Ciao a tutti! In questo articolo voglio spiegare come funzionano i motori a turbogetto (GTD). Cercherò di farlo nel modo più semplice e comprensibile possibile.
I GTD possono essere suddivisi in:
- motori a turborazionalità (TRD)
- motori a turborazionalità a doppio circuito (TRDD)
- motori a turboventola (TVD)
- motori a turbina a gas (TVaD)
Inoltre, i TRD e i TRDD possono includere una camera di postcombustione, in tal caso saranno rispettivamente TRDF e TRDDDF. In questo articolo non li tratteremo.
Cominciamo con i motori a turborazionalità.
Motori a turborazionalità
Questo tipo di motore è stato creato nella prima metà del XX secolo e ha cominciato a trovare un uso massiccio verso la fine della Seconda Guerra Mondiale. Il primo aereo a turborazionalità prodotto in serie al mondo è stato il tedesco Me.262. I TRD sono stati popolari fino agli anni '60, dopo di che sono stati sostituiti dai TRDD.
Una foto moderna del Me-262, scattata nel 2016
Il motore a turborazionalità più semplice include i seguenti elementi:
- Dispositivo di ingresso
- Compressore
- Camera di combustione
- Turbina
- Ugello a reazione (d'ora in poi semplicemente ugello)
Si può dire che questo è il set minimo per un funzionamento normale del motore.
Ora esaminiamo a cosa serve ogni parte e perché.
Il dispositivo di ingresso è un canale in espansione* in cui avviene l'afflusso d'aria al compressore e la sua compressione preliminare. In esso, l'energia cinetica dell'aria in ingresso viene parzialmente convertita in pressione.
*qui e in seguito parleremo di velocità subsoniche. A velocità supersoniche la fisica cambia, e tutto è completamente diverso.
Il compressore è un dispositivo in cui avviene l'aumento della pressione dell'aria. Il compressore può essere caratterizzato da un valore chiamato rapporto di compressione. Nei motori moderni, questo rapporto supera già 40 unità. Inoltre, la temperatura aumenta (può arrivare fino a circa 400 gradi Celsius).
La camera di combustione è un dispositivo in cui l'aria compressa (dopo il compressore) viene riscaldata attraverso la combustione di un combustibile. La temperatura all'interno della 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. Teoricamente, si considera che il calore venga fornito a pressione costante. In realtà, essa diminuisce leggermente a causa delle perdite (problema di imperfezione del design).
La turbina è un dispositivo che trasforma una parte dell'energia del gas dopo la camera di combustione in energia per azionare il compressore. Poiché le turbine vengono utilizzate non solo in aviazione, possiamo fornire una definizione più generica: si tratta di un dispositivo che converge l'energia interna del fluido di lavoro (in questo caso, il fluido è gas) in lavoro meccanico all'albero. Come avete potuto comprendere, la turbina e il compressore sono montati sullo stesso albero e sono rigidamente collegati tra loro. Se nel compressore avviene un aumento della pressione del gas, nella turbina, al contrario, si verifica una diminuzione, ovvero il gas si espande.
L'ugello è un canale che si restringe, nel quale avviene la conversione dell'energia potenziale del gas in energia cinetica (il residuo di energia del gas dopo la turbina). Come nella turbina, anche nell'ugello avviene l'espansione del gas. Si forma un getto che, uscendo dall'ugello, fa muovere l'aereo.
Abbiamo chiarito i principali elementi. Ma non è ancora molto chiaro come funziona? Allora approfittiamo per rivedere brevemente.
L'aria atmosferica entra nell'unità di ingresso, dove viene leggermente compressa e quindi passa nel compressore. Nel compressore, la pressione dell'aria cresce ulteriormente, così come la temperatura. Dopo il compressore, l'aria entra nella camera di combustione e, mescolandosi con il carburante, si infiamma, provocando un forte aumento della temperatura, a pressione praticamente costante. Dopo la camera di combustione, il gas compresso e caldo entra nella turbina. Parte dell'energia del gas viene utilizzata per far ruotare il compressore tramite la turbina (perché possa svolgere la sua funzione descritta sopra), mentre un'altra parte dell'energia viene utilizzata per il movimento dell'aereo, poiché il gas, dopo aver attraversato la turbina, si trasforma in un getto reattivo nel beccuccio ed esce nell'atmosfera. Così termina il ciclo. Naturalmente, nella realtà tutti i processi del ciclo avvengono in modo continuo.
Questo ciclo è noto come ciclo di Brayton, o ciclo termodinamico caratterizzato da un processo di lavoro continuo e fornendo calore a pressione costante. È secondo questo ciclo che funzionano tutti i GTD.
Ciclo di Brayton nelle coordinate P-V
N-V — processo di compressione nell'unità di ingresso
V-K — processo di compressione nel compressore
K-G — assorbimento di calore a pressione costante
G-T — processo di espansione del gas nella turbina
G-S — processo di espansione del gas nel beccuccio
S-N — rilascio di calore a pressione costante nell'atmosfera
Struttura schematico del motore turbojet, dove 0-0 è l'asse del motore
Il TRD può avere anche due assi. In tal caso, il compressore è composto da un compressore a bassa pressione (KND) e un compressore ad alta pressione (KVD), mentre il lavoro sarà fornito dalla turbina a bassa pressione (TND) e dalla turbina ad alta pressione (TVD) rispettivamente. Questo schema è più vantaggioso dal punto di vista aerodinamico.
Motore reale di questo tipo in sezione
Abbiamo esaminato il principio di funzionamento del schema più semplice di un motore turbogiuntore aeronautico. Ovviamente, sugli attuali "Airbus e Boeing" vengono installati TTRD, la cui struttura è notevolmente più complessa, ma funzionano secondo le stesse leggi. Esaminiamoli.
Motore turbojet a doppio circuito
Il TRDD si distingue principalmente dal TRD per la presenza di due circuiti: esterno e interno. Il circuito interno contiene gli stessi elementi del TRD: compressore (diviso in KND e KVD), camera di combustione, turbina (divisa in TVD e TND) e ugello. Il circuito esterno consiste in un condotto con un ugello alla fine. In esso non ci sono né camera di combustione né turbina. Davanti a entrambi i circuiti (immediatamente dopo l'organo di ingresso del motore) si trova uno stadio del compressore che sostiene entrambi i circuiti.
La situazione è un po' confusa, vero? Vediamo come funziona.
Schema della costruzione di un motore turbojet bicircuito a doppio albero.
L'aria che entra nel motore, dopo aver passato il primo stadio del compressore a bassa pressione, si divide in due flussi. Una parte dell'aria segue il circuito interno, dove avvengono gli stessi processi descritti quando abbiamo analizzato il TRD. L'altra parte dell'aria entra nel circuito esterno, ricevendo energia dal primo stadio del KND (quello che lavora su entrambi i 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 nell'ugello del circuito esterno, generando una grande spinta. La spinta generata dal circuito esterno può arrivare fino all'80% della spinta totale del motore.
Una delle caratteristiche più importanti del TRDD è il grado di bicircuito. Il grado di bicircuito è il rapporto tra il flusso d'aria nel circuito esterno e il flusso d'aria nel circuito interno. Questo numero può essere sia maggiore che minore di uno. Negli attuali motori, questo valore supera spesso 12 unità.
I motori la cui proporzione di bicircuito supera il due sono comunemente chiamati turboventilatori, e il primo stadio del compressore (quello che lavora su entrambi i circuiti) è un ventilatore.
TRDD dell'aereo Boeing 757-200. In primo piano si può vedere l'organo 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 diventa triaxiale. Ad esempio, secondo questo schema sono progettati i motori Rolls Royce RB211 (installati su L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42).
D-18T in sezione interna.
Il principale vantaggio del TPRD è la possibilità di generare una grande spinta e una buona efficienza energetica rispetto al TRD.
Con questo vorrei concludere riguardo al TPRD e passare al prossimo tipo di motori: il TWD.
Motori turboventola
Il motore turboventola, come il motore turbojet, appartiene ai motori a gas. Funziona quasi come un turbojet. Un motore turboventola elementare è composto dagli elementi già noti: compressore, camera di combustione, turbina e ugello. A questi si aggiungono il riduttore e l'elica.
Il principio di funzionamento è simile a quello di un turbojet, con la differenza che praticamente tutta l'energia del gas è utilizzata dalla turbina per far girare il compressore e per far girare l'elica tramite il riduttore (qui l'elica e il riduttore sono sullo stesso asse del compressore). L'elica genera la maggior parte della spinta. La parte rimasta, dopo la turbina, dell'energia va nell'ugello, creando una spinta reattiva, ma è modesta e può costituire un decimo del totale. Il riduttore in questo schema è necessario per ridurre i giri al minuto e trasferire il momento, poiché la turbina può girare a una frequenza molto alta, ad esempio, 10.000 giri al minuto, mentre all'elica servono solo 1.500. Inoltre, l'elica è sufficientemente pesante.
Struttura schematica del TWD
Ma esiste anche un'altra configurazione dei motori turboventola: con turbina libera.
La sua essenza è che dietro la normale turbina del compressore c'è una turbina separata, che non è meccanicamente collegata alla turbina del compressore. Questa turbina è chiamata libera. Il collegamento tra la turbina del compressore e la turbina libera è solo gasodinamico. Dalla turbina libera esce un albero separato, su cui è montato il riduttore con l'elica. Tutto il resto funziona come nel primo caso. La maggior parte dei motori moderni è realizzata proprio in questo modo. Uno dei vantaggi di tale schema è la possibilità di utilizzare il motore a terra come unità di potenza ausiliaria (APU), senza far girare l'elica.
Struttura schematica del TWD con turbina libera
Voglio sottolineare che non bisogna considerare i motori turboventola come un relitto inefficiente del passato. Ho sentito alcune volte tali affermazioni, ma sono errate.
Il motore turboelico in alcuni casi ha un'efficienza massima, generalmente sugli aerei a velocità moderate (ad esempio, a 500 km/h), e questi aerei possono essere di dimensioni considerevoli. In questo caso, il motore turboelico può risultare molto più vantaggioso rispetto a un motore turbojet considerato in precedenza.
Con questo abbiamo concluso riguardo i motori turboelici. Siamo lentamente giunti al concetto di motore turboalbero.
Motore turboalbero
Probabilmente la maggior parte dei lettori sente per la prima volta questo nome. Questo tipo di motori viene installato sugli elicotteri.
Il motore turboalbero è molto simile al motore turboelico con turbina libera. Esso è composto anche da un compressore, camera di combustione, turbina del compressore, quindi abbiamo la turbina libera, che è collegata a tutto il precedente solo tramite dinamica dei gas. Tuttavia, un motore di questo tipo non produce spinta reattiva, non ha ugello reattivo, ma solo scarico. La turbina libera ha il suo albero, che è collegato al principale riduttore dell'elicottero (del rotore principale). Sì, tutti gli elicotteri che conosco hanno un tale riduttore, e di solito è di dimensioni considerevoli. Questo perché i giri del rotore principale dell'elicottero sono molto bassi. Se per l'aereo, come ho scritto sopra, possono raggiungere 1500 giri/min, per l'elicottero, ad esempio, il Mi-8, sono solo 193 giri/min.
I giri del motore dell'elicottero sono spesso molto elevati (a causa delle ridotte dimensioni), e spesso devono essere ridotti di cento volte o più. A volte succede che ci sia un riduttore sia sul motore che sull'elicottero stesso, ad esempio sul Mi-2 e sul suo motore GTD-350.
Struttura schematica del motore turboalbero
Motore ТВ3-117 dell'elicottero Mi-8. A destra sono visibili il tubo di scarico e l'albero motore
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 commenti nei commenti.
Grazie per l'attenzione.
Fonte: habr.com
