Tere kõigile! Selles artiklis tahan rääkida, kuidas toimivad lennunduse gaasiturbineerimismootorid (GTM). Püüan selgitada seda võimalikult lihtsas ja arusaadavas keeles.
Lennunduse GTM-id võib jagada järgmistesse kategooriatesse:
- turbojamootorid (TJM)
- kahekontuurilised turbojamootorid (TJJM)
- turbovõllimootorid (TVM)
- turbojaamade mootorid (TJaM)
Lisaks võivad TJM-id ja TJJM-id sisaldada käivitamiskambrit, sel juhul nimetatakse neid vastavalt TJMF-ks ja TJJMF-ks. Selles artiklis neid ei käsitleta.
Alustame turbojamootoritest.
Turbojamootorid
See mootori tüüp loodi 20. sajandi esimeses pooles ja hakkas leidma laialdast kasutamist Teise maailmasõja lõpul. Esimene maailmas ringlusse minev turbojamootoriga lennuk oli sakslaste Me.262. TJM-id olid populaarsed kuni 1960-ndate aastate lõpuni, pärast mida hakkasid neid asendama TJJM-id.
Kaasaegne foto Me-262-st, tehtud 2016. aastal
Lihtsaim turbojamootor koosneb järgmistest elementidest:
- Sissevõtusuue
- Kompressor
- Põlemiskamber
- Turbine
- Jet düüs (edaspidi lihtsalt düüs)
Võib öelda, et see on minimaalne komplekt mootori normaalseks tööks.
Ja nüüd vaatame, mis on iga komponendi eesmärk ja miks see vajalik on.
Sissevõtusuue — see on laienev kanal, milles toimub õhu viimine kompressorisse ja selle esmase kokkusurumise protsess. Selles muudetakse siseneva õhu kineetiline energia osaliselt rõhuks.
*siin ja edaspidi räägime subheli kiirusest. Ülikiirusel muutub füüsika, ja seal on kõik hoopis teistmoodi.
Kompressor — see on seade, milles toimub õhu rõhu tõus. Kompressorit võib iseloomustada sellise suurusega nagu rõhu tõus. Kaasaegsetes mootorites ületab see juba 40 ühiku piiri. Lisaks tõuseb seal temperatuur (võib-olla kuni 400 kraadi Celsiuse järgi).
Põlemiskamber on seade, kuhu sissetulevale kompressoreist saadud kokkusurutud õhule suunatakse kuumus kütuse põlemise kaudu. Temperatuur põlemiskambris on väga kõrge, ulatudes kuni 2000 kraadini Celsiuse järgi. Võib tunduda, et gaasi rõhk kambris tõuseb märgatavalt, kuid see pole tõsi. Teoreetiliselt arvatakse, et soojust edastatakse pideva rõhu tingimustes. Tegelikult see siiski veidi langeb, kuna esineb kadusid (struktuuri ebaidealne olemus).
Turbina on seade, mis muundab osa gaasi energiat pärast põlemiskambrit kompressori jõuenergiaks. Kuna turbinaid kasutatakse mitte ainult lennunduses, saab anda üldisema määratluse: see on seade, mis muundab töökeha (meie juhtumil on töökeha gaas) sisemist energiat mehaaniliseks tööks teljel. Nagu võite aru saada, on turbina ja kompressor ühel teljel ja on kindlalt omavahel seotud. Kui kompressor tõstab gaasi rõhku, siis turbina seevastu alandab seda, st gaas laieneb.
Sopple on kitsenev kanal, milles muundatakse gaasi potentsiaalne energia kineetiliseks energiaks (jäänud energiareserv pärast turbina). Nagu turbinas, toimub ka soples gaasi laienemine. Tekib voog, mis väljuedes soplest liigub lennukit edasi.
Põhielementidega oleme tutvunud. Kuid ikkagi ei ole päris selge, kuidas see toimib? Siis vaatame seda veel kord ja lühidalt.
Õhk atmosfäärist siseneb sisselaske seadmesse, kus see veidi surutakse ja suunatakse kompressorisse. Kompressorites tõuseb õhu rõhk veelgi, samuti temperatuur. Pärast kompressorit siseneb õhk põletuskambrisse, kus see segunedes kütusega süttib, põhjustades seeläbi temperatuuri järsu tõusu, samas kui rõhk võib jääda peaaegu muutumatuks. Pärast põletuskamerat satub kuum pressitud gaas turbiini. Osa gaasi energiat kulub kompressori pööramiseks turbiini poolt (et see saaks täita oma ülaltoodud funktsiooni), teine osa energiat kasutatakse meie jaoks vajaliku lennuki liikuma panemiseks, kuna gaas, läbides turbiini, muutub reaktsioonijõuks düüsis ja purskub sealt (düüsist) atmosfääri. Sellega tsükkel lõppeb. Loomulikult toimub kõik tsükli protsessid tegelikkuses pidevalt.
Sellist tsüklit nimetatakse Braytoni tsükliks või termodünaamiliseks tsükliks, millel on pidev tööprotsess ja soojuse edastamine pideva rõhu all. Kõik gaasiturbiinid töötavad sellise tsükli järgi.
Braytoni tsükkel P-V koordinaatides
H-B — kokkusurumise protsess sisselaske seadmes
B-K — kokkusurumise protsess kompressorisse
K-G — isobaarne soojuse edastamine
G-T — gaasi laienemise protsess turbiinis
G-S — gaasi laienemise protsess düüsis
S-H — isobaarne soojuse eemaldamine atmosfääri
Skeemiline konstruktsioon turboreaktiivmootorist, kus 0-0 — mootori telg
TRD võib omada ka kahte telge. Sellisel juhul koosneb kompressor madala rõhuga kompressorist (KND) ja kõrge rõhuga kompressorist (KVD), samas kui töö eest vastutavad madala rõhu turbiin (TND) ja kõrge rõhu turbiin (TVD) vastavalt. Selline skeem on gaasidünaamiliselt kasulikum.
Tegelik mootor selle tüübi lõikes
Oleme uurinud kõige lihtsama skeemi töötamise põhimõtet lennukite gaasiturbomootoris. Loomulikult on kaasaegsetes "Airbus'ides ja Boeing'ites" paigaldatud TRDD-d, mille konstruktsioon on oluliselt keerulisem, kuid töötab kõik sama seaduse järgi. Vaatame neid.
Kahekordne turboreaktiivmootor
TRDD erineb TRD-st peamiselt sellega, et sellel on kaks kontuuri: väline ja sisemine. Sisemine kontuur sisaldab samu komponente kui TRD: kompressor (jagatuna KND ja KVD), põlemiskamber, turbina (jagatuna TVD ja TND) ning düüs. Väline kontuur on kanali kujul, mille lõpus asub düüs. Seal ei ole ei põlemiskambert ega turbiini. Mõlema kontuuri (kohe pärast mootori sisselasketuba) ees on kompressori etapp, mis töötab mõlema kontuuri jaoks.
Tundub, et asi pole eriti selge, kas pole? Uurime, kuidas see toimib.
Kaksikvõllilise kahe kontuuriga turboraketi mootori skeemiline struktuur
Mootorisse pääsev õhk, läbides madalrõhkkonna kompressori esimesest etapist, jaguneb kaheks vooluks. Üks õhku minev osa läheb sisemisse kontuuri, kus toimuvad samad protsessid, mida oleme kirjeldanud, kui analüüsisime TRD-d. Teine õhu osa satub väliskontuuri, saades energiat KND esimesest etapist (see, mis töötab kahel kontuuril). Välist kontuuri õhu energia kulub ainult hüdrauliliste kaotuste ületamiseks (friktsiooni tõttu). Lõpus jõuab see õhk väliskontuuri düüsini, tekitades tohutu tõukejõu. Väline kontuur genereeritud tõukejõud võib moodustada kuni 80% kogu mootori tõukejõust.
Üks olulisemaid omadusi TRDD-s on kahe kontuuri aste. Kahe kontuuri aste on õhu vooluhulga suhe väliskontuuris ja sisekontuuris. See number võib olla nii suurem kui ka väiksem kui üks. Kaasaegsetel mootoritel ületab see number 12 üksuse väärtust.
Mootoreid, mille kahe kontuuri aste on suurem kui kaks, tuntakse turboventilaatoritena ning kompressori esimene etapp (millel on töö mõlemas kontuuris) on ventilaator.
Boeing 757-200 TRDD. Esiplaanil on näha sisselasketuba ja ventilaator
Mõnel mootoril juhitakse ventilaatorit eraldi turbiiniga, mis asetatakse kõige lähemale sisekontuuri düüsile. Sel juhul on mootori struktuur kolmekeelne. Näiteks on selliste skeemide järgi valmistatud Rolls Royce RB211 mootoreid (paigaldatud L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42)
D-18T lõikeprofiil seestpoolt
Peamine eelis TPRD-s on võimalus tekitada suurt tõukejõudu ja head ökonoomsust võrreldes TRD-ga.
Sellega lõpetaksin TPRD teemal ja minema järgmisse mootorite gruppi – TVD.
Turbovintmootorid
Turbovintmootor, nagu ka turboreaktiivmootor, kuulub gaasiturbiinimootorite hulka. See töötab peaaegu nagu turboreaktiivmootor. Elementaarne turbovintmootor koosneb juba tuttavatest elementidest: kompressorist, põletuskambrist, turbiinist ja düüsist. Neile lisanduvad reduktor ja vinn.
Tööpõhimõte on sama, mis turboreaktiivmootoril, erinevusega, et peaaegu kogu gaasi energia kulub turbiinis kompressori pööramiseks ja vinn pööramiseks reduktori kaudu (siin on vinn ja reduktor kompressori ühel teljel). Vinn tekitab suurema osa tõukejõust. Järelejäänud energia turbiinist suunatakse düüsi, moodustades reaktiivtõukejõu, kuid see on väike ja võib ulatuda kümnendikuni kogu jõudlusest. Reduktor selles skeemis on vajalik pöörlemise alandamiseks ja pöördemomendi edastamiseks, kuna turbiin võib pöörduda väga kõrge sagedusega, näiteks 10000 pöörde/min, samas kui vinn vajab vaid 1500. Ja vinn on piisavalt raske.
TVD skeemiline konstruktsioon
Kuid turbovintmootoritel on ka teine skeem: vabaturbiiniga.
Selle olemus seisneb selles, et kompressori tavalise turbiini taha on paigaldatud eraldi turbiin, mis ei ole mehaaniliselt seotud kompressori turbiiniga. Seda turbiini nimetatakse vabaks. Seos kompressori turbiini ja vabaturbiini vahel on vaid gaasidünaamiline. Vabaturbiinist läheb eraldi telg, millele on paigaldatud reduktor vinnaga. Kõik muu töötab nagu esimesel juhul. Enamik kaasaegseid mootoreid on tõepoolest tehtud sellise skeemi järgi. Üks sellise skeemi eeliseid on mootori kasutamise võimalus maapinnal abijõu seadmena (AVS), ilma vinnat käivitamata.
TVD skeemiline konstruktsioon vabaturbiiniga
Soovin rõhutada, et turbovintmootoreid ei tohiks vaadelda kui ebatõhusat minevikujäänust. Olen mitu korda kuulnud selliseid avaldusi, kuid need on vale.
Turboventilatsioonimootoritel on mõnel juhul kõrgeim efektiivsus, tavaliselt madalas kiirusel lendavates lennukites (nt 500 km/h), samas võivad lennukid olla muljetavaldava suurusega. Sellisel juhul võib turboventilatsioonimootor olla mitmeid kordi kasulikum kui eelnevalt arutatud turbojaam.
Sellega saab turboventilatsioonimootorite teema lõpetatud. Oleme järk-järgult jõudnud turbovarsmootori mõistmiseni.
Turbovarsmootor
Tõenäoliselt kuuleb enamik lugejatest selle nime esmakordselt. See mootori tüüp paigaldatakse helikopteritele.
Turbovarsmootor on väga sarnane turboventilatsioonimootoriga, millel on vabaturbiin. See koosneb samuti kompressorist, põletuskambrist, kompressoriturbina, seejärel tuleb vabaturbiin, mis on seotud kõigi eelnevatega ainult gaasidünaamika kaudu. Sel mootoril ei ole reaktiivset tõuget, tal ei ole reaktiivsuudmes, vaid ainult heitgaasid. Vabaturbiinil on oma telg, mis on ühendatud helikopteri peaülekanne (kandvinta). Jah, kõikide tuntud helikopterite puhul on selline ülekanne olemas ja see on tavaliselt muljetavaldava suurusega. Asjaolu on see, et helikopteri kandvinta pöörded on väga madalad. Kui lennukitel, nagu eespool mainisin, võivad need ulatuda 1500 p/min, siis helikopteril, näiteks Mi-8-l, on need vaid 193 p/min.
Ja helikopteri mootori pöörded on sageli väga kõrged (tänu väikestele mõõtmetele), ning neid tuleb vähendada vaakumisse ja rohkem. Juhtub, et ülekande mehhanism on paigaldatud nii mootorile kui ka helikopterile, näiteks Mi-2 ja selle mootori GTD-350 puhul.
Turbovarsmootori skemaatiline konstruktsioon
Mootor TV3-117 helikopterilt Mi-8. Paremal on nähtavad heitgaasiterminal ja veovars
Nii oleme uurinud nelja tüüpi gaasiturbiinimootoreid. Loodan, et minu tekst oli teile arusaadav ja kasulik. Kõiki küsimusi ja märkusi võite kirjutada kommentaaridesse.
Aitäh tähelepanu eest.
Allikas: habr.com
