Helló mindenkinek! Ebben a cikkben arról szeretnék beszélni, hogyan működnek a repülőgép gázturbinás motorjai (GT). Igazolni fogom, hogy ezt a lehető legegyszerűbb és legérthetőbb nyelven tegyem.
A repülőgép GT-ket a következő kategóriákra lehet osztani:
- turbojet motorok (TJ)
- duálkörü turbojet motorok (DTJ)
- Turbópropellerek (TP)
- Turbóhajtóművek (TH)
A TJ-k és DTJ-k tartalmazhatnak utóégetőt, ebben az esetben TJF és DTJF néven futnak. E cikkben őket nem fogjuk vizsgálni.
Kezdjük a turbojet motorokkal.
Turbojet motorok
Ez a motor típus az 20. század első felében készült, és a második világháború végére kezdett széleskörűen elterjedni. A világ első sorozatgyártott turbojet repülőgépe a német Me.262 volt. A TJ-k a 60-as évekig népszerűek voltak, ekkor kezdték őket háttérbe szorítani a DTJ-k.
A modern Me-262 fényképe, amely 2016-ban készült
A legegyszerűbb turbojet motor a következő elemekből áll:
- Bemeneti egység
- Kompresszor
- Égési kamra
- Turbina
- Hajtómű fúvóka (a továbbiakban egyszerűen fúvóka)
Azt lehet mondani, hogy ez a minimális készlet a motor megfelelő működéséhez.
Most nézzük meg, hogy miért szükséges minden elem és mire való.
A bemeneti egység egy táguló csatorna, amelyben a levegő a kompresszorhoz jut, és előzetesen összepréselődik. Itt a belépő levegő kinetikai energiája részben nyomásra alakítódik.
*Itt és a következő fejezetekben az alacsony sebességekről beszélünk. Hangsebesség felett a fizika megváltozik, és minden egészen más.
A kompresszor egy olyan eszköz, amelyben a levegő nyomása emelkedik. A kompresszort a nyomásemelési fokozat jellemzi. A modern motorokban ez már 40 egység fölé emelkedik. Továbbá, a hőmérséklet is növekszik (körülbelül 400 Celsius-fokig).
A lángkamra olyan eszköz, amelyben a tömörített levegőhöz (a kompresszor után) a tüzelőanyag égése során hőt juttatnak. A lángkamrában a hőmérséklet rendkívül magas, elérheti a 2000 Celsius-fokot. Talán azt hiheti, hogy a gáznak a kamrában lévő nyomása is jelentősen megnő, de ez nem így van. Elméletileg a hőbevezetést állandó nyomáson végzik. A valóságban a veszteségek miatt (a konstrukció tökéletlensége) ez kissé csökken.
A turbina olyan eszköz, amely a lángkamra utáni gázenergia egy részét mechanikai munkává alakítja a kompresszor tengelyén. Mivel a turbinákat nemcsak a repülésben használják, általánosabb meghatározást adhatunk: ez egy olyan eszköz, amely a munkaközeg belső energiáját (jelen esetben a munkaközeg gáz) mechanikai munkává alakítja a tengelyen. Ahogy azt érteni lehet, a turbina és a kompresszor ugyanazon a tengelyen helyezkednek el, és szoros kapcsolatban állnak egymással. Ha a kompresszorban a gáz nyomása növekszik, akkor a turbinában éppen ellenkezőleg, csökken, tehát a gáz kitágul.
A fúvóka egy szűkülő csatorna, amelyben a gáz potenciális energiája kinetikus energiává alakul (a turbina után megmaradt gázenergia). A turbinához hasonlóan a fúvókában is a gáz kitágul. Egy sugár keletkezik, amely a fúvókából kiáramlva mozgatja a repülőt.
Most már megértettük az alapvető elemeket. De még mindig nem egészen világos, hogyan működik? Akkor nézzük meg újra röviden.
A levegő a légkörből egy belépő eszközbe jut, ahol kissé összenyomódik, majd a kompresszorba kerül. A kompresszorban a levegő nyomása tovább nő, és a hőmérséklet is emelkedik. A kompresszor után a levegő az égéstérbe kerül, ahol üzemanyaggal keveredik és begyullad, ami a hőmérséklet drasztikus növekedéséhez vezet, miközben a nyomás szinte állandó marad. Az égéstér után a forró, sűrített gáz a turbinába jut. A gáz egy részének energiája a turbinát mozgatja (hogy az elláthassa a korábban leírt funkcióját), míg a másik rész energia a repülőgépünk által szükséges mozgásra megy el, mivel a gáz, miután áthaladt a turbinán, reakciós sugárrá alakul a fúvókában és eltávozik (a fúvókából) a légkörbe. Ezzel a ciklus befejeződik. Természetesen a valóságban minden folyamat folyamatosan zajlik.
Ez a ciklus Brayton-ciklusnak, vagy thermodinamikai ciklusnak nevezik, amely folyamatos munkafolyamat és állandó nyomású hőbevitelt jelent. Minden gázturbinás motor ezen a cikluson működik.
A Brayton-ciklus P-V koordinátákban
N-V — a folyamat a belépő eszköz sűrítésében
V-K — a kompresszor sűrítési folyamata
K-G — izobár hőbevitel
G-T — a gáz expanziója a turbinában
G-S — a gáz expanziója a fúvókában
S-N — izobár hőelvonás a légkörbe
A turborégen motor vázlata, ahol 0-0 — a motor tengelye
A turbóreaktív motor rendelkezhet két tengellyel. Ilyen esetben a kompresszor egy alacsony nyomású kompresszorból (KND) és egy magas nyomású kompresszorból (KVD) áll, míg a munkát a megfelelő alacsony nyomású turbina (TND) és magas nyomású turbina (TVD) végzi. Ez a séma gázdinamikai szempontból előnyösebb.
Egy ilyen motor valósága metszetben
Megvizsgáltuk a legegyszerűbb repülőgép gázturbinás motorjának működési elvét. Természetesen a modern "Airbus" és "Boeing" repülőgépeken TRD motorok találhatók, amelyek felépítése jelentősen bonyolultabb, de minden ugyanazon törvények szerint működik. Nézzük meg ezeket.
Kétszelepes turbóreaktív motor
A TRDD, elsődlegesen, a TRD-től azzal különbözik, hogy két kontúrral rendelkezik: külső és belső. A belső kontúr tartalmazza mindazt, ami a TRD-ben is megtalálható: kompresszor (amely KND és KVD részekre van osztva), égetőkamra, turbina (amely TVD és TND részekre van osztva) és fúvóka. A külső kontúr egy csatorna, a végén egy fúvókával. Nincs benne sem égetőkamra, sem turbina. Mindkét kontúr előtt (azonnal a motor bemeneti egysége után) egy kompresszorlépés található, amely mindkét kontúrra dolgozik.
Eléggé zavaros a kép, ugye? Nézzük meg, hogyan működik.
Sémás felépítésű két tengelyű, két kontúros turbojet motor
A motorba jutó levegő, miután áthaladt az alacsony nyomású kompresszor első lépésén, két áramra oszlik. A levegő egy része a belső kontúron halad át, ahol ugyanolyan folyamatok zajlanak, mint amit a TRD-nél tárgyaltunk. A levegő másik része a külső kontúrba kerül, energiát kapva az első KND lépéstől (amely mindkét kontúron működik). A külső kontúrban a levegő energiája csak a hidraulikus veszteségek leküzdésére fordítódik (a súrlódás révén). Végül ez a levegő a külső kontúr fúvókájába jut, hatalmas tolóerőt teremtve. A külső kontúr által létrehozott tolóerő az összes motor tolóerejének akár 80%-át is kiteheti.
A TRDD egyik legfontosabb jellemzője a két kontúros arány. A két kontúros arány a külső kontúr levegőáramának aránya a belső kontúr levegőáramával. Ez a szám lehet egy és annál kisebb vagy nagyobb is. A modern motorok esetében ez a szám meghaladja a 12-es értéket.
Azokat a motorokat, amelyek két kontúros aránya meghaladja a kettőt, turboventilátorosnak nevezzük, és az első kompresszorlépést (amely mindkét kontúron dolgozik) ventilátornak hívják.
TRDD a Boeing 757-200 repülőgépen. Az előtérben látható a bemeneti egység és a ventilátor.
Néhány motor esetében a ventilátort egy külön turbina hajtja, amely a belső kontúr fúvókájához legközelebb helyezkedik el. Ezáltal a motor háromtengelyes lesz. Például ilyen felépítésűek a Rolls Royce RB211 motorok (amelyek az L1011, B747, B757, B767 típusú repülőgépekre voltak szerelhetők), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).
D-18T metszeti ábra belülről
A TRDD fő előnye, hogy nagy tolóerőt és jó üzemanyag-hatékony működést biztosít a TRD-hez képest.
Ezzel szeretném befejezni a TRDD témáját, és áttérni a következő motorfajtára - TVD-re.
Turbovolt motorok
A turbovolt motor, akárcsak a turboreakciós, a gázturbinás motorok csoportjába tartozik. Működése szinte ugyanolyan, mint a turboreakciós motoré. Az alap turbovolt motor már ismerős elemekből áll: kompresszorból, égéstérből, turbinából és fúvókából. Ezekhez egy reduktor és egy propeller is hozzáadódik.
A működési elv ugyanaz, mint a turboreakciós motoroknál, azzal a különbséggel, hogy a gáz energiájának szinte teljes mértéke a turbinán a kompresszor forgatására és a propeller forgatására fordítódik a reduktoron keresztül (itt a propeller és a reduktor a kompresszorral egy tengelyen helyezkedik el). A propeller adja a tolóerő fő részét. A turbinán túli energia egy része a fúvókába irányul, reakciós tolóerőt képezve, de ez elenyésző, a teljes húzóerő tizedét alkothatja. A reduktor a rendszerben a fordulatszám csökkentésére és a nyomaték átadására szolgál, mivel a turbina nagyon magas frekvencián foroghat, például 10,000 fordulat/perc, míg a propellernek csak 1500-ra van szüksége. Ráadásul a propeller elég nehéz.
A TVD vázlatszerű felépítése
De létezik másik felépítési séma is a turbovolt motorok számára: szabad turbina.
A szabad turbina lényege, hogy a kompresszor szokásos turbina mögött egy külön turbina található, amely mechanikusan nincs kapcsolatban a kompresszor turbina. Ezt a turbina szabad turbínának hívják. A kapcsolat a kompresszor turbina és a szabad turbina között csak gázdinamikai. A szabad turbina egy külön tengelyen helyezkedik el, amelyre reduktort és propellert szerelnek. Minden más úgy működik, mint az első esetben. A legtöbb modern motor pontosan ezen a sémán alapszik. Az ilyen séma egyik előnye, hogy a motort a földön lehet használni, mint segédhajtó egységet (APU), anélkül, hogy a propellert mozgásba kellene hozni.
A TVD vázlatszerű felépítése szabad turbina esetén
Szeretném hangsúlyozni, hogy nem szabad azt gondolni, hogy a turbovolt motorok egy alacsony hatékonyságú, elavult megoldás. Többször hallottam ilyen véleményeket, de ez téves.
A turboprop engine has the highest efficiency in certain cases, typically in aircraft that fly at relatively low speeds (for example, at 500 km/h), while the aircraft can be quite large. In such cases, a turboprop engine can be significantly more advantageous than the turbojet engine discussed earlier.
This brings us to the end of our discussion on turboprop engines. We are gradually approaching the concept of the turboshaft engine.
Turboshaft engine
Most readers here may be hearing this name for the first time. This type of engine is installed on helicopters.
A turboshaft engine is very similar to a turboprop engine with a free turbine. It also consists of a compressor, a combustion chamber, a compressor turbine, followed by a free turbine, which is only gas-dynamically connected to all previous components. However, it does not generate jet thrust, as it has no jet nozzle, only an exhaust. The free turbine has its own shaft, which connects to the main gearbox of the helicopter (the main rotor). Yes, all helicopters I know have such a gearbox, and it is typically quite large. The thing is, the rotor speeds of a helicopter are very low. If in an airplane, as I mentioned above, they can reach 1500 RPM, then in a helicopter, for example, the Mi-8, only 193 RPM.
The engine speeds in helicopters are often very high (due to their smaller size), and they have to be reduced by a hundred times or more. There are times when a gearbox is present both on the engine and on the helicopter itself, as in the case of the Mi-2 and its GTD-350 engine.
Schematic diagram of a turboshaft engine
The TV3-117 engine from the Mi-8 helicopter. On the right, the exhaust pipe and drive shaft are visible.
So, we have looked at four types of gas turbine engines. I hope my text was clear and helpful to you. Feel free to write any questions or comments below.
Köszönöm a figyelmet.
Forrás: habr.com
