Turbojet

Animacja sprężarki osiowej. Nieruchomymi łopatkami są stojany.

Animacja turboodrzutowa

Schemat przedstawiający działanie silnika turboodrzutowego o przepływie odśrodkowym. Sprężarka jest napędzana przez stopień turbinowy i wyrzuca powietrze na zewnątrz, co wymaga przekierowania go równolegle do osi ciągu.

Schemat przedstawiający działanie silnika turboodrzutowego o przepływie osiowym. W tym przypadku sprężarka jest ponownie napędzana przez turbinę, ale przepływ powietrza pozostaje równoległy do osi ciągu

Wlot powietrzaEdit

Wlot, lub rura, jest potrzebny przed sprężarką, aby pomóc skierować płynnie przychodzące powietrze do poruszających się łopatek sprężarki. W starszych silnikach przed ruchomymi łopatkami znajdowały się nieruchome łopatki. Łopatki te również pomagały w kierowaniu powietrza na łopatki. Powietrze wpływające do silnika turboodrzutowego jest zawsze poddźwiękowe, niezależnie od prędkości samego samolotu.

Wlot musi dostarczać powietrze do silnika z akceptowalnie małą zmianą ciśnienia (znaną jako odkształcenie) i po utracie jak najmniejszej ilości energii po drodze (znanej jako odzysk ciśnienia). Wzrost ciśnienia w układzie dolotowym jest wkładem wlotu do ogólnego stosunku ciśnień i sprawności cieplnej układu napędowego.

Wlot zyskuje na znaczeniu przy dużych prędkościach, gdy generuje większą kompresję niż stopień sprężarki. Dobrze znanymi przykładami są systemy napędowe Concorde i Lockheed SR-71 Blackbird, gdzie udział wlotu i silnika w całkowitej kompresji wynosił 63%/8% przy Mach 2 i 54%/17% przy Mach 3+. Wloty wahały się od „zerowej długości” w instalacji turbowentylatorowej Pratt & Whitney TF33 w Lockheed C-141 Starlifter, do bliźniaczych, długich na 65 stóp, wlotów w North American XB-70 Valkyrie, z których każdy zasila trzy silniki z przepływem powietrza wlotowego około 800 lb/sec.

SprężarkaEdit

Sprężarka jest napędzana przez turbinę. Obraca się z dużą prędkością, dodając energię do przepływającego powietrza i jednocześnie ściskając (kompresując) je w mniejszej przestrzeni. Sprężanie powietrza powoduje wzrost jego ciśnienia i temperatury. Im mniejsza sprężarka, tym szybciej się obraca. Na dużym końcu zakresu, wentylator GE-90-115 obraca się z prędkością około 2500 obr/min, podczas gdy mała sprężarka silnika helikoptera obraca się z prędkością około 50 000 obr/min.

Turboodrzutowce dostarczają powietrze upustowe ze sprężarki do samolotu, na przykład do systemu kontroli środowiska, ochrony przeciwoblodzeniowej i utrzymywania ciśnienia w zbiorniku paliwa. Sam silnik potrzebuje powietrza o różnym ciśnieniu i natężeniu przepływu, aby utrzymać go w ruchu. Powietrze to pochodzi ze sprężarki, a bez niego turbiny przegrzewałyby się, olej smarujący wyciekałby z gniazd łożysk, łożyska oporowe wirnika ślizgałyby się lub byłyby przeciążone, a na stożku nosa tworzyłby się lód. Powietrze ze sprężarki, zwane powietrzem wtórnym, jest wykorzystywane do chłodzenia turbiny, uszczelniania wnęk łożysk, ochrony przed oblodzeniem oraz zapewnienia, że obciążenie osiowe łożyska oporowego wirnika nie spowoduje jego przedwczesnego zużycia. Dostarczanie powietrza upustowego do samolotu obniża sprawność silnika, ponieważ zostało ono sprężone, ale nie przyczynia się do wytwarzania ciągu. Sprężone powietrze dla obsługi samolotu nie jest już potrzebne w Boeingu 787 z silnikiem turbowentylatorowym.

Typy sprężarek używanych w turboodrzutowcach były zazwyczaj osiowe lub odśrodkowe. Wczesne kompresory turboodrzutowe miały niskie współczynniki ciśnienia do około 5:1. Udoskonalenia aerodynamiczne, takie jak rozdzielenie sprężarki na dwie oddzielnie obracające się części, wprowadzenie zmiennych kątów łopatek dla łopatek prowadzących i stojanów oraz upust powietrza ze sprężarki umożliwiły późniejszym turboodrzutowcom uzyskanie ogólnych stosunków ciśnień 15:1 lub więcej. Dla porównania, współczesne cywilne silniki turbowentylatorowe mają całkowity stosunek ciśnień 44:1 lub większy. Po opuszczeniu sprężarki powietrze dostaje się do komory spalania.

Komora spalaniaEdit

Proces spalania w komorze spalania różni się znacznie od procesu spalania w silniku tłokowym. W silniku tłokowym spalające się gazy są zamknięte w małej objętości, a w miarę spalania paliwa wzrasta ciśnienie. W silniku turboodrzutowym powietrze i mieszanka paliwowa spalają się w komorze spalania i przechodzą do turbiny w ciągłym procesie przepływu bez wzrostu ciśnienia. Mieszanka paliwowo-powietrzna może spalać się tylko w wolno poruszającym się powietrzu, dlatego dysze paliwowe utrzymują obszar przepływu wstecznego dla w przybliżeniu stechiometrycznego spalania w strefie pierwotnej. Dalej wprowadzane jest sprężone powietrze, które kończy proces spalania i obniża temperaturę produktów spalania do poziomu, który może zaakceptować turbina. Mniej niż 25% powietrza jest zwykle używane do spalania, ponieważ ogólna chuda mieszanka jest wymagana do utrzymania się w granicach temperatury turbiny.

TurbineEdit

Różne łopatki są używane w kołach turbinowych.

Gorące gazy opuszczające spalacz rozprężają się przez turbinę. Typowe materiały do turbin to inconel i Nimonic. Najgorętsze łopatki turbiny i łopatki w silniku mają wewnętrzne kanały chłodzące. Powietrze ze sprężarki jest przez nie przepuszczane, aby utrzymać temperaturę metalu w granicach dopuszczalnych. Pozostałe etapy nie wymagają chłodzenia.

W pierwszym etapie, turbina jest w dużej mierze turbiną impulsową (podobną do koła peltonowego) i obraca się z powodu uderzenia strumienia gorącego gazu. Późniejsze etapy to kanały zbieżne, które przyspieszają gaz. Energia jest przekazywana do wału poprzez wymianę pędu w sposób odwrotny do przekazywania energii w sprężarce. Moc rozwijana przez turbinę napędza sprężarkę i osprzęt, taki jak pompy paliwowe, olejowe i hydrauliczne, które są napędzane przez przekładnię osprzętu.

DyszaEdit

Po przejściu przez turbinę gazy rozprężają się przez dyszę wylotową, wytwarzając strumień o dużej prędkości. W dyszy konwergentnej przewody stopniowo zwężają się do gardzieli. Współczynnik ciśnienia w dyszy turboodrzutowca jest na tyle wysoki przy wyższych ustawieniach ciągu, że powoduje dławienie się dyszy.

Jeśli jednak zamontowana jest zbieżno-dywergencyjna dysza de Lavala, sekcja dywergencyjna (zwiększająca powierzchnię przepływu) pozwala gazom osiągnąć prędkość naddźwiękową w sekcji dywergencyjnej. Dodatkowy ciąg jest generowany przez wyższą prędkość wylotową.

Zwiększanie ciąguEdit

Siła ciągu była najczęściej zwiększana w turboodrzutowcach za pomocą wtrysku wody/metanolu lub dopalania spalin.Niektóre silniki wykorzystywały obie te metody jednocześnie.

Wtrysk cieczy był testowany w Power Jets W.1 w 1941 r. Początkowo stosowano amoniak, a następnie wodę, a potem metanol. System do wypróbowania tej techniki w Glosterach E.28/39 został opracowany, ale nigdy nie został zamontowany.

DopalaczEdit

An afterburner or „reheat jetpipe” is a combustion chamber added to reheat the turbine exhaust gases. Zużycie paliwa jest bardzo duże, zwykle czterokrotnie większe niż w silniku głównym. Dopalacze są stosowane prawie wyłącznie w samolotach naddźwiękowych, z których większość to samoloty wojskowe. Dwa naddźwiękowe samoloty pasażerskie, Concorde i Tu-144, również używały dopalaczy, podobnie jak White Knight firmy Scaled Composites, samolot transportowy dla eksperymentalnego suborbitalnego statku kosmicznego SpaceShipOne.

Dopalacz został wypróbowany w locie w 1944 r. na silnikach W.2/700 w samolocie Gloster Meteor I.

.