Silniki

Co to jest aeronautyka? | Dynamika lotu | Samoloty | Silniki | Historia lotu | Co to jest UEET?
Słownictwo | Zabawy i gry | Linki edukacyjne | Plan lekcji | Indeks stron | Strona główna

Silniki Jak działa silnik odrzutowy? Co to jest ciąg? Części silnika odrzutowego Pierwszy silnik odrzutowy – krótka historia wczesnych silników Rodzaje silników odrzutowych Turboodrzutowce Silnik turbośmigłowy Turbowentylatory Turboshafts Silniki odrzutowe Silniki

Jak działa silnik odrzutowy?

Silniki odrzutowe poruszają samolot do przodu z wielką siłą, która jest wytwarzana przez ogromny ciąg i powoduje, że samolot leci bardzo szybko.

Wszystkie silniki odrzutowe, które są również nazywane turbinami gazowymi, działają na tej samej zasadzie. Silnik zasysa powietrze z przodu za pomocą wentylatora. Sprężarka podnosi ciśnienie powietrza. Sprężarka zbudowana jest z wielu łopatek przymocowanych do wału. Łopatki obracają się z dużą prędkością i sprężają lub ściskają powietrze. Sprężone powietrze jest następnie spryskiwane paliwem, a iskra elektryczna zapala mieszankę. Palące się gazy rozprężają się i wylatują przez dyszę, znajdującą się z tyłu silnika. Gdy strumienie gazu wystrzeliwują do tyłu, silnik i samolot są pchane do przodu. Gdy gorące powietrze zmierza do dyszy, przechodzi przez kolejną grupę łopatek zwaną turbiną. Turbina jest przymocowana do tego samego wału co sprężarka. Obracanie się turbiny powoduje obracanie się sprężarki.

Poniższy obrazek pokazuje, w jaki sposób powietrze przepływa przez silnik. Powietrze przechodzi przez rdzeń silnika, jak również wokół niego. Powoduje to, że część powietrza jest bardzo gorąca, a część chłodniejsza. Chłodniejsze powietrze miesza się z gorącym na wylocie z silnika.

To jest obrazek pokazujący jak powietrze przepływa przez silnik

Co to jest ciąg?

Ciąg jest siłą, która popycha silnik, a więc i samolot, do przodu. Sir Isaac Newton odkrył, że „dla każdej akcji istnieje równa i przeciwna reakcja”. Silnik wykorzystuje tę zasadę. Silnik pobiera dużą ilość powietrza. Powietrze jest podgrzewane, sprężane i spowalniane. Powietrze jest przepychane przez wiele wirujących łopatek. Poprzez zmieszanie tego powietrza z paliwem odrzutowym, temperatura powietrza może osiągnąć nawet trzy tysiące stopni. Siła powietrza jest wykorzystywana do obracania turbiny. Na koniec, kiedy powietrze opuszcza silnik, wypycha z niego powietrze do tyłu. To powoduje, że samolot porusza się do przodu.

Części silnika odrzutowego

Wentylator – Wentylator jest pierwszym elementem w silniku turbowentylatorowym. Duży, obracający się wentylator zasysa duże ilości powietrza. Większość łopatek wentylatora wykonana jest z tytanu. Następnie przyspiesza to powietrze i rozdziela je na dwie części. Jedna część przechodzi przez „rdzeń” lub środek silnika, gdzie oddziałują na nią inne elementy silnika.

Druga część „omija” rdzeń silnika. Przechodzi przez kanał, który otacza rdzeń do tylnej części silnika, gdzie wytwarza dużą część siły, która napędza samolot do przodu. To chłodniejsze powietrze pomaga wyciszyć silnik, jak również zwiększa jego siłę ciągu.

Sprężarka – Sprężarka jest pierwszym elementem w rdzeniu silnika. Sprężarka składa się z wentylatorów z wieloma łopatkami i przymocowana jest do wału. Sprężarka ściska powietrze, które wchodzi do niej na coraz mniejsze powierzchnie, co powoduje wzrost ciśnienia powietrza. Skutkuje to wzrostem potencjału energetycznego powietrza. Zgniecione powietrze jest wtłaczane do komory spalania.

Komora spalania – W komorze spalania powietrze jest mieszane z paliwem, a następnie zapalane. W komorze spalania znajduje się aż 20 dysz, które rozpylają paliwo w strumieniu powietrza. Mieszanina powietrza i paliwa zapala się. Zapewnia to przepływ powietrza o wysokiej temperaturze i wysokiej energii. Paliwo spala się z tlenem zawartym w sprężonym powietrzu, wytwarzając gorące, rozprężające się gazy. Wnętrze komory spalania jest często wykonane z materiałów ceramicznych, aby zapewnić odporność na ciepło. Ciepło może osiągnąć 2700°.

Turbina – wysokoenergetyczny strumień powietrza wychodzący z komory spalania trafia do turbiny, powodując obrót łopatek turbiny. Turbiny są połączone wałem, który obraca łopatki w sprężarce i obraca wentylator wlotowy z przodu. Obrót ten odbiera część energii z wysokoenergetycznego przepływu, która jest wykorzystywana do napędzania wentylatora i sprężarki. Gazy wytwarzane w komorze spalania przechodzą przez turbinę i obracają jej łopatki. Turbiny odrzutowca obracają się tysiące razy. Są one zamocowane na wałach, między którymi znajduje się kilka zestawów łożysk kulkowych.

Dysza – Dysza jest kanałem wydechowym silnika. Jest to część silnika, która faktycznie wytwarza ciąg samolotu. Pozbawiony energii strumień powietrza, który przeszedł przez turbinę, oraz zimniejsze powietrze, które ominęło rdzeń silnika, przy wyjściu z dyszy wytwarza siłę, która działa w celu napędzania silnika, a tym samym samolotu, do przodu. Połączenie gorącego i zimnego powietrza jest wydalane i wytwarza wydech, który powoduje ciąg do przodu. Przed dyszą może znajdować się mieszacz, który łączy powietrze o wysokiej temperaturze pochodzące z rdzenia silnika z powietrzem o niższej temperaturze, które zostało ominięte w wentylatorze. Mieszacz przyczynia się do tego, że silnik jest cichszy.

Pierwszy silnik odrzutowy – krótka historia wczesnych silników

Sir Isaac Newton w XVIII wieku jako pierwszy teoretyzował, że eksplozja skierowana do tyłu może napędzać maszynę do przodu z dużą prędkością. Teoria ta opierała się na jego trzecim prawie ruchu. W miarę jak gorące powietrze wydmuchiwane jest do tyłu przez dyszę, samolot porusza się do przodu.

Henri Giffard zbudował sterowiec, który był napędzany pierwszym silnikiem lotniczym, silnikiem parowym o mocy trzech koni mechanicznych. Był on bardzo ciężki, zbyt ciężki, aby latać.

W 1874 roku, Felix de Temple, zbudował jednopłatowiec, który leciał tylko krótki skok w dół wzgórza z pomocą silnika parowego opalanego węglem.

Otto Daimler, pod koniec 1800 roku wynalazł pierwszy silnik benzynowy.

W 1894 roku Amerykanin Hiram Maxim próbował napędzać swój potrójny dwupłatowiec dwoma silnikami parowymi opalanymi węglem. Latał on jednak tylko przez kilka sekund.

Wczesne silniki parowe były napędzane rozgrzanym węglem i generalnie były o wiele za ciężkie do lotu.

Amerykanin Samuel Langley wykonał model samolotu, który był napędzany silnikami parowymi. W 1896 roku udało mu się latać bezzałogowym samolotem z silnikiem parowym, zwanym Aerodromem. Przeleciał on około 1 mili, zanim zabrakło mu pary. Następnie podjął próbę zbudowania pełnowymiarowego samolotu, Aerodrome A, z silnikiem gazowym. W 1903 r. samolot rozbił się natychmiast po wystrzeleniu z łodzi mieszkalnej.

W 1903 r. bracia Wright polecieli samolotem The Flyer z silnikiem napędzanym gazem o mocy 12 koni mechanicznych.

Od 1903 r., roku pierwszego lotu braci Wright, do późnych lat trzydziestych XX w. napędzany gazem tłokowy silnik spalinowy ze śmigłem był jedynym środkiem używanym do napędzania samolotów.

To był Frank Whittle, brytyjski pilot, który zaprojektował i opatentował pierwszy silnik turboodrzutowy w 1930 roku. Pierwszy udany lot silnika Whittle’a odbył się w maju 1941 roku. Silnik ten posiadał wielostopniową sprężarkę, komorę spalania, jednostopniową turbinę i dyszę.

W tym samym czasie, gdy Whittle pracował w Anglii, Hans von Ohain pracował nad podobną konstrukcją w Niemczech. Pierwszym samolotem, w którym z powodzeniem zastosowano silnik z turbiną gazową był niemiecki Heinkel He 178 z sierpnia 1939 roku. Był to pierwszy na świecie lot z napędem turboodrzutowym.

General Electric zbudował pierwszy amerykański silnik odrzutowy dla samolotu odrzutowego US Army Air Force . Był to eksperymentalny samolot XP-59A, który po raz pierwszy poleciał w październiku 1942 r.

Rodzaje silników odrzutowych

Turboodrzutowce

Podstawowa idea silnika turboodrzutowego jest prosta. Powietrze pobierane z otworu w przedniej części silnika jest sprężane w sprężarce do ciśnienia 3 do 12 razy większego niż jego pierwotne ciśnienie. Paliwo jest dodawane do powietrza i spalane w komorze spalania, aby podnieść temperaturę mieszaniny płynów do około 1100°F do 1300°F. Powstałe w ten sposób gorące powietrze jest przepuszczane przez turbinę, która napędza sprężarkę. Jeśli turbina i sprężarka są wydajne, ciśnienie na wylocie turbiny będzie prawie dwukrotnie wyższe od ciśnienia atmosferycznego, a nadmiar ciśnienia jest przesyłany do dyszy, aby wytworzyć strumień gazu o dużej prędkości, który wytwarza ciąg. Znaczący wzrost ciągu można uzyskać poprzez zastosowanie dopalacza. Jest to druga komora spalania umieszczona za turbiną, a przed dyszą. Dopalacz zwiększa temperaturę gazu przed dyszą. Rezultatem tego wzrostu temperatury jest wzrost ciągu o około 40 procent przy starcie i znacznie większy procent przy dużych prędkościach, gdy samolot jest już w powietrzu.

Silnik turboodrzutowy jest silnikiem reakcyjnym. W silniku reakcyjnym, rozprężające się gazy mocno napierają na przód silnika. Silnik turboodrzutowy zasysa powietrze i spręża je lub ściska. Gazy przepływają przez turbinę i wprawiają ją w ruch obrotowy. Gazy te odbijają się i wystrzeliwują z tyłu wydechu, popychając samolot do przodu.

Silnik turbośmigłowy

Silnik turbośmigłowy to silnik odrzutowy połączony ze śmigłem. Turbina z tyłu jest obracana przez gorące gazy, a to obraca wał, który napędza śmigło. Niektóre małe samoloty pasażerskie i samoloty transportowe są napędzane przez turbośmigła.

Jak turboodrzutowy, silnik turbośmigłowy składa się ze sprężarki, komory spalania i turbiny, ciśnienie powietrza i gazu jest używany do uruchomienia turbiny, która następnie tworzy moc do napędu sprężarki. W porównaniu z silnikiem turboodrzutowym, turbośmigłowy ma lepszą wydajność napędu przy prędkościach lotu poniżej około 500 mil na godzinę. Nowoczesne silniki turbośmigłowe są wyposażone w śmigła, które mają mniejszą średnicę, ale większą liczbę łopat dla efektywnej pracy przy znacznie wyższych prędkościach lotu. Aby dostosować się do wyższych prędkości lotu, łopatki mają kształt scimitry z zagiętymi do tyłu krawędziami wiodącymi na końcach łopatek. Silniki wyposażone w takie śmigła nazywane są śmigłami.

Zdjęcie silnika turbośmigłowego

Turbowentylatory

Silnik turbowentylatorowy ma z przodu duży wentylator, który zasysa powietrze. Większość powietrza przepływa wokół zewnętrznej części silnika, dzięki czemu jest on cichszy i zapewnia większą siłę ciągu przy niskich prędkościach. Większość współczesnych samolotów pasażerskich jest napędzana silnikami turboodrzutowymi. W silniku turboodrzutowym całe powietrze dostające się do wlotu przechodzi przez generator gazu, który składa się ze sprężarki, komory spalania i turbiny. W silniku turbowentylatorowym tylko część zasysanego powietrza trafia do komory spalania. Reszta przechodzi przez wentylator lub sprężarkę niskociśnieniową i jest wyrzucana bezpośrednio jako „zimny” strumień lub mieszana ze spalinami generatora gazu w celu wytworzenia „gorącego” strumienia. Celem tego rodzaju systemu obejściowego jest zwiększenie ciągu bez zwiększania zużycia paliwa. Osiąga się to poprzez zwiększenie całkowitego przepływu masy powietrza i zmniejszenie prędkości w ramach tej samej całkowitej dostawy energii.

Obraz silnika turbowentylatorowego

Turboshafts

Jest to inna forma silnika turbinowego, która działa podobnie jak system turbośmigłowy. Nie napędza on śmigła. Zamiast tego, zapewnia moc dla wirnika helikoptera. Silnik turbowałowy jest zaprojektowany w taki sposób, że prędkość wirnika śmigłowca jest niezależna od prędkości obrotowej generatora gazu. Pozwala to na utrzymanie stałej prędkości wirnika nawet wtedy, gdy prędkość generatora jest zmieniana w celu modulowania ilości wytwarzanej mocy.

Zdjęcie silnika turboodrzutowego

Silniki odrzutowe

Silnik odrzutowy jest najprostszym silnikiem odrzutowym i nie posiada żadnych ruchomych części. Prędkość strumienia „taranuje” lub wtłacza powietrze do silnika. Jest to w zasadzie turboodrzutowiec, w którym pominięto maszyny wirujące. Jego zastosowanie jest ograniczone przez fakt, że stopień sprężania zależy wyłącznie od prędkości lotu. Silnik strumieniowy nie wytwarza ciągu statycznego i bardzo mały ciąg poniżej prędkości dźwięku. W związku z tym pojazd typu ramjet wymaga jakiejś formy wspomagania startu, na przykład innego samolotu. Stosowany jest głównie w systemach pocisków kierowanych. Pojazdy kosmiczne wykorzystują ten typ silnika odrzutowego.

Zdjęcie silnika ramjet

.