Здравейте всички! В тази статия искам да говоря за това как работят самолетните газотурбинни двигатели (GTE). Ще се опитам да го направя възможно най-прост и разбираем.
Авиационните газотурбинни двигатели могат да бъдат разделени на:
- турбореактивни двигатели (TRD)
- двуконтурни турбореактивни двигатели (TRDD)
- Турбовитлови двигатели (TVD)
- Турбовалови двигатели (TVAD)
Освен това турбовентилаторните двигатели и турбовентилаторните двигатели могат да съдържат камера за допълнително изгаряне, в който случай те ще бъдат съответно турбовентилаторни и турбовентилаторни двигатели. В тази статия няма да ги разглеждаме.
Да започнем с турбореактивните двигатели.
Турбореактивни двигатели
Този тип двигател е създаден през първата половина на 20 век и започва да се използва широко в края на Втората световна война. Първият сериен турбореактивен самолет в света е германският Me.262. Турбовентилаторните двигатели бяха популярни до 60-те години, след което започнаха да бъдат заменени от турбовентилаторни двигатели.
Съвременна снимка на Me-262, направена през 2016 г
Най-простият турбореактивен двигател включва следните елементи:
- входно устройство
- компресор
- горивна камера
- Турбина
- Струйна дюза (по-нататък просто дюза)
Можем да кажем, че това е минималният набор за нормална работа на двигателя.
Сега нека да видим какво е необходимо и защо.
Входното устройство е разширяващ се* канал, в който въздухът се подава към компресора и се компресира предварително. При него кинетичната енергия на входящия въздух се преобразува частично в налягане.
*по-нататък ще говорим за дозвукови скорости. При свръхзвукова скорост физиката се променя и там всичко е съвсем различно.
Компресорът е устройство, което повишава налягането на въздуха. Компресорът може да се характеризира с такава стойност като степента на повишаване на налягането. При съвременните двигатели вече започва да преминава над 40 единици. Освен това температурата в него се повишава (може би някъде до 400 градуса по Целзий).
Горивната камера е устройство, в което се подава топлина към сгъстения въздух (след компресора) поради изгарянето на гориво. Температурата в горивната камера е много висока, може да достигне 2000 градуса по Целзий. Може да ви се струва, че налягането на газа в камерата също се увеличава значително, но това не е така. Теоретично се приема, че подаването на топлина се извършва при постоянно налягане. В действителност той пада малко поради загуби (проблемът с несъвършения дизайн).
Турбината е устройство, което преобразува част от енергията на газа след горивната камера в енергия за задвижване на компресора. Тъй като турбините се използват не само в авиацията, може да се даде по-общо определение: това е устройство, което преобразува вътрешната енергия на работната течност (в нашия случай работната течност е газ) в механична работа на вала. Както можете да разберете, турбината и компресорът са на един вал и са здраво свързани помежду си. Ако има увеличение на налягането на газа в компресора, тогава в турбината, напротив, има намаление, тоест газът се разширява.
Дюза - стесняващ се канал, в който потенциалната енергия на газа се преобразува в кинетична енергия (останалата енергия на газа след турбината). Както при турбина, газът се разширява в дюзата. Образува се струя, която, излизайки от дюзата, движи самолета.
Подредихме основните елементи. Но все още не е много ясно как работи? Тогава нека го направим отново и за кратко.
Въздухът от атмосферата влиза във входа, където леко се компресира и влиза в компресора. В компресора налягането на въздуха се повишава още повече, температурата също се повишава. След компресора въздухът влиза в горивната камера и, смесвайки се с горивото там, се запалва, което води до силно повишаване на температурата, при, може да се каже, постоянно налягане. След горивната камера горещият сгъстен газ постъпва в турбината. Част от енергията на газа се изразходва за въртене на компресора от турбината (за да може да изпълнява описаната по-горе функция), другата част от енергията се изразходва за движението на самолета, който ни е необходим, поради фактът, че газът, преминавайки през турбината, се превръща в струен поток в дюзата и излиза от нея (дюзата) в атмосферата. Това завършва цикъла. Разбира се, в действителност всички процеси на цикъла протичат непрекъснато.
Този цикъл се нарича цикъл на Брайтън или термодинамичен цикъл с непрекъснат работен процес и входяща топлина при постоянно налягане. Всички газотурбинни двигатели работят по този цикъл.
Цикъл на Брайтън в PV координати
H-B - процес на компресия във входното устройство
V-K - процес на компресия в компресор
K-G - изобарно топлоснабдяване
G-T - процесът на разширяване на газа в турбината
G-S - процесът на разширяване на газа в дюзата
С-Н - изобарно отвеждане на топлина в атмосферата
Схематичен дизайн на турбореактивен двигател, където 0-0 е оста на двигателя
TRD може да има два вала. В този случай компресорът се състои от компресор с ниско налягане (LPC) и компресор с високо налягане (HPC), а работата ще бъде осигурена от турбина с ниско налягане (LPT) и турбина с високо налягане (HPT) , съответно. Такава схема е по-благоприятна газодинамично.
Истински двигател от този вид в контекста
Разгледахме принципа на работа на най-простата схема на авиационен газотурбинен двигател. Естествено, на съвременните Airbus и Boeing се монтират турбовентилаторни двигатели, чийто дизайн е значително по-сложен, но всичко работи по същите закони. Нека да ги разгледаме.
Двуконтурен турбореактивен двигател
Турбовентилаторният двигател, на първо място, се различава от турбовентилаторния двигател по това, че има две вериги: външна и вътрешна. Вътрешната верига съдържа същото нещо като турбореактивен двигател: компресор (разделен на LPC и HPP), горивна камера, турбина (разделена на HPP и LPT) и дюза. Външният контур е канал, с дюза в края. Няма нито горивна камера, нито турбина. Преди двата кръга (непосредствено след входа на двигателя) има компресорно стъпало, работещо и в двата кръга.
Това не е много ясна картина, нали? Нека да разберем как работи.
Схематично проектиране на двувалов байпасен турбореактивен двигател
Въздухът, влизащ в двигателя, преминавайки през първата степен на компресора с ниско налягане, се разделя на два потока. Една част от въздуха протича по вътрешната верига, където протичат същите процеси, които бяха описани при разглобяването на турбореактивния двигател. Втората част от въздуха навлиза във външната верига, получавайки енергия от първия етап на LPC (този, който работи на две вериги). Във външната верига въздушната енергия се изразходва само за преодоляване на хидравлични загуби (поради триене). В края този въздух навлиза в дюзата на външния контур, създавайки огромна тяга. Тягата, създадена от външната верига, може да представлява 80% от тягата на целия двигател.
Една от най-важните характеристики на турбовентилаторния двигател е байпасното отношение. Коефициентът на байпас е съотношението на въздушния поток във външния контур към въздушния поток във вътрешния контур. Това число може да бъде по-голямо или по-малко от едно. При съвременните двигатели този брой надвишава 12 единици.
Двигателите с байпасно съотношение повече от две обикновено се наричат турбовентилаторни двигатели, а първата степен на компресора (този, който работи в двете вериги) се нарича вентилатор.
Boeing 757-200 турбовентилаторен двигател. Входното устройство и вентилаторът се виждат на преден план.
При някои двигатели вентилаторът се задвижва от отделна турбина, която е разположена най-близо до дюзата на вътрешната верига. Тогава двигателят се оказва тривалов. Например, по тази схема са направени двигателите Rolls Royce RB211 (монтирани на L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Як-42)
Д-18Т в разрез отвътре
Основното предимство на турбовентилаторния двигател е възможността за създаване на висока тяга и добра ефективност в сравнение с турбореактивните двигатели.
На това бих искал да завърша за турбовентилаторния двигател и да премина към следващия тип двигател - театърът.
Турбовитлови двигатели
Турбовитловият двигател, подобно на турбореактивния, е газотурбинен двигател. И работи почти като турбореактивен. Основният турбовитлов двигател се състои от елементи, които вече са ни познати: компресор, горивна камера, турбина и дюза. Към тях се добавя скоростна кутия и винт.
Принципът на работа е същият като този на турбореактивния двигател, с тази разлика, че почти цялата енергия на газа се изразходва в турбината за въртене на компресора и за въртене на витлото през скоростната кутия (тук витлото и скоростната кутия са на едно и също вал като компресор). Витлото създава по-голямата част от тягата. Останалата част от енергията след турбината се насочва в дюзата, образувайки реактивна тяга, но тя е малка, може да бъде една десета от общата. Скоростната кутия в тази схема е необходима, за да се намали скоростта и да се предаде въртящият момент, тъй като турбината може да се върти с много висока честота, например 10000 1500 оборота в минута, но витлото се нуждае само от XNUMX. А витлото е доста тежко.
Схематичен дизайн на театъра
Но има и друга схема на турбовитлови двигатели: със свободна турбина.
Същността му е, че зад обикновената компресорна турбина е монтирана отделна турбина, която не е механично свързана с компресорната турбина. Такава турбина се нарича свободна. Връзката между компресорната турбина и свободната турбина е само газодинамична. От свободната турбина има отделен вал, на който е монтирана скоростна кутия с витло. Всичко останало работи както в първия случай. Повечето съвременни двигатели са проектирани точно по този начин. Едно от предимствата на тази схема е възможността двигателят да се използва на земята като спомагателна силова единица (APU), без да се задвижва витлото.
Схематичен дизайн на турбовитлов двигател със свободна турбина
Искам да отбележа, че не трябва да гледаме на турбовитловите двигатели като на неефективна реликва от миналото. Няколко пъти съм чувал такива твърдения, но те не са верни.
Турбовитловият двигател в някои случаи има най-висока ефективност, като правило, на самолети с не много високи скорости (например при 500 км / ч), освен това самолетът може да бъде с впечатляващи размери. В този случай един турбовитлов двигател може да бъде многократно по-рентабилен от горепосочения турбореактивен двигател.
На това за турбовитловите двигатели можете да завършите. Бавно се приближихме до концепцията за турбовалов двигател.
турбовален двигател
Това е може би първият път, когато повечето читатели тук чуват такова име. Този тип двигател е инсталиран на хеликоптери.
Турбоваловият двигател е много подобен на турбовитлов двигател със свободна турбина. Също така се състои от компресор, горивна камера, компресорна турбина, след това има свободна турбина, свързана с всички предишни само газодинамично. Но такъв двигател не създава реактивна тяга, той няма реактивна дюза, а само изгорели газове. Свободната турбина има собствен вал, който е свързан към главната скоростна кутия на хеликоптера (основния ротор). Да, всички хеликоптери, които познавам, имат такава скоростна кутия и като правило е с внушителни размери. Факт е, че скоростта на главния ротор на хеликоптера е много ниска. Ако един самолет, както писах по-горе, те могат да достигнат 1500 оборота в минута, тогава хеликоптерът, например Ми-8, има само 193 оборота в минута.
А оборотите на двигателя на хеликоптера често са много високи (поради малкия му размер) и те трябва да бъдат намалени сто или повече пъти. Случва се скоростната кутия да е монтирана както на двигателя, така и на самия хеликоптер, например на Mi-2 и неговия двигател GTD-350.
Схематично проектиране на турбовалов двигател
Двигател TV3-117 от хеликоптер Ми-8. Отдясно се виждат изпускателната тръба и задвижващият вал
И така, разгледахме четири вида газотурбинни двигатели. Надявам се текстът ми да е бил ясен и полезен за вас. Всички въпроси и коментари могат да бъдат написани в коментарите.
Благодаря ви за вниманието.
Източник: www.habr.com
