Как работает реактивный двигатель? При работе он нагревается настолько, что плавятся его собственные внутренности.

Подробно рассмотрите сложные внутренние механизмы современного турбовентиляторного двигателя - это поразит ваше воображение.

Отредактировано 2023-25-06
Самолет 747-400 на улице на закате с двигателем GE9X на левом крыле для тестированияДвигатель GE9X (второй справа) висит на самолете 747-400, который компания использует в качестве летающего испытательного стенда.

Реактивный двигатель - это сложнейшее оборудование, выполняющее простую задачу: придать самолету тягу, необходимую для полета. Каждый, кто чувствовал, как его слегка откидывает назад в кресле, когда самолет разгоняется по взлетной полосе, а затем поднимается в небо, скорее всего, интуитивно понимает, что происходит. Турбовентиляторные двигатели под каждым крылом вдыхают воздух и разгоняют его в обратную сторону, создавая тягу.

Детали внутри коммерческих двигателей таких компаний, как General Electric, Rolls-Royce и Pratt & Whitney, могут отличаться, но основы происходящего одинаковы.

"Современный турбовентиляторный реактивный двигатель работает на основе третьего закона Ньютона", - говорит Эмма Бут, руководитель подсистемы в Rolls-Royce. "Каждое действие имеет равную и противоположную реакцию".

Хотя описание на высоком уровне может показаться простым, сам процесс работы двигателя одновременно сложен и увлекателен. Вот что нужно знать о внутреннем устройстве двигателя, где воздух сжимается, топливо воспламеняется, а температура становится очень высокой.

Турбовентиляторный двигатель Rolls-Royce с двумя мужчинами в синих комбинезонах перед ним.Вид на переднюю часть двигателя Rolls-Royce Trent XWB. Rolls-Royce

Вентиляторы в передней части двигателя вдыхают воздух

Посмотрите на двигатель снаружи - вы можете увидеть это с ворот аэропорта - и вы заметите лопасти вентилятора спереди, расположенные внутри корпуса двигателя. Они могут быть совершенно огромного диаметра. Например, двигатель GE9X компании General Electric имеет вентилятор с 16 лопастями диаметром более 11 футов. Один из этих двигателей может создавать тягу в 105 000 фунтов, хотя он выдавал и больше, установив рекорд в 2017 году.

"В передней части находится большой вентилятор, который обеспечивает около 90 процентов тяги", - говорит Кристофер Лоренс, главный инженер GE Aerospace.

Рассмотрим двигатель GE90, который находится под крыльями таких самолетов, как Boeing 777. Компания утверждает, что при взлете самолета один такой двигатель всасывает около 3600 фунтов воздуха каждую секунду.

Крупный план некоторых лопастей вентилятора на двигателе GE9X.Крупный план некоторых лопастей вентилятора на двигателе GE9X. GE Aerospace

Вентилятор засасывает воздух, и когда воздух проходит через двигатель, пропорционально меньшее его количество проходит по одному пути через центр машины - ее сердечник. Но большая часть воздуха обходит сердечник, пропуская его и выходя прямо через заднюю стенку. Именно воздух, который не проходит через сердечник, выполняет большую часть работы по приведению самолета в движение.

Разница между объемом воздуха, который проходит через сердечник, и объемом воздуха, который проходит через сердечник, известна как коэффициент перепуска двигателя. Производители двигателей стремятся к тому, чтобы этот коэффициент был высоким для достижения максимальной эффективности. "Самый эффективный способ сделать это - взять много воздуха и немного увеличить давление", - говорит Лоренс. "Ранние двигатели имели очень низкий коэффициент байпаса, поэтому они делали так: большая часть воздуха проходила через сердечник, ограниченное [количество] воздуха проходило через байпас, и он проходил через него с довольно высокой скоростью". Но сегодня турбовентиляторные двигатели имеют очень высокий коэффициент перепуска.

Исключение составляют реактивные двигатели военных самолетов, например, истребителей, которые не имеют таких больших перепускных коэффициентов, как двигатели коммерческих самолетов. У этих самолетов есть и другие приоритеты, помимо чистой топливной эффективности, например, способность быть высокоманевренным, развивать сверхзвуковую скорость и сохранять низкий профиль, поэтому их двигатели, тесно интегрированные с корпусом самолета, могут также использовать форсажные камеры.

В активной зоне воздух сжимается, а топливо воспламеняется

Лопасти вентилятора в передней части требуют энергии для вращения, и именно здесь в игру вступает сердечник двигателя. Небольшой процент воздуха, который проходит через сердечник (Бут из Rolls-Royce говорит, что это около 10 процентов, а остальные 90 процентов обходят его стороной), подвергается многоступенчатому процессу.

Первая часть сердечника - это компрессорная ступень, где воздух - вы угадали - сжимается. Воздух становится более плотным и нагревается. "Существует много этапов компрессорных лопаток, которые вращаются, и компрессорных лопаток, которые статичны, и воздух как бы постепенно сжимается, сжимается и сжимается по мере того, как эти компрессорные лопатки становятся все меньше, меньше и меньше", - говорит Бут.

Воздух, конечно, не хочет сжиматься; чтобы это произошло, необходимо приложить усилия. "Это похоже на то, как если бы вы пытались поднять воду вверх по склону", - объясняет Бут.

Затем, после компрессорной ступени, идет горелку. Реактивное топливо воспламеняется и еще больше нагревает воздух. Лоренс из GE говорит, что если в хвостовой части компрессора температура воздуха составляет около 1 200-1 300 градусов по Фаренгейту, то после прохождения через горелку она может достигать 3 000 градусов по Фаренгейту или около того. Для сравнения, лава из вулкана на Гавайях обычно имеет температуру в районе 2 140 градусов.

Как работает реактивный двигатель GE9X. Диаграмма.На этой схеме показан путь воздуха, обходящего сердечник, а также внутреннее устройство самого сердечника. GE Aerospace

Палящий воздух, выходящий из горелки, удивительным образом "выше, чем температура плавления лопаток турбины, которые следуют за ней", - говорит Лоренс. "Нам фактически приходится прокачивать воздух через эти лопатки, чтобы они не расплавились". Этот относительно более холодный воздух поступает из компрессорной ступени. Rolls-Royce также делает нечто подобное, чтобы предотвратить плавление лопаток в своей турбине.

И так же, как производители двигателей хотят иметь большой коэффициент перепуска, они также хотят, чтобы двигатель был очень горячим внутри. "Чем выше температура, тем эффективнее работает ядро", - говорит Лоренс.

Турбины в ядре собирают энергию

После того как воздух перегрет, ему предстоит важная работа, прежде чем он сможет уйти на выходные и отдохнуть: 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. "Причина, по которой вы все это сделали, заключается в том, что энергия может быть высвобождена через эти турбинные ступени".

У каждой из этих двух турбин своя задача. Сначала турбина высокого давления "берет эту энергию и вращает компрессор, который в основном приводит в действие сердечник", - говорит Лоренс. "А затем турбина низкого давления берет энергию и вращает вал, который вращает вентилятор [в передней части двигателя]".

Реактивный двигатель Trent XWB висит в авиационной вешалке.Двигатель Trent XWB. Rolls-Royce

В двигателях Trent компании Roll-Royce, таких как на самолетах Airbus A350, также имеется турбина промежуточного давления, расположенная между турбинами высокого и низкого давления. В этом случае первые две турбины обеспечивают работу компрессора, а последняя турбина приводит в действие большие лопасти вентилятора в передней части.

В двух словах: воздух, поступающий в активную зону, сжимается и нагревается горящим топливом. Затем он приводит в движение турбины, а одна из этих турбин приводит в движение лопасти вентилятора в передней части двигателя. И помните, что именно воздух, минуя активную зону, дает двигателю большую часть тяги по сравнению с выхлопными газами, выходящими из активной зоны.

Обводной воздух "движется с меньшей скоростью, чем тот, что прошел через сердцевину двигателя, но этот воздух имеет такую большую массу, что все равно создает большую тягу", - говорит Бут. И благодаря этой тяге самолет может подняться в небо".