Історія створення і принцип роботи турбореактивного двигуна

Реактивні авіадвигуни в другій половині XX століття відкрили нові можливості в авіації: польоти на швидкостях, що перевищують швидкість звуку, створення літаків з високою вантажопідйомністю, уможливили масові подорожі на великі відстані. Турбореактивний двигун по праву вважається одним з найбільш важливих механізмів минулого століття, незважаючи на простий принцип роботи.

Перший літак братів Райт, самостійно відірвався від Землі в 1903 році, був оснащений поршневим двигуном внутрішнього згоряння. І протягом сорока років цей тип двигуна залишався основним в літакобудуванні. Але під час Другої світової війни стало ясно, що традиційна поршневих-гвинтова авіація підійшла до свого технологічної межі - як по потужності, так і по швидкості. Однією з альтернатив був повітряно-реактивний двигун.

Реактивний літак Су-11 з двигунами ТР-1, розробки КБ Люльки

Проте, батьківщиною серійного турбореактивного двигуна судилося стати зовсім іншій країні - Німеччині. Створення турбореактивного двигуна в кінці 1930-х було своєрідним хобі німецьких компаній. У цій області відзначилися практично всі відомі нині бренди: Heinkel, BMW, Daimler-Benz і навіть Porsche. Основні лаври дісталися компанії Junkers і її першого в світі серійного турбореактивних двигунів 109-004, що встановлюється на перший же у світі турбореактивний літак Me 262.

Незважаючи на неймовірно вдалий старт в реактивної авіації першого покоління, німецькі рішення подальшого розвитку ніде в світі не отримали, в тому числі і в Радянському Союзі.

Турбореактивний двигун (ТРД) працює на принципі звичайної теплової машини. Аби не заглиблюватися в закони термодинаміки, тепловий двигун можна визначити як машину для перетворення енергії в механічну роботу. Цією енергією володіє так зване робоче тіло - використовуваний всередині машини газ або пар. При стисненні в машині робоче тіло отримує енергію, а при подальшому його розширенні ми маємо корисну механічну роботу.

При цьому зрозуміло, що робота, яка витрачається на стиснення газу повинна бути завжди менше роботи, яку газ може зробити при розширенні. Інакше ніякої корисної «продукції» не буде. Тому газ перед розширенням або під час нього потрібно ще і нагрівати, а перед стисненням - охолодити. У підсумку за рахунок попереднього нагріву енергія розширення значно підвищиться і з'явиться її надлишок, який можна використовувати для отримання необхідної нам механічної роботи. Ось власне і весь принцип роботи турбореактивного двигуна.

Таким чином, будь-який тепловий двигун повинен мати пристрій для стиснення, нагрівач, пристрій для розширення і охолодження. Все це є у ТРД, відповідно: компресор, камера згоряння, турбіна, а в ролі холодильника виступає атмосфера.

Робоче тіло - повітря, потрапляє в компресор і стискується там. У компресорі на одній обертається осі укріплені металеві диски, по вінцях яких розміщені так звані «робочі лопатки». Вони «захоплюють» зовнішнє повітря, відкидаючи його всередину двигуна.

Далі повітря надходить в камеру згоряння, де нагрівається і змішується з продуктами згоряння (гасу). Камера згоряння оперізує ротор двигуна після компресора суцільним кільцем, або у вигляді окремих труб, які називаються жаровими трубами. У жарові труби через спеціальні форсунки і подається авіаційний гас.

З камери згоряння нагріте робоче тіло надходить на турбіну. Вона схожа на компресор, але працює, так би мовити, в протилежному напрямку. Її розкручує гарячий газ за тим же принципом, як повітря дитячу іграшку-пропелер. Ступенів у турбіни трохи, зазвичай від однієї до трьох-чотирьох. Це самий навантажений вузол в двигуні. Турбореактивний двигун має дуже велику частоту обертання - до 30 тисяч обертів на хвилину. Факел з камери згоряння досягає температури від 1100 до 1500 градусів Цельсія. Повітря тут розширюється, приводячи турбіну в рух і віддаючи їй частину своєї енергії.

Після турбіни - реактивне сопло, де робоче тіло прискорюється і закінчується зі швидкістю більшою, ніж швидкість зустрічного потоку, що і створює реактивну тягу.

Покоління турбореактивних двигунів

Незважаючи на те, що точної класифікації поколінь турбореактивних двигунів в принципі не існує, можна в загальних рисах описати основні типи на різних етапах розвитку двигунобудування.

До двигунів першого покоління відносять німецькі та англійські двигуни часів Другої світової війни, а також радянський ВК-1, який встановлювався на знаменитий винищувач МІГ-15, а також на літаки ІЛ-28 і ТУ-14.

ТРД другого покоління відрізняються вже можливою наявністю осьового компресора, форсажній камери і регульованого повітрозабірника. Серед радянських прикладів двигун Р-11Ф2С-300 для літака МіГ-21.

Двигуни третього покоління характеризуються збільшеною ступенем стиснення, що досягалося збільшенням ступенів компресора і турбін, і появою двоконтурності. Технічно це найскладніші двигуни.

Поява нових матеріалів, які дозволяють значимо підняти робочі температури, привело до створення двигунів четвертого покоління. Серед таких двигунів - вітчизняний АЛ-31 розробки ОДК для винищувача Су-27.

Сьогодні на уфимському підприємстві ОДК починається випуск авіаційних двигунів п'ятого покоління. Нові агрегати встановлять на винищувач Т-50 (ПАК ФА), який приходить на зміну Су-27. Нова силова установка на Т-50 зі збільшеною потужністю зробить літак ще більш маневреним, а головне - відкриє нову епоху у вітчизняному авіабудуванні.