Hallo zusammen! In diesem Artikel möchte ich darüber sprechen, wie Fluggasturbinentriebwerke (GTE) funktionieren. Ich werde versuchen, dies so einfach und verständlich wie möglich zu gestalten.
Fluggasturbinentriebwerke können unterteilt werden in:
- Turbostrahltriebwerke (TRD)
- Zweikreis-Turbostrahltriebwerke (Turbostrahltriebwerke)
- Turboprop-Triebwerke (TVD)
- Turbowellenmotoren (TVaD)
Darüber hinaus können Turbojet-Triebwerke und Turbofan-Triebwerke einen Nachbrenner enthalten. In diesem Fall handelt es sich um Turbofans bzw. Turbofan-Triebwerke. Wir werden sie in diesem Artikel nicht berücksichtigen.
Beginnen wir mit Turbostrahltriebwerken.
Turbostrahltriebwerke
Dieser Motortyp wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und fand gegen Ende des Zweiten Weltkriegs zunehmende Verbreitung. Das weltweit erste Serien-Turbostrahlflugzeug war die deutsche Me.262. Turbofan-Triebwerke erfreuten sich bis in die 60er Jahre großer Beliebtheit, danach begann man, sie durch Turbofan-Triebwerke zu ersetzen.
Modernes Foto von Me-262, aufgenommen im Jahr 2016
Das einfachste Turbostrahltriebwerk umfasst die folgenden Elemente:
- Eingabegerät
- Kompressor
- Brennkammer
- Turbine
- Strahldüse (im Folgenden einfach Düse genannt)
Wir können sagen, dass dies die Mindesteinstellung für den normalen Motorbetrieb ist.
Schauen wir uns nun an, was wofür und warum benötigt wird.
Bei der Einlassvorrichtung handelt es sich um einen expandierenden* Kanal, in dem Luft dem Kompressor zugeführt und vorverdichtet wird. Darin wird die kinetische Energie der einströmenden Luft teilweise in Druck umgewandelt.
*Im Folgenden werden wir über Unterschallgeschwindigkeiten sprechen. Bei Überschallgeschwindigkeit ändert sich die Physik und dort ist alles völlig anders.
Ein Kompressor ist ein Gerät, das den Luftdruck erhöht. Ein Kompressor kann durch einen Wert wie den Grad der Druckerhöhung charakterisiert werden. Bei modernen Motoren sind es bereits über 40 Einheiten. Außerdem steigt die Temperatur darin (vielleicht bis zu 400 Grad Celsius).
Eine Brennkammer ist eine Vorrichtung, in der der verdichteten Luft (nach dem Kompressor) durch die Verbrennung von Kraftstoff Wärme zugeführt wird. Die Temperatur in der Brennkammer ist sehr hoch und kann 2000 Grad Celsius erreichen. Es mag Ihnen vorkommen, dass auch der Gasdruck in der Kammer stark ansteigt, aber das ist nicht der Fall. Theoretisch wird allgemein davon ausgegangen, dass die Wärmezufuhr bei konstantem Druck erfolgt. In Wirklichkeit sinkt sie aufgrund von Verlusten (Problem des unvollkommenen Designs) leicht.
Eine Turbine ist ein Gerät, das einen Teil der Gasenergie nach der Brennkammer in Kompressorantriebsenergie umwandelt. Da Turbinen nicht nur in der Luftfahrt eingesetzt werden, lässt sich eine allgemeinere Definition geben: Hierbei handelt es sich um ein Gerät, das die innere Energie des Arbeitsmediums (in unserem Fall ist das Arbeitsmedium Gas) in mechanische Arbeit an der Welle umwandelt. Wie Sie verstehen, befinden sich Turbine und Kompressor auf derselben Welle und sind starr miteinander verbunden. Steigt der Gasdruck im Verdichter, so nimmt er in der Turbine hingegen ab, das heißt, das Gas dehnt sich aus.
Eine Düse ist ein sich verjüngender Kanal, in dem die potentielle Energie des Gases in kinetische Energie (die verbleibende Gasenergiereserve nach der Turbine) umgewandelt wird. Wie in einer Turbine findet in der Düse eine Gasexpansion statt. Es entsteht ein Strahl, der aus der Düse austritt und das Flugzeug bewegt.
Wir haben die Grundelemente geklärt. Aber es ist immer noch nicht ganz klar, wie es funktioniert? Dann machen wir es noch einmal und kurz.
Luft aus der Atmosphäre gelangt in die Einlassvorrichtung, wo sie leicht komprimiert wird und in den Kompressor gelangt. Im Kompressor erhöht sich der Luftdruck noch weiter und auch die Temperatur steigt. Nach dem Kompressor gelangt die Luft in die Brennkammer und entzündet sich dort, vermischt mit Kraftstoff, was zu einem starken Temperaturanstieg bei sozusagen konstantem Druck führt. Nach der Brennkammer gelangt das heiße komprimierte Gas in die Turbine. Ein Teil der Energie des Gases wird für die Drehung des Kompressors durch die Turbine aufgewendet (damit er seine oben beschriebene Funktion erfüllen kann), der andere Teil der Energie wird für die Bewegung des Flugzeugs aufgewendet, die wir aufgrund der Tatsache benötigen dass das Gas, nachdem es die Turbine passiert hat, in der Düse in einen Strahl übergeht und aus dieser (der Düse) in die Atmosphäre entweicht. Damit ist der Zyklus abgeschlossen. Natürlich laufen in der Realität alle Prozesse im Zyklus kontinuierlich ab.
Dieser Zyklus wird als Brayton-Zyklus oder thermodynamischer Zyklus mit kontinuierlichem Betriebsablauf und Wärmezufuhr bei konstantem Druck bezeichnet. Alle Gasturbinentriebwerke arbeiten nach diesem Zyklus.
Brayton-Zyklus in PV-Koordinaten
N-B – Komprimierungsprozess im Eingabegerät
V-K – Kompressionsprozess in einem Kompressor
K-G – isobare Wärmeversorgung
G-T – Gasexpansionsprozess in einer Turbine
G-S – der Prozess der Gasexpansion in der Düse
С-Н – isobare Wärmeabfuhr in die Atmosphäre
Schematischer Aufbau eines Turbostrahltriebwerks, wobei 0-0 die Triebwerksachse ist
Ein Turbostrahltriebwerk kann zwei Wellen haben. In diesem Fall besteht der Kompressor aus einem Niederdruckkompressor (LPC) und einem Hochdruckkompressor (HPC), und die Arbeitsversorgung erfolgt durch eine Niederdruckturbine (LPT) und eine Hochdruckturbine ( HPT). Dieses Schema ist gasdynamisch günstiger.
Schnittansicht eines realen Motors dieses Typs
Wir haben das Funktionsprinzip des einfachsten Flugzeug-Gasturbinentriebwerks untersucht. Natürlich sind moderne Airbusse und Boeings mit Turbofan-Triebwerken ausgestattet, deren Konstruktion deutlich komplexer ist, aber alles funktioniert nach den gleichen Gesetzen. Schauen wir sie uns an.
Zweikreis-Turbostrahltriebwerk
Ein Turbofan-Triebwerk unterscheidet sich von einem Turbojet-Triebwerk zunächst dadurch, dass es über zwei Kreisläufe verfügt: einen externen und einen internen. Der interne Kreislauf enthält dasselbe wie ein Turbostrahltriebwerk: einen Kompressor (unterteilt in LPC und HPC), eine Brennkammer, eine Turbine (unterteilt in HPT und LHP) und eine Düse. Die Außenkontur ist ein Kanal mit einer Düse am Ende. Es verfügt weder über eine Brennkammer noch über eine Turbine. Vor beiden Kreisläufen (unmittelbar nach dem Motoreintritt) befindet sich eine Kompressorstufe, die auf beide Kreisläufe wirkt.
Es ist kein sehr klares Bild, oder? Lassen Sie uns herausfinden, wie es funktioniert.
Schematischer Aufbau eines Zweiwellen-Bypass-Turbostrahltriebwerks
Die in den Motor eintretende Luft wird durch die erste Stufe des Niederdruckkompressors in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Teil der Luft strömt entlang des internen Kreislaufs, wo die gleichen Prozesse ablaufen, die wir bei der Demontage des Turbostrahltriebwerks beschrieben haben. Der zweite Teil der Luft gelangt in den externen Kreislauf und erhält Energie von der ersten Stufe des LPC (die auf zwei Kreisläufen arbeitet). Im externen Kreislauf wird Luftenergie nur zur Überwindung hydraulischer Verluste (aufgrund von Reibung) aufgewendet. Am Ende gelangt diese Luft in die Außenschleifendüse und erzeugt einen enormen Schub. Der durch den externen Kreislauf erzeugte Schub kann 80 % des Schubs des gesamten Triebwerks ausmachen.
Eines der wichtigsten Merkmale eines Turbofan-Triebwerks ist das Bypass-Verhältnis. Das Bypass-Verhältnis ist das Verhältnis des Luftstroms im äußeren Kreislauf zum Luftstrom im inneren Kreislauf. Diese Zahl kann entweder größer oder kleiner als eins sein. Bei modernen Motoren beträgt diese Zahl mehr als 12 Einheiten.
Motoren mit einem Bypass-Verhältnis von mehr als zwei werden üblicherweise als Turbofan-Motoren bezeichnet, und die erste Stufe des Kompressors (diejenige, die in beiden Kreisläufen arbeitet) wird als Fan bezeichnet.
Turbofan-Triebwerk Boeing 757-200. Im Vordergrund sind das Eingabegerät und der Lüfter zu sehen.
Bei einigen Motoren wird der Lüfter von einer separaten Turbine angetrieben, die am nächsten an der Düse des internen Kreislaufs platziert ist. Dann stellt sich heraus, dass der Motor ein Dreiwellenmotor ist. Beispielsweise werden die Motoren Rolls Royce RB211 (installiert in L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124) und D-36 (Yak-42) nach diesem Design hergestellt.
D-18T im Schnitt von innen
Der Hauptvorteil eines Turbofan-Triebwerks ist die Fähigkeit, im Vergleich zu Turbojet-Triebwerken einen hohen Schub und einen guten Wirkungsgrad zu erzeugen.
Damit möchte ich das Thema Turbofan-Triebwerk beenden und zum nächsten Triebwerkstyp übergehen – dem Turbofan-Triebwerk.
Turboprop-Motoren
Ein Turboprop-Triebwerk ist wie ein Turbojet ein Gasturbinentriebwerk. Und es funktioniert fast wie ein Turbojet. Ein einfaches Turboprop-Triebwerk besteht aus uns bereits bekannten Elementen: einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Düse. Dazu kommen ein Getriebe und eine Schraube.
Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie das eines Turbostrahltriebwerks, mit dem Unterschied, dass fast die gesamte Gasenergie in der Turbine aufgewendet wird, um den Kompressor zu drehen und den Propeller über das Getriebe in Drehung zu versetzen (hier sind Propeller und Getriebe auf dem gleichen Niveau). Welle wie der Kompressor). Der Propeller erzeugt den Großteil des Schubs. Der verbleibende Teil der Energie nach der Turbine wird in die Düse geleitet und bildet einen Strahlschub, ist jedoch gering und kann ein Zehntel der Gesamtenergie ausmachen. Das Getriebe wird in diesem Schema benötigt, um die Drehzahl zu senken und das Drehmoment zu übertragen, da die Turbine mit einer sehr hohen Frequenz, beispielsweise 10000 U/min, rotieren kann, der Propeller jedoch nur 1500 U/min benötigt. Und der Propeller ist ziemlich schwer.
Schematischer Aufbau des Theaters
Es gibt aber noch eine andere Bauform für Turboprop-Triebwerke: mit freier Turbine.
Der Kern besteht darin, dass hinter der üblichen Verdichterturbine eine separate Turbine installiert ist, die nicht mechanisch mit der Verdichterturbine verbunden ist. Eine solche Turbine wird als frei bezeichnet. Die Verbindung zwischen Verdichterturbine und Freiturbine ist ausschließlich gasdynamisch. Von der Freiturbine gibt es eine separate Welle, auf der ein Getriebe mit Propeller montiert ist. Alles andere funktioniert genauso wie im ersten Fall. Die meisten modernen Motoren sind genau so konstruiert. Einer der Vorteile dieses Schemas ist die Möglichkeit, den Motor am Boden als Hilfsaggregat (APU) zu nutzen, ohne den Propeller anzutreiben.
Schematischer Aufbau eines Turboprop-Triebwerks mit freier Turbine
Ich möchte darauf hinweisen, dass Turboprop-Motoren nicht als wirkungsloses Relikt der Vergangenheit betrachtet werden müssen. Ich habe solche Aussagen schon mehrmals gehört, aber sie stimmen nicht.
In einigen Fällen weist ein Turboprop-Triebwerk in der Regel bei Flugzeugen mit nicht sehr hohen Geschwindigkeiten (z. B. 500 km/h) den höchsten Wirkungsgrad auf, außerdem kann das Flugzeug eine beeindruckende Größe haben. In diesem Fall kann ein Turboprop-Triebwerk um ein Vielfaches rentabler sein als das zuvor diskutierte Turbojet-Triebwerk.
Hier können wir mit den Turboprop-Motoren abschließen. Wir nähern uns langsam dem Konzept eines Turbowellenmotors.
Turbowellenmotor
Dies dürfte für die meisten Leser hier das erste Mal sein, dass sie einen solchen Namen hören. Dieser Motortyp wird in Hubschrauber eingebaut.
Ein Turbowellentriebwerk ist einem Turboprop-Triebwerk mit freier Turbine sehr ähnlich. Es besteht ebenfalls aus einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Kompressorturbine, dann gibt es eine freie Turbine, die mit allem Vorhergehenden nur gasdynamisch verbunden ist. Ein solcher Motor erzeugt jedoch keinen Strahlschub; er verfügt nicht über eine Strahldüse, sondern nur über Abgase. Die Freilaufturbine verfügt über eine eigene Welle, die mit dem Hauptgetriebe des Hubschraubers (Hauptrotor) verbunden ist. Ja, alle mir bekannten Helikopter haben ein solches Getriebe und in der Regel ist es beeindruckend groß. Tatsache ist, dass die Rotorgeschwindigkeit eines Hubschraubers sehr niedrig ist. Wenn sie bei einem Flugzeug, wie ich oben geschrieben habe, 1500 U/min erreichen können, dann sind es bei einem Hubschrauber, zum Beispiel dem Mi-8, nur 193 U/min.
Und die Motordrehzahl eines Hubschraubers ist (aufgrund seiner geringen Größe) oft sehr hoch und muss um das Hundertfache oder mehr reduziert werden. Es kommt vor, dass das Getriebe sowohl am Motor als auch am Hubschrauber selbst installiert ist, beispielsweise beim Mi-2 und seinem GTD-350-Motor.
Schematischer Aufbau eines Turbowellenmotors
TV3-117-Motor des Mi-8-Hubschraubers. Rechts sind das Auspuffrohr und die Antriebswelle zu sehen
Wir haben uns also vier Arten von Gasturbinentriebwerken angesehen. Ich hoffe, mein Text war klar und nützlich für Sie. Alle Fragen und Kommentare könnt ihr in die Kommentare schreiben.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Source: habr.com
