niż sam rdzeń silnika, który jest zazwyczaj nowoczesną, wysokowydajną konstrukcją dwu- lub trzy szpulową. Ta wysoka sprawność i moc pozwalają na działanie tak dużych wentylatorów, a zwiększony dostępny ciąg (do 75 000 funtów na silnik w silnikach takich jak Rolls-Royce Trent XWB lub General Electric GENx ) pozwolił na przejście na duży bliźniak. silników lotniczych, takich jak Airbus A350 i Boeing 777 , a także dzięki czemu samolot silnik bliźniaczy, aby działać na długich trasach nad wodą uprzednio domenę 3 z silnikiem lub samolotów 4 silnika .

Silniki odrzutowe zostały zaprojektowane do samolotów zasilania, ale zostały wykorzystane do zasilania samochodów odrzutowych i łodzi odrzutowych dla prób rekord prędkości, a nawet do zastosowań komercyjnych, takich jak przez koleje zgaszenia śniegu i lodu z przełączników w railyards (montowane w specjalnych wagonach) oraz przy torach wyścigowych do osuszania nawierzchni toru po deszczu (montowane w specjalnych ciężarówkach z wydmuchem na nawierzchnię toru).

Rodzaje silników odrzutowych do oddychania powietrzem

Silniki odrzutowe do oddychania powietrzem są prawie zawsze silnikami spalinowymi, które uzyskują napęd ze spalania paliwa wewnątrz silnika. Tlen obecny w atmosferze jest wykorzystywany do utleniania źródła paliwa, zazwyczaj paliwa do silników odrzutowych na bazie węglowodorów . Płonąca mieszanina znacznie rozszerza swoją objętość, kierując ogrzane powietrze przez dyszę napędową .

Silniki napędzane turbiną gazową :

• silnik turboodrzutowy
• turbowentylator

Silnik odrzutowy napędzany nurnikiem:

• silnik strumieniowy
• scramjet

Impulsowy silnik spalinowy odrzutowy:

• pulsacyjny silnik detonacyjny
• silnik odrzutowy impulsowy
• silnik odrzutowy

Silnik turboodrzutowy

Dwóch inżynierów, Frank Whittle w Wielkiej Brytanii i Hans von Ohain w Niemczech , samodzielnie rozwinęło koncepcję turboodrzutowca w praktyczne silniki pod koniec lat 30. XX wieku.

Turbojety składają się z wlotu, sprężarki , komory spalania, turbiny (napędzającej sprężarkę) oraz dyszy napędowej. Sprężone powietrze jest podgrzewane w komorze spalania i przechodzi przez turbinę, a następnie rozpręża się w dyszy, tworząc strumień napędzający o dużej prędkości

Turboodrzutowce mają niską sprawność napędu poniżej około Mach 2 i wytwarzają dużo hałasu odrzutowego, zarówno w wyniku bardzo dużej prędkości spalin. Współczesne samoloty z napędem odrzutowym są napędzane turbowentylatorami . Silniki te, z mniejszymi prędkościami spalin, wytwarzają mniej hałasu odrzutowego i zużywają mniej paliwa. Turboodrzuty są nadal używane do napędzania pocisków manewrujących średniego zasięgu ze względu na ich dużą prędkość wydechu, niski obszar czołowy, co zmniejsza opór i względną prostotę, co zmniejsza koszty.

Silnik turbowentylatorowy

Większość nowoczesnych silników odrzutowych to turbowentylatory. Sprężarka niskiego ciśnienia (LPC), zwykle nazywana wentylatorem, spręża powietrze do kanału obejściowego, podczas gdy jej wewnętrzna część doładowuje sprężarkę rdzeniową. Wentylator jest często integralną częścią wielostopniowego rdzenia LPC. Bocznikowy przepływ powietrza albo przechodzi do oddzielnej „dyszy zimnej”, albo miesza się z gazami wylotowymi turbiny niskiego ciśnienia, zanim rozpręża się przez „dyszę o przepływie mieszanym”.

W latach 60. nie było dużej różnicy między cywilnymi i wojskowymi silnikami odrzutowymi, z wyjątkiem zastosowania dopalania w niektórych (naddźwiękowych) zastosowaniach. Obecnie turbowentylatory są używane w samolotach pasażerskich, ponieważ ich prędkość wydechu jest lepiej dopasowana do poddźwiękowej prędkości lotu samolotu. Przy prędkościach lotu samolotu, prędkość spalin z silnika turboodrzutowego jest nadmiernie wysoka i powoduje marnowanie energii. Niższa prędkość spalin z turbowentylatora zapewnia lepsze zużycie paliwa. Zwiększony przepływ powietrza z wentylatora daje większy ciąg przy niskich prędkościach. Niższa prędkość spalin daje również znacznie niższy hałas odrzutowy.

Stosunkowo duży wentylator przedni ma kilka efektów. W porównaniu z turboodrzutowcem o identycznym ciągu, turbowentylator ma znacznie większe masowe natężenie przepływu powietrza, a przepływ przez kanał obejściowy generuje znaczną część ciągu. Dodatkowe powietrze w kanale nie zostało zapalone, co daje mu małą prędkość, ale nie jest potrzebne dodatkowe paliwo, aby zapewnić ten ciąg. Zamiast tego energia jest pobierana z centralnego rdzenia, co zapewnia mu również zmniejszoną prędkość wydechu. Średnia prędkość wymieszanego powietrza wywiewanego jest w ten sposób zmniejszona (niski ciąg właściwy ), co jest mniej marnotrawstwem energii, ale zmniejsza prędkość maksymalną. Ogólnie rzecz biorąc, turbowentylator może być znacznie bardziej oszczędny pod względem zużycia paliwa i cichszy, a okazuje się, że wentylator umożliwia również uzyskanie większego ciągu netto przy niskich prędkościach.

Tak więc cywilne turbowentylatory mają obecnie niską prędkość wylotową (niski ciąg właściwy – ciąg netto podzielony przez przepływ powietrza), aby ograniczyć hałas odrzutowy do minimum i poprawić wydajność paliwową. W konsekwencji współczynnik obejścia (przepływ obejścia podzielony przez przepływ rdzenia) jest stosunkowo wysoki (powszechne są proporcje od 4:1 do 8:1), przy czym Rolls-Royce Trent XWB zbliża się do 10:1. Wymagany jest tylko jeden stopień wentylatora, ponieważ niski ciąg właściwy oznacza niski współczynnik ciśnienia wentylatora.

Turbowentylatory w samolotach cywilnych zwykle mają wyraźnie duży obszar przedni, aby pomieścić bardzo duży wentylator, ponieważ ich konstrukcja obejmuje znacznie większą masę powietrza omijającą rdzeń, dzięki czemu mogą czerpać korzyści z tych efektów, podczas gdy w samolotach wojskowych , gdzie hałas i wydajność są mniejsze ważne w porównaniu do wydajności i oporu, mniejsza ilość powietrza zwykle omija rdzeń. Turbowentylatory przeznaczone dla cywilnych samolotów poddźwiękowych mają zwykle tylko jeden przedni wentylator, ponieważ ich dodatkowy ciąg jest generowany przez dużą dodatkową masę powietrza, które jest tylko umiarkowanie skompresowane, a nie przez mniejszą ilość powietrza, które jest mocno skompresowane.

Wojskowe turbowentylatory mają jednak stosunkowo wysoki ciąg właściwy , aby zmaksymalizować ciąg dla danego obszaru czołowego, przy czym hałas odrzutowy jest mniej istotny w zastosowaniach wojskowych niż w zastosowaniach cywilnych. Wentylatory wielostopniowe są zwykle potrzebne, aby osiągnąć stosunkowo wysoki współczynnik ciśnienia wentylatora potrzebny do wysokiego ciągu właściwego. Chociaż często stosuje się wysokie temperatury na wlocie turbiny, współczynnik obejścia jest zwykle niski, zwykle znacznie mniejszy niż 2,0.

Turbośmigłowy i turbował

Silniki turbośmigłowe są pochodnymi silnika odrzutowego, nadal turbinami gazowymi, które pobierają pracę z gorącego strumienia spalin do obracania obracającego się wału, który jest następnie wykorzystywany do wytwarzania ciągu w inny sposób. Chociaż nie są to silniki odrzutowe, ponieważ opierają się na mechanizmie pomocniczym do wytwarzania ciągu, turbośmigłowe są bardzo podobne do innych silników odrzutowych opartych na turbinie i są często opisywane jako takie.

W silnikach turbośmigłowych część ciągu silnika jest wytwarzana przez obracanie śmigła , zamiast polegać wyłącznie na szybkim wydechu odrzutowym. Wytwarzające ciąg w obie strony, turbośmigłowe są czasami określane jako rodzaj hybrydowego silnika odrzutowego. Różnią się od turbowentylatorów tym, że większość ciągu zapewnia tradycyjna śruba napędowa, a nie wentylator kanałowy. Większość turbośmigłowców stosuje redukcję biegów między turbiną a śmigłem. ( Przekładniowe turbowentylatory mają również redukcję biegów, ale są one mniej powszechne.) Spaliny z gorącym strumieniem stanowią istotną mniejszość ciągu, a maksymalny ciąg uzyskuje się poprzez dopasowanie dwóch wkładów ciągu. Turbośmigłowe generalnie mają lepsze osiągi niż turboodrzutowe lub turbowentylatorowe przy niskich prędkościach, gdzie sprawność śmigła jest wysoka, ale stają się coraz bardziej hałaśliwe i nieefektywne przy dużych prędkościach.

Silniki turbowałowe są bardzo podobne do turbośmigłowych, różnią się tym, że prawie cała energia ze spalin jest pobierana do obracania obracającego się wału, który jest używany do napędzania maszyn, a nie śmigła, dlatego generują niewielki lub żaden ciąg odrzutowy i są często wykorzystywane do napędzania helikoptery .

Propfan

Propfan silnika (zwane także „unducted wentylator”, „otwarty wirnik” albo „ultra-high pass”) jest silnik odrzutowy, który wykorzystuje generator gazu do napędzania wentylatora odsłonięty, podobny do turbośmigłowych silników. Podobnie jak silniki turbośmigłowe, śmigła generują większość ciągu ze śmigła, a nie ze strumienia spalin. Podstawową różnicą między konstrukcją turbośmigłową a propfanem jest to, że łopatki śmigła na propfan są mocno wygięte, aby umożliwić im pracę z prędkościami około 0,8 Macha , co jest konkurencyjne w przypadku nowoczesnych komercyjnych turbowentylatorów. Silniki te mają zalety w zakresie efektywności paliwowej turbośmigłowych z wydajnością komercyjnych turbowentylatorów. Chociaż przeprowadzono znaczące badania i testy (w tym testy w locie) na propfanach, żaden z nich nie został wprowadzony do produkcji.

Główne komponenty

Główne elementy turboodrzutowca, w tym odniesienia do turbowentylatorów, turbośmigłowych i turbowałów:

Sekcja zimna

• Wlot powietrza (Wlot )– W przypadku samolotów poddźwiękowych wlot jest kanałem, który jest wymagany do zapewnienia płynnego przepływu powietrza do silnika, mimo że powietrze zbliża się do wlotu z kierunków innych niż na wprost. Dzieje się tak na ziemi z wiatru bocznego oraz podczas lotu przy pochyleniu i zboczeniu samolotu. Długość kanału jest zminimalizowana, aby zmniejszyć opór i wagę. Powietrze dostaje się do sprężarki z mniej więcej połową prędkości dźwięku, więc przy niższych prędkościach lotu przepływ przyspieszy wzdłuż wlotu, a przy wyższych prędkościach lotu zwolni. Tak więc wewnętrzny profil wlotu musi pomieścić zarówno przyspieszający, jak i rozpraszający przepływ bez zbędnych strat. W samolotach naddźwiękowych wlot ma takie cechy, jak stożki i rampy, które wytwarzają najbardziej wydajne seriefal uderzeniowych,które powstają, gdy przepływ naddźwiękowy zwalnia. Powietrze zwalnia z prędkości lotu do prędkości poddźwiękowej przez fale uderzeniowe, a następnie do około połowy prędkości dźwięku w sprężarce przez poddźwiękową część wlotu. Konkretny system fal uderzeniowych dobierany jest z uwzględnieniem wielu ograniczeń, takich jak koszty i potrzeby operacyjne, w celu zminimalizowania strat, co z kolei maksymalizuje odzyskiwanie ciśnienia w sprężarce.
• Kompresor lubWentylator – Sprężarka składa się z etapów. Każdy stopień składa się z obracających się łopatek i nieruchomych stojanów lub łopatek. W miarę przepływu powietrza przez sprężarkę wzrasta jego ciśnienie i temperatura. Moc napędzająca sprężarkę pochodzi zturbiny(patrz poniżej), jakomoment obrotowy i prędkośćwału.
• Kanały obejściowe dostarczają przepływ z wentylatora przy minimalnych stratach do obejściowej dyszy napędowej. Alternatywnie strumień wentylatora może być mieszany z wydechem turbiny przed wejściem do pojedynczej dyszy napędowej. W innym układzie dopalacz może być zainstalowany pomiędzy mieszadłem a dyszą.
• Wał – Wał łączyturbinęzesprężarkąi pracuje przez większość długości silnika. Mogą być aż trzy koncentryczne wały, obracające się z niezależnymi prędkościami, z tyloma zestawami turbin i sprężarek. Powietrze chłodzące do turbin może przepływać przez wał ze sprężarki.
• Sekcja dyfuzora :– Dyfuzor spowalnia powietrze dostarczane przez sprężarkę, aby zmniejszyć straty przepływu w komorze spalania. Wolniejsze powietrze jest również wymagane do stabilizacji płomienia spalania, a wyższe ciśnienie statyczne poprawia wydajność spalania.

Sekcja gorąca

• Spalania lub Komora spalania - paliwo jest spalane w sposób ciągły, po czym początkowo zapalić podczas rozruchu silnika.

• Turbina – Turbina to seria tarcz łopatkowych, które działają jak wiatrak, pobierając energię z gorących gazów opuszczających komorę spalania . Część tej energii jest wykorzystywana do napędzania sprężarki . Silniki turbośmigłowe, turbowałowe i turbowentylatorowe mają dodatkowe stopnie turbiny do napędzania śmigła, wentylatora obejściowego lub wirnika helikoptera. W turbinie swobodnej turbina napędzająca sprężarkę obraca się niezależnie od tego, który napędza śmigło lub wirnik helikoptera. Powietrze chłodzące, spuszczane ze sprężarki, może być wykorzystywane do chłodzenia łopatek, łopatek i tarcz turbiny, aby umożliwić wyższe temperatury gazu wejściowego do turbiny przy tych samych temperaturach materiału turbiny.**
  

  Łopatka z chłodzeniem wewnętrznym jak w turbinie wysokociśnieniowej
• Dopalacz lubpodgrzewanie(brytyjski) – (głównie wojskowy) Wytwarza dodatkowy ciąg, spalając paliwo w rurze odrzutowej. To ponowne ogrzanie spalin z turbiny podnosi temperaturę wejściową dyszy napędowej i prędkość spalin. Powierzchnia dyszy jest zwiększona, aby pomieścić większą objętość właściwą spalin. Utrzymuje ten sam przepływ powietrza przez silnik, aby zapewnić brak zmian w jego charakterystyce pracy.

• Wydech lub dysza – Gazy spalinowe z turbiny przechodzą przez dyszę napędową, aby wytworzyć strumień o dużej prędkości. Dysza jest zwykle zbieżna ze stałym obszarem przepływu.
• Dysza naddźwiękowa – W przypadku wysokich stosunków ciśnień w dyszy (ciśnienie wlotowe dyszy/ciśnienie otoczenia) stosuje siędyszę zbieżno-rozbieżną (de Laval). Ekspansja do ciśnienia atmosferycznego i naddźwiękowej prędkości gazu jest kontynuowana za gardłem i wytwarza większą siłę ciągu.

Różne wymienione powyżej komponenty mają ograniczenia dotyczące sposobu ich łączenia w celu uzyskania jak największej wydajności lub wydajności. Osiągów i sprawności silnika nigdy nie można rozpatrywać w oderwaniu; na przykład wydajność paliwowo-na odległość naddźwiękowego silnika odrzutowego maksymalizuje się przy około 2 machach, podczas gdy opór pojazdu niosącego go wzrasta zgodnie z prawem kwadratowym i ma znacznie dodatkowy opór w obszarze transsonicznym. Najwyższa efektywność paliwowa dla całego pojazdu wynosi zatem zwykle Macha ~0,85.

Dla optymalizacji silnika pod kątem jego przeznaczenia ważna jest konstrukcja wlotu powietrza, gabaryty, ilość stopni sprężarki (zestawów łopatek), rodzaj paliwa, ilość stopni wydechu, metalurgia elementów, ilość zużytego powietrza bypassu, gdzie bypass wprowadzane jest powietrze i wiele innych czynników. Przykładem jest konstrukcja wlotu powietrza.

Operacja

Cykl silnika

Termodynamika typowego silnika odrzutowego oddychającego powietrzem jest modelowana w przybliżeniu przez cykl Braytona, który jest cyklem termodynamicznym opisującym pracę silnika turbogazowego , który jest podstawą silnika odrzutowego napowietrzającego i innych. Jego nazwa pochodzi od George'a Braytona (1830-1892), amerykańskiego inżyniera, który go opracował, chociaż pierwotnie został zaproponowany i opatentowany przez Anglika Johna Barbera w 1791 roku. Czasami jest również znany jako cykl Joule'a .

Wygaśnięcie ciągu

Nominalny ciąg nominalny podawany dla silnika odrzutowego zwykle odnosi się do stanu statycznego na poziomie morza (SLS), albo dla międzynarodowej atmosfery standardowej (ISA) albo warunków upalnego dnia (np. ISA+10 °C). Jako przykład, GE90-76B ma startowy ciąg statyczny 76 000 lbf (360 kN) przy SLS, ISA+15°C.

Naturalnie ciąg wypadkowy będzie się zmniejszał wraz z wysokością ze względu na niższą gęstość powietrza. Istnieje jednak również efekt prędkości lotu.

Początkowo, gdy samolot nabiera prędkości wzdłuż pasa startowego, nastąpi niewielki wzrost ciśnienia i temperatury w dyszach, ponieważ wzrost bijaka w wlocie jest bardzo mały. Będzie też niewielka zmiana w przepływie masowym. W konsekwencji, siła ciągu dyszy początkowo tylko nieznacznie wzrasta wraz z prędkością lotu. Jednak będąc silnikiem oddychającym powietrzem (w przeciwieństwie do konwencjonalnej rakiety) istnieje kara za pobieranie powietrza na pokład z atmosfery. Nazywa się to przeciąganiem barana. Chociaż kara wynosi zero w warunkach statycznych, to gwałtownie wzrasta wraz z prędkością lotu, powodując erozję ciągu użytkowego.

Gdy prędkość lotu wzrasta po starcie, wzrost nurnika w wlocie zaczyna mieć znaczący wpływ na ciśnienie/temperaturę dyszy i przepływ powietrza wlotowego, powodując szybsze wznoszenie się siły ciągu dyszy. Ten termin zaczyna teraz kompensować wciąż rosnący opór nurnika, ostatecznie powodując wzrost ciągu użytkowego. W niektórych silnikach ciąg netto przy, powiedzmy, Mach 1,0, na poziomie morza może być nawet nieco większy niż ciąg statyczny. Powyżej Mach 1,0, przy konstrukcji wlotu poddźwiękowego, straty uderzeniowe mają tendencję do zmniejszania ciągu użytkowego, jednak odpowiednio zaprojektowany wlot naddźwiękowy może dawać mniejsze zmniejszenie odzysku ciśnienia wlotowego, umożliwiając dalszy wzrost ciągu użytkowego w reżimie naddźwiękowym.

Bezpieczeństwo i niezawodność

Silniki odrzutowe są zwykle bardzo niezawodne i mają bardzo dobre wyniki w zakresie bezpieczeństwa. Czasami jednak zdarzają się awarie.

Skok silnika

W niektórych przypadkach w silnikach odrzutowych warunki panujące w silniku spowodowane przepływem powietrza do silnika lub innymi zmianami mogą spowodować utknięcie łopatek sprężarki . Kiedy to nastąpi, ciśnienie w silniku wydmuchuje poza łopaty i zatrzymanie jest utrzymywane, aż ciśnienie się zmniejszy, a silnik straci cały ciąg. Łopatki sprężarki zwykle wyjdą z zablokowania i ponownie zwiększą ciśnienie w silniku. Jeśli warunki nie zostaną skorygowane, cykl zwykle się powtarza. Nazywa się to falą uderzeniową . W zależności od silnika może to być bardzo szkodliwe dla silnika i powodować niepokojące wibracje dla załogi.

Zabezpieczenie ostrza

Awarie wentylatora, sprężarki lub łopatki turbiny muszą znajdować się w obudowie silnika. W tym celu silnik musi być tak zaprojektowany, aby przeszedł testy obudowy łopatek określone przez władze certyfikujące.

Połknięcie ptaków

Połknięcie ptaków to termin używany, gdy ptaki wchodzą do wlotu silnika odrzutowego. Jest to powszechne zagrożenie bezpieczeństwa statków powietrznych i spowodowało wypadki śmiertelne. W 1988 roku Boeing 737 linii Ethiopian Airlines połknął gołębie do obu silników podczas startu, a następnie rozbił się, próbując wrócić na lotnisko Bahir Dar ; ze 104 osób na pokładzie 35 zginęło, a 21 zostało rannych. W innym incydencie w 1995 r. Dassault Falcon 20 rozbił się na lotnisku w Paryżu podczas próby awaryjnego lądowania po połknięciu czajek do silnika, co spowodowało awarię silnika i pożar w kadłubie samolotu ; wszystkie 10 osób na pokładzie zginęło.

Silniki odrzutowe muszą być tak zaprojektowane, aby wytrzymywały połknięcie ptaków o określonej wadze i liczbie oraz nie traciły więcej niż określony ciąg. Masa i liczba ptaków, które mogą zostać połknięte bez narażania bezpiecznego lotu samolotu, są związane z obszarem wlotu silnika. W 2009 roku samolot Airbus A320 , US Airways Flight 1549 , połknął jedną gęś kanadyjską do każdego silnika. Samolot wodował w rzece Hudson po starcie z międzynarodowego lotniska LaGuardia w Nowym Jorku. Nie było ofiar śmiertelnych. Incydent ilustrował niebezpieczeństwa związane z połykaniem ptaków poza „przeznaczonym” limitem.

Skutek połknięcia i to, czy spowoduje wypadek, czy to na małym, szybkim samolocie, takim jak wojskowe myśliwce odrzutowe , czy w dużym transporcie, zależy od liczby i wagi ptaków oraz miejsca, w którym uderzą w rozpiętość łopatek wentylatora lub czubek nosa. Uszkodzenie rdzenia zwykle skutkuje uderzeniami w pobliżu nasady łopaty lub na stożku nosowym.

Niewiele ptaków lata wysoko, więc największe ryzyko połknięcia ptaka występuje podczas startu i lądowania oraz podczas lotu na niskim poziomie.

Pył wulkaniczny

Jeżeli samolot odrzutowy leci w powietrzu zanieczyszczonym popiołem wulkanicznym , istnieje ryzyko, że spożyty popiół spowoduje uszkodzenie erozyjne łopatek sprężarki, zablokowanie otworów powietrznych dyszy paliwowej oraz zablokowanie kanałów chłodzących turbiny. Niektóre z tych efektów mogą powodować gwałtowne wzrosty lub gaszenie silnika podczas lotu. Ponowne zapalenia są zwykle skuteczne po zgaszeniu płomieni, ale ze znaczną utratą wysokości. Tak było w przypadku British Airways Flight 9, który przeleciał przez pył wulkaniczny na wysokości 37 000 stóp. Wszystkie 4 silniki zgasły, a próby ponownego oświetlenia zakończyły się sukcesem na wysokości około 13 000 stóp.

Niepowstrzymane awarie

Jedną z kategorii awarii, które spowodowały wypadki, są awarie niekontrolowane, w których obracające się części silnika odrywają się i wychodzą przez obudowę. Te wysokoenergetyczne części mogą przecinać przewody paliwowe i sterujące oraz mogą przenikać do kabiny. Chociaż przewody paliwowe i kontrolne są zwykle duplikowane dla niezawodności, zakład krach z United Airlines Flight 232 został spowodowany tym, hydrauliczne linie płyn do wszystkich trzech niezależnych układach hydraulicznych były jednocześnie odcięte od szrapnela z uncontained awarii silnika. Przed katastrofą United 232 prawdopodobieństwo jednoczesnej awarii wszystkich trzech systemów hydraulicznych było równe miliardowi do jednego. Jednak modele statystyczne wykorzystywane do wystąpienia z tej figury nie uwzględnić fakt, że numer dwa silnik został zamontowany przy końcu ogona do wszystkich przewodów hydraulicznych, ani możliwości, że awaria silnika będzie uwalniać wiele fragmentów w wielu kierunkach . Od tego czasu, bardziej nowoczesne konstrukcje silników lotniczych koncentrowały się na zapobieganiu penetracji odłamków przez osłonę lub przewody i coraz częściej wykorzystywały materiały kompozytowe o wysokiej wytrzymałości , aby osiągnąć wymaganą odporność na penetrację przy zachowaniu niskiej masy.

Względy ekonomiczne

W 2007 r. koszt paliwa do silników odrzutowych , choć bardzo zmienny w zależności od linii lotniczej, wynosił średnio 26,5% całkowitych kosztów operacyjnych, co czyni go największym pojedynczym kosztem operacyjnym dla większości linii lotniczych.

Względy środowiskowe

Silniki odrzutowe są zwykle zasilane paliwami kopalnymi, a zatem są źródłem dwutlenku węgla w atmosferze. Silniki odrzutowe mogą również pracować na biopaliwach lub wodorze, chociaż wodór jest zwykle wytwarzany z paliw kopalnych.

Około 7,2% oleju zużytego w 2004 roku było zużywane przez silniki odrzutowe.

Niektórzy naukowcy uważają, że silniki odrzutowe są również źródłem globalnego przyciemnienia z powodu pary wodnej w spalinach, powodującej tworzenie się chmur.

Związki azotu powstają również podczas procesu spalania w reakcjach z azotem atmosferycznym. Uważa się, że na niskich wysokościach nie jest to szczególnie szkodliwe, ale w przypadku samolotów naddźwiękowych latających w stratosferze może nastąpić pewne zniszczenie ozonu.

Siarczany są również emitowane, jeśli paliwo zawiera siarkę.

Zaawansowane projekty

Ramjet

Strumień strumieniowy to rodzaj silnika odrzutowego do oddychania powietrzem, który wykorzystuje ruch do przodu silnika do sprężania wchodzącego powietrza, bez sprężarki rotacyjnej. Ramjety nie mogą wytwarzać ciągu przy zerowej prędkości lotu, a zatem nie mogą poruszać samolotem z postoju. Odrzutowce Ramjet wymagają znacznej prędkości do przodu, aby działać dobrze, a jako klasa pracują najbardziej wydajnie przy prędkościach około  3 macha . Ten typ odrzutowca może działać z prędkością do 6 machów.

Składają się z trzech części; wlot do sprężania napływającego powietrza, komorę spalania do wtryskiwania i spalania paliwa oraz dyszę do wyrzucania gorących gazów i wytwarzania ciągu. Silniki strumieniowe wymagają stosunkowo dużej prędkości, aby skutecznie skompresować napływające powietrze, więc silniki strumieniowe nie mogą działać w stanie spoczynku i są najbardziej wydajne przy prędkościach naddźwiękowych . Kluczową cechą silników strumieniowych jest to, że spalanie odbywa się przy prędkościach poddźwiękowych. Naddźwiękowe powietrze napływające jest dramatycznie spowolnione przez wlot, gdzie jest następnie spalane ze znacznie wolniejszymi, poddźwiękowymi prędkościami. Jednak im szybciej napływające powietrze, tym mniej skuteczne staje się spowolnienie go do prędkości poddźwiękowych. Dlatego silniki strumieniowe są ograniczone do około 5 Machów.

Siłowniki strumieniowe mogą być szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających małego i prostego silnika do użytku z dużą prędkością, takich jak pociski rakietowe , podczas gdy projektanci broni chcą wykorzystać technologię strumieni strumieniowych w pociskach artyleryjskich w celu zwiększenia zasięgu: przewiduje się, że pocisk moździerzowy kal. 120 mm jeśli wspomagany przez silnik strumieniowy, może osiągnąć zasięg 22 mil (35 km). Są one również z powodzeniem stosowane, choć nie wydajnie, jako dysze typu tip jet na wirnikach helikopterów .

Silniki strumieniowe są często mylone z impulsowymi , które wykorzystują przerywane spalanie, ale silniki strumieniowe wykorzystują proces ciągłego spalania i są dość odrębnym typem silnika odrzutowego.

Scramjets

Scramjets to ewolucja silników strumieniowych, które są w stanie działać przy znacznie wyższych prędkościach niż jakikolwiek inny rodzaj silnika oddychającego powietrzem. Mają podobną strukturę jak strumienie strumieniowe, będąc specjalnie ukształtowaną rurą, która spręża powietrze bez ruchomych części poprzez sprężanie powietrza strumieniowego. Składają się z wlotu, komory spalania i dyszy. Podstawowa różnica między strumieniem strumieniowym a strumieniem scramjet polega na tym, że strumienie scramjet nie spowalniają nadchodzącego przepływu powietrza do prędkości poddźwiękowych w celu spalania. Tak więc dysze scramjet nie mają dyfuzora wymaganego przez dysze strumieniowe do spowolnienia przepływu powietrza do prędkości poddźwiękowych. Wykorzystują naddźwiękowego spalania zamiast i nazwa „naddźwiękowe” pochodzi od „ S upersonic C ombusting Silniki strumieniowe ”.

Scramjets zaczynają pracować z prędkością co najmniej 4 Machów, a ich maksymalna użyteczna prędkość wynosi około 17 Machów. Ze względu na aerodynamiczne ogrzewanie przy tych wysokich prędkościach, chłodzenie stanowi wyzwanie dla inżynierów.

Ponieważ silniki scramjet wykorzystują spalanie naddźwiękowe, mogą działać z prędkościami powyżej 6 machów, gdzie tradycyjne strumienie są zbyt nieefektywne. Kolejna różnica między silnikami strumieniowymi i scramjetami wynika z tego, w jaki sposób każdy typ silnika kompresuje nadchodzący strumień powietrza: podczas gdy wlot zapewnia większą kompresję dla silników strumieniowych, wysokie prędkości, z jakimi działają silniki scramjet, pozwalają im wykorzystać kompresję generowaną przez fale uderzeniowe , przede wszystkim ukośne wstrząsy .

Bardzo niewiele silników scramjet zostało kiedykolwiek zbudowanych i oblatanych. W maju 2010 Boeing X-51 ustanowił rekord wytrzymałości na najdłuższe spalanie scramjet trwające ponad 200 sekund.

P&W J58 Mach 3+ turboodrzutowiec dopalający

Praca turboodrzutowca w całej obwiedni lotu od zera do Mach 3+ wymaga funkcji umożliwiających prawidłowe działanie sprężarki przy wysokich temperaturach wlotowych powyżej Mach 2,5, a także przy niskich prędkościach lotu. Sprężarka J58 polegała na upustowaniu strumienia powietrza z czwartego stopnia sprężarki przy prędkościach powyżej około 2 machów. aby zapewnić dodatkowe powietrze do spalania. Silnik J58 był jedynym działającym silnikiem turboodrzutowym, zaprojektowanym do ciągłej pracy nawet przy maksymalnym dopalaniu, podczas rejsu 3,2 Macha.

Alternatywnym rozwiązaniem jest współczesna instalacja, która nie osiągnęła stanu operacyjnego, Mach 3 GE YJ93/XB-70. Zastosowano sprężarkę o zmiennej stojanie. Jeszcze inne rozwiązanie zostało określone w propozycji Phantoma rozpoznawczego Mach 3. Było to chłodzenie przed sprężarką, aczkolwiek dostępne przez stosunkowo krótki czas.

Odrzutowe silniki odrzutowe napędzane wodorem

Silniki odrzutowe mogą być zasilane prawie każdym paliwem. Wodór jest wysoce pożądanym paliwem, ponieważ chociaż energia na mol nie jest nadzwyczajnie wysoka, cząsteczka jest znacznie lżejsza niż inne cząsteczki. Energia na kg wodoru jest dwukrotnie wyższa niż w przypadku bardziej powszechnych paliw, co daje dwukrotnie większy impuls właściwy. Ponadto silniki odrzutowe napędzane wodorem są dość łatwe do zbudowania — pierwszy w historii turboodrzutowiec był napędzany wodorem. Również silniki rakietowe napędzane wodorem, chociaż nie są to silniki kanałowe, są szeroko stosowane.

Jednak prawie pod każdym innym względem wodór jest problematyczny. Wadą wodoru jest jego gęstość; w postaci gazowej zbiorniki nie nadają się do lotu, ale nawet w postaci ciekłego wodoru ma gęstość czternastą gęstości wody. Jest również głęboko kriogeniczny i wymaga bardzo dużej izolacji, która uniemożliwia przechowywanie go w skrzydłach. Cały pojazd byłby bardzo duży i trudny do przyjęcia dla większości lotnisk. Wreszcie czysty wodór nie występuje w przyrodzie i musi być wytwarzany poprzez reforming parowy lub kosztowną elektrolizę . Kilka eksperymentalnych samolotów napędzanych wodorem latało ze śmigłami i zaproponowano odrzutowce, które mogą być wykonalne.

Wstępnie schłodzone silniki odrzutowe

Pomysł wymyślony przez Roberta P. Carmichaela w 1955 roku polega na tym, że silniki napędzane wodorem mogą teoretycznie mieć znacznie wyższe osiągi niż silniki napędzane węglowodorami, jeśli do chłodzenia napływającego powietrza zastosowano wymiennik ciepła. Niska temperatura pozwala na stosowanie lżejszych materiałów, większy przepływ masowy przez silniki i umożliwia spalanie wtryśnięcia większej ilości paliwa bez przegrzewania silnika.

Pomysł ten prowadzi do prawdopodobnych projektów, takich jak Reaction Engines SABRE , który może pozwolić na jednostopniowe poruszanie się po orbicie pojazdami nośnymi , oraz ATREX , który może pozwolić na używanie silników odrzutowych do prędkości naddźwiękowych i na dużych wysokościach jako dopalacze do pojazdów nośnych. Pomysł jest również badany przez UE nad koncepcją osiągnięcia non-stop antypodalnych naddźwiękowych podróży pasażerskich z prędkością Mach 5 ( silniki reakcji A2 ).

Turborakieta

Turborocket powietrze jest formą połączone cyklu silnik odrzutowy . Podstawowy układ zawiera generator gazu , który wytwarza gaz pod wysokim ciśnieniem, który napędza zespół turbina/sprężarka, która spręża powietrze atmosferyczne do komory spalania. Ta mieszanina jest następnie spalana przed opuszczeniem urządzenia przez dyszę i wytworzeniem ciągu.

Istnieje wiele różnych typów turborakiet powietrznych. Różne typy generalnie różnią się sposobem działania sekcji generatora gazu w silniku.

Powietrzne turborakiety są często określane jako turboodrzutowe , turboramjetowe rakiety , turborakietowe ekspandery i wiele innych. Ponieważ nie ma zgody co do tego, które nazwy odnoszą się do jakich konkretnych pojęć, różne źródła mogą używać tej samej nazwy dla dwóch różnych pojęć.

Terminologia

Aby określić prędkość obrotową lub prędkość wirnika silnika odrzutowego, powszechnie stosuje się skróty:

• W przypadku silnika turbośmigłowego N _p odnosi się do obrotów wału napędowego. Na przykład, wspólny N _P byłaby około 2200 obrotów na minutę dla stałej liczby obrotów .
• N ₁ lub N _g odnosi się do obrotów sekcji generatora gazu. Każdy producent silników wybierze między tymi dwoma skrótami. N1 również do prędkości wentylatora na turbowentylatorowych , przy czym N ₂ jest prędkość generatora gazu (2 silnik wału). N _g stosuje się głównie w silnikach turbośmigłowych lub turbowałowych . Na przykład, wspólny N _g byłby rzędu 30.000 obrotów na minutę.
• N ₂ lub N _f odnosi się do prędkości sekcji turbiny napędowej. Każdy producent silników wybierze między tymi dwoma skrótami, ale N2 jest używany głównie w silnikach turbowentylatorowych, podczas gdy Nf jest używany głównie w silnikach turbośmigłowych lub turbowałowych. W wielu przypadkach, nawet dla wolnych silników turbinowych , N ₁ i N ₂ mogą być bardzo podobne.
• N _s odnosi się do prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni redukcyjnej (RGB) w silnikach turbowałowych.

W wielu przypadkach zamiast wyrażania prędkości wirnika (N ₁ , N ₂ ) jako obr/min na wyświetlaczach w kokpicie , piloci otrzymują prędkości wyrażone jako procent prędkości w punkcie projektowym. Na przykład przy pełnej mocy N ₁ może wynosić 101,5% lub 100%. Ta decyzja dotycząca interfejsu użytkownika została podjęta z uwagi na czynnik ludzki , ponieważ piloci częściej zauważają problem przy dwu- lub trzycyfrowej wartości procentowej (gdzie 100% oznacza wartość nominalną) niż przy pięciocyfrowej liczbie obrotów na minutę.

Zobacz też

• Pompa strumieniowa
• Silnik rakietowy
• Turbośmigłowy – silnik z turbiną gazową służący do obracania śmigieł
• Turboshaft – silnik turbogazowy stosowany w śmigłowcach

Bibliografia

Cytaty

Cytowane źródła