Турбореактивный двигатель

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Принцип работы реактивного двигателя

За работу двигателя отвечает реактивная тяга. Для создания реактивной тяги необходима определенная жидкость, которая подается из задней части двигателя и по ходу ее продвижения увеличивается ее скорость движения вперед. Работу тяги отлично объясняет один из законов Ньютона, звучит он так «Любое действия вызывает равное противодействие».

Вместо жидкости в ТРД используется горючая смесь (газы и воздух со сгоревшими частичками топлива). Благодаря этой смеси самолет толкает вперед и позволяет ему лететь дальше.

Разработки таких двигателей начались в тридцатых годах. Первыми кто начал разрабатывать двигатели такого типа стали немцы и англичане. Но в гонке вооружений одержали победу ученные из Германии, так как они выпустили самый первый в мире самолет с ТРД под названием «Ласточка», данный самолет впервые взлетел в небеса над Люфтваффом. Спустя некоторое время появился и Английский самолет «Глостерский метеор»

Также сверхзвуковые двигатели принято считать турбореактивными, но они отличаются более совершенными модификациями, в отличие от ТРД.

Устройство двигателя имеет четыре главные детали, а именно:

• Компрессор.
• Камера горения.
• Турбина.
• Выхлоп.

Компрессор

В компрессоре находиться несколько турбин, с помощью которых происходит засасывание и сжатие воздуха. Во время сжатия воздуха, его давление и температура начинает нагнетаться и расти.

Камера горения

После того как воздух проходит турбину и его сжимает до необходимых размеров. Часть сжатого воздуха поступает в камеру горения, где воздух начинает смешиваться с топливом, после чего его поджигают. Благодаря этому увеличивается тепловая энергия воздуха. После смесь выходит из камеры с большой скорости и расширяется.

Турбина

После выхода эта смесь снова попадает в турбину, с помощью высокой энергии газа лопасти в турбине начинают свое вращение. Турбина тесно связанна с компрессором, который находиться в начале двигателя. Благодаря этому турбина начинает свою работу. Остатки воздуха выходят в выхлоп. В момент выхода смеси температура достигает рекордных размеров. Но она продолжает повышать свою температуру с помощью эффекта Дросселирования. После того как температура воздуха доходит до своего пика, она начинает идти на спад и выходит из турбины.

Принцип работы турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель технологически очень сложное изделие, но работающее по довольно простому и понятному принципу. Расскажем, о его устройстве и какие процессы и как в нём протекают. Сначала разберёмся с терминами. Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan, причём англоязычный мир имеет под словом turbofan абсолютно любой двухконтурный турбореактивный двигатель.

При этом они разделяют их с низкой и высокой степенью двухконтурности соответственно, а степень двухконтурности – это параметр, который показывает отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу во внутреннем. Итак, неотъемлемое свойство турбовентиляторного двигателя высокая степень двухконтурности – для современных изделий от 4 и выше.

Чтобы как можно больше воздуха расходовать через внешний контур используется вентилятор большого диаметра, энергия для его вращения появляется за счёт работы внутреннего контура и в этом заключается суть работы турбовентиляторного двигателя, где с помощью вентилятора создаётся около 80% всей тяги.

Рассмотрим типичное устройство и как это работает. Турбовентиляторный двигатель имеет внешний и внутренний контуры. На входе в двигатель имеется вентилятор большого диаметра, который подаёт воздух в оба контура, устройство внутреннего контура подобно обычному турбореактивному двигателю, который состоит из компрессора, турбины, камеры сгорания и реактивного сопла.

Сначала воздух, немного увеличив давление, после вентилятора попадает в компрессор низкого давления, затем он попадает в компрессор высокого давления, который вращается в несколько раз быстрее. После прохождения обоих компрессоров, воздух, сжатый более чем в 30 раз и сильно нагретый от высокого давления попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, которое подаётся с помощью форсунок и поджигается. Далее раскалённый газ с температурой около 1600 градусов и выше начинает совершать полезную работу.

Сначала он попадает в турбину высокого давления, которая заставляет вращаться, находящийся с ней на одном валу компрессор высокого давления. Затем, потратив часть энергии и снизив свою температуру, раскаленный газ попадает в турбину низкого давления, которая находится на одном валу с компрессором и вентилятором. Потеряв большую часть энергии, раскалённый газ попадает в сопло и совершает последнее полезное действие – создаёт реактивную тягу. Таков принцип работы внутреннего контура, который создаёт лишь 20% всей тяги вентиляторного двигателя.

Принцип работы внешнего контура. Турбина низкого давления, находящаяся на одном валу с вентилятором, заставляет его вращаться, воздух, пройдя через лопатки вентилятора и немного увеличив своё давление, проходит через спрямляющий аппарат, его неподвижные лопатки поворачивают поток воздуха в осевом направлении, заодно повышая его давление. Затем воздушный поток попадает в сопло, где создаётся реактивная тяга.

Вот и весь принцип работы вентиляторного двигателя. Разумеется, каждый конкретный двигатель имеет свои особенности и различия, больше всего они касаются устройства внутреннего контура, но схема исполнения всегда остаётся плюс минус одинаковой. Обычно разница заключается в количестве ступеней компрессора и турбины, также помимо двухвальной схемы используется и трёхвальная, когда вентилятор и компрессор низкого давления больше не связаны, в таком случае используется промежуточная турбина, которая вращает только компрессор низкого давления на отдельном валу.

Ещё один способ увеличения эффективности конструкции – это установка редуктора на валу, который соединяет турбину низкого давления и вентилятор, такое решение позволяет им работать на оптимальных для себя режимах. Устройство внешнего контура также может иметь заметные отличия. При относительно небольшой степени двухконтурности в двигателе может использоваться смешение потоков, где газ из обоих контуров попадает в единую камеру сгорания и покидает через общее сопло.

Но, такая схема не подходит для более габаритных двигателей с высокой степенью двухконтурности, так как масса двигателя значительно вырастет, поэтому практически во всех вентиляторных двигателях потоки не смешиваются и длина внешнего контура всегда меньше внутреннего. Вот собственно и всё – таков принцип и способы повышения эффективности работы турбовентиляторного двигателя.

Источник

Принцип работы турбореактивного двигателя

В отличие от реактивного двигателя, который пользуется спросом почти у всех самолетов, турбореактивный двигатель больше подходит для пассажирских авиалайнеров. Так как для работы реактивного двигателя необходимо не только топливо, но и окислитель.

Благодаря своему строению окислитель поступает вместе с топливом из бака. А в случаи с ТРД окислитесь, поступает напрямую из атмосферы. А в остальном их работа совершенно идентична и не отличается друг от друга.

У турбореактивного двигателя главной деталью является лопасть турбины, так как от ее исправной работы напрямую зависит мощность двигателя. Благодаря этим лопастям и образуется тяга, которая необходима для поддержания скорости самолета. Если сравнить одну лопасть с автомобильным двигателем, то она сможет обеспечить мощностью целых десять машин.

Лопасти устанавливаются за камерой сгорания, так как там нагнетается самое высокое давления, также температура воздуха в данной части двигателя может доходить до 1400 градусов Цельсия.

В целях улучшения прочности и устойчивости лопасти перед различными факторами их монокристаллизируют, благодаря этому они могут держать высокую температуру и давление. Прежде чем установить такой двигатель на самолет его тестируют на полном тяговом усилителе. Также двигатель должен получить сертификат от Европейского совета по безопасности.

Испытания

Галерея

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

• 16,5 МВт — мощность на валу.
• 37% — КПД, механический привод.
• 36% — КПД, электрический (простой цикл).
• 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
• 200 000 часов — полный жизненный цикл
• выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

Десантное судно «Зубр»

использованная литература

Ноты

Список используемой литературы

• Боуман, истребитель Martin W. Lockheed F-104 . Рамсбери, Мальборо, Уилтшир, Великобритания: Crowood Press Ltd., 2000. ISBN   1-86126-314-7 .
• Федеральное управление гражданской авиации , Руководство по механике планера и силовой установки, Руководство по силовой установке Министерство транспорта США, Джеппесен Сандерсон, 1976.
• Ганстон, Билл . Разработка поршневых авиационных двигателей . Кембридж, Англия. Патрик Стивенс Лимитед, 2006. ISBN   0-7509-4478-1
• Ганстон, Билл. Разработка реактивных и турбинных авиационных двигателей . Кембридж, Англия. Патрик Стивенс Лимитед, 1997. ISBN   1-85260-586-3
• Харди, Майкл. Планеры и планеры мира . Лондон: Ян Аллан, 1982. ISBN   0-7110-1152-4 .
• Боевой самолет Джейн времен Второй мировой войны . Лондон. Studio Editions Ltd, 1998. ISBN   0-517-67964-7
• Ламсден, Алек. Британские поршневые двигатели и их самолеты . Мальборо, Уилтшир: Эйрлайф Паблишинг, 2003. ISBN   1-85310-294-6 .
• Руббра, АА . Поршневые двигатели Rolls-Royce — дизайнер вспоминает: Историческая серия № 16 : Rolls-Royce Heritage Trust, 1990. ISBN   1-87292-200-7
• Стюарт, Стэнли. Полеты на больших самолетах . Шрусбери, Англия. Эйрлайф Паблишинг Лтд., 1986. ISBN   0 906393 69 8
• Том, Тревор. Пособие воздушного пилота 4-Самолет-Техника . Шрусбери, Шропшир, Англия. Эйрлайф Паблишинг Лтд, 1988. ISBN   1-85310-017-X
• Уильямс, Нил . Высший пилотаж , Шрусбери, Англия: Эйрлайф Паблишинг Лтд., 1975 ISBN   0 9504543 03

Принцип работы ТВД

Строение двигателя является очень простым, в нем нет никаких сложных схем. В нем находиться воздушный винт с редуктором, компрессор, камера сгорания топлива, турбина и сопла (выходное устройство). С помощью компрессора происходит нагнетания и сжатие воздуха, после этого он отправляет этот воздух в камеру сгорание, куда подается топливо. Горючая смесь образуется во время смешивания сжатого воздуха и топливом.

Не использованный газ выходит в сопло, и с помощью него образуется реактивная тяга. Величина тяги может доходить до 10 процентов тяги самого мотора. Из-за незначительно тяги ТВД не является реактивным двигателем

Если обратить внимание на строение и принцип работы двигателя, то его можно сравнить с турбореактивным двигателям. Но есть одна особенность в реактивном двигателе, остатки энергии не выходят в виде воздуха через сопло, они до конца расходиться на работу винта

Атомный двигатель

В период холодной войны в мире были попытки создания атомного двигателя, за основу был взят турбореактивный двигатель. Главной задумкой ученых было создание двигателя, основанного не на химической реакции радиоактивных веществ, а на вырабатываемом тепле от ядерного реактора. Он должен был находиться на месте камеры сгорания.

В теории воздух должен был проходить через работающую зону реактора, благодаря этому реактор должен был остужаться, а температура воздуха наоборот возрастать. После чело воздух должен был расширяться и выходить через сопла (выхлоп) на этот момент скорость воздуха должна была превышать скорость полета самолета.

В Советском союзе были попытки проведения испытаний подобного двигателя, также ученные в соединенных штатах Америки, вели разработку данного двигателя, и их работа почти подходила к тестам двигателя на настоящем самолете.

Но по ряду причин разработки этого двигателя было решено закрыть. Так как у двигателя было множество недостатков, а именно:

• Пилоты были подвержены постоянному радиоактивному облучению на протяжении всего полета.
• Вместе с воздухом через сопла выходили и частички радиоактивного элемента в атмосферу.
• В том случае если самолет терпел крушение, был очень большой шанс взрыва радиоактивного реактора, что влекло за собой радиоактивное отравление на довольно большой площади.

Источник

Устройство и принцип работы турбовинтового двигателя

Строение турбовинтового двигателя довольно простое. Он состоит из воздушного винта с редуктором, компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства – сопла. Компрессор нагнетает и сжимает воздух, направляя его в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Горючая смесь, полученная при смешивании воздуха с топливом, воспламеняется, образуя газы с высокой потенциальной энергией, которые, расширяясь, поступают на лопасти турбины, вращая ее, а сама турбина вращает воздушный винт и компрессор. Энергия, не потраченная на вращение турбины, выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу, величина которой не более 10% от общей тяги мотора. Поскольку она незначительна по своей величине, ТВД не считается реактивным. Как видно, по своему строению и принципу работы турбовинтовой двигатель очень напоминает турбореактивный с той лишь разницей, что в первом случае выработанная полезная энергия идет на вращение винта, а во втором она полностью выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу.

Строение турбовинтового двигателя

Рабочий вал

Различают двухвальные и одновальные турбовинтовые двигатели. В одновальных ТВД турбина с компрессором и винт расположены на одном валу, тогда как в двухвальных между ними нет механической связи: турбина и компрессор закреплены на одном валу, а винт через редуктор – на другом. Во втором случае конструкция мотора включает в себя две турбины, связанные между собой не механически, а газодинамически: одна для компрессора, вторая для винта. Это более распространенный и эффективный вариант, который, несмотря на более сложную конструкцию, используется чаще. Такое решение позволяет использовать энергию двигателя без запуска винтов, что удобно в случаях, когда самолет находится на земле и нужно обеспечить выработку электроэнергии и подачу воздуха высокого давления.

Компрессор

Компрессор ТВД имеет ступенчатую конструкцию с числом ступеней в пределах 2-6, что позволяет воспринимать значительные перепады давления и температур при работе, регулировать и снижать обороты

Многоступенчатая конструкция также дает возможность снизить массу и размеры мотора, что немаловажно для авиационных двигателей, где на счету каждый грамм веса. Компрессор состоит из рабочех колес с лопатками и направляющего аппарата

Направляющий аппарат может быть как регулируемым (с поворачивающимися лопатками вокруг своей оси), так и не регулируемым.

Воздушный винт

Воздушный винт создает необходимую тягу, но при этом скорость его вращения ограничена. Наиболее эффективно он работает на скорости 750-1500 об/мин, после чего КПД падает, а сам винт из движителя фактически превращается в тормоз. Это явление носит название «эффект запирания» и связано оно с тем, что отдельные части лопастей винта на высоких оборотах начинают двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, что становится причиной его некорректной работы. Это же происходит, если увеличить диаметр лопастей, ведь чем они длиннее,  тем больше линейная скорость на их концах.

Турбина

Турбина же развивает скорость до 20 000 об/мин, но винт на таких оборотах просто не сможет работать, поэтому он оснащается понижающим редуктором, уменьшающим скорость вращения и повышающим момент. Редукторы по своему строению могут отличаться, но их задача – понижение скорости вращения и увеличение момента – остается неизменной. Ограничение скорости вращения винта во многом ограничивает использование ТВД особенно в военной авиации, где важна скорость, но ученые и конструкторы ведут активную работу по созданию сверхзвукового двигателя, правда, пока их старания не увенчались успехом. Для увеличения тяги на некоторых моделях устанавливаются по два винта, которые в процессе работы вращаются в противоположные стороны, приводимые в движение одним редуктором. Примером такого двигателя является Д-27, который называют турбовинтовентиляторным. Он оснащен двумя винто-вентиляторами, закрепленными через редуктор на оси свободной турбины. Пока это единственный двигатель такого рода, который используется в гражданской авиации на самолетах АН-70, но его появление и успешное использование смогут стать настоящим прорывом в сфере улучшения эксплуатационных показателей ТВД.