Форсажная камера ( или повторный нагрев в британском английском) — это дополнительный компонент сгорания, используемый в некоторых реактивных двигателях , в основном на военных сверхзвуковых самолетах . Его цель — увеличить тягу , как правило, для сверхзвукового полета , взлета и боя . Процесс форсажа впрыскивает дополнительное топливо в камеру сгорания в реактивной трубе позади (т. е. «после») турбины , «повторно нагревая» выхлопной газ. Форсаж значительно увеличивает тягу в качестве альтернативы использованию более крупного двигателя с сопутствующим ему штрафом за вес, но за счет повышенного расхода топлива (снижения топливной эффективности ), что ограничивает его использование короткими периодами. Такое применение «повторного нагрева» в самолетах контрастирует со значением и реализацией «повторного нагрева», применяемого к газовым турбинам, приводящим в движение электрические генераторы, и который снижает расход топлива. [1]
Реактивные двигатели называются работающими на мокром топливе при дожигании и на сухом топливе при его отсутствии. [2] Двигатель, создающий максимальную тягу на мокром топливе, работает на максимальной мощности, в то время как двигатель, создающий максимальную тягу на сухом топливе, работает на военной мощности . [3]
Первым реактивным двигателем с форсажной камерой был вариант E Jumo 004. [4 ]
Тяга реактивного двигателя — это применение принципа реакции Ньютона, в котором двигатель создает тягу, поскольку он увеличивает импульс проходящего через него воздуха. [5] Тяга зависит от двух вещей: скорости выхлопного газа и массы газа, выходящего из сопла. Реактивный двигатель может создавать большую тягу, либо разгоняя газ до более высокой скорости, либо выбрасывая большую массу газа из двигателя. [6] Проектирование базового турбореактивного двигателя вокруг второго принципа создает турбовентиляторный двигатель, который создает более медленный газ, но его больше. Турбореактивные двигатели очень экономичны и могут обеспечивать высокую тягу в течение длительных периодов времени, но компромиссом при проектировании является большой размер по отношению к выходной мощности. Создание повышенной мощности с более компактным двигателем в течение коротких периодов времени может быть достигнуто с помощью форсажной камеры. Форсажная камера увеличивает тягу в первую очередь за счет ускорения выхлопного газа до более высокой скорости. [7]
Приведенные ниже значения и параметры относятся к раннему реактивному двигателю Pratt & Whitney J57 , неподвижному на взлетно-посадочной полосе [8], и иллюстрируют высокие значения расхода топлива в форсажной камере, температуры газа и тяги по сравнению с показателями двигателя, работающего в пределах температурных ограничений его турбины.
Самая высокая температура в двигателе (около 3700 °F (2040 °C) [9] ) возникает в камере сгорания, где топливо сжигается (приблизительно со скоростью 8520 фунтов/ч (3860 кг/ч)) в относительно небольшой доле воздуха, поступающего в двигатель. Продукты сгорания должны быть разбавлены воздухом из компрессора, чтобы снизить температуру газа до определенного значения, известного как температура на входе в турбину (TET) (1570 °F (850 °C)), что обеспечивает турбине приемлемый срок службы. [10] Необходимость значительного снижения температуры продуктов сгорания является одним из основных ограничений на то, сколько тяги может быть создано (10200 фунтов- сил (45000 Н)). Сжигание всего кислорода, подаваемого ступенями компрессора, создало бы температуры (3700 °F (2040 °C)) достаточно высокие, чтобы значительно ослабить внутреннюю структуру двигателя, но путем смешивания продуктов сгорания с несгоревшим воздухом из компрессора при (600 °F (316 °C)) значительное количество кислорода ( соотношение топлива и воздуха 0,014 по сравнению со значением без остатка кислорода 0,0687) все еще доступно для сжигания больших объемов топлива (25 000 фунтов/ч (11 000 кг/ч)) в форсажной камере. Температура газа снижается по мере прохождения через турбину (до 1013 °F (545 °C)). Камера сгорания форсажной камеры повторно нагревает газ, но до гораздо более высокой температуры (2540 °F (1390 °C)), чем TET (1570 °F (850 °C)). В результате повышения температуры в камере сгорания форсажной камеры газ ускоряется, сначала за счет добавления тепла, известного как поток Рэлея , а затем соплом до более высокой скорости на выходе, чем та, которая происходит без форсажной камеры. Массовый расход также немного увеличивается за счет добавления топлива форсажной камеры. Тяга с форсажной камерой составляет 16 000 фунтов силы (71 000 Н).
Видимый выхлоп может показывать ударные алмазы , которые вызваны ударными волнами, образованными из-за небольших различий между давлением окружающей среды и давлением выхлопных газов. Это взаимодействие вызывает колебания диаметра выхлопной струи на коротком расстоянии и вызывает видимые полосы там, где давление и температура самые высокие.
Тягу можно увеличить за счет сжигания топлива в холодном контуре турбовентиляторного двигателя, а не в смешанных холодных и горячих потоках, как в большинстве турбовентиляторных двигателей с форсажной камерой.
Ранний турбовентиляторный двигатель с форсированным двигателем Pratt & Whitney TF30 использовал отдельные зоны горения для обводного и основного потоков с тремя из семи концентрических распылительных колец в обводном потоке. [11] Для сравнения, в форсажном двигателе Rolls-Royce Spey использовался двадцатижильный смеситель перед топливными коллекторами.
Сжигание в камере сгорания (PCB) было частично разработано для двигателя с векторной тягой Bristol Siddeley BS100 для Hawker Siddeley P.1154 , пока программа не была отменена в 1965 году. Холодный байпас и потоки горячего ядра были разделены между двумя парами сопел, спереди и сзади, таким же образом, как у Rolls-Royce Pegasus , и топливо сжигалось в воздухе вентилятора до того, как оно покидало передние сопла. Это дало бы большую тягу для взлета и сверхзвуковые характеристики в самолете, похожем на Hawker Siddeley Harrier , но больше, чем он . [12]
Канальный подогрев использовался компанией Pratt & Whitney для их предложения по турбовентиляторному самолету JTF17 для Программы сверхзвукового транспорта США в 1964 году, и был запущен демонстрационный двигатель. [13] Канальный подогреватель использовал кольцевую камеру сгорания и должен был использоваться для взлета, набора высоты и крейсерского полета на скорости 2,7 Маха с различной степенью усиления в зависимости от веса самолета. [14]
Форсажная камера реактивного двигателя представляет собой расширенную выхлопную секцию, содержащую дополнительные топливные инжекторы. Поскольку реактивный двигатель выше по потоку (т. е. перед турбиной) будет использовать мало кислорода, который он поглощает, дополнительное топливо может сжигаться после того, как поток газа покинет турбины. Когда форсажная камера включена, топливо впрыскивается и зажигаются воспламенители. Результирующий процесс сгорания увеличивает температуру на выходе форсажной камеры ( вход в сопло ), что приводит к значительному увеличению тяги двигателя. В дополнение к увеличению температуры застоя на выходе форсажной камеры , также увеличивается массовый расход сопла (т. е. массовый расход на входе форсажной камеры плюс эффективный расход топлива форсажной камеры), но уменьшается давление застоя на выходе форсажной камеры (из-за фундаментальных потерь из-за нагрева плюс потерь на трение и турбулентность).
Результирующее увеличение выходного объема форсажной камеры достигается за счет увеличения площади горловины выходного сопла. В противном случае, если давление не сбрасывается, газ может течь вверх по потоку и повторно воспламеняться, что может привести к остановке компрессора (или помпажу вентилятора в турбовентиляторном применении). Первые конструкции, например, форсажные камеры Solar, используемые на F7U Cutlass, F-94 Starfire и F-89 Scorpion, имели двухпозиционные сопла век. [15] Современные конструкции включают в себя не только сопла с изменяемой геометрией (VG), но и несколько ступеней усиления через отдельные распылительные стержни.
В первом приближении отношение полной тяги (форсажная/сухая) прямо пропорционально корню из отношения температур торможения в форсажной камере (т.е. на выходе/входе).
Из-за высокого расхода топлива форсажные камеры используются только для кратковременных, высокотяговых задач. К ним относятся взлеты с тяжелым весом или с короткой взлетно-посадочной полосы, помощь в катапультных запусках с авианосцев и во время воздушного боя . Заметным исключением является двигатель Pratt & Whitney J58, используемый в SR-71 Blackbird , который использовал свою форсажную камеру в течение длительного времени и дозаправлялся в полете в рамках каждой разведывательной миссии.
Дожигатель имеет ограниченный срок службы, соответствующий его периодическому использованию. J58 был исключением с непрерывным рейтингом. Это было достигнуто с помощью термобарьерных покрытий на вкладыше и держателях пламени [16] и путем охлаждения вкладыша и сопла воздухом, отбираемым из компрессора [17], вместо выхлопных газов турбины.
В тепловых двигателях, таких как реактивные двигатели, КПД наиболее высок, когда сгорание происходит при максимально возможном давлении и температуре, а затем распространяется вплоть до давления окружающей среды (см. цикл Карно ).
Поскольку выхлопной газ уже имеет пониженное содержание кислорода из-за предыдущего сгорания, и поскольку топливо не горит в сильно сжатом воздушном столбе, дожигатель, как правило, неэффективен по сравнению с основным процессом сгорания. Эффективность дожигателя также значительно снижается, если, как это обычно бывает, давление на входе и в выхлопной трубе уменьшается с увеличением высоты. [ необходима цитата ]
Это ограничение касается только турбореактивных двигателей. В боевом турбовентиляторном двигателе военного назначения воздух байпаса добавляется в выхлоп, тем самым увеличивая эффективность ядра и форсажной камеры. В турбореактивных двигателях прирост ограничен 50%, тогда как в турбовентиляторном он зависит от степени двухконтурности и может достигать 70%. [18]
Однако в качестве контрпримера можно привести тот факт, что SR-71 имел приемлемую эффективность на большой высоте в режиме форсажа («мокрого») благодаря своей высокой скорости ( 3,2 Маха ) и, соответственно, высокому давлению за счет воздухозаборника .
Дожигание оказывает существенное влияние на выбор цикла двигателя .
Снижение коэффициента давления вентилятора снижает удельную тягу (как сухое, так и влажное дожигание), но приводит к более низкой температуре на входе в форсажную камеру. Поскольку температура на выходе из форсажной камеры фактически фиксирована, [ почему? ] повышение температуры в блоке увеличивается, увеличивая расход топлива в форсажной камере. Общий расход топлива имеет тенденцию увеличиваться быстрее, чем чистая тяга, что приводит к более высокому удельному расходу топлива (SFC). Однако соответствующая сухая мощность SFC улучшается (т. е. более низкая удельная тяга). Высокое отношение температур в форсажной камере приводит к хорошему повышению тяги.
Если самолет сжигает большую часть своего топлива с включенной форсажной камерой, стоит выбрать цикл двигателя с высокой удельной тягой (т. е. высокая степень повышения давления вентилятора/низкая степень двухконтурности ). Полученный двигатель относительно экономичен с форсажной камерой (т. е. боевой/взлетный), но прожорлив по сухой мощности. Если, однако, форсажная камера почти не используется, будет предпочтителен цикл с низкой удельной тягой (низкая степень повышения давления вентилятора/высокая степень двухконтурности). Такой двигатель имеет хорошую сухую SFC, но плохую SFC с форсажной камерой в боевом/взлетном режиме.
Часто конструктору двигателя приходится искать компромисс между этими двумя крайностями.
Реактивный двигатель Caproni Campini CC2 , разработанный итальянским инженером Секондо Кампини , был первым самолетом, включавшим форсажную камеру. Первый полет CC2 с работающими форсажными камерами состоялся 11 апреля 1941 года. [19] [20]
Ранние британские работы по форсажу («повторному нагреву») включали летные испытания на Rolls-Royce W2/B23 в Gloster Meteor I в конце 1944 года и наземные испытания на двигателе Power Jets W2/700 в середине 1945 года. Этот двигатель предназначался для проекта сверхзвукового самолета Miles M.52 . [21]
Ранние американские исследования этой концепции были проведены NACA в Кливленде, штат Огайо, что привело к публикации статьи «Теоретическое исследование увеличения тяги турбореактивных двигателей путем сжигания выхлопных газов» в январе 1947 года. [22]
Американские работы над форсажными камерами в 1948 году привели к их установке на ранних прямокрылых реактивных самолетах, таких как Pirate , Starfire и Scorpion . [23]
Новый турбореактивный двигатель Pratt & Whitney J48 с тягой 8000 фунтов силы (36 кН) с форсажными камерами должен был быть установлен на истребителе Grumman F9F-6 со стреловидным крылом , который собирался поступить в производство. Другие новые истребители ВМС с форсажными камерами включали Chance Vought F7U-3 Cutlass , оснащенный двумя двигателями Westinghouse J46 с тягой 6000 фунтов силы (27 кН) .
В 1950-х годах было разработано несколько больших двигателей с форсажной камерой, таких как Orenda Iroquois и British de Havilland Gyron и Rolls-Royce Avon RB.146. Avon и его варианты устанавливались на English Electric Lightning , первый сверхзвуковой самолет в эксплуатации Королевских ВВС. Bristol-Siddeley/ Rolls-Royce Olympus был оснащен форсажными камерами для использования с BAC TSR-2 . Эта система была спроектирована и разработана совместно Bristol-Siddeley и Solar из Сан-Диего. [24] Система форсажной камеры для Concorde была разработана Snecma .
Форсажные камеры обычно используются только в военных самолетах и считаются стандартным оборудованием на истребителях. Несколько гражданских самолетов, которые их использовали, включают некоторые исследовательские самолеты НАСА , Туполев Ту-144 , Конкорд и Белый рыцарь масштабируемых композитов . Конкорд летал на большие расстояния на сверхзвуковых скоростях. Устойчивые высокие скорости были бы невозможны из-за высокого расхода топлива форсажной камеры, и самолет использовал форсажные камеры при взлете и для минимизации времени, проведенного в режиме трансзвукового полета с высоким сопротивлением . Сверхзвуковой полет без форсажных камер называется суперкрейсерским .
Турбореактивный двигатель , оснащенный форсажной камерой, называется «форсажным турбореактивным двигателем», тогда как турбовентиляторный двигатель, оснащенный аналогичным образом, иногда называют «форсированным турбовентиляторным двигателем». [ необходима цитата ]
« Сброс и сжигание » — это особенность авиашоу, при которой топливо сбрасывается, а затем намеренно поджигается с помощью форсажной камеры. Эффектное пламя в сочетании с высокой скоростью делает это популярным зрелищем для авиашоу или в качестве финала фейерверка . Сброс топлива используется в первую очередь для уменьшения веса самолета, чтобы избежать тяжелой, высокоскоростной посадки. За исключением случаев безопасности или аварийных ситуаций, сброс топлива не имеет практического применения.
