Нужен ли компрессор на реактивных двигателях? Можно ли нагнетать воздух в турбину?

Ваши вопросы

В какой момент (если есть) воздух перестает засасываться в турбину, а просто набивается?

На двигателе CFM56-7B (Boeing 737 NG) давление создается вентилятором, компрессором низкого давления и компрессором высокого давления с соответствующими степенями давления около 1, 3 и 9, то есть давление увеличивается в 28 раз перед воздух подается в камеру сгорания на крейсерской скорости около 0,8 Маха.

Эта требуемая степень сжатия действительно уменьшается по мере увеличения скорости полета и увеличения давления от скорости. Это естественное сжатие, происходящее на входе в двигатель, называется давлением поршня:

^{Степень сжатия Ram в зависимости от скорости полета, источник}

Со скоростью 2,5 или 3 Маха воздух в достаточном количестве может подаваться в камеру сгорания без компрессора. Вентилятор больше не нужен, весь поступающий в двигатель воздух смешивается с топливом. Турбину тоже можно снять, так как крутить больше нечего.

Такие двигатели без компрессоров называются прямоточными и ГПВРД. У них нет роторов и статоров. Теоретически прямоточный воздушно-реактивный двигатель может работать, начиная с 0,5 Маха, но он не производит никакой полезной тяги:

^{Ракета, ТРД, ПВРД, эффективность ГПВРД, источник}

Есть ли самолеты с турбовентиляторными двигателями, которые летают достаточно быстро, чтобы им больше не нужно было «всасывать» воздух для поддержания мощности?

Турбореактивный двигатель сочетает в себе основной двигатель и вентилятор. Вентилятор создает большую часть тяги, основной двигатель в основном вращает вентилятор.

Вентиляторы не могут работать на сверхзвуковой скорости, они не будут эффективны. поэтому, когда компрессор не требуется, скорость воздуха слишком высока для вентилятора. На самом деле ни ПВРД, ни ГПВРД не имеют вентилятора, это чисто реактивные двигатели.

ПВРД

Первыми двигателями, работающими по этому принципу, являются прямоточные воздушно-реактивные двигатели . Сложность состоит в том, чтобы поддерживать горение на этой скорости (это ветер 3000 км/ч), чтобы решить эту проблему, прямоточный воздушно-реактивный двигатель замедляет воздух до того, как он смешается с топливом в камере сгорания.

^{Принцип прямоточного воздушно-реактивного двигателя, Википедия}

^{Nord 1500 Griffon II, один из первых самолетов с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, источник}

ГПВРД

С некоторыми улучшениями были построены сверхзвуковые горелки, хотя и очень неэффективные. Этот двигатель известен как ГПВРД . Он работает на более высоких скоростях, чем ПВРД.

^{Принцип ГПВРД, Википедия}

Нужна небольшая помощь

Однако никакой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, а тем более ГПВРД, не может создавать статическую тягу. Оба нуждаются в некоторой начальной скорости движения вперед, чтобы начать сгорание. Их можно запускать с другого самолета :

^{Leduc 010 на вершине SE-161 для запуска с воздуха, источник}

Самолет может быть оснащен дополнительным дозвуковым двигателем, конвертируемым двигателем (ТРД или ПВРД) или ракетными ускорителями.

^{J-58 , трансформируемый турбореактивный / прямоточный воздушно-реактивный двигатель, используемый на SR-71 и других самолетах, источник}

Несмотря на свои неудобства, ПВРД и ГПВРД используются на нескольких быстрых военных самолетах, но их царство — ракеты, где большая скорость полета часто означает большую высоту и увеличенную дальность полета.

Как и любая вакуумная система, пылесосы не могут ничего «всасывать». Они просто удаляют воздух из замкнутого пространства. Это вызывает перепад давления между эвакуируемым пространством и окружающей средой. Более высокое внешнее давление воздуха нагнетает воздух в корпус; он не "всасывается".

Это похоже на диффузор реактивного двигателя. Вентилятор или компрессор всасывают воздух, который создает область низкого давления в диффузоре, в результате чего воздух с местной атмосферой устремляется в помещение.

То, что вы описываете здесь, будет концепцией прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором стагнационного давления диффузора достаточно, чтобы сжать входящий воздух до такой степени, что его можно будет сжечь и создать полезную тягу без необходимости увеличения с помощью механического компрессора. Турбовентиляторные и турбореактивные двигатели не могут делать это эффективно в своих диапазонах рабочих скоростей, но получают повышение производительности за счет диффузорного сжатия входящего воздуха.

Конечно, можно «набить» воздух в турбину. Максимальное давление, которое может быть достигнуто, называется «давлением торможения», которое представляет собой точку, в которой вся поступающая кинетическая энергия преобразуется в энергию давления.

Для некоторых приложений этого достаточно. Например, эффект Мередита отвечает за небольшую чистую тягу в радиаторе P-51 Mustang. Для других приложений, таких как (дозвуковой) турбовентиляторный двигатель, хотя он немного помогает увеличить степень сжатия, он не может заменить секцию сжатия. Причина в том, что давление ниже по потоку будет ускорять воздух перед двигателем и наружу: воздух просто «прольется» мимо двигателя. Двигатели могут быть сконструированы таким образом, чтобы они точно не «всасывали» и не «выпускали» воздух в расчетной точке.

Хорошая новость заключается в том, что в сверхзвуковых приложениях давление ниже по потоку не может «перемещаться» вверх по потоку (поскольку давление движется вверх по потоку со скоростью звука). Здесь поступающий воздух действительно «трамбуется» и не имеет иного выбора, кроме как подвергнуться сжатию. (Sc) прямоточные воздушно-реактивные двигатели (и, в меньшей степени, воздухозаборники сверхзвуковых турбореактивных двигателей) основаны на этом принципе, но для достижения значимой степени сжатия они в идеале должны двигаться с гиперзвуковыми скоростями, для чего им нужен дозвуковой двигатель.