Ещё один интересный факт. Область физики где производится расчёт газотурбинных двигателей - называется гидродинамика.
О нет, там не используют воду, всё намного интереснее.
Дело в том что для газотурбинного двигателя, точнее для его вращающихся частей и внутренних поверхностей - рабочее тело, то-есть воздух, приобретает свойства тягучего киселя. На тех скоростях что ему (воздуху) приходится проходить через весь двигатель - начинают работать совершенно другие законы физики. Когда вполне безобидная для нас масса воздуха имеет больший вес в расчётах чем все остальные параметры.
Начнем с того что перед воздухозаборником двигателя на скорости образуется ударная волна. Она не исчезает бесследно, но многократно используется уже в самом двигателе. Дело в том что ударная волна, как и любая другая волна - имеет минимумы и максимумы давления. Логично использовать максимум для ещё большего уплотнения. Именно там находятся лопатки компрессора, так-же как в области минимума ставят лопатки компенсатора.
Использование локальных зон разности давления позволяет увеличить кпд компрессора до теоретически достижимой величины (1). Правда не во всём диапазоне скоростей и нагрузок, а только там - где формируется правильная ударная волна.
Для того чтобы оперативно подстраивать параметры компрессора - в двигателе применяют подвижные компенсаторы потока. Это лопатки, которые не вращаются на валу, но могут поворачиваться на небольшой угол (все вместе) - тем самым меняя угол атаки.
Интересный факт номер два:
Давление нагнетания в камеру сгорания - ниже чем давление выходного потока. Да, внутри двигателя давление намного больше, чем он выдаёт на выхлопе.
Тут классическая схема тяни-толкай. Чтобы она работала - перевес должен быть на стороне компрессора.
Хоть давление на выхлопе ниже, но зато другой параметр намного выше - скорость исходящего потока. При сгорании топлива воздух расширяется, попутно имея всю ту-же неизменную массу - ударяется о камеру сгорания, которая к выходу заметно сужается. Массе неуда деваться, сзади давит компрессор, с боков стенки камеры, впереди почти выход (заметно более низкое давление).
Происходит ускорение, и при этом охлаждение.
Имея начальную температуру в пять~двадцать тысяч градусов - на выхлопе из камеры сгорания температура опускается до вполне терпимых двух тысяч. А скорость уже сверхзвуковая!!!
Каким макаром при этом не расплавляется нахрен камера сгорания???
А очень просто.
Я уже говорил, что на подобных скоростях воздух как кисель. Вот его и подают малыми порциями прямо под пламя. Заставляя работать изолирующей прокладкой между адским пламенем и нежной нержавейкой. И этот кисель не успевает нагреться!!!
Даже на этом этапе воздух имеет ярко выраженную волновую структуру. Которая после выхлопа из камеры сгорания приобретает почти окончательную форму. Её уже сложно менять, потому как любой предмет который окажется не на своём месте просто сгорит к чертям собачим. А там ещё и температура и скорость... В целом имеем некое подобие адского хлыста, из которого ещё предстоит взять энергию для вращения компрессора.
Этим занимается турбина.
Сия часть газотурбинного двигателя на данный момент - почти произведение искусства. Дело в том что не существует материала способного выдержать такое давление, и температуру - просто не существует.
И по этому придумали использовать то-же самый принцип изоляции что и в камере сгорания - прослойку холодного воздуха. Этот способ защиты применяется на всём пути горячего воздуха, где-то больше, где-то ради галочки.
Но для лопаток турбины этот способ охлаждения единственный.
Дело в том что лопатка полая, имеет несколько воздуховодов для охлаждения, и изготавливается путём литья в керамику. Там достаточно прикольный процесс, который на видео выглядит как простое действие (поиском по ютюбу). Вот чего не показывают - так это средства зонального контроля температуры в печи.
Дело в том что тупо нагреть печь мало. Нужно обеспечить необходимые температуры на разных уровнях печи. Лопатка имеет высоту примерно десять сантиметров, разница в температуре на таких расстояниях примерно 400С.
Дополнительно - точность установки температуры ~30C. А металл лопатки плавится при 1700С (могу ошибаться). Ну то-есть просто бросая уголь в печь таких условий не добиться, хоть тресни.
Вернёмся к турбине.
Лопатки турбины, так-же как лопатки управляемых компенсаторов - располагают в зонах повышенного и пониженного давления. Там после камеры сгорания этого добра хватает с лихвой. Если виртуально разрезать работающий двигатель - то воздух будет в виде слоёного пирога. Где вишнёвой начинкой будет высокая температура и давление.
Не забываем, давление у компрессора выше чем у всего что позади него. Часть воздуха без нагрева используется как прослойка изоляции между горячим потоком и металлом. В самой турбине - проходное сечение немного увеличивается в направлении выхлопа. Это позволяет снизить температуру, а так-же (вот странность) - ещё немного поднять скорость выходного потока.
И вот на выхлопе из турбины имеем сверхзвуковую скорость потока воздуха, перегретого примерно до 700С. На быстрых истребителях выхлоп имеет 10-30 раз превышающий скорость звука выхлоп.
Ну и ваша форсажная камера.
Самое простое и тупое дополнение к двигателю - для досрочного уничтожения топлива.
Дело в том что выхлоп уже сформирован, вторичная его компрессия уже невозможна. Он очень сильно разряжен и имеет дикую скорость. что-бы хоть что-то получилось - его нужно нагреть до планируемых 5000С.
Даже если у вас получится распылить топливо - оно банально не успеет сгореть. По этому топливо горит в обратном направлении, ага именно так.
Топливо вместе с воздухом из компрессора (достаточно холодным и медленным) - пролетает в форсажной камере против "течения", при этом уплотняясь и нагреваясь до бешеных температур. Особый прикол - пролетает не сгорая.
Взрывное горение происходит на выходе из обратной камеры, в месте соприкосновений потоков. Это как точить топор на наждаке, почти полное совпадение физики. Взрывное от того что успевает сгореть за столь короткое время - что тол и гексоген неверно курят с сторонке.
От сгорания повышается температура и давление на выхлопе форсажной камеры, без изменения скорости потока. Обеспечивая ощутимую прибавку к тяге. А так-же красивый факел за двигателем.
Наверное нужно картинки добавить, но мне лень.
yaplakal.com