Реактивный двигатель кпд кратко

Обновлено: 02.07.2024

Прежде чем начать сравнение авиадвигателей, я кратко опишу принцип работы газотурбинного двигателя, который лежит в основе современных турбореактивных двухконтурных двигателей.

Компрессор высокого давления сжимает воздух, создавая большое давление в камере сгорания. От степени сжатия главным образом зависит термодинамический КПД газотурбинного двигателя.При сгорании газы проходят последовательно через турбину высокого и низкого давления, раскручивая вал турбины, и выходят через сопло наружу, создавая тягу. Спереди на валу установлен вентилятор,который прокачивает воздух через внешний контур и тем самым создает тягу во внешнем контуре, которая добавляется к тяге турбины[тяга турбины показана красным цветом, тяга вентилятора- лиловым]. Соотношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через турбину называют cтепенью двухконтурности. Чем выше степень двухконтурности, тем большую тягу создает двигатель.
Тягу можно увеличить либо увеличивая скорость реактивной струи, либо увеличивая массу реактивной струи. При увеличении скорости струи в два раза кинетическая энергия увеличивается в 4 раза . А при увеличении массы струи в два раза кинетическая энергия струи увеличивается пропорционально массе в 2 раза . Следовательно при одной и той же тяге можно иметь совершенно разную кинетическую энергию струи! Так как кинетическая энергия струи — это энергия топлива, то чтобы снизить расход топлива при сохранении тяги необходимо увеличивать массу струи и уменьшать ее скорость. Этим и занимается второй контур — он отбирает часть энергии у турбины и за счет нее создает тягу струи воздуха во внешнем контуре, средняя скорость струи падает, масса струи увеличивается, тяга растет при снижении расхода топлива. Основная идея турбовентиляторного двигателя состоит в пропускании ненужных для сгорания топлива (но необходимых для тяги) объёмов воздуха через внешний контур, где он не встречает ни компрессоров, ни турбин. Фактически вентилятор в данном случае выполняет функцию винта, создавая до 70—80 % всей тяги двигателя.
Почему раньше не делали авиадвигатели с большой степенью двухконтурности? Потому что на высоте плотность воздуха намного меньше, а на высоких скоростях эффективность вентилятора падает. Поэтому чем выше степень двухконтурности, тем ниже крейсерская и максимальная скорость самолета, тем сильнее тяга падает с высотой. Поэтому пока нормы по шуму и эмиссии вредных веществ от авиадвигателей были невысокие и цены на топливо небольшие, авиапроизводители предпочитали двигатели с низкой степенью двухконтурности. Также эти двигатели имеют меньшее аэродинамическое сопротивление [диаметр вентилятора меньше], меньшую массу, проще и дешевле в производстве.
Есть еще способ снижения расхода топлива — повышение КПД газовой турбины путем увеличения степени сжатия и температуры сгорания топлива. Практика показывает, что таким способом можно добиться снижения расхода топлива до ~20% относительно двигателя с низкой степенью сжатия и температурой сгорания топлива.
Поэтому основным способом снижения расхода топлива является увеличение степени двухконтурности. Но если очень сильно увеличить диаметр вентилятора, то скорость краев лопастей превысит скорость звука. Скорость вращения турбины уменьшить нельзя, поэтому необходимо ставить редуктор , с помощью которого уменьшается угловая скорость вращения вентилятора. Технологию двигателя с редуктором освоила только одна зарубежная двигателестроительная компания[ PW], и то буквально недавно.
Увеличения степени двухконтурности значительно снижает уровень шума и эмиссии вредных веществ авиадвигателя. Холодный воздух из внешнего контура, смешиваясь с горячими газами из турбины, снижает давление на выходе из сопла. Это способствует снижению шумности двигателя.
Вывод: главная причина относительно высокого расхода топлива и шумности авиадвигателей советской школы[ 70 годы] — низкая степень двухконтурности.
В первой таблице будем сравнивать самые мощные двигатели, так сказать "'супертяжи"', тягой от 166кН до 406кН [от 16927кгс до 41400.6кгс].

Кпд ракетного двигателя на химическом топливе ничтожен, менее одного процента. Рассчитывается он так. Пусть в камере сгорает водород в среде кислорода. Выделяющееся при сгорании тепло рассчитывается как Q=mH, где m - массовый расход топлива, H - теплота сгорания. С другой стороны, вылетающая из сопла струя газов обладает кинетической энергией Е=mv²/2. А кпд равен отошению кинетической энергии к выделившемуся теплу η=E/Q=v²/(2H). При реакции горения водорода в кислороде выделяется ежесекундно 10.8 Мдж/куб. метр тепла. Разделив эту цифру на плотность водорода 0.09кг/куб. метр, получаем искомую величину Н=120Мдж/кг. Скорости истечения газов в современных ракетах на химтопливе не превышают 4.5 км/сек. Если в расчете исходить из этой предельной цифры, то получим кпд=0.94%. А в реальности кпд будет еще ниже, т. к. скорости истечения газов из сопла в реальности могут быть заметно ниже использованной цифры 4.5 км/сек.
Такой низкий кпд ракетного двигателя на химтопливе является следствием того факта, что химическая энергия топлива выделяется вначале в форме тепла, и лишь затем это тепло переходит в кинетическую энергию газовой струи в сопле. А вследствие того, что весь процесс перехода тепловой энергии в кинетическую происходит в течение нескольких миллисекунд или даже еще меньше, у тепла просто не хватает времени, чтобы более-менее полно преобразоваться в кинетическую энергию.
Чтобы повысить кпд ракетного двигателя, надо отказаться от промежуточной тепловой формы и преобразовывать исходную химическую энергию (или ядерную) сразу в кинетическую энергию газовой струи. То есть надо отказаться от нагрева. Такие двигатели получили название ионных. В них рабочее тело вначале ионизируется, а затем ионы разгоняются в сопле электрическими и магнитными полями до очень высоких скоростей, исчисляемых десятками или даже сотнями км/сек. Поэтому для ионных двигателей кпд оказывается заметно выше (на уровне 30-50%), что позволяет заметно сократить расход рабочего тела. Но большой недостаток ионных двигателей состоит в их малых значениях силы тяги. Лучшие образцы ионных двигателей развивают тягу не более нескольких граммов. Следовательно, они не годятся для старта с земной поверхности. Но, когда корабль уже вышел в открытый космос, там ионные двигатели могут прекрасно работать.

Вы здесь совершенно разные модели сравниваете, судя по такой катастрофичной разнице.. Вопрос должен звучать так: "Каков максимальный КПД у существующих РД, про которые мы можем знать?" А ответ "учи матчасть", обычно, дают на ворос "КАК?". И всем известно, что в Сети есть научная информация - не нужно кичиться этим знанием, поскольку ты не один такой. И кто тут самый великий огнежоп? А?

КПд реактивных ракетных двигателей очень больше наверно тысячи процентов . Так как при сжигании топлива или газа ракета отталкиваясь от газа набьирает огромную скорость а как известно при огроимной скорости движения телдо теряет вес так как спротивление ничтожно мало . В виду тотго что скорость ракеты огромная соприкосание с воздухом почти нету силы трения ничтожна мала . То есть ракета просто резко теряет вес От этого имеется оргомное кпд .

73% - это общий КПД и струи и двигателя. Где большая часть передаётся струе истекающей из двигателя.
Впрочем для меня и эта цифра сомнительная. Почему интересно самолёты не посадят на провода чтобы брать от них электроэнергию и опору для разгона?!

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую д ля движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направле
нии. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой термотемпературы (т. н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле.

Реактивный двигатель создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. Чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном , выдающимся немецким инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом . Первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Ф рэнком Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн. 2 августа 1939 года в Германии в небо поднялся первый реактивный самолет — Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

Широкое применение реактивные двигатели в настоящее время получили в связи с освоением космического пространства. Применяются они также для метеорологических и военных ракет различного радиуса действия. Кроме того, все современные скоростные самолёты оснащены воздушно-реактивными двигателям

В космическом пространстве использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно: нет опоры (твёрдой жидкой или газообразной), отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Применение же реактивных двигателей для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, связано стем, что именно реактивные двигатели могут обеспечить максимальную скорость полёта.

Просто по принципу действия: забортный воздух (в ракетных двигателях — жидкий кислород) засасывается в турбину , там смешивается с топливом и сгорая, в конце турбины образует т.н. “рабочее тело” (реактивная струя), которое и двигает машину.

В начале турбины стоит вентилятор , который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Основных задач две — первичный забор воздуха и охлаждение всего дв игателя в целом, путем прокачивания воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.

За вентилятором стоит мощный компрессор , который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.

Камера сгорания смешивает топливо с воздухом. После образования топливо-воздушной смеси, она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически, реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв. Камера сгорания реактивного двигателя - одна из самых горячих его частей. Ей необходимо постоянное интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сгорания, горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину. Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором находятся вентиллятор и компрессор. Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционироваия.

Далее поток направляется в сопло . Сопло реактивного двигателя формирует непосредственно реактивную струю.

Воздушно-реактивные двигатели — реактивный двигатель, в котором атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а также при создании реактивной тяги двигателя. Такие двигатели используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.

Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

- Классический реактивный двигатель — используется в основном на истребителях в различных модификациях.

Этот тип двигателя является более экономичным родственником классического типа. главное отличие в том, что на входе ставится вентилятор большего диаметра, к оторый подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне её . Таким образом достигается повышенная экономичность, за счет улучшения КПД.

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата.

Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом , являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя.

1939 год, Германия — впервые в небо поднялся самолёт, работающий на реактивном двигателе. Он превосходил по скорости полета истребители того времени. Но потреблял больше топлива и требовал длинной взлетно-посадочной полосы. Несмотря на недостатки, это был прорыв в авиации.

Сейчас этот усовершенствованный движитель применяется для запуска ракет, космических аппаратов, гражданских и военных самолётов. Рассмотрим его плюсы и минусы более подробно.

Реактивный двигатель: принцип действия и типы

Двигатель, в котором создается сила тяги за счет преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию рабочего тела, называется реактивным.

Рабочее тело с большой скоростью выходит из сопла, сообщая ему реактивную силу, направленную в противоположную сторону. Действуя согласно закону сохранения импульса, продукт сгорания топлива и двигатель перемещаются относительно друг друга в противоположных направлениях.

Если надуть воздушный шарик и, не завязывая, отпустить его, то получится простейший реактивный двигатель. Рабочее тело – накачанный в шарик воздух – будет вырываться наружу, заставляя шарик перемещаться в противоположном направлении.

Для работы реактивного двигателя нужны составляющие:

Топливо.
Камера сгорания (реактор), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию рабочего тела.
Сопла, из которых под давлением вырываются наружу продукты сгорания топлива, сообщая двигателю реактивную тягу.

Бывает двух типов:

Воздушно-реактивный – тепловая энергия образуется при сгорании топлива в присутствии кислорода.
Ракетный – работающий в безвоздушном пространстве.

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Недостатки реактивного двигателя

Создает сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создается шум до 120 децибел. Для человеческого уха это значение близко к болевому порогу. Если стоять на расстоянии 100 метров от места взлета космического корабля, можно получить контузию. Ведь уровень шума достигает 150 децибел. Ученым пока не удается подавить шум от реактивного движителя или решить эту проблему иным способом.
Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.
Ограниченный ресурс для космических полетов. Все виды топлива, которые применяют для ракет, выделяют ограниченное количество энергии. Этого недостаточно для совершения полетов в пределах Галактики и даже между планетами Солнечной системы. Перспективным направлением считается использование ядерной энергии.
Большой вес и размер летательных аппаратов. Перед учеными, изучающими космос, стоят колоссальные задачи. Одна из главных – создание летательного аппарата для межпланетных и межзвездных перелетов. Они научились выводить на земную орбиту ракеты, спутники, достигли Луны. Для дальних полетов использовать реактивный двигатель невыгодно и нецелесообразно. Ученые подчитали, что для полета ракеты на Марс, ее стартовый вес должен составлять – 30 000 тонн, а на Юпитер – 250 000 тонн. Соответственно, увеличатся и размеры летательных аппаратов.
Топливо расходуется быстро. Для длительного полета необходим большой объем энергоносителя. Емкости с горючим составляют значительную часть от массы самолёта или космического корабля.

Подведем итоги

Реактивный двигатель — это мощный механизм, без которого не может обойтись современные самолётостроение и ракетостроение. Он заставил летать самолёты в 1,5 раза быстрее и выше, чем поршневой мотор. Его сила тяги не зависит от наличия окружающей среды, точки опоры или иного тела.

Конструкция позволяет управлять ракетами в безвоздушном пространстве. Это делает его крайне необходимым для исследования космоса.

Чем выше его скорость летательного аппарата, тем большую полезную работу совершает двигатель. При меньшей скорости – полезная работа меньше.

Читайте также: