Të gjithë përshëndetje! Në këtë artikull dëshiroj të flas për mënyrën se si funksionojnë motorët avionicë me gaz turbine (GT). Do të përpiqem ta bëj këtë në një gjuhë sa më të thjeshtë dhe të kuptueshme.
Motorët avionicë GT mund të ndahen në:
- motora turborreaktivë (TRD)
- motora turborreaktivë me dy kontura (TRRDD)
- motora turbobinjë (TVD)
- motora turbatë (TVaD)
Përveç kësaj, TRD dhe TRRDD mund të përmbajnë një dhomë forcimi, në këtë rast do të jenë TRDF dhe TRRDDF përkatësisht. Në këtë artikull ne nuk do t'i shqyrtojmë ato.
Le të fillojmë me motorët turborreaktivë.
Motorët turborreaktivë
Ky lloj motori u krijua në gjysmën e parë të shekullit 20 dhe filloi të gjejë aplikim masiv në fund të Luftës së Dytë Botërore. I pari avion turborreaktiv në botë ishte gjermani Me.262. TRD ishin të popullarizuar deri në vitet '60, pas të cilave filluan të zëvendësoheshin nga TRRDD.
Fotografia moderne e Me-262, e bërë në vitin 2016
Motori turborreaktiv më i thjeshtë përfshin elementët e mëposhtëm:
- Dispositivi i hyrjes
- Kompressor
- Dhomën e djegies
- Turbina
- Soplo reaktiv (më poshtë thjesht soplo)
Mund të thuhet se kjo është një grup minimal për funksionimin normal të motorit.
Dhe tani të shqyrtojmë se çfarë është e nevojshme dhe për çfarë.
Dispositivi i hyrjes â Ă«shtĂ« njĂ« kanal qĂ« zgjerohet*, ku ndodh kalimi i ajrit nĂ« kompressor dhe presioni i tij paraprak. NĂ« tĂ«, energjia kinetike e ajrit tĂ« hyrĂ«s transformohet pjesĂ«risht nĂ« presion.
*këtu dhe më tej do të flasim për shpejtësi subzërore. Në shpejtësi supersonike, fizika ndryshon, dhe aty gjithçka është ndryshe.
Kompressor â Ă«shtĂ« pajisja ku ndodh rritja e presionit tĂ« ajrit. Kompressori mund tĂ« karakterizohet nga njĂ« sasi e caktuar si shkalla e rritjes sĂ« presionit. NĂ« motorĂ«t modernĂ«, ajo fillon tĂ« kalojĂ« 40 njĂ«si. PĂ«r mĂ« tepĂ«r, nĂ« tĂ« rritet temperatura (mund tĂ« arrijĂ« deri nĂ« 400 gradĂ« Celsius).
Kamera e djegies është një pajisje në të cilën ajri i shtrënguar (pas kompresorit) furnizohet me nxehtësi nga djegia e karburantit. Temperatura në kamerën e djegies është shumë e lartë, mund të arrijë deri në 2000 gradë Celsius. Mund t'ju duket se presioni i gazit në kamerë gjithashtu rritet shumë, por kjo nuk është e vërtetë. Teoretikisht, pranohet se nxehtësia furnizohet në presion të qëndrueshëm. Në realitet, ai bie pak për shkak të humbjeve (problemi i papërsosmërive të konstrukcioni).
Turbinë është një pajisje që shndërron një pjesë të energjisë së gazit pas kamerës së djegies në energji për shfrenimin e kompresorit. Duke qenë se turbinat përdoren jo vetëm në aviacion, mund të jepet një përkufizim më i përgjithshëm: kjo është një pajisje që konverton energjinë e brendshme të trupit punues (në rastin tonë, trupi punues është gazi) në punë mekanike në bosht. Siç mund ta keni kuptuar, turbina dhe kompresori janë në të njëjtin bosht dhe janë të lidhura fort me njëra-tjetrën. Nëse në kompresor ndodhi një rritje e presionit të gazit, në turbinë, përkundrazi, ndodh një rënie, domethënë gazi zgjerohet.
Shkalla është një kanali që ngushtohet, ku ndodh konverzimi i energjisë potenciale të gazit në energji kinetike (rezerva e mbetur e energjisë së gazit pas turbinës). Ashtu si në turbinë, në shkallë ndodh zgjerimi i gazit. Krijohet një rrjedhë, e cila, duke dalë nga shkalla, lëviz avionin.
Me elementët kryesorë e kuptuam. Por akoma nuk është shumë e qartë se si funksionon? Atëherë le të shohim edhe një herë dhe shkurt.
Ajri nga atmosfera hyjnë në pajisjen hyrëse, ku pak komprimohen dhe dërgohen në kompresor. Në kompresor, presioni i ajrit rritet edhe më tej, si dhe temperatura. Pas kompresorit, ajri kalon në dhomën e djegies dhe, duke u miksuar aty me derivate, ndezet, çka rezulton në një rritje të madhe të temperaturës, kur, mund të thuhet, presioni mbetet konstant. Pas dhomës së djegies, gazi i ngrohtë dhe i kompresuar hyn në turbinë. Një pjesë e energjisë së gazit shpenzohet për të lëvizur kompresorin me anë të turbinës (që të mund të realizojë funksionin e saj, siç përmendet më lart), pjesa tjetër e energjisë shpenzohet për lëvizjen e avionit, për shkak se gazi, pasi kalon turbinën, transformohet në një rrjedhë reaktive në piper dhe del prej tij (piperit) në atmosferë. Kështu përfundon cikli. Natyrisht, në realitet, të gjitha proceset e ciklit ndodhin vazhdimisht.
Ky cikli quhet cikli i Braytonit, ose cikli termodinamik me karakter të vazhdueshëm të procesit të punës dhe furnizimin me ngrohje në presion të konstante. Të gjitha GTD funksionojnë sipas këtij cikli.
Cikli i Braytonit në koordinatat P-V
N-V â procesi i kompresimit nĂ« pajisjen hyrĂ«se
V-K â procesi i kompresimit nĂ« kompresor
K-G â furnizimi me ngrohje izobarik
G-T â procesi i zgjerimit tĂ« gazit nĂ« turbinĂ«
G-S â procesi i zgjerimit tĂ« gazit nĂ« piper
S-N â ndarja izobarike e ngrohjes nĂ« atmosferĂ«
Konstruktimi skematik i motorit turbo-reaktiv, ku 0-0 është boshti i motorit
TRD mund të ketë edhe dy boshe. Në këtë rast, kompresori përbëhet nga kompresori me presion të ulët (KND) dhe kompresori me presion të lartë (KVD), ndërsa puna do të kryhet nga turbina me presion të ulët (TND) dhe turbina me presion të lartë (TVD) përkatësisht. Kjo skemë është më e favorshme nga ana gazodinamike.
Një motor real i këtij lloji në prerje
Ne shqyrtuam principin e punës së skemës më të thjeshtë të motorit të gazit turbinë aviacioni. Natyrisht, në avionët modern "Airbus" dhe "Boeing" instalohet TRDD, struktura e të cilave është ndjeshëm më e komplikuar, por funksionon të gjitha sipas të njëjtave ligje. Le të shqyrtojmë ata.
Motor turbo-reaktiv me dy cirkuita
TRDDF, mbi të gjitha, dallon nga TRD sepse ka dy kontura: të jashtëm dhe të brendshëm. Konturi i brendshëm përmban gjithçka që ka TRD: kompresorin (të ndarë në KND dhe KVD), dhomën e djegies, turbinën (të ndarë në TVD dhe TND) dhe sprajt. Konturi i jashtëm përbën një kanal, me spraj në fund. Në të nuk ka as dhomë djegie dhe as turbinë. Para të dy konturave (menjëherë pas hyrjes së motorit) ndodhet një shkallë kompresori, që punon për të dy konturat.
Pamja nuk është shumë e qartë, apo jo? Le të shohim se si funksionon.
Struktura skematike e motorit turborakĂȘt tĂ« dy aksĂ«ve me dy kontura
Ajri që hyn në motor, pasi kalon nëpër shkallën e parë të kompresorit të presionit të ulët, ndahet në dy rrjedha. Një pjesë e ajrit shkon në konturin e brendshëm, ku ndodhin ato të njëjtat procese të përshkruara më parë për TRD. Pjesa tjetër e ajrit shkon në konturin e jashtëm, duke marrë energji nga shkalla e parë e KND (ajo që punon për të dy konturat). Në konturin e jashtëm, energjia e ajrit shpenzohet vetëm për të përballuar humbjet hidraulike (për shkak të fërkimit). Në fund, ky ajër bie në sprajn e konturit të jashtëm, duke krijuar një tërheqje të madhe. Tërheqja e krijuar nga konturi i jashtëm mund të përbëjë 80% të tërheqjes totale të motorit.
Një nga karakteristikat më të rëndësishme të TRDDF është shkalla e dyfishtë. Shkalla e dyfishtë është raporti i fluksit të ajrit në konturin e jashtëm ndaj fluksit të ajrit në konturin e brendshëm. Ky numër mund të jetë më i madh ose më i vogël se një. Në motorët modernë, ky numër kalon vlerën 12.
Motoret, të cilët kanë një shkallë dyfishi më të madhe se dy, zakonisht quhen turboventilatore, ndërsa shkalla e parë e kompresorit (ajo që punon për të dy konturat) quhet ventilator.
TRDDF i avionit Boeing 757-200. Në planin e parë dallohet hyrja e motorit dhe ventilatori
Në disa motorë, ventilatori drejtohet nga një turbinë e veçantë, e cila është vendosur më afër sprajtit të konturit të brendshëm. Atëherë motori bëhet me tre akse. Për shembull, motorët Rolls Royce RB211 (të instaluar në L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42) janë të konceptuar në këtë mënyrë.
D-18T në prerje nga brenda
Avantazhi kryesor i TRDD-së është mundësia për të krijuar një tërheqje të madhe dhe efikasitet të mirë, krahasuar me TRD.
Me kĂ«tĂ« do tĂ« doja tĂ« pĂ«rfundoja pĂ«r TRDD-nĂ« dhe tĂ« kaloj nĂ« llojin tjetĂ«r tĂ« motorĂ«veâTVD.
Motorët turbi-vinë
Motori turbi-vinë, ashtu si edhe motori turborreaktiv, i përket motorëve gazturbinë. Ai funksionon pothuajse si një motor turborreaktiv. Një motor elementar turbi-vinë përbëhet nga elementët që tashmë i njohim: kompresori, dhoma e djegies, turbinë dhe nofull. Atëherë shtohen reduktori dhe vija.
Parimi i funksionimit është i njëjtë si ai i motorit turborreaktiv, me dallimin se pothuajse e gjithë energjia e gazit shpenzohet në turbinë për të rrotulluar kompresorin dhe për të rrotulluar vijën përmes reduktorit (këtu vija dhe reduktori ndodhen në të njëjtën osë me kompresorin). Vija krijon shumicën e tërheqjes. Pjesa e mbetur, pas turbinës, e energjisë i drejtohet nofullës, duke formuar një tërheqje reaktive, por ajo është e vogël, e cila mund të përbëjë një të dhjetën e tërheqjes totale. Reduktori në këtë skemë është i nevojshëm për të ulur rrotullimet dhe për të transferuar momentin, pasi turbina mund të rrotullohet me një frekuencë shumë të lartë, për shembull, 10000 rrotullime në minutë, ndërsa vijës i nevojiten vetëm 1500. Dhe vija është mjaft e rëndë.
Konstruksioni skematike i TVD
Por ka edhe një skemë tjetër të motorëve turbi-vinë: me turbinë të lirë.
Thelbi i saj është se pas turbinës normale të kompresorit vendoset një turbinë e ndarë, e cila nuk është mekanikisht e lidhur me turbinën e kompresorit. Kjo turbinë quhet e lirë. Lidhja midis turbinës së kompresorit dhe turbinës së lirë është vetëm gazodinamike. Nga turbina e lirë del një osë e veçantë, në të cilën vendosen reduktori me vijën. Të gjitha pjesët e tjera punojnë ashtu si në rastin e parë. Shumica e motorëve modernë realizohen pikërisht sipas kësaj skeme. Një nga avantazhet e kësaj skeme është mundësia e përdorimit të motorit në tokë, si një burim ndihmëse energjie (VDU), pa e lëvizur vijën.
Konstruksioni skematike i TVD me turbinë të lirë
Dëshiroj të theksoj se nuk duhet të shikohet motorët turbi-vinë si një mbetje e papërshtatshme e së kaluarës. Kam dëgjuar disa herë këndvështrime të tilla, por ato janë të gabuara.
Motori turboviral në disa raste ka efikasitetin më të lartë, zakonisht në avionët me shpejtësi jo shumë të larta (p.sh., në 500 km/h), megjithatë, avioni mund të jetë mjaft i madh. Në këtë rast, motori turboviral mund të jetë shumë më i përballueshëm se motori turbojet që u shqyrtua më parë.
Këtu përfundon diskutimi mbi motorët turboviral. Po ngadalë po i afrohemi konceptit të motorit turboshaft.
Motori turboshaft
Duhet të jetë se shumica e lexuesve këtu dëgjojnë për herë të parë një emër të tillë. Ky tip motori përdoret në helikopterë.
Motori turboshaft është shumë i ngjashëm me motorin turboviral me turbinë të lirë. Ai gjithashtu përbëhet nga një kompresor, dhomë djegie, turbinë kompresori, dhe më pas ka një turbinë të lirë, e cila është e lidhur me të gjithë pjesën e mëparshme vetëm në mënyrë gazdinamike. Një motor i tillë nuk krijon shtytje reaksioni, nuk ka një spruç, vetëm gazexhimi. Turbina e lirë ka një bosht të saj, i cili lidhet me reduktorin kryesor të helikopterit (helixit mbajtur). Po, të gjithë helikopterët që kam njohur kanë një të tillë reduktor, dhe zakonisht ai është mjaft i madh. Arsyeja është se rrotullimi i helixit të helikopterit është shumë i ulët. Nëse te avioni, siç e thashë më lart, ata mund të arrijnë deri në 1500 rrotullime/min, te helikopteri, për shembull te Mi-8, vetëm 193 rrotullime/min.
Ndërsa rrotullimi i motorit te helikopteri shpesh është shumë i lartë (për shkak të madhësive të vogla), dhe duhet të reduktohet në qindra dhe më shumë herë. Ka raste kur reduktori ndodhet si në motor ashtu edhe në vetë helikopterin, për shembull, te Mi-2 dhe motorin e tij GTD-350.
Një konstrukcion i thjeshtë i motorit turboshaft
Motori TV3-117 nga helikopteri Mi-8. Nga e djathta duken tubi i gazexhimit dhe boshti i shpejtësisë.
Pra, ne kemi shqyrtuar katër tipa motorësh gazturbinë. Shpresoj që teksti im ishte i qartë dhe i dobishëm për ju. Të gjitha pyetjet dhe vërejtjet mund t'i shkruani në komentet.
Faleminderit për vëmendjen.
Burimi: habr.com
