История газотурбинного двигателя

Простым языком, реактивную тягу можно описать как силу, которая создается в направлении, противоположном потоку газа или жидкости под давлением, истекающему через отверстие или канал.

Сила, которая заставляет вращаться распылитель воды поливочной машины, когда вода протекает через него, является одним из примеров реактивной тяги, который можно встретить в повседневной жизни. Сила, которая толкает ракету в ночное небо, является другим примером реактивной тяги.

Не зависимо от формы, устройство, использующее реактивную тягу, называется общим термином реактивный двигатель, который работает по принципу Третьего закона движения, сформулированного английским физиком Исааком Ньютоном в 1687 г.

По-видимому, первым человеком, применившим реактивный двигатель в 250 г. до н.э., стал Герон из Александрии.

(Греческий математик и механик Герон Александрийский), создатель эолипила (геронов шар).

Его двигатель, рис. 1.1, состоял из сферы, в которую вводился поток водяного пара под давлением. Поток вводился через отверстия, которые также являлись подшипниками, на которых сфера могла вращаться. Когда струи пара выходили через две изогнутые трубки, расположенные друг напротив друга на поверхности сферы, они создавал тягу, которая заставляла сферу вращаться вокруг своей оси.

Рис. 1.1. Двигатель Герона, первый реактивный двигатель, построенный около 250 г. до н.э.

Идея использовать реактивный двигатель для самолета не нова. В 1913 г. французский инженер Лорин предложил конструкцию аэродинамического термического канала (прямоточного ВРД). Но эта идея не использовалась на практике до 1941 г., когда сэр Франк Уиттл совершил первый полет на самолете с реактивным двигателем.

Рис. 1.2. Прямоточный ВРД и ТРД Уиттла

1.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Принцип работы ГДД основывается на том же принципе, что и работа системы поршневой двигатель/винт: они оба проталкивают массу воздуха назад.

Произведение Массы (М) на Ускорение (А) равно Силе (F). У ГТД Массой является воздух, проходящий через компрессор. Ускорением является разность между скоростью воздуха на выходе V₀ и на входеV₁ связи с добавлением тепловой энергии. Сила - это Тяга. М * (V₀ - V₁) = Тяга.

Винт перемещает относительно большую массу воздуха назад достаточно медленно, в то время как турбина выбрасывает небольшую массу воздуха относительно быстро. Третий закон Ньютона гласит:

Для любой силы, действующей на тело, существует равная по величине и противоположная по направлению сила противодействия.

В двух приведенных ранее случаях, винтового и газотурбинного двигателя, сила, генерируемая массой воздуха и его скоростью, создает реакцию в противоположном направлении, которая толкает самолет вперед.

Нужно помнить, что реакция газовой струи не является результатом давления струи на атмосферу. В любом случае, результирующая реакция или тяга, действующая на двигатель, пропорциональна массе или весу воздуха, вытесняемого двигателем и изменению скорости, сообщаемой воздуху.

1.3. РАБОЧИЙ ЦИКЛ ГТД

Рабочие циклы четырехтактного поршневого двигателя (цикл Отто) и газотурбинного двигателя (цикл Брайтона) очень похожи. См. рис. 1.2.

Рис. 1.2. Сравнение рабочих циклов поршневого и газотурбинного двигателей

Такты всасывания, сжатия, зажигания, рабочий ход и выхлоп цикла Отто сравниваются со ступенями всасывания, сжатия, зажигания и выхлопа цикла Брайтона.

В ГТД теоретически горение происходит с постоянным давлением, в то время как у поршневого двигателя оно происходит с постоянным объемом. Мощность вырабатывается в турбине двигателя.

Другим отличием является непрерывность процесса, который происходит в ГТД, а в поршневом двигателе он носит прерывистый характер. Только один такт отвечает за выработку мощности в поршневом двигателе, остальные три мощность потребляют. В ГТД три «холостых» такта упразднены, предоставляя больше времени на сжигание топлива.

Это одна из причин, по которой ГТД обладают лучшей пропорцией мощность/вес, чем поршневые.

Дата добавления: 2015-08-17