Карл Гильзин - Воздушно-реактивные двигатели
Центробежный компрессор имеет большой диаметр, а длина его сравнительно невелика. У осевого компрессора, наоборот, диаметр меньше, но длина значительно больше. Это объясняется тем, что осевой компрессор устроен совсем не так, как центробежный: воздух течет в нем не от центра к периферии, а вдоль оси компрессора; поэтому он и назван осевым.
Рис. 9. Отечественный турбореактивный двигатель РД-500 с центробежным компрессором: а — общий вид; б — устройство
Рис. 10. Отечественный турбореактивный двигатель РД-10 с осевым компрессором: а — общий вид; б — устройство
Рис. 11. Центробежный компрессор турбореактивного двигателя РД-500
Осевой компрессор представляет собой ряд установленных друг за другом колес, по окружности которых укреплены легкие металлические лопатки (рис. 12). Эти лопатки в поперечном сечении имеют профиль, похожий на дужку лопасти винта или крыла самолета. Вообще каждое отдельное колесо напоминает собой небольшой винт или вентилятор, имеющий много коротких лопастей.
Рис. 12. Осевой компрессор турбореактивного двигателя РД-10
Так же, как и винт, каждое колесо компрессора (оно называется рабочим колесом) отбрасывает воздух назад с большой скоростью и вместе с тем закручивает его по направлению своего вращения. Но в отличие от винта рабочее колесо компрессора не только ускоряет движение воздуха, но и сжимает его. Давление воздуха за колесом больше, чем перед ним, хотя это повышение давления и меньше, чем в крыльчатке центробежного компрессора. Однако сжатие воздуха в осевом компрессоре происходит не только в рабочем колесе. Как и в диффузоре центробежного компрессора, за рабочим колесом происходит дополнительное сжатие воздуха: скорость его уменьшается, а давление растет. Роль диффузора в осевом компрессоре выполняет так называемый неподвижный направляющий аппарат. Этот аппарат представляет собой ряды неподвижных лопаток, установленных между вращающимися рабочими колесами и похожих по форме на лопатки этих колес. Воздух, попадающий из вращающихся колес в каналы между неподвижными лопатками, тормозится в них так же, как это происходит с воздухом в каналах между лопатками диффузора центробежного компрессора. Скорость воздуха при таком торможении уменьшается и становится обычно такой же, какой она была перед рабочим вращающимся колесом. Давление воздуха при этом соответственно растет. Направление движения воздуха в этих каналах также изменяется, в результате чего за неподвижными лопатками скорость потока имеет обычно то же направление, что и до поступления на вращающееся колесо.
Каждое вращающееся колесо с последующим рядом неподвижных лопаток представляет собой ступень компрессора. В одной ступени давление воздуха увеличивается обычно на 20—30%, но так как таких ступеней осевой компрессор имеет несколько, от 5 до 15 и даже более, то выходящий из осевого компрессора воздух обычно имеет давление, большее, чем в случае центробежного компрессора.
В современных турбореактивных двигателях чаще применяется осевой компрессор. Это объясняется тем, что в осевом компрессоре можно получить большие степени сжатия воздуха, чем в центробежном. Увеличение степени сжатия воздуха в компрессоре, как об этом будет сказано ниже, является одним из важных направлений развития турбореактивных двигателей. Кроме того, через осевой компрессор может пройти за секунду больше воздуха, чем через центробежный компрессор такого же диаметра. Тяга же турбореактивного двигателя, как мы знаем, прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.
Центробежный компрессор применялся на большинстве турбореактивных двигателей в те времена, когда эти двигатели только появились. Он применяется и теперь обычно в тех случаях, когда решающими факторами являются надежность в эксплуатации и простота изготовления двигателя.
Для вращения компрессора требуется затрачивать значительно большую мощность, чем для вращения воздушного винта. Работа сжатия воздуха зависит от того, как сильно он сжимается, сколько его сжимается и каков коэффициент полезного действия компрессора, т. е. какая часть всей мощности компрессора затрачивается на полезную работу сжатия. В новейших турбореактивных двигателях компрессор ежесекундно сжимает десятки килограммов воздуха, увеличивая его давление в 6—7 раз и более. Неудивительно, что несмотря на очень высокий коэффициент полезного действия компрессора, часто превышающий 80%, мощность, потребная для привода компрессора, достигает в мощных турбореактивных двигателях почти 50 000 лошадиных сил! Конечно, если бы для привода компрессора пришлось установить обычный поршневой двигатель, то реактивных самолетов с большой скоростью полета не существовало бы. Самые мощные из известных поршневых авиационных двигателей развивают мощность не больше 4000 лошадиных сил. Можно было бы создать и двигатели такой огромной мощности, как 50 000 лошадиных сил, хотя это и очень трудная задача. Но такие двигатели имели бы столь большие размеры и вес, что для них нужно было бы построить самолеты огромных размеров. Такие самолеты могли бы летать, конечно, только с очень небольшой скоростью, так как сопротивление их было бы очень велико.
В турбореактивных двигателях для вращения компрессора применяется не поршневой двигатель, а двигатель другого типа — газовая турбина. Этим и объясняется название — турбокомпрессорный реактивный или просто турбореактивный двигатель.
Турбина устанавливается в турбореактивном двигателе за компрессором. Но прежде чем попасть в турбину, воздух, сжатый компрессором, поступает в камеру сгорания двигателя, которая находится между компрессором и турбиной.
Камера сгорания представляет собой одну из важнейших частей турбореактивного двигателя; в ней происходит сгорание топлива, на котором работает двигатель. Обычно этим топливом является керосин, хотя может применяться и бензин. То обстоятельство, что турбореактивные двигатели работают не на бензине, а на керосине, является их дополнительным преимуществом, так как из нефти можно получить значительно больше керосина, чем бензина. Кроме того, удельный вес керосина больше, чем бензина; это значит, что в те же топливные баки самолета может поместиться по весу больше топлива и, следовательно, с этим топливом самолет сможет дальше улететь. Правда, есть у керосина и недостатки. Он, например, менее летуч, чем бензин, а поэтому хуже сгорает в двигателе, что особенно неблагоприятно сказывается при полете на большой высоте, где условия горения и без того ухудшаются. Поэтому ученые и исследователи стремятся найти такое топливо для турбореактивных двигателей, которое обладало бы достоинствами керосина, но было лишено его недостатков.
На рис. 13 показано устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500. Таких камер на двигателе установлено 9; поэтому на диффузоре центробежного компрессора этого двигателя, показанном на рис. 11, можно видеть 9 патрубков, по которым воздух, выходящий из компрессора, подводится к камерам сгорания. Схема работы камеры сгорания показана также на рис. 13. Топливо — керосин — впрыскивается в движущийся с большой скоростью воздушный поток и сгорает в нем. Сгорание топлива в потоке воздуха, движущемся с большой скоростью, связано с очень сложными физическими процессами; о них будет подробнее рассказано ниже, в главе 7. Такое сгорание трудно изучить и трудно добиться, чтобы оно протекало хорошо, а ведь без этого нельзя создать и хорошего турбореактивного двигателя.
Продукты сгорания топлива — горячие газы, имеющие температуру примерно 850—900° С, устремляются из камеры сгорания в газовую турбину. Газовая турбина служит для того, чтобы вращать компрессор, и происходящие в ней процессы противоположны процессам, происходящим в компрессоре. Если в компрессоре воздух сжимается и давление его увеличивается, на что, естественно, приходится затрачивать работу, то в турбине, наоборот, давление воздуха, или, точнее, газов, уменьшается, они расширяются, совершая при этом работу. Если компрессор нужно вращать с помощью какого-нибудь двигателя, то турбина сама развивает мощность и может вращать компрессор. Так и сделано в турбореактивном двигателе — турбина и компрессор связаны в нем прочным стальным валом.
Рис. 13. Устройство камеры сгорания турбореактивного двигателя РД-500 (внизу принципиальная схема работы камеры): 1 — топливная форсунка, 2 — завихритель; 3 — горловина камеры; 4 — колпак; 5 — коническая перегородка; 6 — жаровая труба; 7 — наружный кожух
