Почему в реактивном двигателе газы из камеры сгорания поступают к газовой турбине только в одном направлении?

На самом деле не так просто обеспечить правильную скорость газа в газовой турбине. В компрессоре вы хотите ограничить скорость потока через лопатки компрессора до высокого дозвукового диапазона, поэтому вход должен замедлять поток до прибл. 0,4 - 0,5 Маха. Меньше будет означать меньшую пропускную способность и, следовательно, меньшую тягу.

Однако эта скорость слишком высока для воспламенения. Топливу нужно некоторое время, чтобы смешаться со сжатым воздухом , и если скорость потока высока, ваша камера сгорания становится очень длинной, и двигатель становится тяжелее, чем необходимо. Поэтому поперечное сечение, ведущее от компрессора к камере сгорания, тщательно расширяется, чтобы замедлить воздушный поток без разделения (см. Раздел ниже, названный «диффузор»). Вокруг топливных форсунок вы найдете самую низкую скорость газа во всем двигателе. Теперь горение нагревает газ и заставляет его расширяться. Самое высокое давление во всем двигателе находится прямо на последней ступени компрессора - отсюда давление падает только по мере продвижения. Это гарантирует, что обратный поток в компрессор невозможен. Однако, когда компрессор глохнетс (это очень похоже на остановку крыла - лопатки компрессора маленькие крылья и имеют те же ограничения), он не может поддерживать высокое давление, и вы получаете обратный поток. Это называется всплеск .

На приведенном ниже графике показаны типичные значения скорости потока, температуры и давления в реактивном двигателе. Сделать это правильно — задача конструктора двигателя.

График параметров потока двигателя по длине ТРД (рисунок взят из этой публикации)

Задняя часть двигателя должна блокировать поток расширяющегося газа в меньшей степени, чем передняя часть, чтобы он продолжал течь в правильном направлении. Поддерживая поперечное сечение камеры сгорания постоянным, конструктор двигателя гарантирует, что расширяющийся газ будет ускоряться, преобразовывая тепловую энергию в кинетическую, без потери давления (небольшой перепад давления в камере сгорания вызван трением и эффектом Рэлея ). Теперь ускоренный поток попадает на турбину, и давление газа в каждой ее ступени падает, что опять же обеспечивает отсутствие обратного потока. Турбина должна получать от потока столько энергии, сколько необходимо для работы компрессора и подключенных к нему насосов и генераторов, не блокируя слишком сильно поток.

Оставшееся давление снова преобразуется в скорость в форсунке . Теперь газ все еще намного горячее окружающего воздуха, и хотя поток на конце сопла в современных авиалайнерах все еще дозвуковой, фактическая скорость потока намного выше, чем скорость полета. Разница скоростей между скоростью полета и скоростью выхода газа из сопла создает тягу .

Истребительные двигатели обычно имеют сверхзвуковой поток на конце сопла, что требует тщательной профилировки и регулировки контура сопла. Обо всем этом читайте здесь .

Воздух в компрессоре сжимается и движется вниз по потоку к секции сгорания. Сгорание не создает достаточного давления, чтобы преодолеть все это, и давление снижается, поскольку воздух расширяется через секции турбины.

Когда давление в секции компрессора падает слишком сильно, пламя сгорания расширяется в обоих направлениях. Это называется " помпаж компрессора ".

Отказ от ответственности: я, возможно, провел несколько часов в Википедии в какой-то момент, пытаясь ответить на этот вопрос для себя!

Реактивные двигатели используют цикл Брайтона, который представляет собой «изобарический» процесс во время сгорания, что означает, что он поддерживает постоянное давление в этой фазе. Это контрастирует с циклом Отто типичного четырехтактного поршневого двигателя, который является «изохорным» во время сгорания, что означает, что в этой фазе объем остается постоянным.

Цикл Брайтона состоит из 3-х частей, из которых сгорание происходит в середине

1. Входящий воздух сжимается. Для этого требуется работа, которая обеспечивается турбиной в конце цикла при работающем двигателе или внешним двигателем при запуске двигателя. Это повышает давление воздуха (уменьшая объем).
2. Топливо смешивается с воздухом и воспламеняется. Это непрерывный процесс (в отличие от поршневых двигателей). Этот процесс представляет собой «постоянное давление», о котором вы спрашиваете. Интуитивно не очевидно, почему, поэтому мы углубимся в это в следующем разделе. Конечным результатом является больший объем воздуха при том же давлении, что и на входе в камеру от компрессора.
3. Воздух проходит через турбину в форме, которая снижает давление от сжатого до атмосферного давления. Эта турбина используется для работы компрессора. Весь перепад давления, который не нужен для питания компрессора, используется для ускорения воздуха в обратном направлении для создания тяги.

Так как же работает это «постоянное давление»? На мгновение отнеситесь к камере сгорания как к ящику. Независимо от того, происходит ли горение или нет, обычно внутри коробки будет постоянное давление. Компрессор нагнетает в него воздух с определенной скоростью и давлением. Если турбина в конце камеры может «утилизировать» воздух с достаточно высокой скоростью, она может поддерживать давление в дальнем конце камеры равным давлению в переднем конце.

Так как же это «постоянное давление» на самом деле удерживает фронт пламени от продвижения вперед? Хитрость заключается в том, что фронт пламени пытается продвигаться вперед, но скорость воздуха в камере соответствует скорости фронта пламени, удерживая его в постоянном месте в камере. Это динамический процесс, поэтому нам понадобится динамика. Их ключевая деталь заключается в том, что турбина и компрессор находятся на одной оси, поэтому то, что происходит с одним, влияет на другое.

Рассмотрим три случая, которые сравнивают скорость воздушного потока с топливом:

• Слишком низкая скорость сгорания — это происходит при увеличении дроссельной заслонки или при запуске двигателя.
  • Горение начинает побеждать, продвигая фронт пламени к компрессору, как вы и предполагали.
  • Однако теперь в дело вступает динамика. По мере того, как фронт пламени движется вперед, он повышает давление на выходе из компрессора, замедляя скорость воздуха, проходящего через компрессор.
  • Это означает, что компрессору не нужно нагнетать большое количество воздуха, поэтому его нагрузка уменьшается.
    • (Компрессор должен повысить давление в объеме до более высокого давления, но тривиально увидеть, что этот эффект затмевается уменьшением объема воздуха, если рассмотреть крайний случай очень слабого компрессора, который явно дает задний ход, если вы нагнетаете его с Другая сторона.)
  • Турбина все еще испытывает то же давление, но она менее загружена. Это раскручивает турбину, увеличивая поток воздуха, что приводит нас к...
• Урезанный двигатель — это место, где обычно пытаются работать самолеты, и здесь вы не видите, как пламя распространяется вперед.
  • В этом состоянии скорость поступающего воздуха достаточна, чтобы соответствовать распространению фронта пламени вперед.
  • Фронт пламени пытается двигаться вперед, но воздух выталкивается вперед так быстро, как только может гореть.
• Слишком быстро для скорости сгорания — это происходит, если вы уменьшаете дроссельную заслонку.
  • При меньшем количестве топлива фронт пламени начинает падать назад к турбине.
  • Как и в случае «слишком медленного», в игру вступает динамика. Поскольку фронт пламени движется назад, это также снижает давление на входе в камеру сгорания и компрессор.
  • Турбина теперь испытывает большую нагрузку, раскручивая турбину. Замедление турбины уменьшает поток воздуха через компрессор, возвращая нас к триммерному двигателю.

Один из выводов из этой модели заключается в том, что реактивные двигатели не могут быстро изменять тягу. Если вы быстро добавляете топливо, увеличивая дроссельную заслонку, вы задушите двигатель, поэтому вы не получите много дополнительной мощности, пока турбина и компрессор не смогут раскрутиться, чтобы уравнять двигатель.

Я наткнулся на этот вопрос и подумал, что могу добавить немного информации, так как сразу узнал силовую установку.

Это не еще один полный ответ, а только ответ @albin и @PeterKampf относительно модели двигателя. Я пока не могу добавлять комментарии, поэтому отредактируйте это по мере необходимости.

Изображение двигателя, которое вы использовали в своем ответе, представляет собой силовую часть серии Allison 501, которая использовалась в нескольких гражданских и военных самолетах. Редуктор и гребной винт были исключены из этого изображения (по какой-то причине). Это упущение сбивает с толку, пожалуйста, посмотрите на мое изображение ниже, чтобы увидеть всю картину того, что происходит в этой силовой установке. Обычно устанавливался пропеллер Aeroproducts или Hamilton-Standard.

@PeterKampf, вы были на правильном пути - после того, как турбина извлекла ее, для реактивной тяги осталось мало энергии, потому что большая часть энергии нужна для привода RGB и пропеллера. Очень типичная для турбовинтовой (или турбовальной, для вертолетов) конструкция - остаточная реактивная тяга малопригодна. В этом случае при определенных атмосферных условиях и скорости вращения (13 820 об/мин) турбина может извлекать из газового потока примерно 10 000 лошадиных сил. Для привода компрессора требуется ~ 6000 л.с., что оставляет около 4000 л.с. на валу для RGB и пропеллера.

Convair 580 использует 2 таких силовых установки, Lockheed C-130 Hercules использует 4.

Если бы это была конструкция с турбореактивным двигателем, двигатель, вероятно, имел бы только 2 ступени турбины вместо 4. Это извлекало бы только достаточно энергии для приведения в действие компрессора (и, таким образом, самоподдерживающего двигателя), с большим количеством тяги, оставшейся для использования.