Kamusta kayong lahat! Sa artikulong ito gusto kong pag-usapan kung paano gumagana ang mga aviation gas turbine engine (GTE). Susubukan kong gawin itong simple at madaling maunawaan hangga't maaari.
Ang mga makina ng turbine ng aviation gas ay maaaring nahahati sa:
- turbojet engine (TRD)
- double-circuit turbojet engine (turbojet engine)
- Mga Turboprop engine (TVD)
- Mga turboshaft engine (TVaD)
Bukod dito, ang mga turbojet engine at turbofan ay maaaring maglaman ng isang afterburner, kung saan sila ay magiging mga turbofan at turbofan engine, ayon sa pagkakabanggit. Hindi namin isasaalang-alang ang mga ito sa artikulong ito.
Magsimula tayo sa mga turbojet engine.
Mga makina ng turbojet
Ang ganitong uri ng makina ay nilikha noong unang kalahati ng ika-20 siglo at nagsimulang makahanap ng malawakang paggamit sa pagtatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig. Ang unang serial turbojet aircraft sa mundo ay ang German Me.262. Ang mga makina ng turbofan ay popular hanggang sa 60s, pagkatapos nito ay nagsimula silang mapalitan ng mga makina ng turbofan.
Modernong larawan ng Me-262 na kinunan noong 2016
Kasama sa pinakasimpleng turbojet engine ang mga sumusunod na elemento:
- Input device
- Compressor
- Kamara ng pagkasunog
- Turbine
- Jet nozzle (pagkatapos dito ay simpleng nozzle)
Masasabi nating ito ang minimum na set para sa normal na operasyon ng makina.
Ngayon tingnan natin kung ano ang kailangan para sa kung ano at bakit.
Ang inlet device ay isang lumalawak na channel kung saan ang hangin ay ibinibigay sa compressor at paunang naka-compress. Sa loob nito, ang kinetic energy ng papasok na hangin ay bahagyang na-convert sa presyon.
*simula dito ay pag-uusapan natin ang tungkol sa mga subsonic na bilis. Sa supersonic na bilis, nagbabago ang physics, at lahat ay ganap na naiiba doon.
Ang compressor ay isang aparato na nagpapataas ng presyon ng hangin. Ang isang compressor ay maaaring mailalarawan sa pamamagitan ng isang halaga tulad ng antas ng pagtaas ng presyon. Sa mga modernong makina ay nagsisimula na itong lumampas sa 40 mga yunit. Bilang karagdagan, ang temperatura sa loob nito ay tumataas (marahil sa isang lugar hanggang sa 400 degrees Celsius).
Ang silid ng pagkasunog ay isang aparato kung saan ang init ay ibinibigay sa naka-compress na hangin (pagkatapos ng compressor) dahil sa pagkasunog ng gasolina. Ang temperatura sa silid ng pagkasunog ay napakataas, maaaring umabot sa 2000 degrees Celsius. Maaaring tila sa iyo na ang presyon ng gas sa silid ay tumataas din nang malaki, ngunit hindi ito ganoon. Theoretically, karaniwang tinatanggap na ang init ay ibinibigay sa pare-pareho ang presyon. Sa katotohanan, bahagyang bumababa ito dahil sa mga pagkalugi (ang problema ng hindi perpektong disenyo).
Ang turbine ay isang aparato na nagko-convert ng bahagi ng enerhiya ng gas pagkatapos ng combustion chamber sa compressor drive energy. Dahil ang mga turbine ay ginagamit hindi lamang sa paglipad, ang isang mas pangkalahatang kahulugan ay maaaring ibigay: ito ay isang aparato na nagko-convert ng panloob na enerhiya ng gumaganang likido (sa aming kaso, ang gumaganang likido ay gas) sa mekanikal na gawain sa baras. Tulad ng naiintindihan mo, ang turbine at compressor ay matatagpuan sa parehong baras at mahigpit na konektado sa bawat isa. Kung ang presyon ng gas ay tumaas sa tagapiga, pagkatapos ay sa turbine, sa kabaligtaran, ito ay bumababa, iyon ay, ang gas ay lumalawak.
Ang nozzle ay isang tapering channel kung saan ang potensyal na enerhiya ng gas ay na-convert sa kinetic energy (ang natitirang reserba ng enerhiya ng gas pagkatapos ng turbine). Tulad ng sa isang turbine, ang pagpapalawak ng gas ay nangyayari sa nozzle. Ang isang jet ay nabuo, na, na dumadaloy sa labas ng nozzle, ay gumagalaw sa eroplano.
Inayos namin ang mga pangunahing elemento. Ngunit hindi pa rin ito masyadong malinaw kung paano ito gumagana? Pagkatapos ay gawin natin itong muli at sandali.
Ang hangin mula sa atmospera ay pumapasok sa inlet device, kung saan ito ay bahagyang naka-compress at pumapasok sa compressor. Sa compressor, ang presyon ng hangin ay tumataas nang higit pa, at ang temperatura ay tumataas din. Pagkatapos ng compressor, ang hangin ay pumapasok sa silid ng pagkasunog at, paghahalo doon sa gasolina, nagniningas, na humahantong sa isang malakas na pagtaas ng temperatura, sa, maaaring sabihin ng isa, pare-pareho ang presyon. Pagkatapos ng combustion chamber, ang mainit na naka-compress na gas ay pumapasok sa turbine. Ang bahagi ng enerhiya ng gas ay ginugugol sa pag-ikot ng compressor ng turbine (upang maisagawa nito ang pag-andar na inilarawan sa itaas), ang iba pang bahagi ng enerhiya ay ginugol sa paggalaw ng sasakyang panghimpapawid na kailangan natin, dahil sa katotohanan. na ang gas, na nakapasa sa turbine, ay nagiging isang jet stream sa nozzle at tumakas mula dito (ang nozzle) patungo sa atmospera. Kinukumpleto nito ang cycle. Siyempre, sa katotohanan, ang lahat ng mga proseso sa cycle ay patuloy na nagaganap.
Ang cycle na ito ay tinatawag na Brayton cycle, o isang thermodynamic cycle na may tuluy-tuloy na proseso ng pagpapatakbo at pagpasok ng init sa pare-parehong presyon. Ang lahat ng mga gas turbine engine ay gumagana ayon sa cycle na ito.
Brayton cycle sa PV coordinate
N-B - proseso ng compression sa input device
V-K - proseso ng compression sa isang compressor
K-G - isobaric na supply ng init
G-T - proseso ng pagpapalawak ng gas sa isang turbine
G-S - ang proseso ng pagpapalawak ng gas sa nozzle
Π‘-Π - pag-alis ng isobaric na init sa kapaligiran
Schematic na disenyo ng isang turbojet engine, kung saan 0-0 ang engine axis
Ang isang turbojet engine ay maaaring may dalawang shaft. Sa kasong ito, ang compressor ay binubuo ng isang low-pressure compressor (LPC) at isang high-pressure compressor (HPC), at ang supply ng trabaho ay isasagawa ng isang low-pressure turbine (LPT) at isang high-pressure turbine ( HPT), ayon sa pagkakabanggit. Ang pamamaraan na ito ay mas pabor sa gasdynamically.
Cutaway view ng isang tunay na makina ng ganitong uri
Sinuri namin ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng pinakasimpleng circuit ng makina ng turbine ng sasakyang panghimpapawid. Naturally, ang mga modernong Airbus at Boeing ay nilagyan ng mga turbofan engine, ang disenyo nito ay kapansin-pansing mas kumplikado, ngunit ang lahat ay gumagana ayon sa parehong mga batas. Tingnan natin sila.
Double-circuit turbojet engine
Ang isang turbofan engine, una sa lahat, ay naiiba sa isang turbojet engine dahil mayroon itong dalawang circuit: panlabas at panloob. Ang panloob na circuit ay naglalaman ng parehong bagay tulad ng isang turbojet engine: isang compressor (nahahati sa LPC at HPC), isang combustion chamber, isang turbine (na hinati sa HPT at LHP) at isang nozzle. Ang panlabas na tabas ay isang channel na may nozzle sa dulo. Wala itong combustion chamber o turbine. Sa harap ng parehong mga circuit (kaagad pagkatapos ng pasukan ng makina) mayroong isang yugto ng compressor na nagpapatakbo sa parehong mga circuit.
Ito ay hindi isang napakalinaw na larawan, tama ba? Alamin natin kung paano ito gumagana.
Schematic na disenyo ng twin-shaft bypass turbojet engine
Ang hangin na pumapasok sa makina, na dumadaan sa unang yugto ng low-pressure compressor, ay nahahati sa dalawang stream. Ang isang bahagi ng hangin ay dumadaloy sa kahabaan ng panloob na circuit, kung saan nangyayari ang parehong mga proseso na inilarawan noong binuwag namin ang turbojet engine. Ang ikalawang bahagi ng hangin ay pumapasok sa panlabas na circuit, tumatanggap ng enerhiya mula sa unang yugto ng LPC (ang isa na nagpapatakbo sa dalawang circuits). Sa panlabas na circuit, ang enerhiya ng hangin ay ginugugol lamang sa pagtagumpayan ng mga pagkalugi ng haydroliko (dahil sa alitan). Sa dulo, ang hangin na ito ay pumapasok sa panlabas na loop nozzle, na lumilikha ng napakalaking thrust. Ang thrust na nilikha ng panlabas na circuit ay maaaring account para sa 80% ng thrust ng buong engine.
Ang isa sa mga pinakamahalagang katangian ng isang turbofan engine ay ang bypass ratio. Ang bypass ratio ay ang ratio ng daloy ng hangin sa panlabas na loop sa daloy ng hangin sa panloob na loop. Ang bilang na ito ay maaaring mas malaki o mas mababa sa isa. Sa mga modernong makina ang bilang na ito ay lumampas sa 12 mga yunit.
Ang mga makina na may bypass ratio na higit sa dalawa ay karaniwang tinatawag na turbofan engine, at ang unang yugto ng compressor (ang isa na nagpapatakbo sa parehong mga circuit) ay tinatawag na fan.
Boeing 757-200 turbofan engine. Ang input device at fan ay makikita sa foreground.
Sa ilang mga makina, ang fan ay hinihimok ng isang hiwalay na turbine, na inilalagay na pinakamalapit sa panloob na circuit nozzle. Pagkatapos ang makina ay lumabas na tatlong-shaft. Halimbawa, ang mga makina ng Rolls Royce RB211 (naka-install sa L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) na makina ay ginawa ayon sa disenyong ito.
D-18T sa seksyon mula sa loob
Ang pangunahing bentahe ng isang turbofan engine ay ang kakayahang lumikha ng mataas na thrust at mahusay na kahusayan kumpara sa mga turbojet engine.
Sa pamamagitan nito, nais kong tapusin ang tungkol sa turbofan engine at magpatuloy sa susunod na uri ng makina - ang turbofan engine.
Mga makinang turboprop
Ang turboprop engine, tulad ng turbojet, ay isang gas turbine engine. At ito ay gumagana halos tulad ng isang turbojet. Ang pangunahing turboprop engine ay binubuo ng mga elemento na pamilyar sa atin: isang compressor, isang combustion chamber, isang turbine at isang nozzle. Ang isang gearbox at isang tornilyo ay idinagdag sa kanila.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay pareho sa turbojet, na may pagkakaiba na halos lahat ng enerhiya ng gas ay ginugugol sa turbine upang paikutin ang compressor at upang paikutin ang propeller sa pamamagitan ng gearbox (dito ang propeller at ang gearbox ay nasa parehong baras bilang tagapiga). Ang propeller ay lumilikha ng bulk ng thrust. Ang natitirang bahagi ng enerhiya pagkatapos ng turbine ay nakadirekta sa nozzle, na bumubuo ng jet thrust, ngunit ito ay maliit, maaari itong maging isang ikasampu ng kabuuan. Ang gearbox sa scheme na ito ay kinakailangan upang mapababa ang bilis at magpadala ng metalikang kuwintas, dahil ang turbine ay maaaring umikot sa napakataas na dalas, halimbawa, 10000 rpm, ngunit ang propeller ay nangangailangan lamang ng 1500 At ang propeller ay medyo mabigat.
Eskematiko na disenyo ng teatro
Ngunit may isa pang disenyo para sa mga turboprop engine: na may libreng turbine.
Ang kakanyahan nito ay ang isang hiwalay na turbine ay naka-install sa likod ng karaniwang compressor turbine, na hindi mekanikal na konektado sa compressor turbine. Ang nasabing turbine ay tinatawag na libre. Ang koneksyon sa pagitan ng compressor turbine at ng libreng turbine ay gas-dynamic lamang. Mula sa libreng turbine mayroong isang hiwalay na baras kung saan naka-install ang isang gearbox na may propeller. Lahat ng iba pa ay gumagana katulad ng sa unang kaso. Karamihan sa mga modernong makina ay idinisenyo nang eksakto sa ganitong paraan. Ang isa sa mga bentahe ng scheme na ito ay ang kakayahang gamitin ang makina sa lupa bilang isang auxiliary power unit (APU), nang hindi nagmamaneho ng propeller.
Schematic na disenyo ng turboprop engine na may libreng turbine
Gusto kong tandaan na hindi na kailangang tingnan ang mga turboprop engine bilang isang hindi epektibong relic ng nakaraan. Ilang beses ko nang narinig ang mga ganoong pahayag, ngunit hindi ito totoo.
Sa ilang mga kaso, ang isang turboprop engine ay may pinakamataas na kahusayan, bilang isang panuntunan, sa sasakyang panghimpapawid na may hindi masyadong mataas na bilis (halimbawa, 500 km / h), bukod dito, ang sasakyang panghimpapawid ay maaaring may kahanga-hangang laki. Sa kasong ito, ang isang turboprop engine ay maaaring maraming beses na mas kumikita kaysa sa naunang tinalakay na turbojet engine.
Dito natin matatapos ang tungkol sa mga turboprop engine. Unti-unti kaming lumalapit sa konsepto ng isang turboshaft engine.
Turboshaft engine
Ito ay dapat ang unang pagkakataon na karamihan sa mga mambabasa dito ay nakarinig ng ganoong pangalan. Ang ganitong uri ng makina ay naka-install sa mga helicopter.
Ang isang turboshaft engine ay halos kapareho sa isang free-turbine turboprop engine. Binubuo din ito ng isang compressor, isang combustion chamber, isang compressor turbine, pagkatapos ay mayroong isang libreng turbine, na konektado sa lahat ng nauna lamang sa gasdynamically. Ngunit ang naturang makina ay hindi lumilikha ng jet thrust; Ang libreng turbine ay may sariling baras, na konektado sa pangunahing gearbox ng helicopter (pangunahing rotor). Oo, lahat ng helicopter na alam ko ay may ganoong gearbox, at, bilang panuntunan, ito ay may kahanga-hangang laki. Ang katotohanan ay ang bilis ng rotor ng isang helicopter ay napakababa. Kung para sa isang eroplano, tulad ng isinulat ko sa itaas, maaari silang umabot sa 1500 rpm, pagkatapos ay para sa isang helicopter, halimbawa, ang Mi-8, 193 rpm lamang.
At ang bilis ng makina ng isang helicopter ay madalas na napakataas (dahil sa maliit na sukat nito), at ito ay kinakailangan upang bawasan ito ng isang daang beses o higit pa. Nangyayari na ang gearbox ay naka-install pareho sa engine at sa helicopter mismo, halimbawa, sa Mi-2 at ang GTD-350 engine nito.
Schematic na disenyo ng isang turboshaft engine
TV3-117 engine mula sa Mi-8 helicopter. Ang exhaust pipe at drive shaft ay makikita sa kanan
Kaya, tiningnan namin ang apat na uri ng mga gas turbine engine. Umaasa ako na ang aking teksto ay malinaw at kapaki-pakinabang para sa iyo. Maaari mong isulat ang lahat ng mga tanong at komento sa mga komento.
Salamat sa iyo para sa iyong pansin.
Pinagmulan: www.habr.com
