Luchtvaart gas turbine motoren

Hallo allemaal! In dit artikel wil ik vertellen over hoe vliegtuig gas turbine motoren (GTM) werken. Ik zal dit proberen zo eenvoudig en begrijpelijk mogelijk te maken.

Vliegtuig GTM's kunnen worden onderverdeeld in:

• turbojet motoren (TJM)
• tweecircuit turbojet motoren (TCJM)
• Turboprop motoren (TPM)
• Turbovormige motoren (TVM)

Bovendien kunnen TJM en TCJM een naverbrandingskamer bevatten, in dat geval worden ze respectievelijk TJMF en TCJMF. In dit artikel zullen we ze niet bespreken.

Laten we beginnen met turbojet motoren.

Turbojet motoren

Dit type motoren werd ontwikkeld in de eerste helft van de 20e eeuw en begon massaal te worden gebruikt aan het einde van de Tweede Wereldoorlog. Het eerste seriemodel turbojet vliegtuig ter wereld was de Duitse Me.262. TJM waren populair tot de jaren '60, waarna ze werden verdrongen door TCJM.

Moderne foto van de Me-262, genomen in 2016

De eenvoudigste turbojet motor bestaat uit de volgende elementen:

• Inlaatsysteem
• Compressoren
• Verbrandingskamer
• Turbine
• De reactieve monding (hierna gewoon monding)

Je zou kunnen zeggen dat dit de minimale set is voor de normale werking van de motor.

Laten we nu bekijken waarvoor elk onderdeel dient en waarom.

Inlaatsysteem — dit is een uitbreidende kanaal waarin lucht naar de compressor wordt geleid en deze vooraf wordt samengeperst. In dit kanaal wordt de kinetische energie van de binnenkomende lucht gedeeltelijk omgevormd in druk.

*Hier en verder spreken we over subsonische snelheden. Bij supersonische snelheid verandert de fysica en daar is alles heel anders.

De compressor — dit is een apparaat waarin de luchtdruk toeneemt. De compressor kan worden gekarakteriseerd door een waarde zoals de drukverhouding. In moderne motoren begint dit al boven de 40 eenheden te komen. Bovendien stijgt de temperatuur hierin (tot ergens rond de 400 graden Celsius).

De verbrandingskamer is een apparaat waarin verwarmde lucht (na de compressor) wordt toegevoerd door de verbranding van brandstof. De temperatuur in de verbrandingskamer is zeer hoog en kan oplopen tot 2000 graden Celsius. U zou denken dat de gasdruk in de kamer ook sterk toeneemt, maar dat is niet het geval. Theoretisch wordt aangenomen dat de toevoer van warmte plaatsvindt bij constante druk. In de praktijk daalt de druk een beetje door verliezen (het probleem van de onvolmaaktheid van het ontwerp).

De turbine is een apparaat dat een deel van de energie van het gas na de verbrandingskamer omzet in aandrijfkracht voor de compressor. Aangezien turbines niet alleen in de luchtvaart worden gebruikt, kan een algemener definitie worden gegeven: dit is een apparaat dat de interne energie van de werkstof (in ons geval is de werkstof gas) omzet in mechanisch werk op de as. Zoals u misschien al begrijpt, bevinden de turbine en de compressor zich op dezelfde as en zijn ze stevig met elkaar verbonden. Als de druk van het gas in de compressor toeneemt, dan vermindert deze in de turbine, dat wil zeggen dat het gas expandert.

De nozzle is een versmallende kanaal waarin de potentiële energie van het gas wordt omgezet in kinetische energie (de resterende energiereserve van het gas na de turbine). Net als in de turbine vindt er een expansie van het gas plaats in de nozzle. Er ontstaat een straal die, wanneer hij uit de nozzle stroomt, het vliegtuig voortstuwt.

We hebben de belangrijkste elementen besproken. Maar het blijft nog steeds onduidelijk hoe het werkt? Laten we het dan nog een keer kort bespreken.

Lucht uit de atmosfeer komt binnen in het inlaatsysteem, waar het een beetje wordt samengeperst en naar de compressor stroomt. In de compressor stijgt de luchtdruk nog verder, evenals de temperatuur. Na de compressor komt de lucht in de verbrandingskamer en, gemengd met brandstof, ontbrandt deze, wat leidt tot een sterke stijging van de temperatuur, bij wat je zou kunnen noemen constante druk. Na de verbrandingskamer komt het hete samengeperste gas in de turbine. Een deel van de energie van het gas wordt gebruikt voor de rotatie van de compressor door de turbine (zodat deze zijn functie kan vervullen, zoals hierboven beschreven), een ander deel van de energie wordt gebruikt voor de beweging van het vliegtuig, omdat het gas, na de turbine, wordt omgevormd tot een straal in de nozzle en uit de nozzle de atmosfeer in wordt geduwd. Hiermee eindigt de cyclus. Natuurlijk verlopen in werkelijkheid alle proces van de cyclus continu.

Zo'n cyclus wordt de Brayton-cyclus genoemd, of de thermodynamische cyclus met een continu werkproces en warmte-inname bij constante druk. Alle GTD's werken volgens deze cyclus.

De Brayton-cyclus in P-V-coördinaten

N-B — compressieproces in het inlaatsysteem
B-K — compressieproces in de compressor
K-G — isobare warmte-inname
G-T — expansieproces van het gas in de turbine
G-S — expansieproces van het gas in de nozzle
S-N — isobare warmte-afvoer naar de atmosfeer

Schematische structuur van een turboreactieve motor, waar 0-0 — de as van de motor is

Een turboreactieve motor kan ook twee assen hebben. In dat geval bestaat de compressor uit een lage drukcompressor (KND) en een hoge drukcompressor (KVD), terwijl de werking wordt geleverd door de lage druk turbine (TND) en de hoge druk turbine (TVD) respectievelijk. Dit schema is gasdynamisch voordeliger.

Een echte motor van dit soort in dwarsdoorsnede

We hebben het werkprincipe van het eenvoudigste schema van een luchtvaart gasturbine-motor bekeken. Uiteraard worden op moderne 'Airbus' en 'Boeing' TRED's geïnstalleerd, waarvan het ontwerp aanzienlijk complexer is, maar die op dezelfde principes werken. Laten we ze eens bekijken.

Bicontour turboreactieve motor

Een turbofan motor verschilt in de eerste plaats van een turbojet doordat hij twee circuits heeft: een externe en een interne. Het interne circuit bevat hetzelfde als de turbojet: een compressor (verdeeld in een hoge en een lage druksectie), een verbrandingskamer, een turbine (verdeeld in een hoge en een lage druksectie) en een uitlaat. Het externe circuit bestaat uit een kanaal met een uitlaat aan het einde. Hierin bevinden zich geen verbrandingskamer of turbine. Voor beide circuits (direct na de ingang van de motor) is er een compressortrap die op beide circuits werkt.

Het lijkt een beetje verwarrend, toch? Laten we uitzoeken hoe het werkt.

Schematische constructie van een bivalente tweecircuit turboreactor motor

De lucht die de motor binnengaat, wordt na de eerste trap van de lage drukcompressor in twee stromen verdeeld. Een deel van de lucht gaat door het interne circuit, waar dezelfde processen plaatsvinden als we eerder bij de turbojet hebben besproken. Het tweede deel van de lucht komt in het externe circuit, waarbij het energie ontvangt van de eerste trap van de hoge drukcompressor (die op beide circuits werkt). In het externe circuit wordt de energie van de lucht alleen gebruikt om hydraulische verliezen (door wrijving) te overwinnen. Aan het einde komt deze lucht in de uitlaat van het externe circuit, wat enorme stuwkracht creëert. De stuwkracht die door het externe circuit wordt gegenereerd, kan tot 80% van de totale stuwkracht van de motor bedragen.

Een van de belangrijkste kenmerken van een turbofan motor is de graad van dualiteit. De graad van dualiteit is de verhouding van de luchtstroom in het externe circuit tot de luchtstroom in het interne circuit. Dit nummer kan zowel groter als kleiner zijn dan één. In moderne motoren overschrijdt dit getal vaak de waarde van 12 eenheden.
Motoren waarvan de graad van dualiteit groter is dan twee, worden turbowentilatoren genoemd, en de eerste trap van de compressor (die op beide circuits werkt) is de ventilator.

De turbofan motor van het Boeing 757-200. Op de voorgrond is het ingangsorgaan en de ventilator zichtbaar.

Bij sommige motoren wordt de ventilator aangedreven door een aparte turbine, die het dichtst bij de uitlaat van het interne circuit is geplaatst. Dan wordt de motor drievoudig. Bijvoorbeeld, volgens deze indeling zijn de motoren Rolls Royce RB211 (geïnstalleerd op L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), en D-36 (Jak-42) uitgevoerd.

D-18T in doorsnede van binnenuit

Het belangrijkste voordeel van turbopropmotoren is het vermogen om een hoge trek en goede brandstofefficiëntie te creëren in vergelijking met turbojetmotoren.

Hiermee wil ik afsluiten over turbopropmotoren en overstappen naar het volgende type motoren: turbopomp-motoren.

Turbopropmotoren

Een turbopropmotor, net als een turbojetmotor, behoort tot de gasturbine motoren. Hij fonctionneert bijna zoals een turbojetmotor. Een elementaire turbopropmotor bestaat uit de inmiddels bekende elementen: een compressor, verbrandingskamer, turbine en nozzle. Er worden ook een reductieoverbrenging en een schroef aan toegevoegd.

Het werkprincipe is hetzelfde als dat van een turbojetmotor, met het verschil dat vrijwel alle gasenergie in de turbine wordt gebruikt voor de rotatie van de compressor en voor de rotatie van de schroef via de reductieoverbrenging (hier bevinden de schroef en reductieoverbrenging zich op dezelfde as als de compressor). De schroef genereert het grootste deel van de trek. Het resterende deel van de energie, na de turbine, gaat naar de nozzle, wat reactietrek vormt, maar dit is minimaal en kan een tiende van het totaal bedragen. De reductieoverbrenging is in dit scenario nodig om de toeren te verlagen en het koppel over te brengen, aangezien de turbine met een zeer hoge frequentie kan draaien, bijvoorbeeld 10.000 omwentelingen per minuut, terwijl de schroef slechts 1.500 nodig heeft. En de schroef is vrij zwaar.

Schematische constructie van de turbopompmotor

Maar er is ook een andere opstelling van turbopropmotoren: met een vrije turbine.
Het idee is dat er achter de gewone compressor-turbine een aparte turbine wordt geplaatst, die niet mechanisch verbonden is met de compressorturbine. Deze turbine wordt een vrije turbine genoemd. De verbinding tussen de compressorturbine en de vrije turbine is alleen gasdynamisch. Van de vrije turbine gaat er een aparte as naar een reductieoverbrenging met schroef. Alles werkt verder zoals in het eerste geval. De meeste moderne motoren worden precies volgens deze opstelling vervaardigd. Een van de voordelen van deze opstelling is de mogelijkheid om de motor op de grond te gebruiken als hulpmotor (APU), zonder de schroef in beweging te brengen.

Schematische constructie van de turbopompmotor met een vrije turbine

Ik wil opmerken dat je turbopropmotoren niet moet beschouwen als een inefficiënte overblijfsel uit het verleden. Ik heb deze uitspraken meerdere keren gehoord, maar ze zijn onjuist.
De turbopropmotor heeft in sommige gevallen de hoogste efficiëntie, meestal op vliegtuigen die niet erg hoge snelheden behalen (bijvoorbeeld rond de 500 km/u), terwijl het vliegtuig aanzienlijke afmetingen kan hebben. In dat geval kan de turbopropmotor veel voordeliger zijn dan de eerder besproken turbojetmotor.

Hiermee kunnen we de turbopropmotoren afsluiten. We zijn langzaam aan het begrip turboshaftmotor gekomen.

Turboshaftmotor

Het moet zijn dat de meeste lezers hier voor het eerst van deze naam horen. Dit type motoren wordt gemonteerd op helicopters.

De turboshaftmotor lijkt sterk op de turbopropmotor met een vrije turbine. Hij bestaat ook uit een compressor, een verbrandingskamer, de compressor turbine, en vervolgens is er de vrije turbine die alleen gasdynamisch is verbonden met alles wat daarvoor komt. Deze motor genereert echter geen stuwkracht, hij heeft geen straalpijp, alleen een uitlaat. De vrije turbine heeft zijn eigen as, die is verbonden met de hoofddoos van de helicopter (de hoofdrotor). Ja, alle bekende helicopters die ik weet hebben zo'n tandwielkast, en meestal is deze behoorlijk groot. Dit komt omdat de toeren van de hoofdrotor van de helicopter erg laag zijn. Als een vliegtuig, zoals ik hierboven al uitlegde, toeren kan halen van 1500 omwentelingen per minuut, heeft de helicopter, bijvoorbeeld de Mi-8, slechts 193 omwentelingen per minuut.
En de toeren van de motor in de helicopter zijn vaak zeer hoog (vanwege de kleine afmetingen), en moeten meer dan honderd keer worden verlaagd. Het komt voor dat er een tandwielkast zowel op de motor als op de helicopter zelf staat, bijvoorbeeld bij de Mi-2 en zijn GTD-350 motor.

Schematische constructie van de turboshaftmotor

De TV3-117 motor van de Mi-8 helicopter. Rechts zijn de uitlaatpijp en de aandrijfas zichtbaar.

Dus, we hebben vier typen gasturbinemotoren bekeken. Ik hoop dat mijn tekst begrijpelijk en nuttig voor je was. Alle vragen en opmerkingen kun je in de reacties schrijven.

Bedankt voor uw aandacht.

Bron: habr.com