Введение
Приветствую, ХАБРчане. Пришла мне в голову идея создать турбореактивный мотоцикл. И, естественно, пришлось собирать техническую информацию и во всём разбираться. Но простого объяснения принципа работы такого двигателя я не нашёл. Везде рассказывается сложным техническим языком, зачастую понятным только инженеру. И я решил попробовать рассказать по-простому так, чтобы понял и инженер, и ребёнок.
Физический принцип
Чтобы объяснить, на каком принципе работает турбореактивный двигатель, рассмотрим следующий пример.
Давайте представим, что мы взяли обычный домашний вентилятор. Включив его в розетку, мы увидим, что электрический двигатель будет раскручивать крыльчатку вентилятора и она начнёт создавать тот самый поток воздуха, который мы так любим в сильную жару. А теперь давайте поставим второй вентилятор напротив первого.
Тогда поток ветра с первого вентилятора будет вращать крыльчатку второго (не подключённого к сети) вентилятора, и если на второй вентилятор вместо двигателя мы установим электрогенератор, то он, разумеется, будет вырабатывать электричество. Получится как бы ветряной генератор. И тут сама собой напрашивается идея соединить эти два вентилятора проводами, то есть запитать первый вентилятор от генератора. Получится так называемая замкнутая система. Генератор вырабатывает электричество для двигателя, а двигатель вырабатывает ветер для генератора.
Получается, как бы вечный двигатель. Но сразу спешу огорчить, что вечного двигателя на самом деле не получится, так как и у крыльчаток, и у двигателя, и у генератора есть какой‑то свой коэффициент полезного действия (КПД). И, к сожалению, он почти всегда меньше единицы, ибо в этой замкнутой системе много потерь. В итоге эта связь двух вентиляторов будет иметь затухающий характер. Но люди придумали следующее: они расположили между этими двумя вентиляторами огонь.
Поскольку при сжигании керосина происходит расширение газов примерно в 27 раз, к тому же эти выхлопные газы будут изрядно разогреты, а значит дополнительно увеличены в объёме, то на второй вентилятор будет приходить намного больше энергии, чем тратит первый вентилятор.
И в таком случае мы действительно можем соединить оба вентилятора проводом, и эта система будет работать. Тогда наш генератор (вентилятор № 2) будет вырабатывать электричество с избытком, даже больше, чем потребуется для вращения первого вентилятора. И тут возникает вопрос: а зачем нам вообще нужен генератор, двигатель, провода, когда можно просто взять две крыльчатки и просто закрепить их на один общий вал, тем самым избавиться от преобразования в электричество и исключить тяжёлые дорогие агрегаты? В такой схеме механизм упрощён до максимума, а его эффективность будет даже выше, так как исключены лишние преобразования энергии в электричество и обратно.
Вот на таком простом принципе и работают все турбореактивные двигатели.
Первый вентилятор (нагнетающий воздух) называется турбокомпрессором и порой состоит из десятка последовательно расположенных крыльчаток для создания необходимого давления. А второй вентилятор называется силовой турбиной. Силовой, потому что она и вращает этот самый турбокомпрессор. В итоге эта система вращающихся крыльчаток раскручивается до огромных скоростей: 100 и даже 200 тысяч оборотов в минуту в зависимости от размеров турбины. В результате этого выходящие потоки воздуха и выхлопных газов двигаются с такой скоростью, что формируют реактивную струю такой силы, что этого достаточно, чтобы толкать самолёт.
Применение
Применение этой турбинной системы не ограничивается одними только самолётами. С вала турбины можно отбирать механическую энергию (турбовальная схема) и вращать генератор, который будет питать целый город. Поэтому такая технология ГТУ (газотурбинная установка) широко используется на электростанциях, а также различных перекачивающих нагнетающих компрессорах и даже на некоторых танках.
Из плюсов подобных силовых установок можно отметить большую мощность при малых размерах и весе, поэтому подобные реактивные двигатели так полюбились в авиации. Но есть у них и минусы: большой расход топлива (относительно ДВС) и огромная стоимость. Так что вряд ли вы когда-то увидите реактивный трактор или автобус.
Заключение
На мой взгляд, турбореактивный двигатель (ТРД) лучше всего подойдёт для создания будущего реактивного мотоцикла. И, кстати, работа по конструированию такого двигателя уже началась. Как и в предыдущих моих проектах, мне интересно поделиться процессом создания этого реактивного ЧУДОвища. Поэтому, будет сделана серия коротких видео, где я всё подробно рассказываю, показываю и объясняю с применением самодельных объясняющих анимаций.
Первый выпуск, в котором описывается принцип работы реактивного двигателя, можно посмотреть здесь:
Турбореактивный мотоцикл. 1 серия
Автор: Лёха Романтик
Комментарии (132)
Dynasaur
02.02.2023 10:54+9"Пришла мне в голову идея создать турбореактивный мотоцикл. ... Но простого объяснения принципа работы такого двигателя я не нашёл. Везде рассказывается сложным техническим языком, зачастую понятным только инженеру. " Многообещающее начало :-))) А чего не адронный коллайдер взялись делать? :-) Нет, удачи, конечно!
shiru8bit
02.02.2023 11:07+14Начало было другое - паровой мотоцикл. Так что автор вполне квалифицирован, чтобы взяться и за такой проект.
Kotofay
02.02.2023 11:19+13Лёха первый паровой двигатель так и делал -- наобум.
А потом, после практически провала всё таки прочитал теорию паровых машин и сделал всё как положено, и мотоцикл поехал.
Dynasaur
02.02.2023 12:29+1Я очень не люблю тормозить чужие идеи, наоборот, всегда стремлюсь поддержать. Но в данном случае хочу сказать, что ГТД это ОЧЕНЬ сложно. Да, есть не единичные энтузиасты, которые делали свои ГТД. Но надо понимать, что это сильно сложнее паровой машины, которую Джеймс Уатт построил по наитию. Тут как минимум нужны газодинамические и тепловые расчёты. Про прочностные, ладно, забудем. И ещё это технологически весьма сложно. И ещё требования к материалам. В связи с этим и реакция на вводные слова :-)
AlexRomantik Автор
02.02.2023 15:56+4Я считаю, что нужно достигать недостижимое и как в песне поётся - переступить запретную черту. Чем сложнее, тем интереснее. Или , как ещё говорится - Чем сильнее враг, тем слаще победа.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 15:52+1Ха-ха. Понимаю ваше чувство. Но, недавно этот самодельный двигатель уже заработал. Так что думаю дальше уж проще будет, а значит мотоцикл точно будет создан. А потом и про калайдер можно подумать. (шутка)
ksbes
02.02.2023 11:45+13Но есть у них и минусы: большой расход топлива (относительно ДВС)
Как же так? КПД выше, а расход больше?
А дело в том, что у турбореактивных/турбовальных двигателей по сути нет режима «холостого хода». Т.е. под постоянной нагрузкой близкой к номинальной (т.е. «почти максимальной») они расходуют как раз меньше топлива, чем поршневой ДВС (турбина — тоже ДВС!) той же мощности. И потому, например, для лайнеров летающих 90-80% на номинале это то что нужно.
Но вот с переходными режимами, когда полная мощность не нужна — у них проблемы. КПД резко падает. Это двигатель который должен работать в режиме «минимум»/«номинал».
Именно поэтому для наземной техники он плохо подходит — т.к. для неё двигатель чаще всего должен работать как раз на не полную мощность.
Так что глубоко в теории сделать турбореактивный мотоцикл, конечно, можно. Но боюсь запас хода у него будет чуть ли не меньше, чем у парового!
Если так хочется сделать что-то имеющее отношение к турбореактивным машинам — лучше сделайте поршневой двигатель на цикле Брайтона. Это возможно: холодильники работают на его обратном варианте.
iig
02.02.2023 12:41+5запас хода у него будет чуть ли не меньше, чем у парового
Решение: гибрид, который постоянно грузит турбину на 90%, заряжая аккумуляторы. Правда, в формат мотоцикла это может не поместиться ;)
Rinsewind
02.02.2023 18:38Разве турбина не будет достаточно мала?
0serg
03.02.2023 09:02Аккумуляторы не будут :)
iig
03.02.2023 11:47Хотя не обязательно в мотоцикл ставить аккумуляторный блок от Теслы ;) Аккумуляторы в электробайках не очень большие.
0serg
03.02.2023 13:40Мощность типичного электробайка - 0.7 л.с, дальность поездки - 100 км. Варианты на 5 л.с. это прям уже считается overpowered и классифицируются во многих странах как мопеды. А для мотоцикла даже 12 лс это очень низкая мощность, у большинства будет 30 лс и более. Батарея соответственно нужна в разы больше, особенно если мы не хотим дальностью 100 км ограничиваться.
Rinsewind
03.02.2023 14:25+1Господа, а может быть кто-нибудь уже запишет систему уравнений и не будем чесать языками?
Мощность батареи ограничена мощностью электропривода.
Ёмкость - временем рабочего цикла турбины и мощностью батареи.Мощность же электропривода ограничивается массой всех агрегатов, топлива и кожаного мешка.
Glays
02.02.2023 15:35А насколько у него дорогой запуск? Может тогда получится в гибридном режиме его использовать для заряда батареи?
AlexRomantik Автор
02.02.2023 16:22Про режимы работы, вы правильно подметили, но это не всё. Кпд реактивного двигателя ниже чем у ДВС. КПД ГТУ лежит в пределах 10-39%, а у поршневы-40-46%. И ещё это сильно зависит от исполнения. Чем больше турбина, тем КПД выше. Возьмём к примеру газотурбинный танк Абрамс. Его расход 1500 литров на 100 км. Как вам такое?
ksbes
02.02.2023 16:42+2Я уже написал откуда такое у абрамса: турбина работает в неоптимальном режиме на танке. Т.к.номинальную мощность двигатель танка выдаёт только на разгоне в крутую горку — т.е. практически никогда. А поддерживать высокие обороты надо всегда — хоть стоишь, хоть еле ползёшь.
И цифры у вас очень странные. КПД поршневых — 20-25% «обычных» атмосферников и чуть за 30 всяких убер-форсированных-турбированных. (У паровозов 5-10%)
А турбины (на оптимальном режиме!) 40% выдают спокойно, 50-60 с «напрягом». С «напрягом» это либо сверхоптимизированные стационарные (и тут не в размере дело, а именно в сверхоптимизации — там ширина оптимальной зоны меньше процента от номинала), либо какие-то особо перспективные хитро рассчитанные.
Конечно, ваша самодельная турбина скорее всего даже до поршневого не дотянет, даже после нескольких итераций. Т.к. там методом проб и ошибок действовать не очень получиться. Нужен рассчёт хороший и точное изготовление.
lazer1064
03.02.2023 16:14Т.е. под постоянной нагрузкой близкой к номинальной (т.е. «почти максимальной») они расходуют как раз меньше топлива, чем поршневой ДВС (турбина — тоже ДВС!) той же мощности.
нет, это не так. КПД ГТД, он же ТРД, конечно же, ниже, чему ДВС такой же мощности. НО! Есть еще такой очень важный для авиации фактор, как удельная мощность по весу, которая у турбин чуть ли не на порядок выше, чем у ДВС. А поскольку вес двигателей составляет значительную долю веса почти любого воздушного судна, то высокий вес самолетов с ДВС предполагает необходимость взять больше топлива для получения той же дальности и высоты, что с ТРД, а это ведет опять к необходимости повышения мощности движков и общего сухого и особенно взлетного веса самолета. В итоге мы вступаем в некий порочный весовой круг для самолетов с ДВС, похожий на такой у ракет с известной формулой Циолковского.
Близко к турбинам удельная мощность по весу только у современных электродвигателей на редкоземельных магнитах и некоторых других конструкций и двухтактные ДВС. Еще турбины менее чувствительны к низкому давлению на больших высотах, типичных для современных реактивных самолетов (10+км). ДВС, даже с наддувом, очень резко теряет в мощности, а турбина при этом просто сильнее раскручивается, и ее мощность падает, но не так критично, как у ДВС. Посему для низковысотных и среднемагистральных самолетов еще может иногда использоваться поршень, а для высотных возможен только ТРД без вариантов! Но не потому, что у него больше КПД, это не так!
glader
02.02.2023 11:52+1Не очень понял, зачем вообще нужны вентиляторы. Если просто сжигать керосин в камере, сила выходящей струи будет меньше?
Dynasaur
02.02.2023 11:55+4Это вы описали прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) :-)
У каждого из ВРД свои зоны высот и скоростей, на которых он эффективен. Компрессор позволяет стартовать с нулевой скоростью, но ограничивает максимальную скорость. Чтобы работал компрессор, нужна турбина (второй вентилятор). ПВРД с нулевой скоростью стартовать не может, ему нужен напор на входе.
ksbes
02.02.2023 11:55+3Меньше. Ну по крайней мере пока нет сильного набегающего потока — тогда получится прмоточный двигатель.
Тут смысл в том что мы нагреваем уже предварительно сжатый и нагретый этим сжатием газ — это позволяет собрать больше механической энергии с грамма сжигаемого топлива.
DMGarikk
02.02.2023 11:59Ну так турбина крутит вентилятор который осуществляет наддув и вообще (насколько я знаю) именно вентилятор создаёт бОльшую часть тяги, а не реактивная струя
p.s. про прямоточный уже упомянулиAlexRomantik Автор
02.02.2023 16:33Это уже модификация реактивного двигателя. Называется турбовентиляторный. Да, у них основную работу ( создаёт тягу) именно вентилятор. А как таковой Турбореактивный двигатель является просто силовой установкой вращающий этот вентилятор. Такой тип привода называется "Турбовальный" когда смысл не струю нагнать, а силовой вал вращать.
fio
02.02.2023 17:14+1У вас в сообщении смешались две разновидности реактивных двигателей - турбовентиляторный и турбовальный. В первом тягу создаёт и вентилятор, и реактивная струя.
А в турбовальном - только то, что установлено на выходном валу двигателя (в вертолетах - несущий винт)
Dynasaur
02.02.2023 22:01+1Вообще-то, они не реактивные :-) Ну турбовальный точно не реактивный, он всю мощность на вал отдаёт. А турбовентиляторный немножечко реактивный :-) На пол-шишечки :-)
Лучше называть их газотурбинными, чтобы не ошибиться :-)
kudah
02.02.2023 17:20Вы абсолютно правы. Компрессор создает около 80% тяги. Реактивное сопло около 20%.
Связано это с разностью давлений перед и за компрессором.
konst90
04.02.2023 21:19Компрессор создаёт порядка 500% тяги - то есть сила, с которой компрессор "давит" на воздух, в пять раз превышает тягу двигателя. Но большинство этой тяги уравновешивается турбиной, которая "давит" на газ в обратную сторону. Разница между их тягой и составляет те самые ~80% от тяги двигателя, которые передаются с ротора через радиально-упорный подшипник на опору и далее на корпус двигателя.
Числа, естественно, могут сильно отличаться для разных двигателей, но порядок примерно такой. Для двухвальных двигателей всё будет ещё интереснее.
konst90
02.02.2023 15:00+3Вентилятора (компрессор) нужен для сжатия воздуха. Чем сильнее сжать воздух в камере сгорания - тем больше у него потенциал расшириться после нагрева. По сути, это аналог степени сжатия в поршневых двигателях. Попробуйте впрыснуть и поджечь топливо в ДВС без компрессии - давления на поршень будет недостаточно, чтобы ехать. Так и тут.
Собственно, ТРД в очень грубом приближении можно рассматривать как "непрерывный" поршневой двигатель. У поршневых двигателей каждый цилиндр успевает побыть и компрессором (такт сжатия), и камерой сгорания, и турбиной (такт рабочего хода), а у ТРД воздух перемещается из одного узла в другой, а узлы выполняют каждый свою функцию.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 16:27Само горение не будет возможно. Нужна подача воздуха (кислорода). И чем больше нам нужно выделить энергии, тем больше потребуется топлива и соответственно воздуха.
Akina
02.02.2023 11:57+13при сжигании керосина происходит расширение газов примерно в 27 раз, к тому же эти выхлопные газы будут изрядно разогреты, а значит дополнительно увеличены в объёме
Заведомо ошибочная фраза.
Единственный компонент воздуха, который участвует в процессе сжигания керосина в значимых количествах - это кислород. Подавляющее количество выходных веществ от использованного в сжигании кислорода - это двуокись углерода, моноокись углерода и пары воды. При образовании двуокиси углерода из одной молекулы кислорода получается одна молекула - то есть никакого увеличения объёма нет в принципе. При образовании окиси углерода и воды из одной молекулы кислорода получается две молекулы - то есть объём увеличивается вдвое. Иными словами, увеличение объёма более чем вдвое - невозможно даже теоретически. И это ещё мы не учитываем, что кислорода в воздухе - всего лишь пятая часть.
Всё увеличение объёма - это результат термического расширения. Но чтобы получить 27-кратное увеличение объёма, результирующие газы должны иметь температуру заведомо более 4000 градусов, что явно не соответствует истине.
Так что тут Вы явно или что-то забываете, или пытаетесь говорить о расширении по сравнению с исходным объёмом не воздуха, а керосина. Но керосин в рабочую зону явно подаётся в виде жидкости, а не нагревается до перехода в газообразное состояние - так что и тут неувязка. Ну и следует учесть, что количество расходуемого на процесс горения воздуха многократно превосходит объём сжигаемого керосина, даже если пересчитать на его объём в газовом агрегатном состоянии - так что считать всё равно надо в основном по объёму воздуха.
В общем, Вы уж или чётко разъясните, что имеете в виду... или хотя бы вообще уберите эту более чем странную информацию.
WraithOW
02.02.2023 13:28-2При образовании двуокиси углерода из одной молекулы кислорода получается одна молекула - то есть никакого увеличения объёма нет в принципе.
По-первых, как вы получите из одной молекулы О_2 молекулу CO_2? Углерод добавить не забыли?
Во-вторых, считать объем в молекулах - это новое слово в физике. Объем измеряется в м^3, которое к количеству молекул имеет весьма опосредованное отношение и зависит от массы других факторов. В килограме льда и воды молекул ровно одинаково, но объем разный.
ksbes
02.02.2023 13:35+9При одинаковых условиях в одном литре газа число молекул одинаковое.
gdt
02.02.2023 14:03+7А-а-а-а-а-а-авогадро :)
poige
03.02.2023 19:17"Закон Авогадро точно выполняется для идеального газа, а для реальных газов он является тем более точным, чем газ более разреженный." © wiki
gdt
03.02.2023 19:25+1Несомненно, хотя я и не утверждал обратного. В то же время, это не помешало этому закону стать "количественной основой современной химии" (тот же источник, чуть выше вашей цитаты).
Vsevo10d
03.02.2023 10:25Вы составьте уравнение горения из школьной химии за 9 класс.
CH4 + 2O2 -> СO2 + 2H2O
C5H12 + 8O2 -> 5CO2 + 6H20
C10H24 + 16O2 -> 10CO2 + 12H2O
Коэффициенты перед веществами можно приравнять к молям вещества. Для газообразных веществ 1 моль - 22,4 л. Но это неважно, как и было сказано ранее, нигде по коэффициентам не видно даже двукратного повышения объема. Зато важно в случае с вашим примером со льдом и водой - да, для твердых веществ объем зависит от плотности, а вот газы расширяются условно одинаково на моль вещества.
61brg
02.02.2023 14:17+1А керосин в вашем рассуждении куда делся? Его компоненты от компоненты при окислении в основном газифицировались.
Akina
02.02.2023 15:08+1По-моему, я вполне вменяемо всё описал - Вы просто не дочитали. Товарищ чётко пишет про расширение именно газов, а керосин в зону сгорания подаётся в жидком виде, единственный участвующий в процессе горения газ - это воздух.
Впрочем, это никак не влияет на расчёт - на процесс горения не может быть израсходовано кислорода больше, чем есть в воздухе, финальный объём газов при НУ не может превысить исходный объём более чем на 20% даже при условии, что 100% кислорода израсходовалось на сгорание и в конечном продукте есть только монооксид углерода и нет диоксида. Даже при таких теоретических условиях остальные 27/1,2=22,5 крат можно набрать только за счёт нагрева до где-то 5850 градусов (и это без учёта снижения ТКР газа при нагревании), что очевидно невозможно.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 16:51Как приятно, что здесь собрались такие высокоинтеллектуальные читатели. Очень приятно. Раз уж мы так углубились в данный вопрос, то действительно для ясности стоит уточнить. По скольку речь идёт про две крыльчатки, то имелось в виду количество газов проходящих через них. И в этом увеличении количества газов влияет многое. Например превращение керосина в пар, химическая реакция, и конечно тепловое расширение
Akina
02.02.2023 20:01+1По скольку речь идёт про две крыльчатки, то имелось в виду количество газов проходящих через них.
В таком случае прикидочный расчёт из предыдущего сообщения совершенно правилен.
Думаете иначе? Укажите, пожалуйста, что, по-Вашему, неверно либо некорректно.
Дополнительно не могу не указать, что процесс превращения керосина в пар - это процесс, который потребляет энергию, т.е. отбирает её у системы. Правда, на энергетический баланс брутто это в принципе никак не влияет.
Firelander
02.02.2023 12:28+9Одно время когда я пытался разобраться в работе самолетных турбодвигателей, у меня возникли два основных вопроса. Статья, к сожалению, не отвечает ни на один из них. А мне кажется понимание этих двух вещей это основа понимания работы подобных двигателей. У меня для себя есть ответы на эти вопросы, но вот автору неплохо бы над ними поразмышлять.
Первый это почему избыточное давление в камере сгорания раскручивает турбину (а вместе с ней компрессор, а ещё и вентилятор, который создает бОльшую часть тяги!) когда давление вроде как одинаково давит во все стороны и следовательно силы раскручивания и сила противодействующая вращению жестко связанных между собой компрессора и турбины (как минимум на первый взгляд!) должны компенсировать друг друга. На самом деле это не так, но схема с двумя одинаковыми вентиляторами это не проясняет, а только больше запутывает.
Второй это зачем нужна такая сложная конструкция если мы просто жжем керосин. Почему сжигание керосина в ТРД даёт намного большую эффективность чем если бы мы его просто сожгли на открытом воздухе.
iig
02.02.2023 12:49+5Почему сжигание керосина в ТРД даёт намного большую эффективность чем если бы мы его просто сожгли на открытом воздухе.
Если просто сжечь керосин - он просто сгорит ;) КПД ТРД, как и любого теплового двигателя, зависит от разности температур между горячей и холодной зоной. В ТРД горячая зона - действительно горячая. В отличие от ДВС.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 17:04+3К этому ещё добавлю, что есть разница, в каких условиях сжигается топливо. Если вы будите смотреть на горящие дрова, они будут слабо светить и слабо греть, а возможно ещё и коптить. А если начнете раздумать вентилятором, то копоть пропадёт, температура повысится, как и светимость. Но если вы ещё будете раздумать костёр в сосуде под большим давлением, То все эти параметры ещё вырастут в разы. По этому в турбинах ставят много крыльчаток последовательно друг за другом, что бы максимально возможно поднять давление в камере сгорания.
Отвечая на ваш первый вопрос про вращение турбины, хотя газы давят во все стороны одинаково, ответ очень прост. Всё дело в конструкции и форме лопаток. Даже если в стоячем состоянии, в пространство между двумя вентиляторами каким то компрессором нагонять воздух, вал всё равно будет крутиться в определённую сторону. Вспомните ветроизмерительный флюгер. Его лопасти сделаны чашечками и по этому он всегда крутится в одну сторону, с какой стороны ветер бы не дул.
ksbes
02.02.2023 12:501) Потому что крутить компрессор ему мешает давление компрессируемого воздуха. А турбина наборот — отсасывает и создаёт разряжение давления. В абсолютно симметричном варианте получится неустойчивое равновесие — при каждом запуске двигатель может задуть в любую сторону. Но реальные двигатели несимметричны, + их раскручиваеют перед запуском. Т.е. горячие газы идут по пути наименьшего сопротивления которое идёт по потоку.
2)потому что рост энтропии обратно пропорционален температуре нагрева и, следовательно давлению при постоянном объёме. Т.е. чем более сжатый и нагретый газ мы греем — тем больше мы потом с него сможем «снять» механической энергии при его расширении в то состояние, которе было до нагрева (но не до сжатия). Сложно. Да. Но вот так.
ss-nopol
02.02.2023 14:13+3Потому что крутить компрессор ему мешает давление компрессируемого
воздуха. А турбина наборот — отсасывает и создаёт разряжение давления.При таком объяснении у читателя может возникнуть путаница. Ведь давление после компрессора в начале камеры сгорания и в конце камеры сгорания перед турбиной примерно одинаковое. Горение в камере сгорания современных двигателей происходит при постоянном давлении.
konst90
02.02.2023 15:08+3Турбина ничего не отсасывает. Турбина крутится от давления газов, приходящих из камеры сгорания.
vlad1988_1
02.02.2023 21:22Скорее всего ГТД не имеет шанса запуститься без предварительного раскручивания вообще, кислорода в камере сгорания не хватит. Для запуска необходимо не просто раскручивание, а он должен набрать определенное давление.
nafikovr
02.02.2023 12:54+3По первому вопросу уже несколько раз ответили в комментах. Коротко - форма камеры сгорания и разная характеристики крыльчаток задают путь для выхода по пути наименьшего сопротивления.
Со вторым вроде все совсем просто. больше давление => больше воздуха => больше керосина можно сжечь => больше энергии => повторять до достижения предела системы.
Если я неправильно понял и просто имелось в виду, что без ответа на эти вопросы статья не полная, то я с вами согласен полность.
Firelander
02.02.2023 18:12+1насчет второго, там дело в термодинамике, выше ответили. То есть именно кпд самой тепловой машины выше, а не только что можно больше сжечь керосина в единицу времени в меньшем объёме
nafikovr
02.02.2023 18:34Я вижу прямую зависимость между отношением площади "опоры" к массе топливо воздушной смеси, но именно зависимость кпд от объема не понимаю . Похоже слишком сложно для меня.
carbonarium
02.02.2023 14:25+1На первый. Когда выполняется запуск ТРД, сначала стартер раскручивает его вхолостую (вхолодную) до того момента, когда компрессором создан достаточный подпор давления перед камерой сгорания. Затем в камеру сгорания подается (с мелким распылением) и поджигается топливо. Поскольку компрессор создает в КС со своей стороны избыточное давление, которое тем выше, чем выше обороты двигателя, то обратный ход продуктов горения становится невозможен, и они угодят в газосборник и в турбину, раскручивая ее и общий вал с компрессором и вентилятором. Степень сжатия в современном компрессоре где-то уже близка к 30 (по-моему, порядка 26 была у НК-32). При таких условиях прорыв выхлопных газов назад в компрессор просто невозможен.
(Возможен, конечно, но говорить про помпаж, наверное, не надо)
Kotofay
02.02.2023 14:42+4когда давление вроде как одинаково давит во все стороны
Казалось бы, как может работать паяльная лампа, у неё нет ни компрессора и ничего такого что заставляет воздух внутри неё двигаться в сторону сопла. Ответ -- разница температур на входе и выходе.
Кто разжигал хоть раз подобую лампу знает: пока не нагреется-- не работает. Но когда разгонится горячие газы из неё вылетают с довольно большой скоростью.
Примерно такой и будет двигатель у Лёхи. Труба с охладителем и форсункой. Выход трубы дует в горячую часть турбины, турбина раскручивает компрессор и он загоняет в холодную часть воздух. Система сама себя разгоняет пока есть топливо.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 17:14+1Пример с паяльной лампой в данном случае не очень подходит. Так как это больше походит на прямоточный двигатель. Дело в том, что в паяльной лампе силу потока создает само топливо, которое под давлением вылетает из форсунки с большой скоростью. И сила такого потока, в данном случае, больше зависит от давления в сосуде бензином, иными словами, давления топлива на форсунке.
Kotofay
02.02.2023 19:31это больше походит на прямоточный двигатель
Это и есть прямоточный двигатель, как и любой чисто реактивный.
Турбореактивным его сделают турбина на его выходе и компрессор на входе.
nafikovr
02.02.2023 17:17+1Вот только паяльная лампа не является реактивным двигателем
Kotofay
02.02.2023 19:27Вот только паяльная лампа не является реактивным двигателем
Та, которая на картинке -- самый настоящий, только без сопла Лаваля. И я теперь уверен, что вы её ни разу не раскочегаривали.
nafikovr
02.02.2023 19:49+1В интернетах много разборов почему нет. И да, моя ошибка в том, что даже выплескивая жидкое топливо струей мы получим реактивный двигатель. Разница эжекционной горелки и турбореактивного двигателя в том, что первая при поджигании не даст прироста тяги относительно струи топлива.
Kotofay
02.02.2023 22:41+3Опять турбореактивный путаете с чисто реактивным.
Никакая форсунка на окрытом воздухе не способна дать полное сгорание без дополнительного воздуха. Как раз горелка паяльной лампы и явлется такой. Воздух легче выходит из более широкой части затягивая холодный с узкой части, возникает разница в давлении.
Вспышка топливной смеси выталкивает горячие газы, разрежение в горелке снова затягивает новую порцию свежей смеси, вспышка и всё по новой. Работа паяльной лампы на полном ходу издаёт совсем неприличный рёв реактивного двигателя.
Посмотрите на цвет полного сгорания ( без копоти ), его без дополнительного воздуха не достичь.
Воздушно-реактивный двигатель (ВРД), реактивный двигатель, в котором для сжигания горючего используется кислород, содержащийся в атмосферном воздухе. ВРД приводит в движение летательные аппараты (самолёты, вертолёты, самолёты-снаряды). Сила тяги в ВРД возникает в результате истечения рабочих газов из реактивного сопла. Для получения большой скорости истечения газов из сопла воздух, поступающий в камеру сгорания ВРД, подвергается сжатию. В зависимости от способа сжатия воздуха ВРД делятся на турбокомпрессорные (ТРД), пульсирующие (ПуВРД) и прямоточные (ПВРД).
Так что паяльная лампа классическая на бензине и есть ПВРД.
Понятно, что КПД у данного ПВРД мизерный (как впрочем и у всех дозвуковых ПВРД), но принцип действия и конструкция соответствует.
AlexRomantik Автор
03.02.2023 08:06Но на этой картинке прямоточный двигатель.
Rinsewind
03.02.2023 14:30Но простейший ПВРД можно сделать даже из пластиковой бутылки, срезав ей дно...
0serg
03.02.2023 10:52+1Классическая паяльная лампа на бензине кмк ближе всего как ни странно к паровому двигателю. Высокая температура испаряет жидкость, дает пар, а давление этого пара разгоняет газ. Потому и работать начинает полноценно только когда прогреется.
Tabke
03.02.2023 11:32Казалось бы, как может работать паяльная лампа... Ответ -- разница температур на входе и выходе.
Вы заблуждаетесь, в паяльных лампах и прумусах жидкое топливо проходит через ёмкость или трубку находящуюся в непосредственном контакте с пламенем в зоне горения. От высокой температуры топливо испаряется и этот пар выходит из форсунки и горит. Так что паяльная лампа работает за счёт давления испарившегося топлива, а не за счёт перепада температур.
На картинке, синяя стрелка, это жидкое топливо, попадающее в ёмкость в зоне горения, где нагревается и испаряется становясь жёлтой стрелкой, пар по трубочке идёт к форсунке, где под давлением выходит и воспламеняется (красные полосочки). Форсунка работает как реактивное сопло, задавая высокую скорость движения паров в определённом направлении. Серые стрелки показывают как в систему затягивается внешний воздух, необходимый для горения паров топлива.
abutorin
03.02.2023 16:31Конструкции паялных лам бывают не только такие. У нас была ламка у которой сопло мы делали из простой листовой меди без всяких каналов.
Tabke
03.02.2023 16:38Принцип работы остаётся тем же. Тепло от горения испаряет топливо, пары горят. Старшие модели примусов от Primus, тоже используют медный радиатор, а не испарительную трубку.
vassabi
02.02.2023 18:20Почему сжигание керосина в ТРД даёт намного большую эффективность чем если бы мы его просто сожгли на открытом воздухе.
вот скажите, вы когда керосин сжигаете - вы сразу получаете раскрученный пропеллер ? или воздух от горелки тут же устремляется в нужную сторону в больших объемах? (а не просто нагрел немного воздуха вокруг себя и он медленно и печально поднимается вверх под действием силы архимеда)
Ellinist
02.02.2023 12:48+2В итоге эта система вращающихся крыльчаток раскручивается до огромных скоростей: 100 и даже 200 тысяч оборотов в минуту в зависимости от размеров турбины.
Такие скорости вращения в ТРД никогда не достигаются - обычно до 30 тысяч. Все, что больше 50 тысяч - это уже полноценный гироскоп. К тому же для скоростей вращения, близких к 100 тысячам требуются уже графитовые подшипники. А 200 тысяч, как мне кажется - недостижимая мечта.
ra3vld
02.02.2023 13:29+1Чем меньше турбина тем выше максимальные обороты. Например, колибри (как у Негоды) может как раз до 200к раскручиваться. https://turbojet-micro.com/product/lambert-t15-kolibri-микро-трд-колибри-15n/
AlexRomantik Автор
02.02.2023 17:21Ну тут вы ошибаетесь. Турбины на простых авто запросто крутят 200 000 об/мин. И там, как и на большинстве турбин турбонаддува, просто двойной подшипник масленого клина. А предельная скорость считается 300 000, дальше просто идёт разрушающий эффект "помпаж"
tik4
03.02.2023 12:09В малоразмерных гтд запросто и 100 и 200 тыс (погуглите те же Jetcat). Там как раз применяются подшипники с керамическими шариками без сепараторов, правда ресурс 25 часов :)
konst90
02.02.2023 14:52+1Поскольку при сжигании керосина происходит расширение газов примерно в 27 раз
Откуда вы взяли эту величину?
Первый вентилятор (нагнетающий воздух) называется турбокомпрессором и порой состоит из десятка последовательно расположенных крыльчаток для создания необходимого давления. А второй вентилятор называется силовой турбиной.
Совершенно не обязательно крыльчаток будет десяток. Если вы посмотрите например на двигатель ВК-1 - то увидите, что диск компрессора там один, но центробежный. Такой вариант несколько сокращает длину и массу, но снижает КПД и увеличивает диаметр, поэтому от них отказались.
Отмечу также, что в авиационных двигателях термин турбокомпрессор не применятся - только компрессор. Аналогично - не силовая турбина, а просто турбина. Это даже из вашего определения видно: там упомянуто соединение с коленчатым валом, который в турбореактивном двигателе отсутствует.
Jec13
02.02.2023 17:36Так для постоянной работы турбовинтового двигателя в номинальном режиме, прямой путь к гибриду (Тойота приус)
tik4
02.02.2023 17:36+3А вы точно хотите турбоРЕАКТИВНЫЙ делать? А то может всё-таки турбовальный?) Как специалист по ГТД сочувствую и желаю удачи
AlexRomantik Автор
02.02.2023 17:40+1Понимаю, о чём вы говорите. Согласен, турбовальный привод будет куда уместнее на мотоцикле, но тогда пропадёт сам принцип реактивности. Толкаться будем колесом, а не реактивной струёй. А хочется именно драйва. Что бы грохот был, пыль стояла и траву ветром вырывало.
abutorin
02.02.2023 21:03Ну видосов с прямоточным реактивным двигателем на велосимедах вроде много уже.
А если трубовальный, можно будет говорить Т-80 на 2-х колёсах.
AlexRomantik Автор
03.02.2023 08:10Видел как ездит турбовальный мотоцикл. Честно говоря совсем не впечатляет. Просто мотоцикл. Ускоряется хорошо, но "Вау" эффекта нет.
tik4
03.02.2023 12:04Так можно ж гибрид сделать, гтд заряжает батарейку, а электродвигатель крутит колеса :) А так, для куража, можете повесить на обычный мотоцикл что-то типа реактивного Jetcat p-200, шума там на 120 дБ на Макс тяге)))
Feelmore
02.02.2023 17:36+1Автор, попробуйте сами перейти по ссылкам на определения "турбокомпрессор" и "силовая турбина". Попробуйте прочитать что там написано и поймёте свои проблемы с терминологией. Про ваше понимание термодинамического процесса ничего говорить не буду, нужно искать Кулагина и раскладывать выдержки оттуда. Вкратце: если вы нагреете сжатый газ, при его расширении вы получите больше работы, чем затратили на его сжатие. На валу работает баланс мощности между турбиной и компрессором, а вот эту самую разницу в работе вы и пытаетесь использовать в движителе.
ykira
02.02.2023 17:42+1а можно простыми словами объяснить почему это расширение в 27 раз не давит в другую сторону, что тут работает как клапан или стенка? Я могу понять почему взрыв петарды в банке толкает ее вверх, а тут где то самое дно банки.
AlexRomantik Автор
02.02.2023 17:44Чуть выше как раз этот вопрос разбирали. Цитирую: Коротко - форма камеры сгорания и разная характеристики крыльчаток задают путь для выхода по пути наименьшего сопротивления.
vassabi
02.02.2023 18:03если бы дело было только в форме - то его можно было бы включать без раскрутки
AlexRomantik Автор
03.02.2023 08:12Если вы каким то образом создадите давление в камере сгорания, то крыльчатки двигателя раскрутится сами и двигатель скажем так, заведётся сам.
vassabi
04.02.2023 18:04хм ... то есть - их можно запускать и без раскрутки турбины ? поджигай форсунку, расширение горячего газа сделает все остальное ?
vassabi
02.02.2023 18:07+1а попробуйте сами проделать опыт - взять два источника воды, один лить на поверхность сверху (горение топлива), а второй - лить немного сбоку (компрессор), и посмотреть - насколько сильно вода будет литься в сторону "против компрессора"
konst90
02.02.2023 19:13Потому что вал крутится и компрессор гонит воздух в камеру сгорания. Получается самоподдерживающийся процесс - компрессор гонит воздух в камеру сгорания, создавая повышенное давление перед ней. Горячий газ оттуда вытекает в турбину, раскручивая её и компрессор, который сидит на одном валу с турбиной. Компрессор... и так пока топливо поступает.
А вот если попытаться запустить двигатель с остановленным ротором - ничего не получится, воздух действительно будет равномерно давить во все стороны и запуска не случится.
VBDUnit
03.02.2023 09:59Chrysler в 60-х годах делала газотурбинные автомобили. К сожалению, до ума их не допилили и идею забросили — зря, имхо интересно получалось, даже систему выхлопа продумали для снижения шума. С современными технологиями вполне могло бы взлететь.
konst90
03.02.2023 11:44+1Газотурбинный двигатель намного сложнее и соответственно дороже поршневого той же мощности, к тому же имеет меньший КПД. Его единственный плюс - в большем соотношении мощность/масса.
0serg
03.02.2023 13:31Меньшая масса (а так же размеры) - не единственный плюс. ГТД конструктивно намного проще и потому в разы надежнее и реже требуют обслуживание что тоже важно для авиации. КПД в оптимальном режиме у ГТД тоже выше чем даже у дизеля. Он сложнее в изготовлении (и потому может стоить дороже) и плохо работает на неполной мощности (а для автомобилей это основной режим работы).
AlexRomantik Автор
03.02.2023 14:34КПД точно не выше. Даже на очень больших ГТУ, КПД не доходит до 40%. А обычный бензиновый ДВС, уже 48%. А уж дизель, ещё эффективнее.
0serg
03.02.2023 15:16Большие ГТУ используются в смешанных циклах где общий КПД превышает 55% (рекорд на промышленном объекте - 62%). В современных авиационных двигателях тепловой КПД около 50%. У реальных современных бензиновых ДВС КПД составляет около 30-36%, у реальных дизелей 45%. Теоретически у дизеля до 60% может быть, прототипы есть, да. Но у реально используемых в автомобилях двигателей все не так хорошо. Даже на Приусах куда Тойота специально всобачила максимально эффективный двигатель на цикле Аткинсона КДП около 40% (с надеждой достичь 45% в следующих поколениях).
XeL077
03.02.2023 16:27Он был капризен к топливу и требовал систему для понижения оборотов от двигателя на колесо.
Концепт интересный, но точно в массы не пошел бы.
Fedorkov
Газ должен расширяться во все стороны и давить одинаково на оба вентилятора, разве нет?
vassabi
вот для этого его и раскручивают перед зажиганием - чтобы давление внутреннего объема "трубы" на входной стороне (компрессор) было больше чем давление на выходной стороне (турбина) и дополнительный поток газов давил больше в нужном направлении (как вода скатывается с горки вниз даже при небольшом перепаде высот).
AlexRomantik Автор
Всё верно. Тут решающее значение имеет форма обеих крыльчаток. По идеи, если лопатки не были выпуклой формы, то такой двигатель можно было бы завести в любую сторону.
0serg
Это неверное объяснение. В таком варианте газ попросту тормозил бы компрессор. Нагрели газ — давление выросло — выросли затраты на перекачку компрессором газа в зону высокого давления. В «вентиляторном» варианте предложенном автором насколько вырасла мощность на «выходном» вентиляторе настолько же возрастут затраты на «входном». Схему можно «спасти» если сделать размеры выходного вентилятора (площадь) больше — тогда «большой» вентилятор будет «пересиливать маленький» но в таком варианте двигатель как раз не придется «раскручивать перед зажиганием», он будет прекрасно работать со стационарного и даже запущенного в обратную сторону потока.
Didimus
Как я понимаю, работает за счёт того, что горение намного ближе к турбине и даже в ней
vassabi
он "тормозит компрессор" меньше, чем раскручивает турбину. Грубо говоря - если у вас на весах слева 499кг, а справа 501кг, то суммарно на подвес давит тонна, но при этом чаши весов однозначно склонятся в сторону правой.
Если вместо чаш весов взять пластину, лежащую на шарнире и лить на нее воду (дуть газ) то небольшого усилия вначале - хватит для ее наклона и дальше весь поток будет отклоняться в нужную сторону.
(прямо как у сервопривода)
abutorin
А в прямоточном даже "вентилятора" на входе нет:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Прямоточный_воздушно-реактивный_двигатель
Jianke
А ведь, есть ещё прямоточный реактивный внешнего сгорания. :-)
ksbes
А есть ещё на электроподогреве!
Но более интересен атомный прямоточный двигатель. Можно пускать воздух прямо сквозь активную зону!
kluwert
Да, только этот воздух, посетивший активную зону будет выбрасываться наружу и как бы ... не только экологи будут недовольны :(
AlexRomantik Автор
Не всё так просто
AlexRomantik Автор
Не всё так просто. Если только нагревать воздух, эффективность будет очень низкой. Ведь сгорание жидкого топлива именно химически увеличивает объём газов. А именно количество газа. Это и даёт основной эффект.
ksbes
Вы сильно не правы. Главное — именно тепловое расширение, точнее — тепловое повышение давления (и последующее расширение). Молярный объём продуктов сорания самое большее раза в полтора больше поступающего воздуха (и то — с большой натяжкой). Т.к. две молекулы кислорода вам дают одну молекулу углекислого газа и две — воды. А больше газу взятся-то не от куда.
(Хотя для повышения эффективности турбины в неё можно впрыскивать воду — так как раз делают в парогазовых установках)
И да, чтоб два раза не писать: так-то турбину сделать не сложно — Герон не соврёт. Сложно сделать её эффективной. Т.к. «наивная» конструкция даст КПД ниже паровоза.
Так что желаю удачи! Искренне! Это очень интересное дело. Жаль у меня нет столько свободного времени и друзей :)
Akina
Но только не поступающего воздуха, а содержащегося в нём кислорода. Так что ещё раздели на пять...
MaratCdek
Крылышки турбин имеют разный угол к плоскости, через которую идёт газ. Поэтому, выхлопным газам проще пройти через второй винт, немного раскрутив его.
0serg
Там процесс нестационарный. Есть понятие «фронта пламени». С одной стороны от фронта давление низкое, с другой — давление и температура поднимаются. Перепад давлений постоянно двигает фронт но происходит это движение не мгновенно а с некоторой не очень большой скоростью. Если горение идет в потоке воздуха то можно сделать так чтобы этот поток двигался быстрее чем фронт пламени. Тогда давление в той части двигателя которая находится перед фронтом будет ниже чем в той части которая находится за ним.
RranAmaru
То что вы описали справедливо только на сверхзвуковых скоростях (например в упоминаемом выше прямоточном двигателе). На дозвуковых, фронт давления распространяется со скоростью звука, ну и закон Бернули еще нужно учитывать.
0serg
Фронт пламени для топлива используемого в ТВРД распространяется намного медленнее скорости звука, типичная скорость — около 1 м/c.
Звук считается упругой деформацией воздуха. Частицы воздуха при прохождении звуковой волны не приобретают скорости. Их слегка толкает вначале в одну сторону, а затем обратно. В этом случае фронт давления распространяется со скоростью звука. Но если у Вас идет не волна (качнули вперед и сразу же настолько же назад) а переход от зоны низкого давления к зоне высокого давления, то этот перепад давлений разгоняет газ, в ходе разгона давление падает а у газа есть инерция делающая этот процесс не очень быстрым.
Возьмите трубку в которую вставлен поршень. Если мы начнем двигать поршень то он будет толкать перед собой воздух. Перед поршнем возникнет область повышенного давления, попадая в которую воздух будет разгоняться в сторону от поршня пока не сравняется по скорости с поршнем. То есть зона низкого давления p с неподвижным воздухом — некая переходная область где давление растет а воздух начинает двигаться от поршня — область постоянного высокого давления P где воздух движется со скоростью поршня. Фронт этой волны будет двигаться со скоростью поршня * (1 + p/P) а отнюдь не со скоростью звука. С горением похожая история только там «поршень» — это область горения.