Hai semua! Dalam artikel ini saya ingin bercakap tentang bagaimana enjin turbin gas penerbangan (GTE) berfungsi. Saya akan cuba menjadikannya semudah dan boleh difahami.
Enjin turbin gas penerbangan boleh dibahagikan kepada:
- enjin turbojet (TRD)
- enjin turbojet litar dua (enjin turbojet)
- Enjin turboprop (TVD)
- Enjin turboshaft (TVaD)
Lebih-lebih lagi, enjin turbojet dan turbofan mungkin mengandungi penunu selepas, di mana ia akan menjadi turbofan dan turbofan, masing-masing. Kami tidak akan mempertimbangkannya dalam artikel ini.
Mari kita mulakan dengan enjin turbojet.
Enjin turbojet
Enjin jenis ini dicipta pada separuh pertama abad ke-20 dan mula digunakan secara meluas menjelang akhir Perang Dunia II. Pesawat turbojet bersiri pertama di dunia ialah German Me.262. Enjin turbofan popular sehingga tahun 60-an, selepas itu ia mula digantikan oleh enjin turbofan.
Gambar moden Me-262 diambil pada 2016
Enjin turbojet yang paling mudah termasuk elemen berikut:
- Peranti input
- Pemampat
- Kebuk pembakaran
- Turbin
- Muncung jet (selepas ini hanya muncung)
Kita boleh mengatakan bahawa ini adalah set minimum untuk operasi enjin biasa.
Sekarang mari kita lihat apa yang diperlukan untuk apa dan mengapa.
Peranti masuk ialah saluran yang mengembang* di mana udara dibekalkan kepada pemampat dan pra-mampat. Di dalamnya, tenaga kinetik udara yang masuk sebahagiannya ditukar kepada tekanan.
*selepas ini kita akan bercakap tentang kelajuan subsonik. Pada kelajuan supersonik, fizik berubah, dan semuanya berbeza sama sekali di sana.
Pemampat ialah peranti yang meningkatkan tekanan udara. Pemampat boleh dicirikan oleh nilai seperti tahap peningkatan tekanan. Dalam enjin moden ia sudah mula melebihi 40 unit. Di samping itu, suhu di dalamnya meningkat (mungkin di suatu tempat sehingga 400 darjah Celsius).
Kebuk pembakaran ialah peranti di mana haba dibekalkan kepada udara termampat (selepas pemampat) disebabkan oleh pembakaran bahan api. Suhu dalam kebuk pembakaran sangat tinggi, boleh mencapai 2000 darjah Celsius. Ia mungkin kelihatan kepada anda bahawa tekanan gas di dalam ruang juga meningkat dengan banyak, tetapi ini tidak begitu. Secara teorinya, diterima umum bahawa haba dibekalkan pada tekanan malar. Realitinya, ia jatuh sedikit kerana kerugian (masalah reka bentuk yang tidak sempurna).
Turbin ialah peranti yang menukarkan sebahagian daripada tenaga gas selepas kebuk pembakaran kepada tenaga pemacu pemampat. Oleh kerana turbin digunakan bukan sahaja dalam penerbangan, definisi yang lebih umum boleh diberikan: ini adalah peranti yang menukar tenaga dalaman bendalir kerja (dalam kes kami, bendalir kerja adalah gas) ke dalam kerja mekanikal pada aci. Seperti yang anda faham, turbin dan pemampat terletak pada aci yang sama dan disambungkan dengan tegar antara satu sama lain. Sekiranya tekanan gas meningkat dalam pemampat, maka dalam turbin, sebaliknya, ia berkurangan, iaitu, gas mengembang.
Muncung ialah saluran tirus di mana tenaga potensi gas ditukar kepada tenaga kinetik (baki rizab tenaga gas selepas turbin). Seperti dalam turbin, pengembangan gas berlaku dalam muncung. Sebuah jet terbentuk, yang, mengalir keluar dari muncung, menggerakkan pesawat.
Kami telah menyusun elemen asas. Tetapi ia masih tidak begitu jelas bagaimana ia berfungsi? Kemudian mari buat lagi dan secara ringkas.
Udara dari atmosfera memasuki peranti masuk, di mana ia sedikit dimampatkan dan memasuki pemampat. Dalam pemampat, tekanan udara meningkat lebih banyak, dan suhu juga meningkat. Selepas pemampat, udara memasuki kebuk pembakaran dan, bercampur di sana dengan bahan api, menyala, yang membawa kepada peningkatan suhu yang kuat, pada, seseorang mungkin berkata, tekanan malar. Selepas kebuk pembakaran, gas mampat panas memasuki turbin. Sebahagian daripada tenaga gas dibelanjakan untuk memutarkan pemampat oleh turbin (supaya ia dapat melaksanakan fungsinya yang diterangkan di atas), bahagian lain tenaga dibelanjakan untuk pergerakan pesawat yang kita perlukan, disebabkan oleh fakta bahawa gas, setelah melepasi turbin, bertukar menjadi aliran jet dalam muncung dan melarikan diri daripadanya (muncung) ke atmosfera. Ini melengkapkan kitaran. Sudah tentu, pada hakikatnya, semua proses dalam kitaran berlaku secara berterusan.
Kitaran ini dipanggil kitaran Brayton, atau kitaran termodinamik dengan proses operasi berterusan dan input haba pada tekanan malar. Semua enjin turbin gas beroperasi mengikut kitaran ini.
Kitaran Brayton dalam koordinat P-V
N-B - proses mampatan dalam peranti input
V-K - proses mampatan dalam pemampat
K-G - bekalan haba isobarik
G-T - proses pengembangan gas dalam turbin
G-S - proses pengembangan gas dalam muncung
С-Н - penyingkiran haba isobarik ke atmosfera
Reka bentuk skematik enjin turbojet, di mana 0-0 ialah paksi enjin
Enjin turbojet boleh mempunyai dua aci. Dalam kes ini, pemampat terdiri daripada pemampat tekanan rendah (LPC) dan pemampat tekanan tinggi (HPC), dan bekalan kerja akan dijalankan oleh turbin tekanan rendah (LPT) dan turbin tekanan tinggi ( HPT), masing-masing. Skim ini lebih menguntungkan dari segi gasdinamik.
Pandangan cutaway enjin sebenar jenis ini
Kami meneliti prinsip operasi litar enjin turbin gas pesawat yang paling mudah. Sememangnya, Airbus dan Boeing moden dilengkapi dengan enjin turbofan, reka bentuk yang nyata lebih kompleks, tetapi semuanya berfungsi mengikut undang-undang yang sama. Mari lihat mereka.
Enjin turbojet litar dua
Enjin turbofan, pertama sekali, berbeza daripada enjin turbojet kerana ia mempunyai dua litar: luaran dan dalaman. Litar dalaman mengandungi perkara yang sama seperti enjin turbojet: pemampat (dibahagikan kepada LPC dan HPC), kebuk pembakaran, turbin (dibahagikan kepada HPT dan LHP) dan muncung. Kontur luar ialah saluran dengan muncung di hujungnya. Ia tidak mempunyai kebuk pembakaran mahupun turbin. Di hadapan kedua-dua litar (sejurus selepas masuk enjin) terdapat peringkat pemampat yang beroperasi pada kedua-dua litar.
Ia bukan gambaran yang sangat jelas, bukan? Mari kita fikirkan bagaimana ia berfungsi.
Reka bentuk skematik enjin turbojet pintasan aci berkembar
Udara yang memasuki enjin, melalui peringkat pertama pemampat tekanan rendah, dibahagikan kepada dua aliran. Satu bahagian udara mengalir di sepanjang litar dalaman, di mana proses yang sama berlaku seperti yang diterangkan semasa kami membuka enjin turbojet. Bahagian kedua udara memasuki litar luaran, menerima tenaga dari peringkat pertama LPC (yang beroperasi pada dua litar). Dalam litar luaran, tenaga udara dibelanjakan hanya untuk mengatasi kerugian hidraulik (akibat geseran). Pada akhirnya, udara ini memasuki muncung gelung luar, menghasilkan tujahan yang sangat besar. Tujahan yang dicipta oleh litar luaran boleh menyumbang 80% daripada tujahan keseluruhan enjin.
Salah satu ciri terpenting enjin turbofan ialah nisbah pintasan. Nisbah pintasan ialah nisbah aliran udara dalam gelung luar kepada aliran udara dalam gelung dalam. Nombor ini boleh sama ada lebih besar atau kurang daripada satu. Pada enjin moden bilangan ini melebihi 12 unit.
Enjin dengan nisbah pintasan lebih daripada dua biasanya dipanggil enjin turbofan, dan peringkat pertama pemampat (yang beroperasi pada kedua-dua litar) dipanggil kipas.
Enjin turbofan Boeing 757-200. Peranti input dan kipas kelihatan di latar depan.
Pada sesetengah enjin, kipas digerakkan oleh turbin berasingan, yang diletakkan paling hampir dengan muncung litar dalaman. Kemudian enjinnya menjadi tiga aci. Sebagai contoh, enjin Rolls Royce RB211 (dipasang pada L1011, B747, B757, B767), enjin D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) dibuat mengikut reka bentuk ini.
D-18T dalam bahagian dari dalam
Kelebihan utama enjin turbofan adalah keupayaan untuk mencipta tujahan yang tinggi dan kecekapan yang baik berbanding dengan enjin turbojet.
Dengan ini saya ingin menyelesaikan tentang enjin turbofan dan beralih kepada jenis enjin seterusnya - enjin turbofan.
Enjin turboprop
Enjin turboprop, seperti turbojet, ialah enjin turbin gas. Dan ia berfungsi hampir seperti turbojet. Enjin turboprop asas terdiri daripada elemen yang sudah biasa kepada kita: pemampat, kebuk pembakaran, turbin dan muncung. Kotak gear dan skru ditambah kepada mereka.
Prinsip operasi adalah sama seperti turbojet, dengan perbezaan bahawa hampir semua tenaga gas dibelanjakan dalam turbin untuk memutarkan pemampat dan untuk memutar kipas melalui kotak gear (di sini kipas dan kotak gear berada pada kedudukan yang sama. aci sebagai pemampat). Kipas menghasilkan sebahagian besar tujahan. Baki bahagian tenaga selepas turbin diarahkan ke muncung, membentuk tujahan jet, tetapi ia adalah kecil, ia boleh menjadi sepersepuluh daripada jumlah keseluruhan. Kotak gear dalam skema ini diperlukan untuk menurunkan kelajuan dan menghantar tork, kerana turbin boleh berputar pada frekuensi yang sangat tinggi, contohnya, 10000 rpm, tetapi kipas hanya memerlukan 1500. Dan kipasnya agak berat.
Reka bentuk skematik teater
Tetapi terdapat satu lagi reka bentuk untuk enjin turboprop: dengan turbin percuma.
Intipatinya ialah turbin berasingan dipasang di belakang turbin pemampat biasa, yang tidak disambungkan secara mekanikal ke turbin pemampat. Turbin sedemikian dipanggil percuma. Sambungan antara turbin pemampat dan turbin bebas hanyalah gas-dinamik. Dari turbin percuma terdapat aci berasingan di mana kotak gear dengan kipas dipasang. Semua yang lain berfungsi sama seperti dalam kes pertama. Kebanyakan enjin moden direka dengan cara ini. Salah satu kelebihan skim ini ialah keupayaan untuk menggunakan enjin di atas tanah sebagai unit kuasa tambahan (APU), tanpa memandu kipas.
Reka bentuk skematik enjin turboprop dengan turbin percuma
Saya ingin ambil perhatian bahawa tidak perlu melihat enjin turboprop sebagai peninggalan masa lalu yang tidak berkesan. Saya telah mendengar kenyataan sedemikian beberapa kali, tetapi ia tidak benar.
Dalam sesetengah kes, enjin turboprop mempunyai kecekapan tertinggi, sebagai peraturan, pada pesawat dengan kelajuan yang tidak terlalu tinggi (contohnya, 500 km/j), lebih-lebih lagi, pesawat itu boleh menjadi saiz yang mengagumkan. Dalam kes ini, enjin turboprop boleh berlipat kali ganda lebih menguntungkan daripada enjin turbojet yang dibincangkan sebelum ini.
Di sinilah kita boleh menyelesaikan tentang enjin turboprop. Kami perlahan-lahan menghampiri konsep enjin turboshaft.
Enjin turboshaft
Ini pasti kali pertama kebanyakan pembaca di sini mendengar nama sedemikian. Enjin jenis ini dipasang pada helikopter.
Enjin turboshaft sangat serupa dengan enjin turboprop turbin bebas. Ia juga terdiri daripada pemampat, kebuk pembakaran, turbin pemampat, kemudian terdapat turbin bebas, disambungkan kepada semua yang sebelumnya hanya secara gasdinamik. Tetapi enjin sedemikian tidak menghasilkan tujahan jet; ia tidak mempunyai muncung jet, hanya ekzos. Turbin bebas mempunyai aci sendiri, yang disambungkan ke kotak gear utama helikopter (pemutar utama). Ya, semua helikopter yang saya tahu mempunyai kotak gear sedemikian, dan, sebagai peraturan, ia mempunyai saiz yang mengagumkan. Hakikatnya ialah kelajuan rotor sebuah helikopter adalah sangat rendah. Jika untuk kapal terbang, seperti yang saya tulis di atas, mereka boleh mencapai 1500 rpm, kemudian untuk helikopter, contohnya, Mi-8, hanya 193 rpm.
Dan kelajuan enjin helikopter selalunya sangat tinggi (disebabkan saiznya yang kecil), dan perlu mengurangkannya seratus kali atau lebih. Ia berlaku bahawa kotak gear dipasang pada enjin dan pada helikopter itu sendiri, sebagai contoh, pada Mi-2 dan enjin GTD-350nya.
Reka bentuk skematik enjin turbosaft
Enjin TV3-117 dari helikopter Mi-8. Paip ekzos dan aci pemacu kelihatan di sebelah kanan
Jadi, kami melihat empat jenis enjin turbin gas. Saya harap teks saya jelas dan berguna untuk anda. Anda boleh menulis semua soalan dan komen dalam komen.
Terima kasih atas perhatian anda.
Sumber: www.habr.com
