Нет ничего проще... турбореактивного двигателя. Окончание.
И если военных огромный расход топлива еще как-то устраивает, но для гражданской эксплуатации хотелось бы чего-то поэкономичнее...
- Как скажете! - ответили инженеры. - Раз нам не надо заталкивать в камеру сгорания слишком много воздуха (а это потери на сжатие), то давайте мы этот избыток воздуха пустим вокруг нее. Зачем нам тратить энергию на его сжатие в компрессоре? Пусть он сразу создает тягу! Вот так:
И получился у них, детишечки, двухконтурный турбореактивный двигатель! Первый контур, который гонит воздух в обход всего - холодный. А второй, там где камера сгорания и турбина - горячий! Но этот двигатель - пока еще с малой степенью двухконтурности (степень двухконтурности это, кстати, всего лишь отношение общего расхода воздуха к расходу горячего контура. Если из 10 частей воздуха попавших в двигатель только 5 идут в горячий контур, а остальные в холодный, то степень двухконтурности будет... 10/5 = 2)!
- Неплохо, неплохо... - скажем мы им. - Но этот двигатель хорошо подходит для довольно скоростного самолета. А если мы хотим его поставить, к примеру, на вертолет? Или самолет с пропеллерами?
- Так вам тогда нужен выходной вал! Это мы сейчас организуем! Ничего сложного!
И хитрые инженеры установили позади основной турбины (приводящей компрессор) еще одну. Со своим валом.
- Но зачем такие сложности? - спросим мы их. - Почему нельзя просто продлить основной вал?
- Нуууу, так-то получше будет... - ответят нам они. - А вдруг нечто начнет тормозить этот вал? Тогда все поцессы в двигателе могут нарушиться и он заглохнет... А так - основная турбина все равно будет крутить компрессор, ведь она с этой новой турбиной никак не связана... Кстати, вот эту новую, давайте называть ее "свободной турбиной".
- Давайте. - согласимся мы. Ведь действительно неплохо придумали. А придумали они "турбовальный двигатель со свободной турбиной" (это для вертолетов, где вал привода вращает редуктор) или "турбовинтовой двигатель" (это если на этот вал насадить пропеллер). Тут, кстати, конструкция обычно посложнее, так как вал воздушного винта проходит внутри вала компрессора.
Казалось бы - всё. Вон сколько всего придумано, летайте да радуйтесь? Но умные дяденьки инженеры не унимались!
- Что-то нам не очень нравится простой двухконтурный турбореактивный двигатель! - заявили они. - Который с малой степенью двухконтурности. Ведь первая ступень компрессора (которая гонит воздух в холодный контур) работает неэффективно! Ей бы оборотов прменьше, а диаметр побольше!
Сказано - сделано! И вместо пропеллера на валу свободной турбины появился вентилятор. У него намного меньше обороты, чем у компрессора, и намного больше диаметр. Получается эфффективнее. Он гонит по холодному контуру намного больше воздуха! А значит - меньше потери и выше экономичность. И эта конструкция получила название "турбореактивный двигатель с большой степенью двухконтурности" или просто "турбовентиляторный двигатель".
- А еще! А еще! - не унимались инженеры. - Мы с валом свободной турбины свяжем редуктор! И выведем вал от него из двигателя. И сможем крутить электрогенераторы и какие-нибудь насосы.
- А давайте... - говорят они. - Давайте между двумя последними ступенями компрессора просверлим отверстие и подведем к нему трубу!
- Ну давайте... Мы же с детишечками все равно вам этого запретить не сможем... Только непонятно зачем это вам?
- Как зачем? Ведь мы через эту трубу сможем производить отбор сжатого и горячего (он же нагревается от сжатия) воздуха от двигателя. Например для системы кондиционирования.
В самом деле - ведь в этой части двигателя воздух уже находится под большим давлением и имеет высокую температуру и он только рад послужить иным целям, а не только создавать тягу. Тяга, кстати, при включенном отборе, уменьшается. Поэтому в сложных условиях, когда нам ее нужно много, мы взлетаем с выключенными отборами.
- Но, погодите-ка! - спросят самые вредные детишечки. - А зачем вообще нужен этот компрессор? К чему сложности? Неужели нельзя просто жечь топливо перед турбиной? Как в ракетном двигателе.
- Нет, нельзя. Потому что если просто жечь топливо, то... Гореть оно будет еле-еле, как керосинка вашей пра-прабабушки. Чтобы получить много тяги, нужно сжечь много керосина! А чтобы его сжечь - нужно много воздуха. Его подачу в камеру сгорания как раз и обеспечивает компрессор.
- Агаааа! И еще. Этот двигатель устроен так, что поток воздуха всегда движется от воздухозаборника через компрессор, камеру сгорания и турбины к соплу. Ведь горячие газы, полученные при сжигании керосина, стремятся вырваться из камеры сгорания во все стороны, но компрессор создает довольно большое давление, мешающее им вырываться через вход. Поэтому они и идут через выход, где им ничто не мешает. Но иногда, обычно вследствие недостатка воздуха на входе (или срывных явлений на лопатках компрессора) создать это давление не получается и горячие газы начинают вырываться со всех сторон. И именно это явление имеет умное название "нарушение газодинамической устойчивости" или по-простому - помпаж.
Ну и кстати. Теперь нам всем понятно, что такое "обороты N1" и "обороты N2" - это обороты свободной турбины с вентилятором (N1) и турбокомпрессора. Они же физически не связаны.
- Неееет! Не все! - обязательно среди детишечек найдется Мальчиш-Плохиш. - А вы с инженерами так и не рассказали нам как эта штуковина заводится!
- Во-первых, не заводится, а запускается! - ответят Плохишу инженеры (а вот лично мне все равно - "назови хоть горшком, только в печь не сажай"). - А во-вторых, это очень просто.
- Мы от внешнего стартера раскручиваем турбокомпрессор (растут обороты N2), а когда он раскрутится до 20-25% от максимума и начнет создавать достаточное давление в камере сгорания - впрыскиваем и поджигаем керосин. И только в этот момент начинает раскручиваться вентилятор (начинается рост оборотов N1). Двигатель считается запущенным, когда обороты устаканиваются на уровне примерно 20% N1 и 60% N2 (цифры для CFM56).
