Tere kõigile! Selles artiklis tahan rääkida, kuidas töötavad lennunduse gaasiturbineeritud mootorid (GT) ning püüan seda teha võimalikult lihtsas ja arusaadavas keeles.
Lennunduse GT-d saab jagada järgmistesse kategooriatesse:
- turbojet-mootorid (TRD)
- kahekohalised turbojet-mootorid (TRDD)
- Turbopropeller-mootorid (TVD)
- Turbovõllimootorid (TVaD)
Lisaks võivad TRD ja TRDD sisaldada ka põlemiskambritega versioone, sel juhul nimetatakse neid vastavalt TRDF ja TRDDDF. Selles artiklis me neid arvestama ei hakka.
Alustame turbojet-mootoritest.
Turbojet-mootorid
Selline mootoritüüp loodi 20. sajandi esimesel poolel ja hakkas leidma laialdast kasutust Teise maailmasõja lõpuks. Esimene seeriatootmises turbojet-lennuk oli sakslaste Me.262. TRD-d olid populaarsed kuni 60-ndate aastateni, pärast mida hakkasid neid välja tõrjuma TRDD-d.
Kaasaegne foto Me-262, tehtud 2016. aastal
Kõige lihtsam turbojet-mootor sisaldab järgmisi komponente:
- Sissevõtu seade
- Kompessor
- Põlemiskamber
- Turbine
- Reaktiivne düüs (edaspidi lihtsalt düüs)
Võib öelda, et see on minimaalne kogum mootori normaalseks toimimiseks.
Nüüd vaatame, mis on vajalik ja miks.
Sisselaske seade on laienev * kanal, kus õhk viiakse kompressorisse ja see eelnevalt surutakse kokku. Selles muundub sissetuleva õhu kineetiline energia osaliselt rõhuks.
*siin ja edaspidi räägime subheli kiirusest. Ülikiirusel muutub füüsika ja seal on kõik hoopis teistmoodi.
Kompressor on seade, kus õhu rõhk tõuseb. Kompressorit iseloomustab rõhu tõus. Kaasaegsetes mootorites hakkab see juba ületama 40 ühikut. Lisaks, temperatuur tõuseb (võib ulatuda kuni 400 kraadini Celsiuse järgi).
Põlemiskamber on seade, kuhu sissetulev kompressori poolt pressitud õhk kuumutatakse kütuse põletamise teel. Temperatuur põlemiskambris on väga kõrge, ulatudes kuni 2000 kraadini Celsiuse järgi. Võib tunduda, et gaasi rõhk kambris tõuseb kiiresti, kuid see pole tõsi. Teoreetiliselt arvatakse, et soojusjuhtimine toimub pideva rõhu all. Tõeliselt see siiski veidi langeb konstruktsiooniprobleemide tõttu.
Turbiin on seade, mis muundab osa gaasi energiast pärast põlemiskambrit kompressori ajami energiaks. Kuna turbiine kasutatakse mitte ainult lennunduses, saab anda üldisema määratluse: see on seade, mis muundab töökeha siserenergia (meie juhtumil on töökeha gaas) mehhaaniliseks tööks vallas. Nagu te võisite aru saada, on turbiin ja kompressor ühel võllil ja on omavahel tugevalt seotud. Kui kompressor tõstab gaasi rõhku, siis turbiinis, vastupidi, rõhk langeb, see tähendab, et gaas laieneb.
Suut on kitsenev kanal, kus toimub gaasi potentsiaalse energia muutmine kineetiliseks (jääkenergia, mis jääb gaasist pärast turbine). Nagu turbiinis, toimub ka suus gaasi laienemine. Tekib voog, mis, suust välja voolates, liigendab lennukit.
Põhielementidega üheskoos. Aga ikkagi ei ole päris selge, kuidas see töötab? Siis vaatame veel kord ja lühidalt.
Atmosfäärist pärit õhk jõuab sisendseadmestikku, kus seda veidi kokkusurutakse ja see suunatakse kompressorisse. Kompressorisse sisenedes tõuseb õhu rõhk veelgi ja temperatuur ka. Pärast kompressorit voolab õhk põlemiskambrisse, kus see seguneb kütusega ja süttib, põhjustades temperatuuri olulise tõusu peaaegu konstantse rõhu juures. Põlemiskambrist pääseb kuum kokkusurutud gaas turbiini. Osa gaasi energiast kulub turbiini pöörlemiseks, et kompressor saaks täita oma ülaltoodud funktsiooni, ning teine osa energiast kulub meie jaoks vajalikule lennuki liikumisele, kuna gaas, mis läbib turbiini, muutub suunatud hooraks ning väljub sealt (suu) atmosfääri. Sellega tsükkel lõppeb. Loomulikult toimuvad kõik tsükli protsessid tegelikult pidevalt.
Sellist tsüklit nimetatakse Brayton'i tsükliks või termodünaamiliseks tsükliks, millel on pidev tööprotsess ja soojuse sisend konstantsel rõhul. Sellise tsükli järgi töötavad kõik gaasiturbiinid.
Brayton'i tsükkel P-V koordinaatides
N-V — sisenemise seadmes toimuv kokkusurumise protsess
V-K — kompressori kokkusurumise protsess
K-G — isobaarne soojuse juurdevool
G-T — gaasi paisumise protsess turbiinis
G-S — gaasi paisumise protsess düüsis
S-N — isobaarne soojuse eraldamine atmosfääri
Turboraketimootori skeem, kus 0-0 — mootori telg
TRD-l võib olla ka kaks telge. Sel juhul koosneb kompressor madalrõhupoolse (KND) ja kõrgema rõhu kompressorist (KVD), samas kui töö on tagatud madalrõhuturbina (TND) ja kõrgema rõhuturbina (TVD) poolt. See skeem on gaodünaamika seisukohalt tõhusam.
Sellise tüübi tegelik mootori lõikepilt
Olemegi vaadanud kõige lihtsama skeemi kohta lennukite gaasiturbiinimootori tööprintsiipi. Loomulikult paigaldatakse kaasaegsetele «Airbusitele ja Boeingitele» TRDD, mille konstruktsioon on märgatavalt keerulisem, kuid töötab samade seaduste alusel. Vaadakem neid.
Kahekontuuriline turboraketimootor
TRDD erineb TRD-st peamiselt selle poolest, et sellel on kaks kontuuri: väline ja sisemine. Sisemine kontuur sisaldab samu komponente nagu TRD: kompressor (jagatuna KND-ks ja KVD-ks), põlemiskamber, turbiin (jagatuna TVD-ks ja TND-ks) ja düüs. Väline kontuur on kanal, mille lõpus on düüs. Seal ei ole ei põlemiskamber ega turbiin. Mõlema kontuuri ees (otseselt pärast mootori sissetuleku seadmeid) asub kompressori etapp, mis töötab mõlema kontuuri jaoks.
Tundub, et pilt on pisut segane, eks? Vaatame, kuidas see töötab.
Kaksisammuline kaheetapiline turbojet mootori skeem
Moot, mis jõuab mootorisse, jaguneb pärast madalrõhkkondade kompressori esimest astet kaheks vooluks. Üks osa õhust liigub sisemise kontuuri kaudu, kus toimuvad samad protsessid, nagu kirjeldasime, kui rääkisime turbiinimootorist. Teine osa õhust satub väliskontuuri, saades energiat esimeseastme KND-st (see, mis töötab kahe kontuuri peal). Väliskontuuris kulub õhu energia ainult hüdrauliliste kaotuste ületamiseks (mis on tingitud hõõrdumisest). Lõpuks jõuab see õhk väliskontuuri düüsi, tekitades tohutut tõuku. Väliskontuuri tekitatud tõuk ei tohi olla suurem kui 80% kogu mootori tõukest.
Üks tähtsamaid omadusi kahe kontuuriga turbofan-mootorite puhul on nende kahekordse kontuuruse aste. Kahekordse kontuuruse aste on väliskontuuri õhuvoo suhe sisemise kontuuri õhuvoogu. See number võib olla suurem või väiksem kui üks. Tänapäeva mootorites ületab see number 12.
Mootoreid, mille kahe ringi koonusastmed on rohkem kui kaks, nimetatakse turboventilaatoriteks, ja esimene kompressori etapp (see, mis töötab mõlemas ringis) on ventilaator.
Boeing 757-200 lennuki TRDD. Esiplaanil on nähtav sisendseade ja ventilaator.
Mõnedel mootortes relvavad ventilaatorit eraldi turbina, mis paigaldatakse kõige lähemale sisemise ringi düüsidele. Siis on mootor kolmerattaline. Näiteks on sellise skeemi järgi valmistatud Rolls Royce RB211 mootoreid (paigaldati L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).
D-18T lõikes seestpoolt.
TRDD peamine väärtus seisneb võimaluses luua suurt tõukejõudu ja head kütusekasutust võrreldes TRD-ga.
Sellega soovin lõpetada TRDD kohta ja liikuda järgmise mootortüübi juurde — TVD.
Turboventilaator mootoreid.
Turboventilaator mootori, nagu ka turboreaktiivne, kuulub gaasiturbiinimootorite hulka. See töötab peaaegu nagu turboreaktiivne. Elementaarne turboventilaator mootori koosneb juba tuttavatest elementidest: kompressor, põlemiskamber, turbiin ja düüs. Neile lisatakse reduktor ja propeller.
Tööprincip on sama nagu turbojaoturil, kuid erinevus seisneb selles, et praktiliselt kogu gaasi energia kulub turbiini kaudu kompressori ja propelleri pöörlemiseks üleandmiseks (siin on propeller ja ülekandesüsteem kompressori samal teljel). Propeller genereerib peamise tõukejõu. Väike osa jääb pärast turbiini suunamisse, moodustades reaktsioonijõu, kuid see on väike ja võib olla kümnendik koguhulgast. Ülekandesüsteem on selles skeemis vajalik, et vähendada pöördeid ja edastada pöördemomenti, kuna turbiin võib pöörata väga kõrge sagedusega, näiteks 10000 pöördega minutis, samas kui propeller vajab vaid 1500 pöördeid. Ja propeller on piisavalt raske.
TVD skeemiline konstruktsioon
Kuid on olemas ka teine skeem turbopropelletide mootoritest: vabaturbiiniga.
Selle põhiolemus seisneb selles, et kompressoriturbiini taga on eraldi turbina, mis ei ole mehaaniliselt seotud kompressoriturbiiniga. Sellist turbiini nimetatakse vabaks turbiiniks. Seos kompressoriturbiini ja vabaturbiini vahel on ainult gaasidünaamiline. Vabast turbiinist läheb eraldi telg, millele paigaldatakse reduktor ja propeller. Kõik muu töötab täpselt nagu esimesel juhul. Enamik tänapäevaseid mootoreid töötab just selle skeemi järgi. Üheks sellise skeemi eeliseks on mootori kasutamise võimalus maapinnal abiseadmestena (VSU), ilma propellerit käivitamata.
Vabaturbiiniga TWD skeem
Soovin märkida, et turboventilaatorimootoreid ei tohiks vaadata kui ebamugavaid jääke minevikust. Olen paar korda kuulnud selliseid väiteid, kuid need ei ole õiged.
Turboprop mootoritel on teatud juhtudel kõrgeim efektiivsus, eriti mitte väga suurte kiirusete (näiteks 500 km/h) korral, samas kui lennuk võib olla muljetavaldava suurusega. Sellisel juhul võib turboprop mootor osutuda kordi tasuvamaks kui varem käsitletud turbojet mootor.
Sellega saavad turboprop mootorid otsa. Aeg on vaikselt liikuda turbovarakäigumootori mõiste juurde.
Turbovarakäigumootor
Tõenäoliselt kuulevad enamik lugejatest siin esmakordselt sellist nime. Sellist tüüpi mootoreid paigaldatakse kopteritele.
Turbovarbormootor on väga sarnane turbovintmootoriga vabaturbiiniga. See koosneb ka kompressorist, põletuskambrist, kompressori turbinaist, millele järgneb vabaturbiin, mis on seotud kõigi eelneva elementidega ainult gaasidünaamiliselt. Kuid see mootor ei loo reaktiivset tõukejõudu, tal puudub reaktiivne düüs, ainult heitgaas. Vabaturbiinil on oma võll, mis on ühendatud helikopteri peareduktoriga (kandepropelleriga). Jah, kõigil teadaolevatel helikopteritel on selline reduktor ja tavaliselt on see muljetavaldava suurusega. Asi on selles, et helikopteri kandepropelleri pöörlemiskiirus on väga madal. Kui lennukitel, nagu ma eespool mainisin, võivad need ulatuda kuni 1500 p/min, siis helikopteril, näiteks Mi-8-l, on see vaid 193 p/min.
Ent helikopteri mootori pöörlemiskiirus on sageli väga kõrge (kuna see on väiksem), ja seda tuleb vähendada sadade või rohkemate kordade võrra. Juhtub, et reduktor asub nii mootori kui ka ise helikopteri peal, näiteks Mi-2-l ja tema mootori GTD-350-l.
Turbovarbormootori skeemiline konstruktsioon
Mootor TV3-117 helikopterilt Mi-8. Paremal on nähtav heitgaasitoru ja juhtiv võll.
Nüüd oleme vaadanud nelja tüüpi gaasiturbine mootoreid. Loodan, et minu tekst oli arusaadav ja kasulik. Kõik küsimused ja kommentaarid olete oodatud kirjutama kommentaaridesse.
Aitäh tähelepanu eest.
Allikas: habr.com
