Ciao a tutti! In questo articolo voglio spiegare come funzionano i motori a gas turbina aeronautici (GTD). Cercherò di farlo nel modo più semplice e comprensibile possibile.
I GTD aeronautici possono essere suddivisi in:
- motori turbojet (TRD)
- motori turbojet a doppio circuito (TRDD)
- motori turboventola (TVD)
- motori turbovariabili (TVaD)
Inoltre, TRD e TRDD possono avere camere di postcombustione; in tal caso saranno rispettivamente TRDF e TRDDF. In questo articolo non le considereremo.
Iniziamo con i motori turbojet.
Motori turbojet
Questo tipo di motori è stato creato nella prima metà del 20° secolo e ha iniziato a trovare un'applicazione di massa verso la fine della Seconda guerra mondiale. Il primo aereo turbojet di serie al mondo è stato il tedesco Me.262. I TRD sono stati popolari fino agli anni '60, dopodiché sono stati progressivamente soppiantati dai TRDD.
Una fotografia moderna del Me-262, scattata nel 2016
Il motore turbojet più semplice include i seguenti elementi:
- Dispositivo di ingresso
- Compressore
- Camera di combustione
- Turbina
- Ugello reattivo (di seguito solo ugello)
Si può dire che questo sia il set minimo per il normale funzionamento del motore.
Ora vediamo cosa serve a cosa e perché.
Il dispositivo di ingresso è un canale espandibile* che conduce l'aria al compressore e ne realizza la compressione preliminare. In esso, l'energia cinetica dell'aria in ingresso si trasforma parzialmente in pressione.
*qui e in seguito parleremo di velocità subsoniche. A velocità supersonica la fisica cambia, e lì è tutto molto diverso.
Il compressore è un dispositivo che aumenta la pressione dell'aria. Si può caratterizzare un compressore con una grandezza come il rapporto di compressione. Nei motori moderni, questo rapporto supera già le 40 unità. Inoltre, in esso aumenta la temperatura (può arrivare fino a 400 gradi Celsius).
La camera di combustione è un dispositivo in cui al calore della combustione del carburante viene portato aria compressa (dopo il compressore). La temperatura nella camera di combustione è molto alta e può raggiungere i 2000 gradi Celsius. Potrebbe sembrare che la pressione del gas nella camera aumenti notevolmente, ma non è così. Si considera teoricamente che il calore venga trasferito a pressione costante. In realtà, essa diminuisce leggermente a causa delle perdite (problema di imperfezione del design).
La turbina è un dispositivo che trasforma parte dell'energia del gas dopo la camera di combustione in energia per azionare il compressore. Poiché le turbine sono utilizzate non solo in aviazione, si può fornire una definizione più generale: è un dispositivo che converte l'energia interna del fluido di lavoro (nel nostro caso, il fluido di lavoro è il gas) in lavoro meccanico sul proprio albero. Come puoi capire, turbina e compressore sono collegati rigidamente sullo stesso albero. Se nel compressore si verifica un aumento della pressione del gas, nella turbina, al contrario, c'è una diminuzione, cioè il gas si espande.
L'ugello è un canale di restringimento in cui avviene la conversione dell'energia potenziale del gas in energia cinetica (l'energia residua del gas dopo la turbina). Come nella turbina, anche nell'ugello si verifica l'espansione del gas. Si forma un getto che, uscendo dall'ugello, muove l'aereo.
Abbiamo capito i principali elementi. Ma non è ancora molto chiaro come funzioni? Allora facciamo un'altra breve spiegazione.
L'aria dall'atmosfera entra nell'unità di ingresso, dove viene leggermente compressa e poi diretta al compressore. Nel compressore, la pressione dell'aria aumenta ulteriormente, così come la temperatura. Dopo il compressore, l'aria entra nella camera di combustione e, mescolandosi con il combustibile, si infiamma, causando un notevole aumento della temperatura, mantenendo quasi costante la pressione. Dopo la camera di combustione, i gas caldi compressi passano alla turbina. Parte dell'energia del gas è utilizzata per far ruotare il compressore tramite la turbina (per consentirle di svolgere la funzione descritta prima), mentre un'altra parte viene utilizzata per il movimento dell'aereo, poiché il gas, uscendo dalla turbina, si trasforma in un getto reattivo nell'ugello e si libera nell'atmosfera. Così si conclude il ciclo. Ovviamente, nella realtà, tutti i processi del ciclo avvengono in modo continuo.
Questo ciclo è chiamato ciclo di Brayton, o ciclo termodinamico a carattere continuo del processo di lavoro, con trasferimento di calore a pressione costante. Tutti i turbogettori funzionano secondo questo ciclo.
Ciclo di Brayton nelle coordinate P-V
N-V — processo di compressione nell'unità di ingresso
V-K — il processo di compressione in un compressore
K-G — il trasferimento di calore isobarico
G-T — il processo di espansione del gas nella turbina
G-S — il processo di espansione del gas nel razzo
S-N — il trasferimento di calore isobarico nell'atmosfera
Schema del motore turbojet, dove 0-0 è l'asse del motore
Il TRD può avere anche due alberi. In tal caso, il compressore è composto da un compressore a bassa pressione (KND) e un compressore ad alta pressione (KVD), mentre le turbine sono rispettivamente una turbina a bassa pressione (TND) e una turbina ad alta pressione (TVD). Questo schema è più vantaggioso dal punto di vista della gasodinamica.
Motore reale di questo tipo in sezione
Abbiamo esaminato il principio di funzionamento del più semplice schema del motore a gas-turbina aeronautica. Naturalmente, sui moderni 'Airbus e Boeing' sono installati TRDD, la cui costruzione è significativamente più complessa, ma operano secondo le stesse leggi. Esaminiamoli.
Motore turbojet a doppio circuito
Il turboreattore a doppio circuito si differenzia principalmente dal turboreattore a singolo circuito in quanto presenta due circuiti: uno esterno e uno interno. Il circuito interno contiene gli stessi elementi del turboreattore a singolo circuito: compressore (diviso in bassa e alta pressione), camera di combustione, turbina (divisa in alta e bassa pressione) e ugello. Il circuito esterno è un condotto, con un ugello alla fine. In esso non ci sono né camera di combustione né turbina. Di fronte a entrambi i circuiti (immediatamente dopo il dispositivo di ingresso del motore) si trova una fase di compressore che serve entrambi i circuiti.
Non sembra molto chiaro, vero? Analizziamo come funziona.
Schema costruttivo di un motore turboreattore a due assi e due circuiti
L'aria che entra nel motore, dopo aver attraversato il primo stadio del compressore a bassa pressione, si divide in due flussi. Una parte dell'aria segue il circuito interno, dove si verificano gli stessi processi descritti quando abbiamo trattato il turbogetto. L'altra parte dell'aria entra nel circuito esterno, ricevendo energia dal primo stadio del compressore a due circuiti. Nel circuito esterno, l'energia dell'aria viene utilizzata solo per superare le perdite idrauliche (a causa dell'attrito). Alla fine, quest'aria entra nel beccuccio del circuito esterno, creando una grande spinta. La spinta generata dal circuito esterno può costituire fino all'80% della spinta totale del motore.
Una delle caratteristiche più importanti dei turbogetti è il grado di bicontornità. Il grado di bicontornità è il rapporto tra il flusso d'aria nel circuito esterno e il flusso d'aria nel circuito interno. Questo valore può essere sia maggiore che minore di uno. Negli attuali motori, questo valore supera le 12 unità.
I motori con un grado di doppio circuito superiore a due vengono comunemente chiamati turboventilatori; la prima fase del compressore (quella che lavora su entrambi i circuiti) è il ventilatore.
TRDD dell'aereo Boeing 757-200. In primo piano si può vedere il dispositivo di ingresso e il ventilatore.
In alcuni motori, il ventilatore è azionato da una turbina separata, posizionata più vicino all'ugello del circuito interno. In questo caso, il motore risulta avere tre alberi. Ad esempio, i motori Rolls Royce RB211 (installati su L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), e D-36 (Jak-42) sono progettati secondo questo schema.
D-18T in sezione interna.
Il principale vantaggio del TRDD risiede nella possibilità di generare una grande spinta e una buona efficienza rispetto al TRD.
Con questo vorrei concludere riguardo al TRDD ed entrare nel successivo tipo di motori: TVD.
Motori turboventola.
Il motore turboventola, come quello turbogetto, appartiene alla categoria dei motori a gas. Funziona quasi come un turbogetto. Un motore turboventola elementare è composto di elementi già a noi noti: compressore, camera di combustione, turbogenerator e ugello. A questi si aggiungono un riduttore e una elica.
Il principio di funzionamento è simile a quello di un motore a reazione, con la differenza che praticamente tutta l'energia del gas viene utilizzata nella turbina per far ruotare il compressore e per far girare l'elica attraverso il riduttore (qui l'elica e il riduttore si trovano sullo stesso albero del compressore). L'elica genera la maggior parte della spinta. La parte rimanente, dopo la turbina, viene inviata nel ugello, creando una spinta reattiva, ma questa è minima e può costituire solo un decimo del totale. Il riduttore in questo schema è necessario per ridurre i giri e trasferire la coppia, poiché la turbina può ruotare a una frequenza molto alta, ad esempio 10.000 giri al minuto, mentre all'elica servono solo 1.500. Inoltre, l'elica è abbastanza pesante.
Schema schematico del TWD
Ma esiste anche un'altra configurazione dei motori turboventola: con turbosoffiata libera.
La sua essenza è che a una normale turbina del compressore si aggiunge una turbina separata, che non è meccanicamente collegata alla turbina del compressore. Questa turbina è chiamata turbina libera. Il legame tra la turbina del compressore e la turbina libera è esclusivamente gasodinamico. Dalla turbina libera parte un albero separato, sul quale è installato un riduttore con una vite. Tutto il resto funziona allo stesso modo del primo caso. La maggior parte dei motori moderni segue esattamente questo schema. Uno dei vantaggi di questo schema è la possibilità di utilizzare il motore a terra come unità di potenza ausiliaria (APU), senza far muovere l'elica.
Struttura schematica del turbogetto con turbina libera
Voglio sottolineare che non bisogna considerare i motori turboelica come un residuo inefficace del passato. Ho sentito più volte affermazioni di questo tipo, ma non sono corrette.
Il motore turbopropulsore offre, in alcuni casi, il massimo rendimento energetico, generalmente su aerei che non superano velocità moderate (ad esempio, a 500 km/h), pur potendo essere di dimensioni considerevoli. In tal caso, il motore turbopropulsore può risultare di gran lunga più vantaggioso rispetto al motore turbojet precedentemente esaminato.
Con questo concludiamo la nostra discussione sui motori turbopropulsori. Siamo gradualmente arrivati al concetto di motore turbogetti.
Motore turbogetto
Probabilmente, la maggior parte dei lettori sente per la prima volta questo termine. Questo tipo di motore è installato sugli elicotteri.
Il motore turbogetto è molto simile al motore turboventola con turbina libera. Consiste anch'esso in un compressore, camera di combustione, turbina compressore e successivamente in una turbina libera, collegata a tutto ciò solo in maniera gasodinamica. Tuttavia, non produce spinta reattiva, non ha ugello reattivo, ma solo uno scarico. La turbina libera ha il proprio albero, che si connette al riduttore principale dell'elicottero (del rotore principale). Sì, tutti gli elicotteri di cui sono a conoscenza hanno un tale riduttore, e in genere è di dimensioni considerevoli. Questo perché la velocità di rotazione del rotore principale di un elicottero è molto bassa. Se per un aereo, come ho scritto sopra, possono raggiungere 1500 giri/min, per un elicottero, ad esempio il Mi-8, sono solo 193 giri/min.
E la velocità del motore di un elicottero è spesso molto alta (a causa delle dimensioni ridotte), e devono essere ridotti anche di centinaia di volte. Ci sono casi in cui il riduttore è presente sia nel motore che nell'elicottero stesso, ad esempio, nel Mi-2 e nel suo motore GTD-350.
Struttura schematica del motore turbogetto
Il motore ТВ3-117 dell'elicottero Mi-8. A destra si vedono il tubo di scarico e l'albero di trasmissione.
Quindi, abbiamo esaminato quattro tipi di motori a turbina a gas. Spero che il mio testo sia stato chiaro e utile per voi. Potete scrivere tutte le domande e i commenti nei commenti.
Grazie per l'attenzione.
Fonte: habr.com
