Как реактивный двигатель сжигает топливо, если он не на форсаже?

Обычный способ сжигания топлива — не использовать форсажную камеру. Форсажная камера — это опция, добавляемая после обычного двигателя для временного увеличения его тяги. Это интересная альтернатива оснащению самолета более мощным двигателем. Однако дополнительная тяга, которую он обеспечивает, очень дорогая.

Обычный способ сжигания топлива включает камеру сгорания, питаемую воздушным компрессором. Форсажная камера может работать без компрессора, потому что она использует воздух от двигателя вверх по потоку.

Я разделю свой ответ на две части: обычная камера сгорания и форсажная камера.

1. Обычная камера сгорания, например, для ТРДД.

В реактивном двигателе есть четыре этапа, каждый из которых происходит в отдельной секции:

• Сжатие воздуха в компрессоре.
• Смешивание воздуха и топлива в камере сгорания и сгорание смеси.
• Расширение горячего газа в турбине для производства электроэнергии.
• Выделение газа в выхлопе.

Кроме того, этот турбовентиляторный двигатель имеет большой вентилятор для создания тяги. Вентилятор похож на пропеллер. Слева направо: вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина, выхлоп:

^{Двигатель CFM56-5, источник}

Воздух сжимается, чтобы хранить большое количество топлива, чтобы можно было сжечь больше топлива. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем больше мощность двигателя.

Впрыск воздуха и топлива осуществляется в камеру сгорания, которая может быть нескольких типов, в данном примере это кольцевой канал с отдельными топливными форсунками.

Каждая топливная форсунка распыляет топливо в определенной области камеры. Воздух из компрессора направляется в эту зону для создания смеси. Горение происходит в кольцевом канале.

Есть воспламенители, чтобы начать горение, затем газ непрерывно горит, и, поскольку температура очень высокая (1700 ° C для этого двигателя), сгорание происходит самопроизвольно. Затем воспламенители можно выключить, оставить активными или настроить на автоматическую повторную активацию в случае погасания пламени (по выбору экипажа).

Кольцевой канал выполнен из вкладышей с сотнями отверстий. Воздух также поступает в отверстия для создания завихрений в камере сгорания и улучшения разбавления топлива, а также для охлаждения гильз, поскольку эта секция является самой горячей в двигателе, а температура материалов близка к предельной температуре.

^{Двигатель CFM56-5, источник}

Газ, образующийся при сгорании, направляется на ступени турбины. Турбина вращается, движимая скоростью газа. Роль турбины заключается в извлечении энергии из горячего газа для вращения компрессора и вентилятора.

В этом двигателе вентилятор просто толкает воздух назад. Этот ускоренный воздух создает реактивную тягу (80%). Небольшая тяга также создается основным двигателем, когда газ выделяется в выхлопе (20%).

Более полное объяснение в этом видео . Деталь камеры сгорания:

^{Камера сгорания CFM56-3, источник}

2. Дожигатель (дожигание)

Форсажная камера - это вторая горелка, но она работает только в горячем потоке перед реактивным двигателем, является дополнением к этому двигателю.

Форсажная камера рациональная

Как показано на слайде НАСА , представленном в ответе OragnicMarble, тяга в авиационных двигателях создается за счет увеличения импульса воздуха , произведения массы на скорость. Не имеет значения, ускоряется ли большая масса в малой степени или маленькая масса ускоряется в большой степени. Однако ускорение на небольшую величину экономически более эффективно, поэтому производители используют более крупный вентилятор для создания большей тяги, а не тот же вентилятор с более высокой скоростью.

Бывают случаи, когда дополнительная тяга требуется только в определенное время, и когда более крупный двигатель нежелателен (вес и размер). Для них имеет смысл еще немного увеличить скорость воздуха, а массу оставить неизменной. В этой нише блистает форсаж.

Принцип состоит в том, чтобы взять массу газа после нормального выхода из двигателя и повторно нагреть его, чтобы увеличить его давление. Энергия – это снова сжигание топлива с кислородом, все еще присутствующим в газе. Компрессор не требуется для увеличения массы сжигаемого воздуха. Поскольку компрессора нет, турбину тоже можно снять. Таким образом, форсажная камера — очень простое решение.

^{Концепция форсажной камеры двигателя}

Это дополнительное тепло расширяет газ, увеличивая его давление, а второе сопло преобразует дополнительное давление в скорость.

Форсажные камеры имеют много недостатков: шум, пламя и неэффективность ( примерно в 5 раз больше топлива , чем в обычной камере сгорания). В гражданской авиации они не используются, кроме как на «Конкорде» и Ту-144, единственном сверхзвуковом гражданском самолете. Дожигание использовалось для взлета и разгона до сверхзвуковой скорости.

^{Форсаж на двигателе Olympus 593 (Concorde), источник}

В другой статье НАСА показана нужная вам диаграмма.

Вы можете видеть два места впрыска топлива, до и после турбины. Как ты говоришь

есть две отдельные фазы для добавления топлива в воздушный поток

Основной ответ - да. Топливо сжигается в главной секции для создания тяги (и вращения вентилятора в таком двигателе), поддержания цикла сжатия/сгорания, а также для правильной работы (не расплавления самого себя), большая часть воздуха, сжатого секция компрессора используется для контроля границ пламени внутри корпуса горелки и охлаждения двигателя. Может быть, только от 3 до половины массового потока, поступающего в горелку в активной зоне двигателя, действительно сгорает, то есть потребляет свой кислород; остальное предназначено для контроля пламени и охлаждения и смешивается с отработанным воздухом, поступающим в турбину.

Таким образом, воздух, выходящий из турбинной секции основного двигателя, по-прежнему содержит большую часть кислорода. Форсажная камера просто использует это преимущество, выбрасывая больше топлива, чтобы израсходовать оставшийся кислород и получить бонус тяги, пока воздух все еще сжат. Форсажная камера - это своего рода прямоточный воздушно-реактивный двигатель, застрявший на конце обычного двигателя, за исключением того, что ему не нужна высокая скорость, чтобы получить эффект тарана; главный двигатель обеспечивает эффект тарана, а также достаточное количество кислорода, чтобы заставить его работать.

Значит ли это, что есть две отдельные фазы добавления топлива в воздушный поток: первая (обязательная) для нормальной работы и вторая (необязательная) для форсажной камеры?

Да.

Ключевое отличие состоит в том, что обычная горелка находится между компрессором и турбиной, а форсажная камера — последний элемент в задней части двигателя. Это означает, что обычная горелка должна работать при температуре, не разрушающей турбину. Это означает, что реактивные горелки работают на бедной смеси, выхлопные газы содержат много кислорода.

Форсажные камеры могут работать намного горячее, что означает более высокую тягу для данного размера/веса двигателя. Компромисс в том, что их топливная экономичность ужасна.