Здравейте! В тази статия искам да ви разкажа как работят авиационните газотурбинни двигатели (ГТД). Ще се опитам да го направя на най-прост и разбираем език.
Авиационните ГТД могат да се разделят на:
- турбореактивни двигатели (ТРД)
- двуканални турбореактивни двигатели (ТРДД)
- Турбовинтови двигатели (ТВД)
- Турбовални двигатели (ТВаД)
Освен това, ТРД и ТРДД могат да съдържат в себе си форсажна камера, в такъв случай те ще бъдат ТРДФ и ТРДДФ съответно. В тази статия няма да ги разглеждаме.
Нека започнем с турбореактивните двигатели.
Турбореактивни двигатели
Този тип двигатели беше създаден през първата половина на 20-ти век и започна да се използва масово към края на Втората световна война. Първият в света серийно произвеждан турбореактивен самолет беше немският Me.262. ТРД бяха популярни до 60-те години, след което започнаха да бъдат заместени от ТРДД.
Съвременна снимка на Me-262, направена през 2016 година
Най-простият турбореактивен двигател включва следните елементи:
- Входно устройство
- Компресор
- Камера за горене
- Турбина
- Реактивно сопло (по-долу просто сопло)
Може да се каже, че това е минималният комплект за нормалната работа на двигателя.
А сега нека разгледаме какво е необходимо и защо.
Входното устройство е разширяващ се* канал, в който се подава въздух към компресора и извършва предварително сжатие. В него кинетичната енергия на входящия въздух частично се преобразува в налягане.
*тук и по-надолу ще говорим за подзвукови скорости. При надзвукова скорост физиката се променя и там всичко е съвсем различно.
Компресорът е устройство, в което се повишава налягането на въздуха. Компресорът може да се характеризира с такава величина, като степен на повишаване на налягането. В съвременните двигатели тя вече започва да надвишава 40 единици. Освен това, в него се увеличава температурата (може би, някъде до 400 градуса по Целзий).
Камера на горене е устройство, към което стиснатият въздух (след компресора) получава топлина от горенето на горивото. Температурата в камерата на горене е много висока и може да достигне 2000 градуса по Целзий. Може да ви се стори, че налягането на газа в камерата също силно се увеличава, но всъщност не е така. Теоретично се приема, че топлината се подава при постоянно налягане. В действителност обаче то леко намалява поради загуби (проблемът с недостига на конструкцията).
Турбината е устройство, което преобразува част от енергията на газа след камерата на горене в енергия за задвижване на компресора. Тъй като турбините се използват не само в авиацията, можем да дадем по-общо определение: това е устройство, което преобразува вътрешната енергия на работното тяло (в нашия случай работното тяло е газ) в механична работа на вала. Както можете да разберете, турбината и компресорът са на един вал и са здраво свързани помежду си. Когато в компресора се повишава налягането на газа, в турбината, обратното, се понижава, тоест газът се разширява.
Соплото е стесняващ се канал, в който се извършва преобразуването на потенциалната енергия на газа в кинетична (оставеният запас от енергия на газа след турбината). Подобно на турбината, в соплото газът се разширява. Създава се струя, която, изтичайки от соплото, движи самолета.
С основните елементи се запознахме. Но все пак не е много ясно как работи всичко това? Тогава нека да разгледаме отново накратко.
Въздушният поток от атмосферата прониква в входното устройство, където леко се компресира и влиза в компресора. В компресора налягането на въздуха се увеличава още повече, а температурата също нараства. След компресора въздухът попада в горивната камера и, смесвайки се с горивото, запалва, което води до значително повишаване на температурата, при почти постоянен натиск. След горивната камера горещият сжат газ постъпва в турбината. Част от енергията на газа се използва за завъртане на компресора от турбината (така че да може да изпълнява функцията си, описана по-горе), а друга част от енергията се изразходва за движението на самолета, понеже газът, преминавайки през турбината, се преобразува в реактивна струя, която избухва от дюзата в атмосферата. Така цикълът завършва. Разбира се, в реалността всичките процеси на цикъла протичат непрекъснато.
Този цикъл се нарича цикъл на Брайтън или термодинамичен цикъл с непрекъснат характер на работния процес и подвод на топлина при постоянно налягане. Всички газотурбинни двигатели работят по такъв цикъл.
Цикълът на Брайтън в P-V координати
Н-В — процес на компресия в входното устройство
В-К — процес на компресия в компресора
К-Г — изобаричен подвод на топлина
Г-Т — процес на разширение на газа в турбината
Г-С — процес на разширение на газа в дюзата
С-Н — изобаричен отвод на топлина в атмосферата
Схематична конструкция на турбореактивния двигател, където 0-0 — оста на двигателя
ТРД може да има и два вала. В такъв случай компресорът се състои от компресор с ниско налягане (КНД) и компресор с високо налягане (КВД), а работният подвод се осъществява от турбина с ниско налягане (ТНД) и турбина с високо налягане (ТВД) съответно. Тази схема е по-изгодна от газодинамична гледна точка.
Реален двигател от такъв вид в разрез
Разгледахме принципа на работа на най-простата схема на авиационен газотурбинен двигател. Естествено, на съвременните "Еърбъси и Боинг-и" се инсталират ТРДД, конструкцията на които е значително по-сложна, но работят по същите закони. Нека да ги разгледаме.
Двуконтурен турбореактивен двигател
ТРДД, прежде всего, се различава от ТРД по това, че има два контура: външен и вътрешен. Вътрешният контур съдържа същото, което има и ТРД: компресор (разделен на КНД и КВД), камера за изгаряне, турбина (разделена на ТВД и ТНД) и сопло. Външният контур представлява канал с сопло в края. В него няма нито камера за изгаряне, нито турбина. Преди двата контура (веднага след входното устройство на двигателя) стои стъпка компресор, работеща на двата контура.
Не много ясна картина се получава, нали? Нека да разберем как работи.
Схематична конструкция на двувалния двуконтурен турбореактивен двигател
Въздушният поток, попадащ в двигателя, след като премине през първата стъпка на компресора с ниско налягане, се разделя на два потока. Едно от течение на въздуха преминава по вътрешния контур, където протичат същите процеси, които бяха описани, когато разглеждахме ТРД. Втората част на въздуха попада във външния контур, получаваща енергия от първата стъпка на КНД (тази, която работи на двата контура). Във външния контур енергията на въздуха се изразходва само за преодоляване на хидравличните загуби (поради триене). Накрая този въздух попада в соплото на външния контур, създавайки огромно тяга. Тягата, създадена от външния контур, може да достигне 80% от тягата на целия двигател.
Една от най-важните характеристики на ТРДД е степента на двуконтурност. Степента на двуконтурност е отношението на разхода на въздух в външния контур към разхода на въздух във вътрешния контур. Това число може да бъде както по-голямо, така и по-малко от единица. При съвременните двигатели това число надвишава стойността от 12 единици.
Двигателите, чиято степен на двуконтурност е по-голяма от две, обикновено се наричат турбовентилаторни, а първата стъпка на компресора (тази, която работи на двата контура) се нарича вентилатор.
ТРДД на самолета Boeing 757-200. На преден план е видно входното устройство и вентилаторът.
При някои двигатели вентилаторът се задвижва от отделна турбина, която е най-близо до соплото на вътрешния контур. Тогава двигателят става тривален. Например, по такова изпълнение са направени двигателите Rolls Royce RB211 (инсталирани на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42).
Д-18Т в разрез отвътре
Основното предимство на ТРДД е възможността за създаване на голямо тягово усилие и добра икономичност в сравнение с ТРД.
С това бих искал да приключа с ТРДД и да премина към следващия вид двигатели — ТВД.
Турбовинтови двигатели
Турбовинтовият двигател, както и турбореактивният, принадлежи към газотурбинните двигатели. Той работи почти като турбореактивния. Основният турбовинов двигател се състои от познатите ни елементи: компресор, камера за горене, турбина и сопло. Към тях се добавят редуктор и винт.
Принципът на работа е същият като при турбореактивния, с разлика в това, че практически всичката газова енергия се използва от турбината за въртене на компресора и за въртене на винта чрез редуктора (тук винтът и редукторът са на един вал с компресора). Винтът създава основната част от тягата. Останалата част, след турбината, енергия се насочва в соплото, образувайки реактивна тяга, но тя е малка и може да съставлява една десета от общата. Редукторът в тази схема е необходим, за да понижи оборотите и да предаде момента, тъй като турбината може да се върти с много висока честота, например, 10000 оборота в минута, а винтът има нужда само от 1500. А винтът е доста тежък.
Схематична конструкция на ТВД
Но съществува и друга схема на турбовинтовите двигатели: със свободна турбина.
Същността е, че след обичайната турбина на компресора се поставя отделна турбина, която не е механично свързана с турбината на компресора. Тази турбина се нарича свободна. Връзката между турбината на компресора и свободната турбина е само газодинамична. От свободната турбина излиза отделен вал, на който се монтира редуктор с винт. Всичко останало работи по същия начин, както и в първия случай. Повечето съвременни двигатели са изградени именно по такава схема. Едно от предимствата на тази схема е възможността за използване на двигателя на земята като помощна силова установка (ВСУ), без да задвижва винта.
Схематична конструкция на ТВД със свободна турбина
Искам да подчертая, че не трябва да гледате на турбовинтовите двигатели като на неефективен остатък от миналото. Чувал съм подобни изказвания няколко пъти, но те са неверни.
Турбовинтовият двигател в някои случаи притежава най-високия КПД, обикновено при самолети с не много високи скорости (например, на 500 км/ч), като същевременно, самолетът може да бъде внушителен. В такъв случай, турбовинтовият двигател може да бъде много по-изгоден в сравнение с разгледания по-рано турбореактивен двигател.
С това можем да завършим темата за турбовинтовите двигатели. Постепенно се доближаваме до понятието за турбовален двигател.
Турбовален двигател
Може би, повечето читатели тук чуват това наименование за първи път. Този тип двигатели се монтират на хеликоптери.
Турбовален двигател е много подобен на турбовинтовия двигател със свободна турбина. Той също така се състои от компресор, камера за горене, турбина на компресора, след което идва свободната турбина, свързана с всичко предходно само газодинамически. Но реактивна тяга такъв двигател не произвежда, няма реактивна сопло, само изпускател. Свободната турбина има собствен вал, който е свързан към главната редуктор на хеликоптера (на носещия винт). Да, всички известни ми хеликоптери разполагат с такъв редуктор и обикновено той е внушителен по размер. Факт е, че оборотите на носещия винт на хеликоптера са много ниски. Докато при самолет, както писах по-горе, те могат да достигат 1500 об/мин, то при хеликоптера, например Ми-8, са едва 193 об/мин.
А оборотите на двигателя на хеликоптера често са много високи (поради малките размери), и трябва да ги намаляваме стотина и повече пъти. Понякога редукторът се намира и на двигателя, и на самия хеликоптер, например, при Ми-2 и неговия двигател ГТД-350.
Схематична конструкция на турбовален двигател
Двигателят ТВ3-117 от хеликоптера Ми-8. Отдясно се виждат изпускателната тръба и задвижващия вал
И така, разгледахме четири типа газотурбинни двигатели. Надявам се, текстът ми да е бил разбираем и полезен за вас. Всички въпроси и коментари можете да пишете в коментарите.
Благодаря за вниманието.
Източник: habr.com
