Хабрахабр

Авиационные газотурбинные двигатели

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

  • турбореактивные двигатели (ТРД)
  • двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
  • Турбовинтовые двигатели (ТВД)
  • Турбовальные двигатели (ТВаД)

Притом, ТРД и ТРДД могут содержать в себе форсажную камеру, в таком случае они будут ТРДФ и ТРДДФ соответственно. В этой статье мы их рассматривать не будем.

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me. Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД. 262.

image
Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

  • Входное устройство
  • Компрессор
  • Камеру сгорания
  • Турбину
  • Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление. А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.
Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие.

На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так. *здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости.

Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия). В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц.

Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой.

Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

Но все равно не очень понятно как оно работает? С основными элементами разобрались. Тогда давайте ещё раз и коротко.

В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. На этом цикл завершается. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

По такому циклу работают все ГТД. Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении.

image
Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

image
Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. ТРД может иметь и два вала. Такая схема более выгодная газодинамически.

image
Реальный двигатель такого вида в разрезе

Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. Давайте разберемся как оно работает. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.
Не очень понятная картина выходит, да?

image
Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя. В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу.

Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором. Это число может быть как больше, так и меньше единицы.

На переднем плане видно входное устройство и вентилятор image
ТРДД самолета Boeing 757-200.

Тогда двигатель получается трехвальным. На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)

image
Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели

И работает он почти как турбореактивный. Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. К ним добавляются редуктор и винт. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла.

image

Винт создаёт основную долю тяги. Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. И винт достаточно тяжелый.

Такая турбина называется свободной. image
Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.

image
Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны. Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя. Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров.

Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя. На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать.

Турбовальный двигатель

Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.
Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.

image
Схематичная конструкция турбовального двигателя

Справа видны выхлопная труба и приводной вал image
Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8.

Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Спасибо за внимание

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть