Здравейте на всички! В тази статия ще ви разкажа как работят авиационните газотурбинни двигатели (ГТД). Ще се опитам да направя това на най-разбираем и прост език.
Авиационните ГТД могат да се разделят на:
- турбореактивни двигатели (ТРД)
- двукамерни турбореактивни двигатели (ТРДД)
- Турбовинтови двигатели (ТВД)
- Турбовални двигатели (ТВаД)
Освен това, ТРД и ТРДД могат да съдържат форсажни камери, в такъв случай 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 произведен турбореактивен самолет беше германският Me.262. ТРД бяха популярни до 60-те години, след което започнаха да бъдат заменяни 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 (в бъдеще просто сопло)
Може да се каже, че това е минималният набор за нормална работа на двигателя.
А сега нека разгледаме какво е необходимо и защо.
Входното устройство е разширяващ се канал, в който се доставя въздух към компресора и се предврително сгъстява. В него кинетичната енергия на постъпващия въздух частично се преобразува в налягане.
*оттук нататък ще говорим за подзвукови скорости. При свръхзвукова скорост физиката се променя, и там всичко е съвсем различно.
Компресорът е устройство, в което се увеличава налягането на въздуха. Компресорът може да се характеризира с величината, известна като степен на увеличаване на налягането. В съвременните двигатели тази стойност вече надвишава 40 единици. Освен това, в него се увеличава температурата (може би до около 400 градуса по Целзий).
Горивна камера — устройство, в което се подава топлина към стиснатия въздух (след компресора) поради горенето на гориво. Температурата в горивната камера е много висока и може да достигне до 2000 градуса по Целзий. Може да ви се стори, че налягането на газа в камерата също силно нараства, но това не е вярно. Теоретично е прието да се счита, че подаването на топлина се извършва при постоянно налягане. В реалността, то леко спада поради загубите (проблемите с недостатъчната конструкция).
Турбина — 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, можем да дадем по-общо определение: това е устройство, което преобразува вътрешната енергия на работното вещество (в нашия случай работното вещество е газ) в механична работа на вала. Както може да сте разбрали, турбината и компресорът са на един вал и са здраво свързани помежду си. Ако при компресора се наблюдава повишаване на налягането на газа, то при турбината, напротив, налягането намалява, тоест газът се разширява.
Сопло — свиващ се канал, в който се извършва преобразуване на потенциалната енергия на газа в кинетична (останалата енергия на газа след турбината). Както при турбината, в соплото също се извършва разширение на газа. Получава се струя, която, изтичайки от соплото, движи самолета.
Разгледахме основните елементи. Но все пак не е много ясно как работи? Тогава нека го прегледаме отново и накратко.
Въздухът от атмосферата попада във входното устройство, където малко се компресира и попада в компресора. В компресора налягането на въздуха нараства още повече, нараства и температурата. След компресора въздухът попада в камерата за горене и, смесвайки се с горивото, се запалва, което води до значително увеличение на температурата, при практически постоянен натиск. След камерата за горене горещият компресиран газ попада в турбината. Част от енергията на газа се използва за въртене на компресора от турбината (за да може да изпълнява функцията си, описана по-горе), а друга част от енергията се използва за необходимото движение на самолета, поради факта, че газът, преминавайки през турбината, се преобразува в реактивна струя в соплото и излиза от него в атмосферата. На този етап цикълът завършва. Разбира се, в реалността всички процеси в цикъла протичат непрекъснато.
Този цикъл се нарича цикъл на Брайтън или термодинамичен цикъл с непрекъснат характер на работния процес и подаване на топлина при постоянно налягане. По такъв цикъл работят всички ГТД.
Цикъл на Брайтън в P-V координати
Н-В — процес на компресиране в входното устройство
В-К — процес на компресиране 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 соплото
С-Н — изобаричен отвод на топлина в атмосферата
Схематична конструкция на турбореактивен 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 подаването на работа ще се извършва от турбина с ниско налягане (ТНД) и турбина с високо налягане (ТВД) съответно. Тази схема е по-изгодна газодинамично.
Реален двигател от този вид в разрез
Разгледахме принципа на работа на най-простата схема на авиационен газотурбинен двигател. Естествено, на съвременните „Еърбъс“ и „Боинги“ се монтират ТРДД, чиято конструкция е значително по-сложна, но работят по същите закони. Нека ги разгледаме.
Двуконтурен турбореактивен двигател
ТРДД, преди всичко, се различава от ТРД, тъй като има два контура: външен и вътрешен. Вътрешният контур съдържа същото като ТРД: компресор (разделен на КНД и КВД), камера за горене, турбина (разделена на ТВД и ТНД) и сопло. Външният контур представлява канал с сопло в края. В него няма камера за горене или турбина. Преди двата контура (веднага след входното устройство на двигателя) стои стадий на компресора, работещ за двата контура.
Не особено ясна картина, нали? Нека разберем как работи.
Схематична конструкция на двувален двуконтурен турбореактивен двигател.
Въздухът, който навлиза в двигателя, след като премине през първия стадий на компресора с ниско налягане, се разделя на два потока. Едната част от въздуха преминава по вътрешния контур, където се извършват същите процеси, които описахме при разглеждане на ТРД. Втората част от въздуха попада във външния контур, получавайки енергия от първия стадий на КНД (този, който работи за двата контура). Във външния контур енергията на въздуха се използва само за преодоляване на хидравличните загуби (поради триене). В края въздухът попада в соплото на външния контур, генерирайки огромна тяга. Тягата, създадена от външния контур, може да представлява 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 във външния контур към разхода на въздух във вътрешния контур. Това число може да бъде както по-голямо, така и по-малко от единицата. При съвременните двигатели това число надвишава стойност от 12 единици.
Двигателите, чиято степен на двуконтурност е по-голяма от две, обикновено се наричат турбовентилаторни, а първият стадий на компресора (онзи, който работи за двата контура) е 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, поставена най-близо до соплото на вътрешния контур. Тогава двигателят става тривален. Например, двигателите Rolls Royce RB211 (монтирани на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42) са изпълнени по тази схема.
Д-18Т в разрез отвътре.
Основното предимство на ТРДД е възможността за създаване на висока тяга и добра икономичност в сравнение с ТРД.
С това искам да приключа темата за ТРДД и да премина към следващия вид двигатели — ТВД.
Турбовинтови двигатели
Турбовинтовият двигател, подобно на турбореактивния, принадлежи към газотурбинните двигатели. Работи почти като турбореактивния. Елементарният турбовинтов двигател се състои от вече познатите ни елементи: компресор, камера за горивото, турбина и сопло. Към тях се добавят редуктор и винт.
Принципът на работа е същият като при турбореактивния двигател, с разликата, че почти цялата енергия на газа се използва за въртене на компресора чрез турбината и за въртене на винта през редуктора (тук винтът и редуктора са на един вал с компресора). Винтът генерира основната част от тягата. Останалата част от енергията след турбината се насочва в соплото, образувайки реактивна тяга, но тя е малка, може да е една десета от общата. Редукторът в тази схема е необходим, за да намали оборотите и да предаде момента, тъй като турбината може да работи с много висока честота, например 10,000 оборота в минута, а на винта му трябват само 1,500. И винтът е доста тежък.
Схематична конструкция на ТВД
Но има и друга схема на турбовинтовите двигатели: със свободна турбина.
Същността на схемата е, че зад обичайната турбина на компресора е разположена отделна турбина, която не е механически 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 поставят редуктор и винт. Всичко останало работи по същия начин, както и в първия случай. Повечето съвременни двигатели са проектирани точно по такава схема. Едно от предимствата на тази схема е възможността двигателят да се използва 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 се възприемат турбовинтовите двигатели като неефективен остатък от миналото. Няколко пъти съм чувал такива изказвания, но те са неверни.
Турбовинтовият двигател в някои случаи притежава най-високия КПД, обикновено при самолети с не толкова високи скорости (например, на 500 км/ч), при което самолетът може да бъде внушителен по размери. В такъв случай, турбовинтовият двигател може да бъде многократно по-изгоден в сравнение с предишно разгледания турбореактивен двигател.
На това завършваме темата за турбовинтовите двигатели. Постепенно се насочваме към понятието за турбовален двигател.
Турбовален двигател
Явно, повечето читатели тук чуват за такова название за първи път. Този тип двигатели се инсталира на хеликоптери.
Турбовален двигател е много подобен на турбовинтовия двигател със свободна турбина. Той също така се състои от компресор, горивна камера, турбина на компресора, след което следва свободна турбина, свързана с всичко предишно само газодинамически. Такъв двигател не генерира реактивна тяга, няма реактивен сопло, само отработени газове. Свободната турбина има свой вал, който се свързва с главния редуктор на хеликоптера (на въртящото се перо). Да, всички известни ми хеликоптери имат такъв редуктор и обикновено той е внушителен по размери. Факт е, че оборотите на въртящото се перо на хеликоптера са много ниски. Ако при самолета, както написах по-горе, те могат да достигнат 1500 об/мин, то при хеликоптера, например при Ми-8, са само 193 об/мин.
А оборотите на двигателя при хеликоптера често са много високи (поради малките размери), и ги трябва да се понижават стотици и повече пъти. Случва се така, че редукторът стои както на двигателя, така 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. Вдясно се виждат отработената тръба и задвижващия вал
И така, разгледахме четири типа газотурбинни двигатели. Надявам се, текста ми е бил понятен и полезен за вас. Всички въпроси и коментари можете да пишете в коментарите.
Благодаря ви за вниманието.
Източник: habr.com
