Очевидно, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может широко применяться в качестве силовой установки для самолетов. Самолете таким двигателем должен или запускаться с другого самолета, или же осуществлять взлет и разгон с помощью специального стартового двигателя. Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель вследствие простоты конструкции, дешевизны производства и небольших размеров может найти широкое применение в качестве основной силовой установки для управляемых реактивных снарядов, которые запускаются с пусковых установок с помощью сбрасываемых стартовых двигателей.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель не обладает указанным выше недостатком, присущим прямоточному двигателю. Пульсирующий двигатель отличается от прямоточного двигателя наличием воздушных клапанов на входе в камеру сгорания. Схема работы такого двигателя приведена на рис. 2. Горючее в пульсирующем двигателе, так же как и в прямоточном, впрыскивается в камеру сгорания и там сжигается. Продукты сгорания вытекают через реактивное сопло в атмосферу. Выходу газов вперед препятствуют воздушные клапаны. После истечения газов из камеры сгорания в ней создается разрежение, и воздушные клапаны под действием напора наружного воздуха открываются. В камеру сгорания поступает новая порция свежего воздуха, причем при работе двигателя без движения часть воздуха может поступать и через задний конец трубы, являющийся выхлопным соплом. Когда давление в камере и давление наружного воздуха выравниваются, клапаны закрываются, горючее впрыскивается и поджигается, и весь цикл повторяется снова. В существующих пульсирующих двигателях циклы работы повторяются с большой частотой. Так, например, пульсирующий двигатель "Аргус", применявшийся на немецком самолете-снаряде Fi-103 (Фау-1) работал с частотой 2800 циклов в минуту.
В пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, так же как и в прямоточном, реактивная тяга создается за счет того, что тепловая энергия, сообщенная воздуху и продуктам сгорания, заставляет их вытекать через сужающееся реактивное сопло со скоростью, значительно превышающей скорость воздуха, поступающего в двигатель. Если самолет или снаряд движется с достаточной скоростью, то возможность поступления воздуха в камеру сгорания через сопло исключается.
Интересной разновидностью пульсирующих воздушно-реактивных двигателей являются некоторые французские двигатели, у которых входная часть профилирована таким образом, что отсутствует необходимость установки специальных механических воздушных клапанов. У этих двигателей входная часть представляет собой так называемый "аэродинамический клапан", позволяющий воздуху свободно поступать в двигатель, но препятствующий выходу в обратном направлении.
Газотурбинные двигатели
Прямоточные и пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, принцип действия которых в интересах сохранения логической последовательности был изложен вначале, нашли лишь ограниченное применение в качестве авиационных силовых установок, как это легко можно увидеть при беглом просмотре настоящей книги. Наиболее широкое применение получили газотурбинные двигатели, которые начиная с 1940 г. произвели революцию в авиационной технике.
В принципе газотурбинный двигатель состоит из воздушного компрессора, который приводится во вращение газовой турбиной, сидящей на одном с ним валу. Воздух в компрессоре сжимается до давления, в 6 – 7 раз превышающего атмосферное, и поступает в камеры сгорания, где происходит сгорание впрыскиваемого горючего. Продукты сгорания поступают в газовую турбину, приводя ее во вращение, и затем через реактивное сопло истекают в атмосферу.
Компрессоры газотурбинных двигателей подразделяются на два основных типа: центробежные и осевые. Центробежный компрессор обычно имеет одну крыльчатку, с радиальными лопатками. Воздух из воздухозаборника поступает к центру крыльчатки. В каналах между лопатками скорость движения воздуха под действием центробежных сил возрастает. При движении в диффузоре его скорость уменьшается, а давление повышается. Из диффузора сжатый воздух поступает в камеры сгорания.
Осевой компрессор имеет ротор с несколькими рядами (ступенями) профилированных лопаток. Ротор компрессора находится на одном валу с газовой турбиной. Между вращающимися лопатками находятся неподвижные лопатки направляющего аппарата. Воздух, двигаясь вдоль, оси компрессора, сжимается в каждой ступени и из последней ступени поступает в камеры сгорания. Хотя осевой компрессор более сложен и дорог в производстве, чем центробежный, однако вследствие того, что осевой компрессор позволяет получить более высокое давление, в настоящее время на всех мощных газотурбинных двигателях применяются главным образом такие компрессоры.
Количество энергии, выделяемой при сгорании горючего, которым может быть керосин, бензин, дизельное топливо и т. д., значительно превосходит количество энергии, которое может быть поглощено турбиной для приведения во вращение компрессора. Большая часть энергии газов может быть использована в реактивном сопле для увеличения скорости газовой струи и создания таким путем реактивной тяги. Газотурбинный двигатель, газовая турбина которого, состоящая из одного или нескольких дисков с профилированными лопатками, использует только такое количество энергии, какое необходимо для вращения компрессора, а остальная энергия газов идет на создание реактивной силы тяги, называется турбореактивным двигателем. Схема простейшего турбореактивного двигателя, состоящего'"из центробежного или осевого компрессора, турбины и камер сгорания, дана на рис. 3.
Более совершенным типом турбореактивного двигателя является турбореактивный двигатель с двухкаскадным компрессором. Такой двигатель имеет два компрессора и две турбины. Передний компрессор, или компрессор низкого давления, приводится во вращение задней турбиной, с которой сидит на одном валу. Задний компрессор, или компрессор высокого давления, приводится во вращение передней турбиной, сидящей с ним также на одном валу. Последний вал является полым, и внутри него проходит вал переднего компрессора и задней турбины. Схема турбореактивного двигателя с двухкаскадным компрессором приведена на рис. 4. Двухкаскадный компрессор позволяет получить большую степень повышения давления, а следовательно, двигатель с двухкаскадным компрессором является более экономичным.
Тяга турбореактивных двигателей может форсироваться, то есть увеличиваться на короткий период времени различными способами. Наиболее широкое применение нашли впрыск воды и дожигание. Впрыск воды дает сравнительно небольшое увеличение силы тяги без существенного увеличения веса двигателя и используется главным образом при взлете. Дожигание заключается в следующем: в поток газов позади турбины дополнительно впрыскивается топливо, которое сгорает за счет кислорода воздуха, не использованного в камерах сгорания. С помощью дожигания можно кратковременно увеличить тягу на 25 – 30% при малых скоростях и до 70% при больших скоростях полета. Дожигание применяется на двигателях военных самолетов для увеличения скорости при взлете или в воздушном бою.
Газотурбинный двигатель, у которого ["большая часть энергии газов поглощается турбиной, приводящей во вращение компрессор и воздушный винт, называется турбовинтовым двигателем. Схема турбовинтового двигателя приведена на рис. 5. Воздушный винт соединен через редуктор с основным валом двигателя, на котором находятся компрессор и турбина. Турбина турбовинтового двигателя рассчитана таким образом, чтобы использовать как можно больше, энергии газов.
Турбовинтовой двигатель, так же как и турбореактивный, может иметь центробежный или осевой компрессор. Турбовинтовой двигатель может иметь две турбины, одна из которых, передняя, приводит во вращение компрессор, а вторая, задняя, – воздушный винт. В этом случае турбины, имея соосные валы, являются совершенно независимыми. Двигатель такого типа называется турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Схема такого двигателя представлена на рис. 6.