Анатомия на самолетния двигател

Време е да продължим нашата беседа относно устройството на самолетите. След като се запознахме подробно с крилата в предишните три части, днес ще се прехвърлим на двигателите. Ще си говорим за основни принципи, като процеса на вътрешно горене, различните типове двигатели, малко любопитни детайли, които може и да са ви нови, а в крайна сметка ще видите, че самолетът има двигатели на места, за които сигурно не сте и предполагали.
 

Двигател с вътрешно горене

Да започнем с основата. По същество самолетните двигатели не се различават от автомобилните – и двете машинарии ползват двигател с вътрешно горене. Т.е. въздух се смесва с гориво в горивната камера, следва възпламеняване и горещите газове могат да се използват за всякакви цели – механична сила, задвижване, а и както би казал съседът ми по стая, отопление и производство на ток (не го познавате, ама от години се мъчат в неговата фирма с една мини газова турбина за домашна употреба).
 

 
Да са живи и здрави уикипедия, че ми предоставят толкова читави графики. Ако опростим до крайност двигателя, той се състои от 4 части: компресор, горивна камера, турбина и ауспух.

Въздухът влиза в компоресора и както подсказва името, бива компресиран, това е процес от 1 до 2 в графиката. Функцията вдясно изразява налягането на въздуха срещу обема му. Между 1 и 2 налягането вследствие на компресията се повишава, съответно обемът пада. От 2 до 3 се извършва химичната реакция в горивната камера. Промяна в налягането няма, но вследствие на добавената от реакцията температура, обемът се увеличава. Въздухът преминава през турбината – от 3 до 4, където налягането пада, една част от енергията се поема от турбината, която задвижва компресора, останалата част можем да си я правим каквото поискаме, това ни е нетната произведена енергия от цикъла.

Това е т.нар. цикъл на Брайтън и в днешно време доминира при самолетните двигатели. Ако е станало ясно – екстра. Ако не е станало, здраве да е, нямаме време, продължаваме нататък.
 

Реактивен срещу витлов

В днешно време доминират 2 концепции – едната е на турбовитловите самолети, които обикновено са по-малки по размер и летят на къси разстояния. Другата е на големите с реактивни двигатели. Нека разгледаме принципните различия между тях.

Основната разлика е какво се прави с останалата енергия, минала през турбината, това ни е фактически енергията “на печалба”. При витловия, тя се използва да задвижи голяма перка, която респективно “бута” самолета напред, ауспухът почти не влияе на генерираната тяга. При реактивния, енергията си остава във въздушната струя и самата струя генерира двигателната сила, нещо като надутия балон, който почва да хвърчи като гламав, ако му пуснете отвора. Следователно, витловият задвижва голяма маса от въздух бавно, а реактивният – малка маса от въздух бързо.
 

 
Разлика в размера на генерираната тяга при това положение няма, но има значение ефективността, или КПД-то, от тази тяга. Тук ще го караме на аксиома, без да задълбаваме в детайли, но принципът общо взето е, че колкото е по-малка разликата между скоростта на летене и скоростта на задвижвания поток (от перката или ауспуха респективно), толкова е по-ефективен двигателя. Т.е. при по-ниски скорости, перките са по-ефективни, при по-високи – реактивният почва да ги настига. Друг недостатък на перките е, че имат лимит на генерираната сила, витлата не могат да минат скоростта на звука, което практически ги ограничава до максимална скорост. При реактивните подобно ограничение няма, след като разполагаме със свръхзвукови самолети.

Да резюмираме – витловите двигатели са по-ефективни при ниски скорости, по-икономични, но са по-бавни и по-шумни, затова основно доминират в малките самолетчета. Реактивните са по-неефективни, но на практика нямат ограничение в скоростта, а с увеличаването й постепенно се вдига и КПД-то им. Обърках ли ви съвсем? Супер!

Като цяло, повишаващите се цени на петрола провокират да се търсят решения, при които витлови самолети да се използват за регулярните, например вътрешноевропейски, полети. При полет от 2 часа, закъснението на витловия спрямо реактивния не е толкова голямо, а икономията на гориво е значителна. Основният проблем е с минимизиране на шума и на тоя етап развитието е малко в задънена улица. Но можете да видите как изглежда според easyJet техният самолет на бъдещето, представен преди няколко години, т.нар. eco jet.
 

 

Турбовентилаторен двигател

С оглед на опростяването, общо взето малко ви лъгах досега. Номерът е, че изцяло реактивни двигатели в гражданската авиация в днешно време не съществуват. Те са запазена марка за изтребители, където фронталната площ на двигателя е от голямо значение за максимално достижимата скорост, както и за максимално генерираната тяга. Т.е. там жертват известна икономия на гориво, за сметка на по-високи скорости и маневреност, което е разбираемо, след като горивото им се купува с държавни пари! Ох, и след като е много важно при битка с лошите да си по-бърз!

Турбовентилаторните двигатели, които са завзели гражданската авиация, на практика са нещо като смесица между чист реактивен и витлов. Турбината, освен компресора, задвижва и голям вентилатор, който пък движи въздух, който не минава през горивната камера, а около нея. Ето го визуализирано.
 

 
В този случай, голяма част от задвижващата сила е генерирана от тази перка и по-малка част – от ауспуха. На практика, този тип двигатели седи точно между споменатите основни по-горе, успявайки да изстиска положителните страни от тях и до някаква степен да елиминира отрицателните. Печелим ефективността на перката, максималната скорост на чисто реактивния, а в същото време, елиминираме шума. В днешно време тенденцията е за все по-големи и по-големи двигатели, т.е. отношението към количеството въздух, което минава отстрани и това, което минава през горивната камера, да расте. Като видите на някое летище гигантски турбовентилаторен двигател на Boeing 777, да знаете, че всъщност вътрешността му е предимно въздух и сърцевината е доста скромно, спрямо общите размери, двигателче! Ето пак от вездесъщата уикипедия как се развива отношението на масата въздух, която обхожда и която минава през сърцевината:
 

 
Виждате как расте съотношението от свръхзвуковия Конкорд, който си е чисто реактивен, минава се през изтребителите, които прекарват минимално количество въздух отстрани и се стигне до съвременните пътнически, при които съотношението достига 12:1. Airbus A350 го няма в списъка, но при него е около 11:1, или 11кг въздух минава отстрани, докато 1кг въздух влиза в горивната камера.
 

Сертифициране

Парадоксалното при реактивния двигател е, че всъщност устройството му е толкова просто. Не ме разбирайте погрешно, дизайнът на компресора трябва да е изчислен до милимунда, за да може да се компресира въздуха възможно най-ефективно, без да се вкарват излишни завихряния, които да вдигнат съпротивлението. Но пък има изключително малко движещи се части, които са кошмара на всеки инженер.

Не че можете да хванете и да си сковете реактивен двигател в мазето, де, но е едно от най-простичките и същевременно крайно гениални решения. Сертифицирането им обаче е тежък процес, в който трябва да работят безпроблемно в продължение на… абе, забравих колко беше периодът, но доста! Както и да е, тук е мястото да спра малко сухата теория и да ви представя любопитно клипче от сертифицирането на турбовентилаторен двигател.
 
httpv://www.youtube.com/watch?v=_jfXX7qppbc
 
Проливен дъжд, градушка, двигателите трябва да издържат на всичко… освен на вулканичен прах, но това е отделна тема! Особено приятен е последният тест, в който засилват мъртви замразени пилета, за да видят как ще реагират лопатките и въобще цялата машинария в двигателите. Градските легенди говорят, че братушките съвсем не са се церемонили много и са мятали директно живи кокошки при тестовете.
 

Допълнителни функции и екстри

До тук, колкото и да ме хвана пак писателската логорея, държим нещата много базови и основни и с изключение на клетите замръзнали пилета, не особено забавни (да ме прощават). Тук ще обясня 2, така да го кажем, екстри, които са по-лекички.

На първо време е обратната тяга. Забелязали сте, точно като опре самолетът в земята, как спирачната сила моментално става чуствителна. Дължи се на три елемента – спирачките в колелата, въздушните спирачки на крилото и обратната тяга на двигателя. Тази обратна тяга е точно това, което звучи, вместо въздушният поток да заминава назад, с което да тласка самолета напред, въздушният поток се изкривява в обратна посока и служи да подпомогне спирането. Има два основни метода, по които се постига това. На първо време са отворите, нещо като хриле на двигателя. На практика, потокът се блокира да не излиза назад и се прекарва през тези отворчета.
 

 
При Fokker 70 се ползва алтернативен метод с две клапи, които се отварят зад двигателя и пак насочват потока напред.
 

 
Обратната тяга е бонус, не е нещо, което влиза в сметките при изчисляване на дължината на пистата, т.е. самолетите могат съвсем спокойно да кацнат и спрат без обратна тяга. Обикновено се държи активна само за няколко секунди, защото потокът, насочен по този начин, може да влезе обратно в двигателя и високата му температура не се отразява добре на компресора. Повишен е рискът и от вкарване на външни тела, примерно прахоляк и камъчета, затова например А380 има обратна тяга само на двата си вътрешни двигателя, защото често размахът му е по-голям от ширината на пистата и ако външните двигатели също имаха обратна тяга, биха засмукали доста пясък, което не е гот. При витловите двигатели, обратна тяга се генерира, просто като се измени посоката на перките така, че да духат напред, вместо назад.

Както знаете, докато навън е -50 градуса и доста ниско налягане заради разредения кислород, то в кабината е комфортно и можете да си четете книжка. По критично мислещите ще се запитат как се компресира тоя въздух в кабината и откъде идва топлината. Идва от това, че малка част от потокът след компресора бива отклонен за всякакви комунални нужди. Този въздух е под доста високо налягане и с доста висока температура, но бивайки разреден с останалия, в крайна сметка може всичко да се сведе до комфортни нива. Е, ако се случи удар с птица, е силно възможно да се предизвика слюноотделяне в кабината, защото масово започва да мирише на печено пиле и това не е никакъв майтап! Същият въздух се ползва и от противообледенителни системи и всякакви джвъчки от рода на казанчето на тоалетната. Излишно е да споменавам и че електричеството в самолета не идва от АЕЦ Козлодуй, нали? Въобще, двигателят не служи само да придвижи самолета от А до Б, а е цяло мултифункционално устройство.

Прословутият вече Дриймлайнер на Боинг опитва да промени тази концепция, като при него количеството въздух, взимано след компресора, е минимално. За сметка на това, има мощни генератори на електричество, свързани с двигателя, които задвижват съвсем отделни компресори, които се грижат за условията на живот в кабината. Ползите тук са няколко – от една страна, всичкият компресиран въздух отива за генериране на подем и ток, което помага за икономията на гориво. Освен това, се случва понякога теч на масло да попадне в потока, насочен към кабината, което предизвиква неприятна миризма. Премахването на тръби за транспорта на този въздух също води до олекотяване на конструкцията. Не всичко е положително обаче. Ефикасността малко е притъпена от неколкократното конвертиране на механична в електрическа и пак механична енергия, което винаги носи загуби. А и по този начин се получава, че самолетът има доста по-високи електрически нужди, което пък предполага по-големи бекъп батерии, което пък доведе до това Боинг да реши да използва литиево-йонни, което пък доведе до знаете какви проблеми по-рано през годината. Само като пример го давам как малко конструкторско решение в една част, на практика повлиява целия дизайн. Еърбъс в новия си A350 залагат на традиционния тип двигатели.
 

APU

ОК, основните двигатели движат самолета, захранват хидравликата, предлагат електричество, компресират въздух за кабината, човек може да остане с впечатлението, че толкова неща вършат, че още малко може и вечерята да ви сготвят, което с оглед на споменатия по-горе сертификационен тест с печените пилци, не е далеч от истината (еййй, ама не ги оставих на мира тия пилци).

Древните философи, и до ден днешен блъскащи си главата с въпроса за кокошката и яйцето, обаче ще се запитат – добре, де, двигателите правят всички тия неща, ама какво ги задвижва тях? Абсолютно уместен въпрос, защото големите реактивни двигатели доста трудно могат да бъдат стартирани от какъвто и да е акумулатор. Тук на помощ се притичва една турбинка, която се намира в опашната част, точно на задника на самолета, така просташки да се изкажем. Виждали сте я често да “издиша” въздушни пари по летищата, но едва ли сте се замисляли за какво точно служи.
 

 
Това е турбината, отговорна основно за генериране на необходимата енергия, която пък да задвижи компресорите на основните двигатели до степен да се грижат сами за себе си. Тя вече е по-малка и може да бъде стартирана с акумулатор или външно подаване на електричество. Т.е. акумулатор стартира APU-то, APU-то стартира двигателя. Въпреки че това е основната й функция, в същото време се грижи и за електричеството, докато самолета е на гейта, в противен случай, кабината може да не е толкова приятно осветена, като се качвате, по екраните ще липсват рекламките на авиокомпанията, а е възможно и бързичко да стане доста горещо.

В днешно време, все повече летища гледат да ограничат продължителното използване на APU, докато самолета е на гейта, защото на практика е мини реактивен двигател, респективно си е шумно. При тоя случай, електричество се подава от външен източник.
 

RAT

Така е, в авиоиндустрията много си падаме по абревиатури. ILS, TCAS, PAPI, ACARS, ADB, тия ми идват само на пръв прочит в главата. Поредното трибуквие е RAT, съкратено от Ram Air Turbine. RAT е нещо, което може да ви спаси живота, но на което се надяваме да не се налага да разчитате.

Многократно е споменавано, че системите в самолета са подсигурени неколкократно, за да не може единичен дефект да доведе до фатален край. Ако случайно единият двигател се развали, електрическите нужди на самолета ще бъдат поети от другия. Ако и той се развали – кофти тръпка, но тогава си имаме APU. Ако пък и то по някаква причина отпадне, последната надежда е точно RAT. Уникално проста по механизъм, с което шансът да не проработи е минимален.
 

 
Това е чисто и просто една перка, която се спуска от тялото на самолета и бива задвижвана от въздушния поток. Виждате ли я как жизнерадостно пърха точно под Дриймлайнера? Така може да нямате двигатели никакви, но тази перка ще предостави достатъчно енергия за опериране на поне един хидравличен кръг, както за захранване на инструментите в кокпита. В определени случаи, това е достатъчно за щастлив изход от криза, както например в един от легендарните самолетни инциденти – Gimli Glider.

Ами това е по двигателната част. Надявам се, че е било интересно, занимателно и любопитно. Поредицата ще продължи да се развива, но не мога да ви кажа кога и на каква тема ще е следващото издание.
[social_share\]