Flygplans gas turbine motorer

Hej alla! I den här artikeln vill jag berätta om hur flygplans gas-turbindrivmotorer (GTD) fungerar. Jag ska försöka göra det på ett så enkelt och förståeligt språk som möjligt.

Flygplans GTD kan delas in i:

• turbojetmotorer (TRD)
• tvåkrets turbojetmotorer (TRDD)
• Turboventilmotorer (TVD)
• Turbovalsmotorer (TVaD)

Dessutom kan TRD och TRDD innehålla en efterbrännkammare, i så fall kallas de TRDF och TRDDDF respektive. I den här artikeln kommer vi inte att diskutera dem.

Vi börjar med turbojetmotorer.

Turbojetmotorer

Denna typ av motorer skapades under första hälften av 1900-talet och började få ett brett utbud av användning i slutet av andra världskriget. Den första serietillverkade turbojetflygplanet i världen var den tyska Me.262. TRD var populära fram till 60-talet, då de började ersättas av TRDD.

Modern bild av Me-262, tagen 2016

Den enklaste turbojetmotorn inkluderar följande komponenter:

• Inloppsenhet
• Kompressor
• Förbränningskammare
• Turbine
• Reaktionsmunstycke (härefter kallat munstycke)

Man kan säga att detta är den minimala uppsättningen för att motorn ska fungera normalt.

Och nu ska vi titta på vad allt detta behövs till och varför.

Inloppsenheten är en expanderande kanal där luften leds till kompressorn och förrcompressas. Här omvandlas den kinetiska energin hos den inkommande luften delvis till tryck.

*här och framöver kommer vi att prata om subsoniska hastigheter. Vid översubsoniska hastigheter förändras fysiken, och det är helt annorlunda där.

Kompressorn är en enhet där lufttrycket ökar. Kompressorn kan karaktäriseras av en parameter som kallas tryckförhållande. I moderna motorer börjar det redan överstiga 40 enheter. Dessutom ökar temperaturen (kanske upp till 400 grader Celsius).

Förbränningskammare är en enhet där värme från förbränning av bränsle tillförs till den komprimerade luften (efter kompressorn). Temperaturen i förbränningskammaren är mycket hög och kan nå upp till 2000 grader Celsius. Det kan verka som att gastrycket i kammaren också ökar kraftigt, men så är det inte. Teoretiskt sett anses värmetillförseln ske vid konstant tryck. I verkligheten faller det något på grund av förluster (problemet med konstruktionens brister).

Turbinen är en enhet som omvandlar en del av energin från gasen efter förbränningskammaren till energi för att driva kompressorn. Eftersom turbiner inte bara används inom flygindustrin kan vi ge en mer allmän definition: det är en enhet som omvandlar den inre energin hos arbetsmediet (i vårt fall är arbetsmediet gas) till mekaniskt arbete på en axel. Som du kanske har förstått, är turbinen och kompressorn på samma axel och är hårt kopplade till varandra. Om trycket på gasen i kompressorn ökar, så minskar det i turbinen, vilket innebär att gasen expanderar.

Dysorna är snäva kanaler där den potentiella energin i gasen omvandlas till kinetisk energi (den återstående energin efter turbinen). Precis som i turbinen sker det en expansion av gasen i dysan. En stråle bildas, som, när den strömmar ut från dysan, driver flygplanet.

Vi har nu gått igenom de grundläggande elementen. Men det är fortfarande inte helt klart hur det fungerar? Låt oss gå igenom det en gång till, kortfattat.

Luften från atmosfären kommer in i inloppet, där den komprimeras något och går in i kompressorn. I kompressorn ökar luftens tryck ytterligare och temperaturen stiger. Efter kompressorn går luften in i förbränningskammaren, där den blandas med bränsle och antänds, vilket leder till en kraftig ökning av temperaturen vid, man kan säga, konstant tryck. Efter förbränningskammaren passerar den heta komprimerade gasen in i turbinen. En del av gasens energi används för att snurra kompressorn genom turbinen (så att den kan utföra sin funktion som beskrivits ovan), den andra delen av energin används för den rörelse vi behöver för flygplanet, eftersom gasen, efter att ha passerat turbinen, omvandlas till en jetström i munstycket och släpps ut i atmosfären. På så sätt slutförs cykeln. Självklart sker alla processer i cykeln kontinuerligt i verkligheten.

Denna cykel kallas Brayton-cykeln, eller en termodynamisk cykel med kontinuerlig arbetsprocess och värmeinmatning vid konstant tryck. Alla gasturbindrivkrafter arbetar enligt denna cykel.

Brayton-cykeln i P-V-koordinater

H-V — kompressionsprocess i inloppet
V-K — kompressionsprocess i kompressorn
K-G — isobarisk värmetillförsel
G-T — gasutvidgningsprocess i turbinen
G-S — gasutvidgningsprocess i munstycket
S-H — isobarisk värmeavledning till atmosfären

Schematisk konstruktion av en turboraketmotor, där 0-0 — axeln för motorn

Turboreaktivmotorer kan ha två axlar. I så fall består kompressorn av en lågtryckskompressor (LTD) och en högtryckskompressor (HVD), medan arbetsinmatningen sker via en lågtrycksturbine (LTD) och en högtrycksturbine (HVD) respektive. Denna konfiguration är mer fördelaktig ur en gasdynamisk synvinkel.

En verklig motor av den här typen i tvärsnitt

Vi har sett på principen för den enklaste konfigurationen av en flygplans gasturbindrivkraft. Självklart installeras på moderna "Airbus" och "Boeing" turbofan-motorer, vars konstruktion är avsevärt mer komplex, men som fungerar enligt samma lagar. Låt oss titta på dem.

Dubbelslangig turboraketmotor

TRDD, framför allt, skiljer sig från TRD genom att den har två kretsar: en yttre och en inre. Den inre kretsen innehåller samma komponenter som TRD: en kompressor (delad i KND och KVD), en förbränningskammare, en turbin (delad i TVD och TND) och ett munstycke. Den yttre kretsen är en kanal med ett munstycke i slutet. Den saknar både förbränningskammare och turbin. Före båda kretsarna (omedelbart efter motorns inlopp) finns en kompressorsteg som arbetar för båda kretsarna.

Det blir en lite otydlig bild, eller hur? Låt oss reda ut hur det fungerar.

Schematiskt tillstånd av en tvåaxlig tvåkrets turboreaktiv motor

Luften som kommer in i motorn passerar genom den första låga tryckkompressorstegen och delas upp i två flöden. En del av luften går genom den inre kretsen, där samma processer sker som vi beskrev när vi gick igenom TRD. Den andra delen av luften går in i den yttre kretsen, där den får energi från den första KND-steget (den som arbetar för båda kretsarna). I den yttre kretsen används luften bara för att övervinna hydrauliska förluster (på grund av friktion). I slutet når denna luft munstycket i den yttre kretsen, vilket skapar en enorm dragkraft. Dragkraften från den yttre kretsen kan utgöra 80% av dragkraften för hela motorn.

En av de viktigaste egenskaperna hos TRDD är graden av tvåkretsighet. Graden av tvåkretsighet är förhållandet mellan luftflödet i den yttre kretsen och luftflödet i den inre kretsen. Detta tal kan vara både större än och mindre än ett. På moderna motorer överskrider detta tal 12 enheter.
Motorer vars grad av tvåkretsighet är större än två kallas vanligtvis turboventilatorer, och den första kompressorstegen (den som arbetar för båda kretsarna) kallas fläkt.

TRDD för Boeing 757-200. I förgrunden syns inloppssystemet och fläkten.

På vissa motorer drivs fläkten av en separat turbin som placeras närmast munstycket i den inre kretsen. Då får vi en treaxlig motor. Till exempel är motorerna Rolls Royce RB211 (installerade på L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Jak-42) konstruerade på detta sätt.

D-18T i tvärsnitt inifrån

Huvudfördelen med TRDD är möjligheten att skapa stor dragkraft och bra bränsleekonomi jämfört med TRD.

Med detta vill jag avsluta diskussionen om TRDD och gå vidare till nästa typ av motorer — TVD.

Turboventilmotorer

Turboventilmotorn, precis som turbojetmotorn, tillhör gasturbinmotorerna. Den fungerar nästan som en turbojetmotor. En grundläggande turboventilmotor består av de element vi redan känner till: kompressor, förbränningskammare, turbin och munstycke. Till dessa läggs en växellåda och en propeller.

Arbetsprincipen är densamma som för turbojetmotorn, med skillnaden att nästan all energi från gaserna används av turbinen för att rotera kompressorn och för att driva propellern via växellådan (här är propellern och växellådan på samma axel som kompressorn). Propellern skapar den största delen av dragkraften. Den resterande energi som finns efter turbinen leds till munstycket och bildar en reaktiv dragkraft, men den är liten och kan utgöra en tiondel av den totala dragkraften. Växellådan i detta system behövs för att sänka hastigheten och överföra momentet, eftersom turbinen kan rotera med väldigt hög frekvens, till exempel 10 000 varv per minut, medan propellern bara behöver 1500. Och propellern är ganska tung.

Schematisk konstruktion av TVD

Men det finns också en annan typ av turboventilmotorer: med en fri turbin.
Essensen är att en separat turbin sätts bakom den vanliga kompressorturbinen, som inte är mekaniskt kopplad till kompressorturbinen. Denna turbin kallas en fri turbin. Kopplingen mellan kompressorturbinen och den fria turbinen är endast gasdynamisk. Från den fria turbinen går en separat axel, på vilken växellådan med propellern är installerad. Allt annat fungerar på samma sätt som i det första fallet. De flesta moderna motorer är faktiskt uppbyggda på detta sätt. En av fördelarna med denna konstruktion är möjligheten att använda motorn på marken som en hjälpkraftenhet (APU) utan att driva propellern.

Schematisk konstruktion av TVD med en fri turbin

Jag vill påpeka att man inte ska se turboventilmotorer som en ineffektiv kvarleva från det förflutna. Jag har hört sådana uttalanden flera gånger, men de är felaktiga.
Turboventilationsmotorn har i vissa fall den högsta verkningsgraden, vanligtvis på flygplan med inte särskilt höga hastigheter (till exempel vid 500 km/h), även när flygplanet kan vara av imponerande storlek. I så fall kan turboventilationsmotorn vara avsevärt mer ekonomisk än den tidigare diskutera turbojetmotorn.

Detta avslutar vår diskussion om turboventilationsmotorer. Vi har så smått nått konceptet av turboväxelmotor.

Turboväxelmotor

De flesta läsare kanske hör detta namn för första gången. Denna typ av motorer installeras på helikoptrar.

Turboväxelmotor är mycket lik turboventilationsmotorn med en fri turbin. Den består också av en kompressor, en förbränningskammare, en kompressorturbin, följt av en fri turbin som är kopplad till allt tidigare endast gasdynamiskt. Denna motor skapar emellertid ingen jetkraft, den har inget jetmunstycke, bara avgassystem. Den fria turbinen har sin egen axel som är kopplad till huvudväxellådan på helikoptern (rotor). Ja, alla helikoptrar jag känner till har en sådan växellåda, och den är vanligtvis av imponerande storlek. Anledningen till detta är att rotorns varvtal på helikoptern är mycket lågt. Om det på flygplanet, som jag skrev tidigare, kan nå upp till 1500 varv/min, så är det på helikoptern, till exempel på Mi-8, endast 193 varv/min.
Och motorns varvtal på helikoptern är ofta mycket högt (på grund av de små storlekarna), och de måste sänkas med hundratals gånger. Det är också vanligt att växellådan sitter både på motorn och på själva helikoptern, som på Mi-2 och dess motor GTD-350.

Schematisk konstruktion av turboväxelmotor

Motorn TV3-117 från helikoptern Mi-8. Till höger syns avgasröret och drivaxeln.

Så vi har gått igenom fyra typer av gasturbiner. Jag hoppas att min text har varit förståelig och användbar för er. Alla frågor och kommentarer kan ni skriva i kommentarerna.

Tack för uppmärksamheten.

Källa: habr.com