Tere kõigile! Selles artiklis tahan rääkida sellest, kuidas lennuki gaasiturbiinmootorid (GTE) töötavad. Püüan selle võimalikult lihtsaks ja arusaadavaks teha.
Lennukite gaasiturbiinmootorid võib jagada järgmisteks osadeks:
- turboreaktiivmootorid (TRD)
- kaheahelalised turboreaktiivmootorid (turboreaktiivmootorid)
- Turbopropellermootorid (TVD)
- Turbovõlli mootorid (TVaD)
Lisaks võivad turboreaktiivmootorid ja turboventilaatorid sisaldada järelpõletit, sel juhul on need vastavalt turboventilaatorid ja turboventilaatorid. Me ei käsitle neid selles artiklis.
Alustame turboreaktiivmootoritest.
Turboreaktiivmootorid
Seda tüüpi mootor loodi 20. sajandi esimesel poolel ja hakkas laialdast kasutust leidma II maailmasõja lõpupoole. Maailma esimene seeriaturboreaktiivlennuk oli sakslaste Me.262. Turboventilaatormootorid olid populaarsed kuni 60ndateni, pärast mida hakati neid asendama turboventilaatormootoritega.
Kaasaegne foto Me-262-st, mis on tehtud 2016. aastal
Lihtsaim turboreaktiivmootor sisaldab järgmisi elemente:
- Sisendseade
- Kompressor
- Põlemiskamber
- Turbiin
- Joa otsik (edaspidi lihtsalt otsik)
Võime öelda, et see on mootori normaalseks tööks seatud miinimum.
Nüüd vaatame, mida ja milleks vaja on.
Sisselaskeseade on laienev* kanal, milles õhk suunatakse kompressorisse ja eelpressitakse. Selles muundatakse sissetuleva õhu kineetiline energia osaliselt rõhuks.
*edaspidi tuleb juttu allahelikiirusest. Ülehelikiirusel füüsika muutub ja seal on kõik hoopis teisiti.
Kompressor on seade, mis suurendab õhurõhku. Kompressorit saab iseloomustada sellise väärtusega nagu rõhu suurenemise määr. Kaasaegsetes mootorites hakkab see juba ületama 40 ühikut. Lisaks tõuseb selles temperatuur (võib-olla kuskil kuni 400 kraadi Celsiuse järgi).
Põlemiskamber on seade, milles suruõhku (pärast kompressorit) suunatakse kütuse põlemise tõttu soojus. Põlemiskambri temperatuur on väga kõrge, võib ulatuda 2000 kraadini Celsiuse järgi. Teile võib tunduda, et ka gaasi rõhk kambris suureneb oluliselt, kuid see pole nii. Teoreetiliselt on üldiselt aktsepteeritud, et soojust tarnitakse konstantsel rõhul. Tegelikkuses langeb see kadude tõttu veidi (ebatäiusliku disaini probleem).
Turbiin on seade, mis muundab osa põlemiskambrijärgsest gaasienergiast kompressori ajami energiaks. Kuna turbiine ei kasutata ainult lennunduses, võib anda üldisema määratluse: see on seade, mis muudab töövedeliku (meie puhul on töövedelikuks gaas) siseenergia võlli mehaaniliseks tööks. Nagu aru saate, asuvad turbiin ja kompressor samal võllil ja on omavahel jäigalt ühendatud. Kui gaasirõhk kompressoris suureneb, siis turbiinis see vastupidi väheneb, see tähendab, et gaas paisub.
Düüs on kitsenev kanal, milles gaasi potentsiaalne energia muundatakse kineetiliseks energiaks (turbiini järelejäänud gaasienergia varu). Nagu turbiini puhul, toimub düüsis gaasi paisumine. Tekib joa, mis düüsist välja voolates lennukit liigutab.
Oleme põhielemendid välja selgitanud. Kuid pole ikka veel päris selge, kuidas see töötab? Teeme siis uuesti ja lühidalt.
Õhk atmosfäärist siseneb sisselaskeseadmesse, kus see kergelt kokku surutakse ja siseneb kompressorisse. Kompressoris tõuseb õhurõhk veelgi, samuti tõuseb temperatuur. Pärast kompressorit siseneb õhk põlemiskambrisse ja seal kütusega segunedes süttib, mis põhjustab temperatuuri tugeva tõusu, võib öelda, et konstantsel rõhul. Pärast põlemiskambrit siseneb kuum surugaas turbiini. Osa gaasi energiast kulub turbiini poolt kompressori pööramisele (et see saaks täita oma ülalkirjeldatud funktsiooni), teine osa energiast kulub meile vajaliku õhusõiduki liikumisele, kuna et gaas, olles läbinud turbiini, muutub düüsis joaks ja väljub sellest (düüsist) atmosfääri. See lõpetab tsükli. Loomulikult toimuvad tegelikkuses kõik tsükli protsessid pidevalt.
Seda tsüklit nimetatakse Braytoni tsükliks või termodünaamiliseks tsükliks, millel on pidev tööprotsess ja soojussisend konstantsel rõhul. Kõik gaasiturbiinmootorid töötavad vastavalt sellele tsüklile.
Braytoni tsükkel PV-koordinaatides
N-B - tihendusprotsess sisendseadmes
V-K - kompressiooniprotsess kompressoris
K-G - isobaarne soojusvarustus
G-T - gaasi paisumisprotsess turbiinis
G-S - gaasi paisumise protsess düüsis
С-Н - isobaarne soojuse eemaldamine atmosfääri
Turboreaktiivmootori skemaatiline ülesehitus, kus 0-0 on mootori telg
Turboreaktiivmootoril võib olla kaks võlli. Sel juhul koosneb kompressor madalsurvekompressorist (LPC) ja kõrgsurvekompressorist (HPC) ning tööd teostavad madalrõhuturbiin (LPT) ja kõrgsurveturbiin ( HPT) vastavalt. See skeem on gaasidünaamiliselt soodsam.
Väljalõigatud vaade seda tüüpi tõelisele mootorile
Uurisime kõige lihtsama lennuki gaasiturbiinmootori ahela tööpõhimõtet. Loomulikult on tänapäevased Airbusid ja Boeingud varustatud turboventilaatormootoritega, mille disain on märgatavalt keerulisem, kuid kõik toimib samade seaduste järgi. Vaatame neid.
Kahe ahelaga turboreaktiivmootor
Turboventilaatormootor erineb turboreaktiivmootorist esiteks selle poolest, et sellel on kaks vooluringi: välimine ja sisemine. Sisemine vooluring sisaldab sama, mis turboreaktiivmootoril: kompressor (jagatud LPC-ks ja HPC-ks), põlemiskamber, turbiini (jagatud HPT-ks ja LHP-ks) ja düüsi. Väliskontuur on kanal, mille otsas on otsik. Sellel pole ei põlemiskambrit ega turbiini. Mõlema ahela ees (kohe pärast mootori sisselaskeava) on kompressori aste, mis töötab mõlemal ahelal.
See pole väga selge pilt, eks? Mõelgem välja, kuidas see toimib.
Kahe võlliga möödaviigu turboreaktiivmootori skemaatiline disain
Mootorisse sisenev õhk, mis läbib madalrõhukompressori esimest etappi, jaguneb kaheks vooluks. Üks osa õhust liigub mööda siseringi, kus toimuvad samad protsessid, mida kirjeldati turboreaktiivmootori lahtivõtmisel. Teine osa õhust siseneb välisesse vooluringi, saades energiat LPC esimesest etapist (see, mis töötab kahel ahelal). Välisahelas kulutatakse õhuenergiat ainult hüdrauliliste kadude ületamiseks (hõõrdumise tõttu). Lõpuks siseneb see õhk välimise silmuse otsikusse, luues tohutu tõukejõu. Välise vooluahela tekitatav tõukejõud võib moodustada 80% kogu mootori tõukejõust.
Turboventilaatormootori üks olulisemaid omadusi on möödaviigu suhe. Möödaviigu suhe on välisahela õhuvoolu ja sisemise ahela õhuvoolu suhe. See arv võib olla suurem või väiksem kui üks. Kaasaegsetel mootoritel ületab see arv 12 ühikut.
Mootoreid, mille möödaviigu suhe on üle kahe, nimetatakse tavaliselt turboventilaatormootoriteks ja kompressori esimest etappi (see, mis töötab mõlemal ahelal) nimetatakse ventilaatoriks.
Boeing 757-200 turboventilaatormootor. Esiplaanil on näha sisendseade ja ventilaator.
Mõnel mootoril käitab ventilaatorit eraldi turbiin, mis on paigutatud sisemise ahela otsikule kõige lähemale. Siis osutub mootor kolmevõlliliseks. Näiteks Rolls Royce RB211 mootorid (paigaldatud L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) mootorid on valmistatud selle konstruktsiooni järgi.
D-18T läbilõikes seestpoolt
Turboventilaatormootori peamine eelis on võime luua suurt tõukejõudu ja head kasutegurit võrreldes turboreaktiivmootoritega.
Sellega tahaksin lõpetada turboventilaatormootori ja liikuda edasi järgmise mootoritüübi – turboventilaatormootori – juurde.
Turbopropellermootorid
Turbopropellermootor, nagu turboreaktiivmootor, on gaasiturbiinmootor. Ja see töötab peaaegu nagu turboreaktiivmootor. Põhiline turbopropellermootor koosneb meile juba tuttavatest elementidest: kompressor, põlemiskamber, turbiin ja otsik. Neile on lisatud käigukast ja kruvi.
Tööpõhimõte on sama mis turboreaktiivmootoril, selle erinevusega, et peaaegu kogu gaasienergia kulub turbiinis kompressori pöörlemiseks ja propelleri pöörlemiseks läbi käigukasti (siin on propeller ja käigukast samal küljes võll kui kompressor). Propeller loob suurema osa tõukejõust. Ülejäänud osa energiast pärast turbiini suunatakse düüsi, moodustades joa tõukejõu, kuid see on väike, võib olla kümnendik kogusummast. Selle skeemi käigukasti on vaja kiiruse alandamiseks ja pöördemomendi edastamiseks, kuna turbiin võib pöörlema väga kõrgel sagedusel, näiteks 10000 1500 p / min, aga propeller vajab ainult XNUMX. Ja propeller on üsna raske.
Teatri skemaatiline kujundus
Kuid turbopropellermootoritele on veel üks konstruktsioon: vaba turbiiniga.
Selle olemus seisneb selles, et tavalise kompressorturbiini taha paigaldatakse eraldi turbiin, mis ei ole mehaaniliselt kompressorturbiiniga ühendatud. Sellist turbiini nimetatakse vabaks. Kompressorturbiini ja vabaturbiini vaheline ühendus on ainult gaasidünaamiline. Vabaturbiinist on eraldi võll, millele on paigaldatud sõukruviga käigukast. Kõik muu töötab samamoodi nagu esimesel juhul. Enamik kaasaegseid mootoreid on konstrueeritud täpselt nii. Selle skeemi üks eeliseid on võimalus kasutada maapinnal olevat mootorit abijõuallikana (APU), ilma propellerit juhtimata.
Vaba turbiiniga turbopropellermootori skemaatiline disain
Tahaksin märkida, et turbopropellermootoreid pole vaja vaadelda kui ebaefektiivset mineviku jäänust. Olen selliseid väiteid korduvalt kuulnud, kuid need ei vasta tõele.
Mõnel juhul on turbopropellermootoril kõrgeim kasutegur reeglina mitte väga suure kiirusega (näiteks 500 km/h) lennukitel, pealegi võib lennuk olla muljetavaldava suurusega. Sel juhul võib turbopropellermootor olla mitu korda tulusam kui eelnevalt käsitletud turboreaktiivmootor.
Siin saame turbopropellermootorite osas lõpetada. Vaikselt läheneme turbovõllmootori kontseptsioonile.
Turbovõlli mootor
See on vist esimene kord, kui enamik siinsetest lugejatest kuuleb sellist nime. Seda tüüpi mootor paigaldatakse helikopteritele.
Turbovõllmootor on väga sarnane vabaturbiiniga turbopropellermootoriga. See koosneb ka kompressorist, põlemiskambrist, kompressoriturbiinist, siis on vaba turbiin, mis on kõige eelnevaga ühendatud ainult gaasidünaamiliselt. Kuid selline mootor ei tekita joa tõukejõudu, sellel pole reaktiivotsikut, on ainult heitgaas. Vabaturbiinil on oma võll, mis on ühendatud helikopteri peakäigukastiga (pearootoriga). Jah, kõigil mulle tuttavatel helikopteritel on selline käigukast ja reeglina on see muljetavaldava suurusega. Fakt on see, et helikopteri rootori kiirus on väga väike. Kui lennuki puhul, nagu eespool kirjutasin, võivad need ulatuda 1500 pööret minutis, siis näiteks helikopteri puhul Mi-8 ainult 193 pööret minutis.
Ja helikopteri mootori pöörded on sageli väga suured (väiksuste mõõtmete tõttu) ja seda on vaja vähendada sada korda või rohkem. Juhtub, et käigukast paigaldatakse nii mootorile kui ka kopterile endale, näiteks Mi-2 ja selle GTD-350 mootorile.
Turbovõlli mootori skemaatiline disain
TV3-117 mootor helikopterilt Mi-8. Paremal on näha väljalasketoru ja veovõll
Niisiis, vaatasime nelja tüüpi gaasiturbiinmootoreid. Loodan, et minu tekst oli teile selge ja kasulik. Kõik küsimused ja kommentaarid võite kirjutada kommentaaridesse.
Tänan teid tähelepanu eest.
Allikas: www.habr.com
