Sziasztok! Ebben a cikkben arról szeretnék beszélni, hogyan működnek a légiközlekedési gázturbinás hajtóművek (GTE). Igyekszem ezt a lehető legegyszerűbben és érthetőbbé tenni.
A légiközlekedési gázturbinás motorok a következőkre oszthatók:
- turbóhajtóművek (TRD)
- kétkörös turbósugárhajtóművek (turbósugárhajtóművek)
- Turbóprop motorok (TVD)
- Turbótengelyes motorok (TVaD)
Ezen túlmenően a turbóhajtóműves motorok és a turbóventilátorok tartalmazhatnak utánégetőt, amely esetben turbóventilátorok, illetve turbóventilátorok lesznek. Ebben a cikkben nem foglalkozunk velük.
Kezdjük a turbóhajtóművekkel.
Turbóhajtóműves motorok
Ezt a motortípust a 20. század első felében hozták létre, és a második világháború vége felé kezdett elterjedni. A világ első soros turbóhajtóműves repülőgépe a német Me.262 volt. A turbóventilátoros motorok a 60-as évekig népszerűek voltak, ezután kezdték felváltani őket turbóventilátoros motorok.
Modern fénykép a Me-262-ről 2016-ban
A legegyszerűbb turbóhajtómű a következő elemeket tartalmazza:
- Beviteli eszköz
- Kompresszor
- Égéskamra
- Turbina
- Fúvóka (a továbbiakban egyszerűen fúvóka)
Azt mondhatjuk, hogy ez a minimum a motor normál működéséhez.
Most nézzük meg, hogy mire van szükség és miért.
A bemeneti eszköz egy táguló* csatorna, amelyben levegőt juttatnak a kompresszorba és elősűrítik. Ebben a beáramló levegő mozgási energiája részben nyomássá alakul.
*a továbbiakban a szubszonikus sebességekről lesz szó. Szuperszonikus sebességgel a fizika megváltozik, és ott minden teljesen más.
A kompresszor olyan eszköz, amely növeli a légnyomást. A kompresszor olyan értékkel jellemezhető, mint a nyomásnövekedés mértéke. A modern motorokban ez már kezdi meghaladni a 40 egységet. Ráadásul a hőmérséklet megemelkedik benne (talán valahol 400 Celsius fokig).
Az égéskamra egy olyan berendezés, amelyben a tüzelőanyag elégetése következtében hő jut a sűrített levegőbe (a kompresszor után). Az égéstér hőmérséklete nagyon magas, elérheti a 2000 Celsius fokot. Úgy tűnhet, hogy a kamrában a gáznyomás is jelentősen megnő, de ez nem így van. Elméletileg általánosan elfogadott, hogy a hőt állandó nyomáson szállítják. A valóságban a veszteségek miatt kissé csökken (a tökéletlen tervezés problémája).
A turbina olyan berendezés, amely az égéstér után a gázenergia egy részét kompresszor hajtási energiává alakítja. Mivel a turbinákat nem csak a repülésben alkalmazzák, általánosabb definíció is adható: ez egy olyan berendezés, amely a munkaközeg (esetünkben a munkaközeg gáz) belső energiáját mechanikai munkává alakítja a tengelyen. Amint érti, a turbina és a kompresszor ugyanazon a tengelyen található, és mereven össze vannak kötve egymással. Ha a gáznyomás növekszik a kompresszorban, akkor a turbinában éppen ellenkezőleg, csökken, vagyis a gáz kitágul.
A fúvóka egy elkeskenyedő csatorna, amelyben a gáz potenciális energiája mozgási energiává alakul (a turbina után fennmaradó gázenergia-tartalék). A turbinához hasonlóan a gáz tágulása a fúvókában történik. Kialakul egy sugár, amely a fúvókán kiáramolva mozgatja a síkot.
Összeszedtük az alapelemeket. De még mindig nem egészen világos, hogyan működik? Ezután ismételjük meg röviden.
A légkör levegője belép a bemeneti eszközbe, ahol kissé összenyomódik, és belép a kompresszorba. A kompresszorban a légnyomás még jobban megnő, és a hőmérséklet is nő. A kompresszor után a levegő belép az égéstérbe, és ott az üzemanyaggal keveredve meggyullad, ami erőteljes hőmérséklet-emelkedéshez vezet, mondhatni állandó nyomáson. Az égéstér után a forró sűrített gáz belép a turbinába. A gáz energiájának egy részét a kompresszor forgatására fordítja a turbina (hogy az el tudja látni a fent leírt funkcióját), az energia másik részét a repülőgép mozgására fordítjuk, amire szükségünk van, mivel hogy a gáz a turbinán áthaladva a fúvókában sugársugárrá alakul és abból (a fúvókából) a légkörbe távozik. Ezzel befejeződik a ciklus. Természetesen a valóságban a ciklusban minden folyamat folyamatosan megy végbe.
Ezt a ciklust Brayton-ciklusnak nevezik, vagy termodinamikai ciklusnak, amely folyamatos működési folyamattal és állandó nyomású hőbevitellel történik. Minden gázturbinás motor ennek a ciklusnak megfelelően működik.
Brayton ciklus PV koordinátákban
N-B - tömörítési folyamat a beviteli eszközben
V-K - kompressziós folyamat kompresszorban
K-G - izobár hőellátás
G-T - gáztágulási folyamat turbinában
G-S - a gáz tágulási folyamata a fúvókában
С-Н - izobár hőelvonás a légkörbe
Turbóhajtómű sematikus felépítése, ahol 0-0 a motor tengelye
A turbóhajtóműnek két tengelye lehet. Ebben az esetben a kompresszor egy alacsony nyomású kompresszorból (LPC) és egy nagynyomású kompresszorból (HPC) áll, a munkaellátást pedig egy alacsony nyomású turbina (LPT) és egy nagynyomású turbina ( HPT), ill. Ez a séma gázdinamikailag kedvezőbb.
Kivágott nézet egy ilyen típusú valódi motorról
Megvizsgáltuk a legegyszerűbb repülőgép gázturbinás hajtóműkör működési elvét. Természetesen a modern Airbusok és Boeingek turbóventilátor-motorokkal vannak felszerelve, amelyek kialakítása észrevehetően bonyolultabb, de minden ugyanazok a törvények szerint működik. Nézzük meg őket.
Kétkörös turbósugárhajtómű
A turbóventilátoros motor mindenekelőtt abban különbözik a turbóhajtóműtől, hogy két áramköre van: külső és belső. A belső áramkör ugyanazt tartalmazza, mint a turbóhajtómű: egy kompresszor (LPC-re és HPC-re osztva), egy égéskamra, egy turbina (HP-re és LHP-re osztva) és egy fúvóka. A külső kontúr egy csatorna, amelynek végén egy fúvóka található. Nincs benne se égéstér, se turbina. Mindkét kör előtt (közvetlenül a motor bemenete után) van egy kompresszor fokozat, amely mindkét körön működik.
Nem túl tiszta kép, igaz? Kitaláljuk, hogyan működik.
Kéttengelyes bypass turbósugárhajtómű sematikus felépítése
A motorba belépő, az alacsony nyomású kompresszor első fokozatán áthaladó levegő két áramra oszlik. A levegő egy része a belső kör mentén áramlik, ahol ugyanazok a folyamatok mennek végbe, mint a turbóhajtómű szétszerelésekor. A levegő második része belép a külső áramkörbe, energiát kapva az LPC első szakaszától (a két körön működő). A külső körben a levegőenergiát csak a hidraulikus veszteségek leküzdésére fordítják (a súrlódás miatt). A végén ez a levegő belép a külső hurokfúvókába, hatalmas tolóerőt hozva létre. A külső áramkör által létrehozott tolóerő a teljes motor tolóerejének 80%-át teheti ki.
A turbóventilátoros motorok egyik legfontosabb jellemzője a bypass arány. A bypass arány a külső körben lévő légáram és a belső hurok légáramlásának aránya. Ez a szám lehet nagyobb vagy kisebb, mint egy. A modern motorokon ez a szám meghaladja a 12 egységet.
A kettőnél nagyobb bypass arányú motorokat általában turbóventilátoros motoroknak, a kompresszor első fokozatát (amely mindkét körön működik) pedig ventilátornak nevezik.
Boeing 757-200 turbóventilátor motor. A beviteli eszköz és a ventilátor látható az előtérben.
Egyes motoroknál a ventilátort külön turbina hajtja, amely a legközelebb van a belső kör fúvókához. Ezután a motor háromtengelyesnek bizonyul. Például a Rolls Royce RB211 motorok (L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) motorok ennek a kialakításnak megfelelően készülnek.
D-18T metszetben belülről
A turbóventilátoros motor fő előnye, hogy nagy tolóerőt és jó hatásfokot hoz létre a turbósugárhajtóműves motorokhoz képest.
Ezzel szeretném befejezni a turbóventilátoros motort, és áttérni a következő típusú motorra - a turbóventilátoros motorra.
Turbóprop motorok
A turbólégcsavaros motor, akárcsak a turbóhajtómű, gázturbinás motor. És majdnem úgy működik, mint egy turbó. Az alap turbólégcsavaros motor számunkra már ismert elemekből áll: kompresszor, égéstér, turbina és fúvóka. Egy sebességváltót és egy csavart adnak hozzájuk.
Működési elve megegyezik a turbó sugárhajtásúéval, azzal a különbséggel, hogy a gázenergia szinte teljes részét a turbinában fordítják a kompresszor forgatására és a légcsavar hajtóművön keresztüli forgatására (itt a légcsavar és a sebességváltó ugyanazon van tengely, mint a kompresszor). A légcsavar hozza létre a tolóerő nagy részét. A turbina után fennmaradó energiarészt a fúvókába irányítják, sugárhajtást képezve, de kicsi, az összmennyiség tizede is lehet. Ebben a sémában a sebességváltóra a fordulatszám csökkentése és a nyomaték átvitele érdekében van szükség, mivel a turbina nagyon magas frekvencián tud forogni, például 10000 1500 fordulat / perc, de a légcsavarnak csak XNUMX XNUMX. És a propeller meglehetősen nehéz.
A színház sematikus kialakítása
De van egy másik kialakítás is a turbóprop motorokhoz: szabad turbinával.
Lényege, hogy a szokásos kompresszorturbina mögé külön turbinát építenek be, amely nincs mechanikusan a kompresszorturbinához kötve. Az ilyen turbinát szabadnak nevezik. A kompresszorturbina és a szabad turbina közötti kapcsolat csak gázdinamikus. A szabad turbinából külön tengely van, amelyre egy propellerrel ellátott sebességváltó van felszerelve. Minden más ugyanúgy működik, mint az első esetben. A legtöbb modern motort pontosan így tervezték. Ennek a sémának az egyik előnye, hogy a motort a földön kisegítő erőegységként (APU) lehet használni anélkül, hogy a propellert meg kellene hajtani.
Szabad turbinával rendelkező turbólégcsavaros motor vázlatos felépítése
Szeretném megjegyezni, hogy nem kell úgy tekinteni a turbóprop motorokra, mint a múlt hatástalan emlékére. Többször hallottam már ilyen kijelentéseket, de nem igazak.
Egyes esetekben a turbólégcsavaros motor a legmagasabb hatásfokkal rendelkezik, általában a nem túl nagy sebességű (például 500 km/h) repülőgépeken, ráadásul a repülőgép lenyűgöző méretű lehet. Ebben az esetben egy turbólégcsavaros motor sokszorosan jövedelmezőbb lehet, mint a korábban tárgyalt turbóhajtómű.
Itt be is fejezhetjük a turbóprop motorokat. Lassan közeledünk a turbótengelyes motor koncepciójához.
turbótengelyes motor
A legtöbb olvasó biztosan először hall ilyen nevet. Az ilyen típusú motorokat helikopterekre szerelik fel.
A turbótengelyes motor nagyon hasonlít egy szabad turbinás turbóprop motorhoz. Kompresszorból, égéskamrából, kompresszor turbinából is áll, majd van egy szabad turbina, minden eddigihez csak gázdinamikusan kapcsolódik. De egy ilyen motor nem hoz létre tolóerőt, nincs fúvóka, csak kipufogó. A szabad turbinának saját tengelye van, amely a helikopter fő hajtóművéhez (főrotor) kapcsolódik. Igen, minden általam ismert helikopternek van ilyen sebességváltója, és általában lenyűgöző méretű. A helyzet az, hogy egy helikopter rotorsebessége nagyon alacsony. Ha egy repülőgépnél, ahogy fentebb is írtam, elérhetik az 1500-as fordulatot, akkor például egy helikopternél a Mi-8-nál csak a 193-as fordulatot.
A helikopter motorfordulatszáma pedig gyakran nagyon magas (kis méretéből adódóan), és százszor vagy többször kell csökkenteni. Előfordul, hogy a sebességváltót a motorra és magára a helikopterre is felszerelik, például a Mi-2-re és annak GTD-350 motorjára.
Turbótengelyes motor sematikus felépítése
TV3-117 motor a Mi-8 helikopterből. A kipufogócső és a hajtótengely a jobb oldalon látható
Tehát négyféle gázturbinás motort néztünk meg. Remélem, a szövegem érthető és hasznos volt az Ön számára. Minden kérdést és megjegyzést a megjegyzésekben írhat.
Köszönöm a figyelmet.
Forrás: will.com
