Cześć wszystkim! W tym artykule chcę opowiedzieć o tym, jak działają silniki lotnicze z turbinami gazowymi (GTD). Postaram się to wyjaśnić w najprostszy i najbardziej zrozumiały sposób.
Silniki lotnicze GTD można podzielić na:
- silniki turboodrzutowe (TRD)
- dwuwentylacyjne silniki turboodrzutowe (TRDD)
- Silniki turbośmigłowe (TWD)
- Silniki turbinowe (TWaD)
Dodatkowo, TRD i TRDD mogą zawierać komorę dopalającą, w takim przypadku będą to odpowiednio TRDF i TRDDF. W tym artykule nie będziemy ich omawiać.
Zacznijmy od silników turboodrzutowych.
Silniki turboodrzutowe
Ten typ silników został stworzony w pierwszej połowie XX wieku i zaczął być masowo stosowany pod koniec II wojny światowej. Pierwszym na świecie seryjnym samolotem turboodrzutowym był niemiecki Me.262. Silniki TRD były popularne aż do lat 60-tych, po czym zaczęły być wypierane przez TRDD.
Nowoczesne zdjęcie Me-262, wykonane w 2016 roku
Najprostszy silnik turboodrzutowy składa się z następujących elementów:
- Urządzenie wlotowe
- Sprężarka
- Komora spalania
- Turbina
- Dysza reaktywna (dalej po prostu dysza)
Można powiedzieć, że to minimalny zestaw potrzebny do normalnej pracy silnika.
A teraz przyjrzyjmy się, co do czego służy i dlaczego.
Urządzenie wlotowe — to rozszerzający się* kanał, w którym dochodzi do dostarczania powietrza do sprężarki i jej wstępnego sprężania. W nim kinetyczna energia wpływającego powietrza częściowo przekształca się w ciśnienie.
*tutaj i dalej będziemy mówić o prędkości poddźwiękowej. Przy prędkości naddźwiękowej fizyka się zmienia i wszystko wygląda zupełnie inaczej.
Sprężarka — to urządzenie, w którym dochodzi do zwiększenia ciśnienia powietrza. Sprężarkę można charakteryzować taką wielkością, jak stopień podwyższenia ciśnienia. W nowoczesnych silnikach przekracza już 40 jednostek. Ponadto, w niej wzrasta temperatura (może gdzieś do 400 stopni Celsjusza).
Komora spalania to urządzenie, w którym do sprężonego powietrza (po sprężarce) doprowadzane jest ciepło z procesu spalania paliwa. Temperatura w komorze spalania jest bardzo wysoka i może osiągać nawet 2000 stopni Celsjusza. Może się wydawać, że ciśnienie gazu w komorze również znacznie wzrasta, ale to nieprawda. Teoretycznie przyjmuje się, że doprowadzanie ciepła odbywa się przy stałym ciśnieniu. W rzeczywistości nieco maleje z powodu strat (problem niedoskonałości konstrukcji).
Turbina to urządzenie, które przekształca część energii gazu po komorze spalania w energię napędu sprężarki. Ponieważ turbiny są wykorzystywane nie tylko w lotnictwie, można podać bardziej ogólne określenie: to urządzenie przekształcające wewnętrzną energię roboczego medium (w naszym przypadku roboczym medium jest gaz) w pracę mechaniczną na wale. Jak można zrozumieć, turbina i sprężarka znajdują się na tym samym wale i są ze sobą sztywno połączone. Jeśli w sprężarce następuje wzrost ciśnienia gazu, to w turbinie następuje przeciwnie, czyli gaz się rozszerza.
Dysza to zwężający się kanał, w którym następuje przekształcenie potencjalnej energii gazu w kinetyczną (pozostała energia gazu po turbinie). Tak jak w turbinie, w dyszy następuje rozszerzenie gazu. Powstaje struga, która, wypływając z dyszy, porusza samolot.
Rozwiązaliśmy główne elementy. Ale i tak nie bardzo jasne jak to działa? To zróbmy jeszcze raz i krótko.
Powietrze z atmosfery trafia do urządzenia wejściowego, gdzie jest nieco sprężane i trafia do sprężarki. W sprężarce ciśnienie powietrza wzrasta jeszcze bardziej, a temperatura również rośnie. Po sprężarce powietrze trafia do komory spalania i, mieszając się z paliwem, zapala się, co prowadzi do znacznego wzrostu temperatury, przy, można powiedzieć, stałym ciśnieniu. Po komorze spalania gorący sprężony gaz trafia do turbiny. Część energii gazu jest wykorzystywana do napędu sprężarki przez turbinę (aby mogła wykonywać swoją funkcję opisaną powyżej), a druga część energii jest wykorzystywana do potrzebnego nam ruchu samolotu, ponieważ gaz, przechodząc przez turbinę, przekształca się w strumień reaktywny w dyszy i wydobywa się z niej (dyszy) do atmosfery. Na tym cykl się kończy. Oczywiście w rzeczywistości wszystkie procesy cyklu przebiegają nieprzerwanie.
Taki cykl nazywa się cyklem Braytona, lub termodynamicznym cyklem o ciągłym charakterze procesu roboczego i doprowadzaniu ciepła przy stałym ciśnieniu. Na takim cyklu pracują wszystkie turbinowe silniki gazowe.
Cykl Braytona w układzie P-V
N-H — proces sprężania w urządzeniu wejściowym
V-K — proces sprężania w sprężarce
K-G — izobaryczne doprowadzanie ciepła
G-T — proces rozszerzania gazu w turbinie
G-S — proces rozszerzania gazu w dyszy
S-N — izobaryczne odprowadzanie ciepła do atmosfery
Schematyczna konstrukcja silnika odrzutowego, gdzie 0-0 — oś silnika
Silnik turbinowy może mieć także dwa wały. W takim przypadku sprężarka składa się z niskociśnieniowej sprężarki (KND) i wysokociśnieniowej sprężarki (KWD), a doprowadzenie pracy będą realizować niskociśnieniowa turbina (TND) i wysokociśnieniowa turbina (TWD) odpowiednio. Taki układ jest bardziej korzystny gazodynamicznie.
Rzeczywisty silnik tego rodzaju w przekroju
Omówiliśmy zasady działania najprostszej schemy lotniczego silnika turboodrzutowego. Oczywiście, w nowoczesnych „Airbusach i Boeingach” montowane są TRDD, których konstrukcja jest znacznie bardziej skomplikowana, ale działają według tych samych zasad. Przyjrzyjmy się im.
Dwupaliwowy silnik turboodrzutowy
TRDD różni się przede wszystkim od TRD tym, że ma dwa obiegi: zewnętrzny i wewnętrzny. Wewnętrzny obieg zawiera w sobie to samo, co TRD: sprężarkę (podzieloną na KND i KVD), komorę spalania, turbinę (podzieloną na TWD i TND) oraz dyszę. Zewnętrzny obieg stanowi kanał z dyszą na końcu. Nie ma w nim ani komory spalania, ani turbiny. Przed obiema obiegami (zaraz po urządzeniu wlotowym silnika) znajduje się stopień sprężarki, pracujący na oba obiegi.
Nieco niejasny obraz, prawda? Zobaczmy, jak to działa.
Schemat konstrukcji podwójnego silnika turboodrzutowego o podwójnym obiegu
Powietrze, które dostaje się do silnika, po przejściu przez pierwszy stopień sprężarki niskiego ciśnienia, dzieli się na dwa strumienie. Część powietrza kieruje się do wewnętrznego obiegu, gdzie zachodzą te same procesy, które opisaliśmy, analizując TRD. Druga część powietrza trafia do zewnętrznego obiegu, uzyskując energię z pierwszego stopnia KND (tego, który pracuje na dwa obiegi). W zewnętrznym obiegu energia powietrza zużywana jest tylko na pokonanie strat hydraulicznych (z powodu tarcia). W końcu to powietrze trafia do dyszy zewnętrznego obiegu, generując ogromny ciąg. Ciąg wytwarzany przez zewnętrzny obieg może stanowić 80% ciągu całego silnika.
Jedną z najważniejszych cech TRDD jest stopień podwójności obiegu. Stopień podwójności obiegu to stosunek przepływu powietrza w zewnętrznym obiegu do przepływu powietrza w wewnętrznym obiegu. Ta liczba może być zarówno większa, jak i mniejsza od jedności. W nowoczesnych silnikach liczba ta przekracza wartość 12.
Silniki, których stopień podwójności obiegu jest większy niż dwa, określane są jako wentylatorowe, a pierwszy stopień sprężarki (ten, który pracuje na oba obiegi) nazywany jest wentylatorem.
TRDD samolotu Boeing 757-200. Na pierwszym planie widać urządzenie wlotowe i wentylator.
W niektórych silnikach wentylator napędzany jest oddzielną turbiną, która znajduje się najbliżej dyszy wewnętrznego obiegu. Wówczas silnik ma trzy wały. Na przykład w ten sposób skonstruowane są silniki Rolls Royce RB211 (montowane w L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42).
D-18T w przekroju z wnętrza.
Główną zaletą TPRD jest możliwość generowania dużej ciągu oraz dobrej efektywności w porównaniu do TRD.
Na tym chciałbym zakończyć temat TPRD i przejść do następnego rodzaju silników — TWD.
Silniki turbinowe śmigłowe
Silnik turbinowy śmigłowy, podobnie jak silnik turborozpędny, należy do silników gazoturbionych. Działa niemal identycznie jak turborozpędny. Elementarny silnik turbinowy śmigłowy składa się z już znanych nam elementów: sprężarki, komory spalania, turbiny i dyszy. Dodawane są do niego przekładnia i śmigło.
Zasada działania jest taka sama jak w przypadku silnika turborozpędnego, z tą różnicą, że praktycznie cała energia gazu jest wykorzystywana w turbinie do obracania sprężarki oraz do obracania śmigła przez przekładnię (w tym przypadku śmigło i przekładnia znajdują się na tej samej osi co sprężarka). Śmigło generuje główną część ciągu. Pozostała część energii, po turbinie, kierowana jest do dyszy, tworząc ciąg reaktywny, ale jest on mały, może stanowić jedną dziesiątą całości. Przekładnia w tym schemacie jest potrzebna, aby obniżyć obroty i przenieść moment obrotowy, ponieważ turbina może obracać się z bardzo wysoką częstotliwością, na przykład 10 000 obrotów na minutę, podczas gdy śmigło potrzebuje tylko 1500. I śmigło jest dosyć ciężkie.
Schematu konstrukcji TWD
Jednak istnieje również inna konstrukcja silników turbinowych śmigłowych: z wolną turbiną.
Jej istota polega na tym, że za zwykłą turbiną sprężarki znajduje się oddzielna turbina, która nie jest mechanicznie powiązana z turbiną sprężarki. Taka turbina nazywana jest wolną. Związek między turbiną sprężarki a wolną turbiną jest jedynie gazodynamiczny. Z wolnej turbiny wychodzi oddzielny wał, na który montowane są przekładnia ze śmigłem. Wszystko inne działa tak samo jak w pierwszym przypadku. Większość nowoczesnych silników wykonana jest właśnie w ten sposób. Jedną z zalet tego schematu jest możliwość użycia silnika na ziemi, jako pomocniczej jednostki zasilającej (APU), nie uruchamiając śmigła.
Schematu konstrukcji TWD z wolną turbiną
Chcę zaznaczyć, że nie należy postrzegać silników turbinowych śmigłowych jako mało efektywnego reliktu przeszłości. Kilka razy słyszałem takie stwierdzenia, ale są one błędne.
Silnik turbośmigłowy w niektórych przypadkach ma najwyższą sprawność, zazwyczaj w samolotach o niezbyt dużych prędkościach (na przykład 500 km/h), przy czym samolot może mieć imponujące rozmiary. W takim przypadku, silnik turbośmigłowy może być znacznie bardziej opłacalny niż wcześniej rozważany silnik turboodrzutowy.
Na tym kończymy temat silników turbośmigłowych. Powoli zbliżamy się do pojęcia silnika turbinowego.
Silnik turbinowy
Być może większość czytelników słyszy tę nazwę po raz pierwszy. Ten typ silników jest stosowany w śmigłowcach.
Silnik turbinowy jest bardzo podobny do silnika turbośmigłowego z wolną turbiną. Składa się również z sprężarki, komory spalania, turbiny sprężarki, a następnie znajduje się wolna turbina, która jest połączona z wszystkimi poprzednimi elementami tylko gazodynamiką. Taki silnik nie wytwarza ciągu odrzutowego, nie ma dyszy odrzutowej, tylko wydmuch. Wolna turbina ma swoje wał, który łączy się z główną przekładnią śmigłowca (wirnika nośnego). Tak, we wszystkich znanych mi śmigłowcach jest taka przekładnia, która zazwyczaj jest sporych rozmiarów. Chodzi o to, że obroty wirnika nośnego śmigłowca są bardzo niskie. Jeśli w samolocie, jak wspomniałem wcześniej, mogą osiągać 1500 obr/min, to w śmigłowcu, na przykład w Mi-8, mają jedynie 193 obr/min.
Obroty silnika w śmigłowcu często są bardzo wysokie (ze względu na niewielkie rozmiary), co wymusza ich obniżenie o setki i więcej razy. Zdarza się, że przekładnia występuje zarówno w silniku, jak i w samym śmigłowcu, na przykład w Mi-2 i jego silniku GTD-350.
Schemat konstrukcji silnika turbinowego
Silnik TV3-117 od śmigłowca Mi-8. Po prawej stronie widać rurę wydechową i wał napędowy.
Zbadaliśmy cztery typy silników turbinowych. Mam nadzieję, że mój tekst był zrozumiały i przydatny dla Ciebie. Wszelkie pytania i uwagi można pisać w komentarzach.
Dziękujemy za uwagę.
Źródło: habr.com
