Ahoj všem! V tomto článku vám chci říct, jak fungují letecké turbínové motory (GTU). Pokusím se to vysvětlit co nejjednodušším a nejpřístupnějším jazykem.
Letecké GTU lze rozdělit na:
- turbojetové motory (TRD)
- dvouokruhové turbojetové motory (TRDD)
- Turbovrtulové motory (TVD)
- Turbokartové motory (TVaD)
Kromě toho mohou TRD a TRDD obsahovat zrychlovací komoru, v takovém případě se budou označovat jako TRDF a TRDDf. V tomto článku se jimi nebudeme zabývat.
Začněme s turbojetovými motory.
Turbojetové motory
Tento typ motorů byl vytvořen v první polovině 20. století a začal se masově uplatňovat na konci druhé světové války. Prvním na světě sériovým turbojetovým letadlem byl německý Me.262. TRD byly populární až do 60. let, poté je začaly nahrazovat TRDD.
Moderní fotografie Me-262, pořízená v roce 2016
Nejjednodušší turbojetový motor se skládá z následujících prvků:
- Vstupní zařízení
- Kompresor
- Spalovací komora
- Turbína
- Tryska (dále jen tryska)
Dalo by se říct, že to je minimální soubor pro normální funkci motoru.
A teď se podívejme, k čemu co slouží a proč.
Vstupní zařízení – to je rozšiřující se kanál, ve kterém dochází k přívodu vzduchu k kompresoru a jeho předběžnému stlačení. V něm se kinetická energie přicházejícího vzduchu částečně mění na tlak.
*tady a dále budeme mluvit o subzvukových rychlostech. Při nadzvukové rychlosti se fyzika mění a všechno je tam zcela jinak.
Kompresor – to je zařízení, ve kterém dochází k zvyšování tlaku vzduchu. Kompresor lze charakterizovat takovou veličinou, jako je stupeň zvyšování tlaku. V moderních motorech už začíná překračovat 40 jednotek. Kromě toho se v něm zvyšuje teplota (může být až 400 stupňů Celsia).
Hořák je zařízení, ve kterém je k stlačenému vzduchu (po kompresoru) přiváděno teplo díky spalování paliva. Teplota v hořáku je velmi vysoká a může dosahovat až 2000 stupňů Celsia. Může se zdát, že tlak plynu v komoře také výrazně stoupá, ale není to tak. Teoreticky se přijímá, že přívod tepla probíhá za konstantního tlaku. Ve skutečnosti mírně klesá kvůli ztrátám (problém nedokonalosti konstrukce).
Turbína je zařízení, které přeměňuje část energie plynu po hořáku na energii pohonu kompresoru. Vzhledem k tomu, že turbíny se používají nejen v letectví, lze dát obecnější definici: je to zařízení, které přeměňuje vnitřní energii pracovního média (v našem případě pracovní médium — to je plyn) na mechanickou práci na hřídeli. Jak jste mohli pochopit, turbína a kompresor jsou na jedné hřídeli a jsou pevně spojeny. Pokud v kompresoru dochází ke zvýšení tlaku plynu, pak v turbíně naopak k poklesu, tedy plyn se expanduje.
Tryska je zúžený kanál, ve kterém dochází k přeměně potenciální energie plynu na kinetickou (zbývající zásoba energie plynu po turbíně). Stejně jako v turbíně dochází v trysce k expanze plynu. Vzniká proud, který, když vychází z trysky, pohání letadlo.
Hlavní prvky jsme probrali. Ale stále není úplně jasné, jak to funguje? Tak pojďme to shrnout ještě jednou a stručně.
Vzduch z atmosféry se dostává do vstupního zařízení, kde se mírně stlačuje a vstupuje do kompresoru. V kompresoru tlak vzduchu ještě více roste a zvyšuje se také teplota. Po kompresoru vzduch prochází spalovací komorou, kde se mísí s palivem, což způsobuje vznícení a vede k výraznému zvýšení teploty při, dalo by se říci, konstantním tlaku. Po spalovací komoře horký stlačený plyn vstupuje do turbíny. Část energie plynu se využívá k otáčení kompresoru turbínou (aby mohl vykonávat svou výše popsanou funkci), další část energie se využívá k pohybu letadla, protože plyn, který prošel turbínou, se mění na tryskový proud ve trysce a uníká z ní do atmosféry. Tím cyklus končí. Samozřejmě, ve skutečnosti probíhají všechny procesy cyklu kontinuálně.
Takový cyklus se nazývá Braytonův cyklus nebo termodynamický cyklus s kontinuálním charakterem pracovního procesu a přívodem tepla při konstantním tlaku. Podle tohoto cyklu pracují všechny GTD.
Braytonův cyklus v P-V souřadnicích
N-V — proces stlačení ve vstupním zařízení
V-K — proces stlačení v kompresoru
K-G — izobarický přívod tepla
G-T — proces expanze plynu v turbíně
G-S — proces expanze plynu v trysce
S-N — izobarický odvod tepla do atmosféry
Schematická konstrukce turbojetového motoru, kde 0-0 je osa motoru
Turbofan může mít i dvě hřídele. V takovém případě se kompresor skládá z kompresoru nízkého tlaku (KNT) a kompresoru vysokého tlaku (KVT), a práci vykonávají turbína nízkého tlaku (TNT) a turbína vysokého tlaku (TVT) v tomto pořadí. Takové schéma je z pohledu plynodynamiky výhodnější.
Skutečný motor tohoto druhu v řezu
Zvažovali jsme princip fungování nejsnazší schématu leteckého gasoturbínového motoru. Samozřejmě, na moderních „Airbusech a Boeingech“ jsou instalovány TDD, jejichž konstrukce je výrazně složitější, ale fungují na stejných zákonech. Pojďme se na ně podívat.
Dvouproudový turbojetový motor
TRDD se především liší od TRD tím, že má dvě oběhy: vnější a vnitřní. Vnitřní oběh obsahuje to samé jako TRD: kompresor (rozdělený na KND a KVD), spalovací komoru, turbínu (rozdělenou na TVD a TND) a trysku. Vnější oběh představuje kanál s tryskou na konci. Není v něm ani spalovací komora, ani turbína. Před oběma oběhy (ihned za vstupním zařízením motoru) se nachází kompresorová stupen, pracující pro oba oběhy.
Vypadá to, že máme poněkud nejasný obrázek, že? Pojďme si to rozebrat, jak to funguje.
Schématická konstrukce dvou hřídelového dvouoběhového turbojet motoru
Vzduch, který vstupuje do motoru, po průchodu první stupněm nízkotlakého kompresoru, se dělí na dva proudy. Jedna část vzduchu jde vnitřním oběhem, kde probíhají ty same procesy, které jsme popisovali při analýze TRD. Druhá část vzduchu jde do vnějšího oběhu, kde získává energii z první stupně KND (té, která pracuje na oba oběhy). Ve vnějším oběhu se energie vzduchu spotřebovává pouze na překonání hydraulických ztrát (v důsledku tření). Na konci tento vzduch vstupuje do trysky vnějšího oběhu, čímž vytváří obrovský tah. Tah vytvářený vnějším oběhem může představovat 80 % tahu celého motoru.
Jednou z nejdůležitějších charakteristik TRDD je míra dvouoběhovosti. Míra dvouoběhovosti je poměr průtoku vzduchu ve vnějším oběhu k průtoku vzduchu ve vnitřním oběhu. Toto číslo může být jak větší, tak menší než jedna. U moderních motorů toto číslo přesahuje hodnotu 12.
Motory, jejichž míra dvouoběhovosti přesahuje dva, se obvykle nazývají turboventilační, a první stupeň kompresoru (ten, který pracuje na oba oběhy) je ventilátor.
TRDD letadla Boeing 757-200. V popředí je vidět vstupní zařízení a ventilátor.
U některých motorů je ventilátor poháněn samostatnou turbínou, která je umístěna nejblíže k trysce vnitřního oběhu. Tak motor vychází jako tříhřídelový. Například podle této schémy byly vyrobeny motory Rolls Royce RB211 (instalovány na L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).
D-18T v řezu zevnitř.
Hlavní výhodou turbovrtulových motorů je schopnost vytvářet vysoký tah a dobré palivové úspory v porovnání s turbojety.
Tímto bych chtěl skončit s turbovrtulovými motory a přejít k dalšímu typu motorů — turbovrtulovým.
Turbovrtulové motory
Turbovrtulový motor, podobně jako turbojet, patří k plynovým turbínovým motorům. Funguje téměř jako turbojet. Základní turbovrtulový motor se skládá z už známých komponentů: kompresoru, spalovací komory, turbíny a trysky. K nim se přidávají převodovka a vrtule.
Princip fungování je stejný jako u turbojetu, s tím rozdílem, že prakticky veškerá energie plynu je využita na pohon turbíny, kompresoru a na otáčení vrtule přes převodovku (vrtule a převodovka jsou na společné hřídeli s kompresorem). Vrtule vytváří většinu tahu. Zbytek energie po turbíně je směřován do trysky, což vytváří reakční tah, ale je malý a může představovat jednu desetinu celkového. Převodovka je v tomto schématu potřebná k redukci otáček a přenosu točivého momentu, protože turbína může běžet na velmi vysokých otáčkách, například 10 000 otáček za minutu, zatímco vrtuli stačí jen 1500. A vrtule je dost těžká.
Schématická konstrukce turbovrtulového motoru
Existuje však i jiná schéma turbovrtulových motorů: se svobodnou turbínou.
Její podstata spočívá v tom, že za běžnou turbínou kompresoru je umístěna samostatná turbína, která není mechanicky spojena s turbínou kompresoru. Taková turbína se nazývá svobodná. Vztah mezi turbínou kompresoru a svobodnou turbínou je pouze plynodynamický. Ze svobodné turbíny vychází samostatná hřídel, na kterou je připojena převodovka s vrtulí. Vše ostatní funguje stejně jako v prvním případě. Většina moderních motorů je vyráběna právě podle této schémy. Jednou z výhod tohoto schématu je možnost použití motoru na zemi jako pomocnou pohonnou jednotku (APU), aniž by se pohybovala vrtule.
Schématická konstrukce turbovrtulového motoru se svobodnou turbínou
Chci zdůraznit, že byste se neměli dívat na turbovrtulové motory jako na neefektivní pozůstatek minulosti. Několikrát jsem slyšel taková vyjádření, ale jsou nepravdivá.
Turbovrtulový motor má v některých případech nejvyšší účinnost, obvykle na letadlech s ne příliš vysokými rychlostmi (například při 500 km/h), a přitom letadlo může mít impozantní velikost. V takovém případě může být turbovrtulový motor několikrát výhodnější než předtím zvažovaný turbojetový motor.
Tímto končíme s turbovrtulovými motory. Pomalu se dostáváme k pojmu turboválcový motor.
Turboválcový motor
Možná většina čtenářů zde slyší tento název poprvé. Tento typ motorů se instaluje na vrtulníky.
Turboválcový motor je velmi podobný turbovrtulovému motoru se svobodnou turbínou. Také se skládá z kompresoru, spalovací komory, turbíny kompresoru, dále následuje svobodná turbína, která je spojena s celým předchozím pouze pomocí plynů. Tento motor však nevytváří reaktivní tah, nemá reaktivní trysku, pouze výfuk. Svobodná turbína má svůj vlastní hřídel, která se spojuje s hlavním reduktorem vrtulníku (nosiče rotoru). Ano, všechny mi známé vrtulníky mají takový reduktor, a obvykle je impozantních rozměrů. Skutečnost je taková, že otáčky nosiče rotoru vrtulníku jsou velmi nízké. Pokud u letadla, jak jsem psal výše, mohou dosahovat 1500 ot./min, tak u vrtulníku, například u Mi-8, pouhých 193 ot./min.
A otáčky motoru u vrtulníku bývají často velmi vysoké (kvůli malým rozměrům), a je potřeba je snižovat o stovku a více. Někdy je reduktor umístěn jak na motoru, tak na samotném vrtulníku, například u Mi-2 a jeho motoru GTD-350.
Schématická konstrukce turboválcového motoru
Motor TV3-117 z vrtulníku Mi-8. Vpravo jsou vidět výfuková trubka a pohonná hřídel.
Takže jsme probrali čtyři typy plynových turbínových motorů. Doufám, že můj text byl srozumitelný a užitečný pro vás. Všechny otázky a poznámky můžete psát do komentářů.
Děkuji za pozornost.
Zdroj: habr.com
