Bună ziua tuturor! În acest articol vreau să vă povestesc despre cum funcționează motoarele turboreactive aviatice (GTD). Voi încerca să explic într-un limbaj cât mai simplu și clar.
Motoarele GTP aviatice pot fi împărțite în:
- motoare turboreactive (TRD)
- motoare turboreactive cu două circuite (TRDD)
- motoare turboventilate (TVD)
- motoare turbovalve (TVaD)
În plus, TRD și TRDD pot conține o cameră de ardere, caz în care vor fi denumite TRDF și TRDDF, respectiv. În acest articol, nu le vom analiza.
Să începem cu motoarele turboreactive.
Motoarele turboreactive
Acest tip de motoare a fost creat în prima jumătate a secolului XX și a început să fie utilizat pe scară largă către sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial. Primul avion turboreactiv din lume în serie a fost germanul Me.262. Motoarele TRD au fost populare până în anii '60, după care au fost înlocuite de TRDD.
Fotografie modernă a Me-262, realizată în 2016
Cel mai simplu motor turboreactiv include următoarele elemente:
- Dispozitiv de admisie
- Compresor
- Cameră de ardere
- Turbina
- Duza de reacție (în continuare doar duză)
Se poate spune că acesta este setul minim necesar pentru funcționarea normală a motorului.
Acum să analizăm ce este necesar și de ce.
Dispozitivul de admisie este un canal care se lărgește*, în care aerul este dirijat spre compresor și este comprimat preliminar. În acesta, energia cinetică a aerului care intră este parțial transformată în presiune.
*aici și mai departe vom discuta despre viteze sub-sunet. La viteze supersonice, fizica se schimbă și totul este complet diferit.
Compresorul este un dispozitiv în care se crește presiunea aerului. Compresorul poate fi caracterizat printr-o mărime numită grad de creștere a presiunii. În motoarele moderne, acesta depășește deja 40 de unități. În plus, temperatura crește (poate ajunge până la 400 de grade Celsius).
Camera de ardere — un dispozitiv în care aerului comprimat (după compresor) i se aduce căldură datorită arderii combustibilului. Temperatura în camera de ardere este foarte ridicată, putând atinge 2000 de grade Celsius. S-ar putea să vi se pară că presiunea gazului în cameră crește semnificativ, dar nu este așa. Teoretic, se consideră că aducerea căldurii se face la o presiune constantă. În realitate, aceasta scade ușor din cauza pierderilor (problemă de imperfecțiune a construcției).
Turbina — un dispozitiv care transformă o parte din energia gazului după camera de ardere în energie pentru antrenarea compresorului. Deoarece turbinele sunt utilizate nu doar în aviație, putem oferi o definiție mai generală: acesta este un dispozitiv care transformă energia internă a corpului de lucru (în cazul nostru, corpul de lucru este gazul) în muncă mecanică pe ax. Așa cum ați înțeles, turbina și compresorul se află pe aceeași ax și sunt legate rigid între ele. Dacă în compresor se produce o creștere a presiunii gazului, în turbina, dimpotrivă, are loc o scădere, adică gazul se extinde.
Duza — un canal îngustat, în care are loc transformarea energiei potențiale a gazului în energie cinetică (rezerva rămasă de energie a gazului după turbină). La fel ca în turbina, gazul se extinde în duză. Se formează un jet, care, ieșind din duză, mișcă avionul.
Am clarificat principalele elemente. Dar tot nu este foarte clar cum funcționează? Atunci să încercăm din nou, pe scurt.
Aerul din atmosferă pătrunde în dispozitivul de intrare, unde este puțin comprimat și ajunge la compresor. În compresor, presiunea aerului crește și mai mult, iar temperatura de asemenea. După compresor, aerul ajunge în camera de ardere și, amestecându-se cu combustibilul, se aprinde, ceea ce duce la o creștere semnificativă a temperaturii, menținând o presiune aproape constantă. După camera de ardere, gazul comprimat și fierbinte ajunge la turbină. O parte din energia gazului este utilizată pentru a roti compresorul cu ajutorul turbinei (pentru ca aceasta să își îndeplinească funcția menționată mai sus), iar cealaltă parte a energiei este folosită pentru mișcarea aeronavei, deoarece gazul, după ce trece prin turbină, se transformă într-un jet de reacție în duză și se eliberează în atmosferă. Astfel se încheie ciclul. Desigur, în realitate, toate procesele ciclului se desfășoară continuu.
Acest ciclu se numește ciclu Brayton sau ciclu termodinamic cu caracter continuu al procesului de lucru și aport de căldură la presiune constantă. Toate GTD-urile funcționează pe baza acestui ciclu.
Ciclul Brayton în coordonatele P-V
N-V – proces de compresie în dispozitivul de intrare
V-K – proces de compresie în compresor
K-G – aport izobaric de căldură
G-T – proces de expansiune a gazului în turbină
G-S – proces de expansiune a gazului în duză
S-N – evacuare izobarică de căldură în atmosferă
Construcția schematică a motorului turbo-jet, unde 0-0 reprezintă axa motorului
Motorul turbo-reactiv poate avea și două axe. În acest caz, compresorul este format dintr-un compresor cu presiune joasă (CPJ) și un compresor cu presiune înaltă (CPH), iar aportul de lucru va fi realizat de o turbină cu presiune joasă (TPJ) și o turbină cu presiune înaltă (TPH) respectiv. Această schemă este mai avantajoasă din punct de vedere gazodinamic.
Motorul real de acest tip în secțiune
Am analizat principiul de funcționare al celei mai simple scheme a motorului turbojet de aviație. Este evident că la modernele "Airbus-uri și Boeing-uri" sunt instalate TRDD-uri, a căror construcție este semnificativ mai complexă, dar funcționează conform acelorași legi. Să le analizăm.
Motorul turbo-jet cu două circuite
TRDD, în primul rând, se deosebește de TRD prin faptul că are două circuite: unul extern și unul intern. Circuitul intern conține aceleași componente ca TRD: compresor (împărțit în KND și KVD), cameră de ardere, turbină (împărțită în TVD și TND) și duza. Circuitul extern reprezintă un canal, cu o duză la capăt. Nu conține cameră de ardere sau turbină. În fața ambelor circuite (imediat după dispozitivul de admisie al motorului) se află o etapă de compresie care funcționează pentru ambele circuite.
Nu este o imagine foarte clară, nu-i așa? Să vedem cum funcționează.
Structura schematică a motorului turborreactor cu două arbori și două circuite
Aerul care intră în motor, trecând prin prima etapă a compresorului de presiune joasă, se împarte în două fluxuri. O parte a aerului merge prin circuitul intern, unde au loc aceleași procese descrise atunci când am analizat TRD. A doua parte a aerului ajunge în circuitul extern, primind energie de la prima etapă a KND (cea care funcționează pentru ambele circuite). În circuitul extern, energia aerului este consumată doar pentru a depăși pierderile hidraulice (din cauza frecării). La final, acest aer ajunge în duza circuitului extern, generând o forță de tracțiune uriașă. Forța de tracțiune generată de circuitul extern poate reprezenta 80% din forța totală a motorului.
Una dintre cele mai importante caracteristici ale TRDD este gradul de bicircuitare. Gradul de bicircuitare este raportul între debitul de aer din circuitul extern și debitul de aer din circuitul intern. Acest număr poate fi mai mare sau mai mic decât unu. La motoarele moderne, acest număr depășește valoarea de 12 unități.
Motoarele al căror grad de bicircuitare este mai mare de două sunt denumite turbofan, iar prima etapă a compresorului (cea care funcționează pentru ambele circuite) este un ventilator.
TRDD-ul avionului Boeing 757-200. În prim-plan se vede dispozitivul de admisie și ventilatorul
La unele motoare, ventilatorul este acționat de o turbină separată, care este plasată cel mai aproape de duza circuitului intern. Astfel, motorul devine triliniar. De exemplu, după acest principiu sunt construite motoarele Rolls Royce RB211 (instalate pe L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42)
D-18T în secțiune interioară
Principala calitate a TRED este capacitatea de a genera o tracțiune mare și o eficiență bună, comparativ cu TRD.
Aici aș dori să închei cu TRED și să trec la următoarea categorie de motoare — TVD.
Motoare turboventilate
Motorul turboventilat, la fel ca cel turborreactor, aparține motoarelor cu turbină de gaz. Funcționează aproape exact ca un turborreactor. Motorul turboventilat elementar este compus din elementele deja cunoscute: compresor, cameră de ardere, turbină și nozzle. La acestea se adaugă un reducer și o elice.
Principiul de funcționare este similar cu cel al turborreactorului, cu diferența că aproape toată energia gazului este folosită de turbină pentru a roti compresorul și pentru a roti elicea prin intermediul reductorului (aici elicea și reductorul sunt pe același ax cu compresorul). Elica generează cea mai mare parte a tracțiunii. Partea de energie rămasă, după turbină, este direcționată către nozzle, generând o tracțiune reactivă, dar aceasta este mică, putând reprezenta o zecime din total. Reductorul în acest sistem este necesar pentru a reduce turația și a transfera momentul, deoarece turbina poate funcționa la o frecvență foarte mare, de exemplu, 10.000 de rotații pe minut, în timp ce elicei îi trebuie doar 1.500. Și elicea este destul de grea.
Construcția schematică a TVD
Dar există și un alt tip de motoare turboventilate: cu turbină liberă.
Conceptul este acela că în spatele turbinii standard a compresorului se află o turbină separată, care nu este legată mecanic de turbina compresorului. Această turbină se numește liberă. Legătura dintre turbina compresorului și turbina liberă este pur gazodinamică. De la turbina liberă iese un ax separat, pe care se montează reductorul cu elicea. Totul funcționează la fel ca în cazul anterior. Majoritatea motoarelor moderne sunt realizate exact după acest principiu. Unul dintre avantajele acestui tip de schemă este posibilitatea de a folosi motorul la sol, ca sistem auxiliar de energie (SAE), fără a activa elicea.
Construcția schematică a TVD cu turbină liberă
Vreau să subliniez că nu ar trebui să privim motoarele turboventilate ca pe o relicvă ineficientă a trecutului. Am auzit de câteva ori astfel de afirmații, dar acestea sunt false.
Motorul turboventilator, în unele cazuri, are cea mai mare eficiență, de obicei, pe avioane cu viteze mici (de exemplu, la 500 km/h), având totodată dimensiuni considerabile. Într-un astfel de caz, motorul turboventilator poate fi de mai multe ori mai avantajos decât motorul turbinei cu reacție discutat anterior.
Puteți încheia aici discuția despre motoarele turboventilatoare. Așadar, am ajuns treptat la conceptul de motor turboval.
Motorul turboval
Probabil că majoritatea cititorilor aude acest termen pentru prima dată. Acest tip de motoare este folosit pe elicoptere.
Motorul turboval este foarte asemănător cu motorul turboventilator cu turbine libere. De asemenea, este compus dintr-un compresor, o cameră de ardere, o turbina compresorului, urmată de o turbină liberă legată de tot ce a fost menționat anterior doar prin gazodinamica. Totuși, acest motor nu generează tracțiune reactivă, nu are duză reactivă, ci doar un sistem de evacuare. Turbina liberă are un ax propriu, care se leagă de reductorul principal al elicopterului (rotorul portant). Da, toate elicopterele pe care le cunosc au un astfel de reductor, care este, de obicei, de dimensiuni considerabile. Motivul este că numărul de rotații al rotorului portant al elicopterului este foarte scăzut. Dacă la avion, așa cum am scris mai sus, acest număr poate ajunge la 1500 rpm, la elicopter, de exemplu, la Mi-8, doar 193 rpm.
Numărul de rotații al motorului la elicopter este adesea foarte mare (din cauza dimensiunilor reduse), iar acesta trebuie redus de o sută sau mai multe ori. Există cazuri în care reductorul este montat atât pe motor, cât și pe elicopter, de exemplu, la Mi-2 și motorul său GTD-350.
Structura schematică a motorului turboval
Motorul TV3-117 de pe elicopterul Mi-8. În dreapta se pot observa țeava de evacuare și axul de transmisie.
Așadar, am discutat despre patru tipuri de motoare gaze-turbine. Sper că textul meu a fost clar și util pentru voi. Toate întrebările și observațiile pot fi scrise în comentarii.
Vă mulțumesc pentru atenție.
Sursa: habr.com
