Страница 23 из 34
Рис. 47. Так выглядит турбореактивный двигатель, если смотреть на него спереди и сзади:
а — вид спереди на двигатель с осевым компрессором; б — сзади на двигатель с центробежным компрессором
Если мы посмотрим на турбореактивный двигатель спереди, предположим, на двигатель с осевым компрессором (рис. 47), то увидим, что его входное отверстие настолько загромождено, что даже трудно понять сначала, куда входит воздух, поступающий в двигатель. В центре входного отверстия мы увидим большого размера колпак, который иногда довольно далеко выступает вперед, — это закрытый обтекателем вал компрессора. Часто под этим обтекателем скрыт и стартер, служащий для запуска двигателя, и другие агрегаты. По радиусам от вала направлены многочисленные лопатки компрессора. За лопатками первой ступени компрессора видны неподвижные лопатки, затем лопатки следующей ступени, за ними опять лопатки и т. д.
Рис. 48. Вид спереди на прямоточный двигатель круглого сечения (в отличие от турбореактивного прямоточный двигатель может иметь и не круглое, а эллипсовидное или прямоугольное сечение)
Почти такая же картина откроется перед нами и при взгляде на двигатель сзади через реактивное сопло, Мы опять увидим колесо, на этот раз турбинное, с радиальными лопатками. Создается впечатление, что весь двигатель изнутри имеет одни лопатки. Действительно, в современном турбореактивном двигателе с осевым компрессором иной раз насчитывается более 2000 лопаток. Неудивительно, что на изготовление лопаток компрессора и турбины приходится большая часть труда, затрачиваемого на изготовление всего турбореактивного двигателя.
Следует учесть, что каждая лопатка имеет сложный криволинейный контур и требует точной и тщательной обработки. Вместе с тем часто лопатки, в особенности лопатки турбины, изготовляются из твердого, трудно обрабатываемого сплава.
Совсем иная картина предстанет перед нами, если мы заглянем внутрь прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Заглянув в него спереди, мы увидим только где-то внутри ажурные горелки камеры сгорания (рис. 48). Те же горелки мы увидим, когда заглянем в выходное отверстие двигателя. Весь двигатель внутри «пуст», и ничто не мешает воздуху течь через него, что и иллюстрируется шуточным рисунком (рис. 49). Поэтому через прямоточный воздушно-реактивный двигатель может протекать большее количество воздуха, чем через двигатель турбореактивный, что очень важно, так как тяга двигателя при прочих равных условиях прямо пропорциональна секундному количеству протекающего через него воздуха.
Рис. 49. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель внутри «пуст». На этом шуточном рисунке изображено, как механик «чистит» двигатель артиллерийским банником
Понятно, что «пустой» прямоточный воздушно-реактивный двигатель несравненно легче, чем турбореактивный двигатель того же диаметра. Это имеет огромное значение, ибо если в авиации вес всегда был злом, то вдесятеро большим злом он становится при сверхзвуковых скоростях полета, когда каждый лишний грамм веса приводит к ощутительному увеличению мощности, потребной для осуществления полета.
Чтобы познакомиться с тем, как работает прямоточный двигатель, воспользуемся знакомым нам приемом — поместим двигатель, имеющий прозрачные стенки, в искусственные цветные воздушные океаны — зеленый и синий. Напомним еще раз, что воздух этих океанов имеет свойство менять свою окраску при изменении скорости движения и давления: с их увеличением цвет воздуха темнеет. При этом снова сделаем двигатель неподвижным, а воздух движущимся относительно него со скоростью, равной скорости полета. Так как мы знакомимся с дозвуковым двигателем, то предполагается, что скорость полета не превосходит скорости звука.
Мы, конечно, будем отмечать только основные явления в работающем двигателе, Конструктивно прямоточный двигатель относительно прост, но совсем не так просты протекающие в нем рабочие процессы. При их изучении ученым приходится преодолевать немало трудностей.
Представим себе прямоточный воздушно-реактивный двигатель в зеленом океане. Сначала проследим за изменением скорости воздуха, протекающего через двигатель. Пока скорость полета невелика, воздушный океан, набегающий на двигатель, имеет светлозеленый цвет. Воздух входит внутрь двигателя через передний конус и выходит из нею через задний конус. Какова роль этих конусов? Что изменится в работе двигателя, если мы станем менять их форму, делая их то более длинными, то короткими, т. е. изменяя площадь сечения для прохода воздуха? А нельзя ли вовсе обойтись без конусов?
Чтобы дать ответ на эти вопросы, очень важные для понимания самой сути работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, займемся исследовательской работой. Будем проводить эксперименты в наших цветных океанах, благо эти «эксперименты» не связаны с такими трудностями, какие встречаются в действительных условиях исследования двигателей.
Для успешного проведения испытаний соорудим специальную установку, показанную на рис. 50. Из трубы большого диаметра вытекает воздух, который затем поступает в наш испытуемый двигатель. Скорость движения воздуха, подаваемого мощным вентилятором, можно менять путем изменения числа оборотов вентилятора; этим мы можем имитировать изменение скорости полета. Чтобы можно было измерить тягу, развиваемую двигателем, укрепим его на испытательном станке, устройство которого легко понять из рисунка.
Рис. 50. На этой установке мы будем проводить наши «исследования» прямоточного воздушно-реактивного двигателя
Для того чтобы не произошло ошибки при измерении тяги, нам придется пойти еще на одно ухищрение.
Поток воздуха, обтекающего двигатель снаружи, естественно, действует на его внешнюю поверхность и создает силу, направленную против полета. Вследствие этого измеренная тяга окажется меньше действительной. Чтобы избавиться от вредного влияния внешнего потока, поставим перед двигателем щиток, который отклонит воздушный поток, так что он не будет обтекать двигатель снаружи.
Теперь, когда все подготовительные работы закончены, можно начинать наш эксперимент. Не запуская двигатель (не включая подачу топлива), запустим вентилятор. Из трубы начнет вытекать струя воздуха — она будет иметь более темный цвет, чем окружающий нашу испытательную установку светлозеленый океан; это понятно — океан неподвижен, а воздух в струе движется.
Как только струя воздуха поступит внутрь двигателя, с ней сейчас же начнут происходить изменения. Чем дальше продвигается воздушный поток по переднему расходящемуся конусу двигателя, тем светлее становится его цвет; это свидетельствует о том, что скорость потока уменьшается. В синем океане мы увидели бы противоположную картину: в нем по мере движения внутри переднего конуса цвет воздуха становится все более темным; следовательно, давление его увеличивается. Так оно и должно быть, ибо когда скорость воздуха в потоке уменьшается, то давление его увеличивается — таков вывод закона Бернулли.
В этом и заключается назначение входного конуса двигателя — в нем осуществляется торможение воздушного потока и сжатие воздуха. Следовательно, именно эта часть прямоточного воздушно-реактивного двигателя, называющаяся диффузором, и выполняет функции компрессора. Чтобы сжатие воздуха происходило без больших потерь, угол конусности диффузора должен быть возможно меньшим; поэтому диффузор обычно имеет большую длину.
В цилиндрической средней части двигателя состояние воздуха не изменяется, так как сгорания пока не происходит и воздух движется здесь с постоянной скоростью, при неизменном давлении.