Устройство двигателя газотурбинного

Газотурбинный двигатель - это... Что такое Газотурбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.

Основные принципы работы

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.^{[источник не указан 404 дня]} Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.^{[источник не указан 404 дня]}

Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.^{[источник не указан 404 дня]}

Типы газотурбинных двигателей

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине. ^{[источник не указан 404 дня]} Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.^{[источник не указан 404 дня]}

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

Турбовинтовой двигатель

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.

Двухконтурные двигатели

Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.

Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

Судовые установки

Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

Наземные двигательные установки

Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

Газовая турбина с замкнутым циклом

В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

Газовая турбина с внешним сгоранием

Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.^{[источник не указан 404 дня]}

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Использование в наземных транспортных средствах

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Использование в танках

Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.

Конструкторы газотурбинных двигателей

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

Турбовальный двигатель | Техника и человек

Для тех, кто интересуется моторами в целом и их авиационными моделями в частности, турбовальный двигатель в первую очередь ассоциируется с вертолетами, недаром их называют «вертолетными ГТД». Именно здесь ТВаД нашли наибольшее применение и уже не один десяток лет с успехом используются. Но вертолеты – не предел их возможностей, многие другие отрасли машино- и судостроения взяли на вооружение этот тип двигателей, но обо всем по порядку.

Итак, турбовальный двигатель принадлежит славному семейству газотурбинных двигателей (ГТД) наравне с турбореактивными (ТРД) и турбовинтовыми (ТВД). ГТД представляет собой тепловую машину, в упрощенной схеме состоящую из компрессора и турбины, работающей за счет сжигания топлива в камере сгорания. Наиболее простой его разновидностью является турбореактивный двигатель, в котором энергия от сжигания топлива идет только на вращение компрессора через турбину, а излишек энергии выходит через сопло в виде газов под высоким давлением, образуя реактивную тягу. Но эта энергия может не только «вылетать в трубу», но и выполнять полезную работу, вращая воздушный винт (турбовинтовой двигатель) или вал (турбовальный двигатель). Это и является принципиальной разницей между всеми вышеотмеченными видами моторов семейства ГТД – способ использования свободной энергии.

Устройство и принцип работы двигателя

Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

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»

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом турбовального двигателя является то, что по сравнения с поршневыми двигателями он более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера. Вся суть турбовального двигателя и заключается, чтоб максимально использовать энергию сгорающего топлива, по сравнению с поршневыми двигателями это реализуется лучшим образом. Тем самым в одном килограмме двигателя можно реализовать конструкцию, более мощную своих цилиндрических сородичей, которая с каждого килограмма топлива будет забирать тепловую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Есть у турбовального двигателя и недостатки. Первый из них – сравнительно большой расход топлива и, соответственно, низкий КПД, несмотря на высокие показатели мощности. Именно этот недостаток объясняет его ограниченное применение на наземном транспорте, где его можно заменить более эффективными силовыми установками. Второй недостаток – чувствительность к загрязнениям. Компрессор, втягивая воздух в камеру сгорания, заодно всасывает и пыль, и посторонние предметы, что сказывается на качестве работы двигателя и на его исправность в целом. На высоких оборотах даже незначительные твердые частички могут повредить лопасти турбины. Поэтому ТВаД нуждается в надежной системе тщательной очистки воздуха, а расходы на нее далеко не всегда оправданы – в большинстве случаев намного проще и дешевле использовать традиционный дизель. Это еще одна причина, по которой эти двигатели в основном используются в воздухе: там и грязи меньше, и птицы летают ниже высоты полета, так что нормальной работе компрессора и турбины ничего не мешает. Зато масса ТВаД намного меньше любого поршневого двигателя, а это в авиации немаловажно.

Турбовальные двигатели – это действительно в первую очередь «сердца» вертолетов, а уж потом все остальное. Именно эти стальные «стрекозы» дают возможность оценить основные преимущества ТВаД, ну а недостатки в этом случае совсем незначительны.

zewerok.ru

Особенности конструкции газотурбинных двигателей (В. М. Корнеев)

Общие сведения о ГТД

Краткая история создания отечественных авиационных ГТД

Первые проекты воздушно-реактивных двигателей (ВРД) были разработаны в России еще во второй половине XIX века. Инженером И. И. Третеским в 1849 г. предложено использовать для передвижения аэростата силу реакции, возникающую при истечении сжатого воздуха. Несколько позже, в 1866 г., Н. М. Соковнин разработал проект компрессорного ВРД, предназначенного для дирижабля. В 1867 г. Н. Телешов изобрел двигатель «Теплородный духомет», содержащий все основные части современного ВРД.

Первый работающий турбинный двигатель создан в России в конце XIX века. В период с 1886 по 1892 гг. инженер П. Д. Кузьминский разработал, построил и провел испытания в Петербурге газопаротурбинного двигателя, в котором процесс подвода тепла к рабочему телу протекал при постоянном давлении. Двигатель П. Д. Кузьминского имел многоступенчатую радиальную турбину с концентрически расположенными сопловыми и рабочими лопатками. В 1890 г. П. Д. Кузьминский впервые предложил использовать газовую турбину в авиации.

Русским инженером В. В. Караводиным в 1906 г. запатентован «Аппарат для получения пульсирующей струи газа значительной скорости вследствие периодических взрывов горючей смеси». Во время второй мировой войны в Германии были построены пульсирующие ВРД, устанавливаемые на самолетах-снарядах (ФАУ-1) и работающие по предложенной В. В. Караводиным схеме.

В 1909 г. Н. В. Герасимов получил патент на двигатель, имеющий все основные элементы современного турбореактивного двигателя (ТРД). Схему турбовинтового двигателя (ТВД), в котором воздушный винт имел привод от газовой турбины, впервые разработал М. Н. Никольский в 1913 г. Модель этого двигателя была построена и испытана. Его предполагали использовать для самолета «Илья Муромец».

В 1949 г. создан ТРД с центробежным компрессором ВК-1 конструкции В. Я. Климова, имеющий наибольшую в мире тягу (27 кН) при минимальном удельном расходе топлива (0,104 кг/Н-ч) и удельном весе, равном 0,32. Этот двигатель был установлен на фронтовых истребителях и бомбардировщиках взамен РД-45, а в начале 50-х годов использован на скоростном почтово-грузовом гражданском самолете Ил-20. Последующий вариант этого двигателя с форсажной камерой ВК-1Ф, созданный в 1951 г., развивал тягу на форсажном режиме 33 кН и был установлен на фронтовом истребителе МИГ-17.

Первый отечественный ТРД с осевым компрессором ТР-1 конструкции А. М. Люлька прошел государственные испытания в 1947 г. Двигатель РД-9Б с форсажной камерой, созданный в 1952 г. под руководством С. К. Туманского, убедительно доказал преимущества ТРД с осевым компрессором перед ТРД с центробежным компрессором. Он обеспечил возможность создания первого в СССР серийного сверхзвукового истребителя МИГ-19 (1954 г.) с максимальной скоростью полета 1450 км/ч. Двухвальный ТРДФ с осевым компрессором Р11Ф-300 конструкции С. К. Туманского, на котором достигнута весьма высокая степень форсирования тяги, был применен на сверхзвуковых истребителях МИГ-21 (1958 г.), принятых на вооружение не только в СССР, но и в ряде других стран.

Параллельно с разработкой двигателей для сверхзвуковых истребителей советские конструкторы принимали энергичные меры по созданию новых ГТД с большой тягой и низким удельным расходом топлива для дальних бомбардировщиков и самолетов гражданской авиации. Конструкторским коллективом под руководством А. А. Микулина еще в 1946—1947 гг. создано несколько опытных двигателей большой тяги (ТКРД с тягой 37 кН, затем ТРД с тягой 47 кН), а в 1951 г. построен серийный турбореактивный двигатель АМ-3, имеющий наибольшую в мире тягу 86 кН. Двигатель АМ-3 в начале 50-х годов был установлен на дальнем бомбардировщике Ту-16, а его модифицированный вариант РД-ЗМ (максимальная стендовая тяга 95 кН) – на первом турбореактивном пассажирском самолете Ту-104, вышедшим на воздушные трассы в 1956 г. Наряду с турбореактивными двигателями в СССР созданы первоклассные ТВД для пассажирских и транспортных самолетов. Так, турбовинтовой двигатель НК-12МВ конструкции Н. Д. Кузнецова, работа по созданию которого были начаты еще в 1954 г., вплоть до настоящего времени не имеет себе равных в мире среди ТВД по мощности и экономичности (взлетная мощность более 11000 кВт, удельный расход топлива 0,28 кг/кВт-ч). Двигателями НК-12МВ вначале оборудовали пассажирский самолет Ту-114, а позднее – транспортный самолет Ан-22, «Антей», на котором в октябре 1967 г. был поднят самый большой для того времени груз (более 100 т на высоту 7848 м).

ТВД АИ-20 конструкции А. Г. Ивченко, заложенный в опытное производство с 1956 г., получил широкое применение на высокоэкономичных пассажирских самолетах Ил-18 и Ан-10, которые внесли основной вклад в обеспечение рентабельности воздушных перевозок. Двигатель АИ-20 имел наибольший для своего времени межремонтный ресурс (4000 ч, а отдельные экземпляры до 6000… 8000 ч) и высокую безотказность, достигающую уровня лучших мировых образцов ГТД данного класса. На базе двигателя АИ-20 конструкторским коллективом, руководимым А. Г. Ивченко, создан ТВД АИ-24, имеющий примерно в 1,7 раза меньшую мощность и установленный на самолет Ан-24, который до настоящего времени выполняет основной объем пассажирских перевозок на местных воздушных линиях.

Первым в нашей стране серийным ТРДД был двигатель Д-20П, созданный в 1960 г. под руководством П. А. Соловьева для пассажирского самолета Ту-124. В дальнейшем конструкторским коллективом, возглавляемым П. А. Соловьевым, построены ТРДД Д-30, Д-З0КП и Д-З0КУ, установленные на широко известные самолеты Ту-134, Ил-76 и Ил-62М.

Коллективом генерального конструктора Н. Д. Кузнецова в 60-х годах разработаны и построены оригинальные ТРДД семейства НК-8, примененные на скоростных пассажирских самолетах Ил-62 и Ту-154, а позже создан ТРДДФ НК-144 для сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144 и выпущен высоконадежный двухконтурный двигатель НК-86, работающий на первом в нашей стране аэробусе Ил-86.

Ряд совершенных ТРДД разработан в конструкторском бюро, возглавляемом В. А. Лотаревым. Одним из первых двигателей этого коллектива был ТРДД АИ-25, установленный на самолет местных авиалиний Як-40. Для пассажирского самолета Як-42 и транспортного Ан-72 под руководством В. А. Лотарева создан высокоэкономичный и легкий ТРДД с большой степенью двух-контурности Д-36, который по конструктивному совершенству и удельным параметрам находится на уровне лучших мировых образцов современных ГТД данного класса.

Двигатель Д-36 был всесторонне исследован как модель построенного позже крупного ТРДД Д-18Т с тягой 230 кН. Самый большой для своего времени самолет ан-124, «Руслан», оснащенный четырьмя двигателями Д-18Т, в августе 1985г. установил мировой рекорд грузоподъемности, подняв груз массой более 171 т на высоту 10750 м. Груз, поднятый «Русланом», более чем на 60 т превышает предыдущий рекорд мира, установленный в декабре 1984 г. военно-транспортным самолетом США С-5А «Гэлакси». Всего на самолете Ан-124 зарегистрировано (за 1985 г.) 21 мировое достижение в полете.

Этапы развития, области применения и параметры ГТД

До конца второй мировой войны монопольное положение как в военной, так и в гражданской авиации занимали силовые установки с поршневыми двигателями, используемыми в качестве генераторов мощности, и воздушными винтами, выполняющими роль движителей. В период интенсивного развития поршневых двигателей (примерно 1910—1945 гг.)

В первом поколении ГТД преобладающим типом был турбореактивный двигатель, который совместил в себе функции генератора мощности и движителя, отрицая воздушный винт как движитель, имеющий ограниченные скоростные возможности Скорости истечения газа из сопла ТРД в несколько раз превышают скорости воздушных масс, отбрасываемых винтом.

В процессе эволюционного развития, протекающего, в основном, по пути увеличения температуры газа перед турбиной и степени повышения давления воздуха в компрессоре, появились труднопреодолимые недостатки турбореактивных двигателей сильно ограничившие их применение на самолетах гражданской авиации. Они обусловлены, в частности, тем, что процессы сжатия и расширения рабочего тела в лопаточных машинах происходят с большими потерями, чем в цилиндрах поршневого двигателя, из-за перетеканий воздуха и газа в зазорах между ротором и статором, повышенных потерь на трение в высокоскоростном потоке и т. п. Трудности охлаждения элементов горячей части ГТД (в основном деталей ротора турбины) намного снижают допустимую температуру газа по сравнению с достигнутой в поршневых двигателях. Все это делает рабочий процесс ТРД не столь совершенным, а КПД, соответственно, меньшим. По принципу создания тяги ТВД отрицает ТРД, в результате чего происходит возврат к исходной схеме силовой установки «двигатель – воздушный винт», но на значительно более высоком уровне развития, так как турбовинтовой двигатель не имеет таких жестких весовых ограничений по мощности, как поршневой [1].

Турбовинтовые двигатели обеспечили возможность существенного (по сравнению с поршневыми) увеличения скорости и грузоподъемности самолетов за счет избытка располагаемой мощности при малой массе конструкции и позволили достичь большой дальности полета благодаря высокой топливной экономичности, характерной для силовых установок с воздушным винтом.

Разработанные ТВД послужили основой для создания вертолетных ГТД, выполняемых, как правило, без встроенного редуктора и с расположенной на отдельном валу свободной (силовой) турбиной, используемой для привода несущего винта через выносной редуктор. Такие ГТД получили название турбовальных двигателей со свободной турбиной (ТВлД). Замена ими поршневых двигателей позволила существенно повысить мощность вертолетных силовых установок при незначительном увеличении их массы и увеличить за счет этого грузоподъемность вертолетов.

По мере накопления опыта проектирования ГТД появилась возможность создания газогенераторов, надежно работающих при Т_г=1500… 1650 К, и степени сжатия воздуха 20…30, и высоконагруженных одноступенчатых вентиляторов со сверхзвуковым обтеканием лопаток со степенью сжатия равной 1,4…1,6, что позволило повысить степень двухконтурности ДТРД до 6…8 и снизить за счет этого удельный расход топлива до 0,032…0,038 кг/ч на взлетном режиме при одновременном уменьшении удельного веса.

Столь существенное улучшение параметров достигнуто благодаря широкому применению двух- и трехвальных схем, повышению КПД узлов конструктивными мероприятиями, использованию конвективно-пленочного охлаждения лопаток турбин, дальнейшему совершенствованию материалов и технологических процессов и т. п.

Дальнейшее развитие ГТД для самолетов гражданской авиации протекает, в основном, по пути улучшения их топливной экономичности. Резервы для этого есть, в частности потому, что существующие ДТРД с большой степенью двухконтурности еще не достигли уровня ТВД по удельному расходу топлива. Радикальным средством уменьшения удельного расхода топлива ДТРД является дальнейшее увеличение степени двухконтурности, которое, однако, в рамках их схемы может привести к значительному возрастанию удельного веса, что недопустимо. Поэтому в настоящее время созданы и проходят опытную доводку ГТД качественно нового типа – винтовентиляторные двигатели (ТВВД), в которых движителем является винтовентилятор (ВВ), представляющий собой малогабаритный высоконагруженный многолопастной воздушный винт изменяемого шага. Диаметр ВВ примерно на 40% меньше диаметра обычного винта, поэтому он может допустить большую скорость полета (до 850 км/ч) при сохранении КПД на приемлемом уровне.

Удельный расход топлива винтовентиляторных двигателей должен быть ниже, чем у ТВД классической схемы, так как их газогенераторы имеют (в соответствии с достигнутым уровнем развития) значительно более высокие параметры рабочего цикла и эффективный КПД. За счет прироста скорости полета ТВВД могут обеспечить для самолетов уменьшение расхода топлива на единицу транспортной работы примерно на одну треть по сравнению с лучшими ТВД.

Возникшее противоречие между необходимостью повышения температуры газа и ограниченными прочностными возможностями турбины было разрешено созданием на основе ТРД нового типа газотурбинного двигателя (ТРДФ) с подогревом газа путем сжигания дополнительного количества топлива в специальной камере сгорания (форсажной камере), расположенной между турбиной и реактивным соплом.

При больших дозвуковых и околозвуковых скоростях целесообразно применять ДТРД. Высокотемпературные ТРД могут обеспечить малые сверхзвуковые скорости (до Мн=2,0) при высотах полета около 20 км. Полеты при скоростях, соответствующих Мн= 2,0…3,5, на высотах до 30 км освоены с помощью ТРДФ и ДТРДФ. Дальнейший переход к большим сверхзвуковым и гиперзвуковым скоростям (Мн=6…8) возможен с применением турбопрямоточных и других комбинированных двигателей.

Перспективы развития ГТД

Определяющими факторами перспективного развития транспортной авиации, по мнению специалистов, будут социально-психологический и экономический факторы.

Социально-психологический фактор объединяет такие требования, как гарантия безопасности полетов, сокращение времени передвижения, комфорт, минимальное воздействие на окружающую среду и др.

Экономический фактор содержит в себе стремление к снижению себестоимости перевозок, росту эффективности использования воздушных судов, уменьшению эксплуатационных затрат и т п. Роль двигателей здесь весьма велика, так как, например, доля расходов на эксплуатацию современных широкофюзеляжных самолетов, связанная с двигателями, составляет 40—50%. Особенно велико значение двигателей для проблемы повышения эффективности использования топлива, на которую наибольшее влияние оказывает удельный расход топлива на крейсерском режиме полета. Уменьшение крейсерского удельного расхода топлива приводит не только к непосредственному уменьшению потребного на полет запаса топлива, но и к его дополнительному снижению за счет применения для облегченного самолета двигателей меньшей тяги.

Конструктивные и силовые схемы ГТД

Конструктивные схемы авиадвигателей

Конструктивная схема дает возможность получить общее представление о компоновке и силовой схеме двигателя, т. е. о взаимном расположении и связях его узлов, а также выявить наиболее характерные особенности конструкции основных элементов двигателя.

Конструктивные схемы современных двигателей чрезвычайно разнообразны и определяются, с одной стороны, типом ГТД, а с другой – его целевым назначением. Наиболее распространена так называемая последовательная схема расположения основных узлов: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного устройства. При такой компоновке движение потока в проточной части ГТД совершается с наименьшими потерями, практически все узлы двигателя имеют осесимметричную структуру, упрощающую технологию их изготовления. Двигатель при этом ориентирован в осевом направлении, что облегчает его размещение на воздушном судне с минимальным лобовым сопротивлением. Последнее обстоятельство имеет определяющее значение прежде всего для маршевых ГТД: ТРД, ДТРД, ТВД.

Характерными типами ГТД являются турбореактивные одноконтурные, турбовальные (в том числе турбовинтовые) и турбореактивные двухконтурные двигатели. Последние занимают промежуточное положение между двумя первыми типами и являются наиболее распространенными в гражданской авиации. Кроме того, на воздушных судах широкое применение нашли ВСУ, представляющие собой малогабаритные ГТД различного назначения.

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД)

ДТРД – наиболее распространенный тип ГТД в гражданской авиации. Конструктивные схемы ДТРД весьма разнообразны, но широкое применение нашли лишь некоторые из них.

Как и в случае ТРД, конструктивная схема определена прежде всего числом роторов. Двигатели со средней степенью двухконтурности (2…3), как правило, выполняют двухвальными. Ротор ВД – двух- или трехопорный, ротор НД – трех- или четырехопорный, причем по меньшей мере одна из опор выполняется межвальной. Между КНД и КВД располагается переходный корпус компрессора, служащий для размещения элементов опор, агрегатов и приводов к ним. КНД является обычно общим для обоих контуров: КВД располагается во внутреннем контуре. В ряде случаев для оптимизации параметров ДТРД часть ступеней КНД размещается во внутреннем контуре. Наружный контур концентричен внутреннему и расположен вокруг КВД, камеры сгорания и турбины. В зависимости от вида выходного устройства возможны две основные схемы ДТРД: с раздельным выходом потоков и со смешением потоков. Камера смещения несколько улучшает удельные параметры двигателя, позволяет упростить компоновку реверсивных устройств. По этой причине для ДТРД рассматриваемого класса характерно использование смесительных устройств. Реактивное сопло у подобных ДТРД нерегулируемое.

В двигателях с большой степенью двухконтурности (5…8 и более) применяются как двух-, так и трехвальные схемы. Первые обладают более простой конструкцией, но требуют мощной механизации компрессора для обеспечения необходимой газодинамической устойчивости. Трехвальная схема более сложна, но такие ДТРД обладают лучшими эксплуатационными характеристиками. Применение двухопорных роторов для всех каскадов упрощает компоновку двигателя. ГТД подобного типа имеют, как правило, укороченный наружный контур, т. е. относятся к ДТРД с раздельным выходом потоков. Это связано с тем, что преимущества схемы с нерегулируемым смешением потоков не всегда оправдываются усложнением конструкции и увеличением массы ГТД. Раздельный выход потоков дает также возможность создать «холодное» реверсивное устройство в наружном контуре.

Турбовальные двигатели и вспомогательные силовые установки

Турбовальные двигатели представляют собой ГТД, в которых преобладающая доля энергии сгорания топлива преобразуется в работу на выходном валу, используемую в вертолетных ГТД для привода несущих, а в турбовинтовых двигателях-тянущих воздушных винтов. Таким образом, кроме элементов, характерных для всех типов ГТД, Турбовальные двигатели включают редуктор и воздушный винт. Расположение последних относительно турбокомпрессора и определяет особенности конструктивных схем этих типов двигателей. Простейшую конструкцию имеет одновальный ТВД с одним воздушным винтом. Его конструктивная схема отличается от схемы ТРД увеличенным числом ступеней турбины и более простым выходным устройством, так как оно служит в ТВД лишь для отвода газов в атмосферу без существенного преобразования энергии.

Передача мощности от турбины к винту осуществляется через редуктор. Наиболее распространена схема встроенного редуктора. Он располагается обычно в передней части двигателя и составляет с ним единое целое в силовом отношении. Двигатель имеет в этом случае специальный узел – лобовой картер, в котором располагаются каналы входного устройства (одновременно он используется для размещения агрегатов и приводов к ним). Редуктор крепится к передней части лобового картера. В качестве редукторов применяются в основном планетарные механизмы с двухвенечными сателлитами или замкнутые планетарные передачи. Реже используются двухступенчатые простые редукторы.

Так же разнообразны и конструктивные схемы ВСУ. Во-первых, они определены их целевым назначением. ВСУ используется в качестве турбокомпрессорного стартера, генератора сжатого воздуха или турбогенераторной установки. В последнее время (особенно при большом числе двигателей) на самолетах используются многоцелевые ВСУ, обеспечивающие не только запуск основных двигателей, но и кондиционирование пассажирских кабин на стоянке, питание электросистем воздушного судна как на земле, так и в полете, а иногда и некоторые другие функции.

ГТД имеет центробежный компрессор, центростремительную газовую турбину и противоточную камеру сгорания. Выходное устройство выполняет роль простейшего теплообменника. Роторы турбины и компрессора соединены валом-рессорой и расположены в жестком кольцевом корпусе, образующем силовой каркас ГТД. В ВСУ предусмотрены отбор сжатого воздуха из полости между компрессором и камерой сгорания (для запуска маршевых ГТД и кондиционирования) и отбор мощности на генератор, обеспечивающий питание электросистемы самолета.

Силовые схемы ГТД

Силовые схемы роторов

В современных ГТД, как показано при анализе конструктивных схем, имеется от одного до трех механически не связанных между собой роторов. Роторы турбокомпрессоров состоят из рабочих колес компрессора и турбины, соединенных валом; роторы свободных турбин включают систему валов, соединяющих турбины с ходовой частью редуктора. В зависимости от компоновки ГТД применяются схемы с коаксиальными валами или раздельным расположением соединительных валов.

В зависимости от числа опор различают двух-, трех- и четырехопорные роторы

Роторы турбины и компрессора соединяются в двухоперной схеме жестко.

Схема трехопорных роторов получила более широкое распространение В этом случае ротор компрессора установлен на два, а ротор турбины – на один подшипник (вторым своим концом он опирается на ротор компрессора) Соединение роторов турбины и компрессора осуществляется соединительной муфтой, обеспечивающей передачу крутящего момента, а также осевой и радиальной сил в условиях несоосности роторов.

Силовые схемы статоров

Силовая схема статора (корпуса) представляет собой систему связанных неподвижных узлов, которая воспринимает нагрузки, действующие в двигателе, и передает их равнодействующие через узлы подвески на воздушное судно. Силовой корпус двигателя состоит из нескольких опор (на которые передаются нагрузки от подшипников роторов), соединенных между собой корпусами компрессоров, камеры сгорания, турбины и наружного контура (в ДТРД). К нему присоединяются элементы входного и выходного устройств (если они не выполнены в виде отдельных узлов со своими элементами крепления к воздушному судну), а также коробки приводов и агрегаты.

Статор двигателя должен обладать необходимой прочностью и жесткостью при минимальных габаритах и массе.

Классификацию силовых схем статоров можно провести в зависимости от способов силовой связи между турбиной и компрессором.

Схема с внутренней силовой связью характеризуется тем, что соединение статоров турбины и компрессора осуществляется с помощью внутренней стенки корпуса камеры сгорания.

Схема с внешней силовой связью отличается тем, что соединение статоров компрессора и турбины осуществляется наружным корпусом камеры сгорания. Последний, благодаря большему диаметру, оказывается достаточно жестким при сравнительно малой массе и более простой конструкции.

Подвеска двигателя к воздушному судну

Подвеска двигателя осуществляется с помощью специальных узлов, монтируемых на корпусе двигателя, и подмоторных рам, относящихся к конструкции воздушного судна. Узлы крепления двигателя нагружаются силой тяги, силами инерции и другими свободными силами и моментами. В ТВД к ним относятся прежде всего моменты, обусловленные реакцией воздушного винта.

Двигатель крепится к воздушному судну, как правило, в двух плоскостях. Плоскость, в которой осуществляется передача силы тяги, носит название основной. Вторая плоскость подвески соответственно называется дополнительной или вспомогательной. В обеих плоскостях крепления необходимо обеспечить свободные температурные расширения корпуса ГТД в радиальном направлении, а во вспомогательной плоскости – дополнительно и в осевом направлении.

Основная плоскость подвески обычно располагается возможно ближе к центру масс двигателя, дополнительная – как можно дальше от первой.

Компоновки осевых компрессоров

Компрессор, являясь одним из основных узлов ГТД, во многом определяет конструктивное совершенство двигателя в целом, его экономичность и надежность.

Как известно из теории авиационных двигателей, по направлению движения воздуха в проточной части компрессоры делятся на центробежные, осевые и диагональные. Применяют также кoмбиниpoванныe схемы компрессоров, например, осецентробежные, диагонально-осевые и др.

Конструктивные компоновки компрессоров зависят от типа ГТД, потребной степени повышения давления, степени двухконтурности и других параметров. Они характеризуются числом роторов и ступеней, формой проточной части, числом и расположением опор, конструктивными типами роторов и статоров.

Для ТРД и ТВД малых тяг и мощностей, имеющих низкие параметры рабочего процесса (степень сжатия = 6…8, Т*_г=1150…1250 К), применяют однокаскадные компрессоры, в которых число ступеней не превышает 8…10. Роторы таких компрессоров обычно выполняют по двухопорной схеме. Проточную часть используют с постоянным наружным диаметром, при котором корпус имеет простую в изготовлении цилиндрическую форму, а последние ступени, благодаря возрастанию среднего диаметра, обладают достаточно высокой напорностью.

В ГТД с умеренными параметрами (степенью сжатия = 10…15, Т*_г =1250…1350 К) и относительно высокими параметрами (степенью сжатия = 15…25, Т*_г =1450… 1550 К.) параметрами рабочего процесса применяют двухкаскадные компрессоры с независимыми приводами от отдельных турбин, обладающие повышёнными по сравнению с однокаскадными схемами запасами газодинамической устойчивости. В указанных типах ГТД КНД имеют от четырех до шести ступеней, а число ступеней КВД достигает 6…8 и более.

Трехкаскадные компрессоры используют в ТРДД с большой степенью двухконтурности (m = 4…8) при степени сжатия = 20…30 и выше. Вентиляторы таких ДТРД обычно выполняют одноступенчатыми сверхзвуковыми со степенью повышения давления = 1,4…1,6 (до 1,8).

Роторы осевых компрессоров

Ротор – это вращающаяся часть компрессора. Он включает в себя следующие элементы: рабочие лопатки; диски (или барабан), на которых закреплены рабочие лопатки; вал или цапфы, с помощью которых ротор опирается через подшипники на силовой корпус двигателя; элементы крепления дисков между собой и дисков с валом или цапфами.

В настоящее время различают три конструктивных типа роторов: барабанные, дисковые и смешанные (барабанно-дисковые).

Дисковый ротор состоит из отдельных облопаченных дисков, соединенных своими ступицами с общим валом, который служит для передачи крутящего момента на диски и размещения подшипников опор. Каждый диск имеет наружный обод для крепления лопаток, центральную утолщенную часть – ступицу для соединения с валом и среднюю тонкую часть – полотно.

Рабочие лопатки являются главными элементами ротора компрессора. В межлопаточных каналах рабочих колес происходит преобразование работы вращения ротора в кинетическую энергию движения воздуха и одновременно в потенциальную энергию его давления. Все остальные элементы конструкции ротора служат только для передачи механической энергии к рабочим лопаткам с целью сообщения им окружного перемещения в проточной части с заданной скоростью.

В простейшем случае рабочая лопатка состоит из профилированной части-пера и хвостовика, предназначенного для крепления лопатки в диске или барабане. Во многих случаях лопатки имеют также полки хвостовиков, используемые для формирования внутренней поверхности проточной части рабочего колеса.

Для повышения КПД ступени перо лопатки тщательно профилируют в процессе проектирования и изготовления. Линейные и угловые размеры выдерживают с большой степенью точности.

Поверхность пера обрабатывают до высокой чистоты с целью уменьшения гидравлических потерь и повышения усталостной прочности лопатки. Переходы от пера к. хвостовику или его полке выполняют с плавными округлениями для снижения концентрации напряжении.

Крепление рабочих лопаток наиболее часто осуществляют с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост», устанавливаемых в продольные трапециевидные пазы ободов дисков.

Массивные лопатки вентиляторов ДТРД иногда крепят в продольных пазах ободов дисков с помощью хвостовиков елочного типа. Такое крепление обладает повышенной, по сравнению с другими типами креплений, несущей способностью и позволяет разместить на ободе большее число лопаток.

Для повышения жесткости длинных лопаток вентиляторов ДТРД и демпфирования их колебаний на профильной части лопаток выполняют антивибрационные полки, между которыми в рабочем колесе осуществляют плотный контакт. Демпфирование колебаний обеспечивается силами трения, возникающими в зонах контакта полок.

Статоры осевых компрессоров

Статор – это неподвижная часть компрессора. В его состав входят следующие основные элементы: направляющие аппараты; корпус компрессора, состоящий из корпусов направляющих аппаратов и корпусов опор; входные направляющие и спрямляющие аппараты; различные оболочковые конструкции, например кок двигателя, оболочки наружного контура и проч.

Направляющие аппараты (НА) устанавливают за рабочими колесами для частичной раскрутки потока воздуха и дальнейшего повышения его давления в диффузорных межлопаточных каналах за счет снижения скорости потока в абсолютном движении.

Входные направляющие аппараты (ВНА) устанавливают перед рабочими колесами первых ступеней для предварительной закрутки воздуха обычно по направлению вращения ротора с целью снижения относительной скорости потока в рабочем колесе. Межлопаточные каналы ВНА профилируют конфузорными. В них происходит увеличение абсолютной скорости потока и его кинетической энергии

Лопатки ВНА часто выполняют с обогреваемыми входными кромками, во внутренние полости которых подводят горячий воздух от последних ступеней компрессора для предотвращения обледенения кромок. Применяют также для этой цели пустотелые лопатки со вставными дефлекторами, обеспечивающими эффективный подогрев лопаток при небольших расходах воздуха.

Спрямляющие аппараты (СпА) устанавливают в некоторых компрессорах за направляющими аппаратами последних ступеней с целью полной раскрутки воздушного потока.

В корпусе любой опоры компрессора (равно как и турбины) можно выделить три характерных группы элементов: внутреннее кольцо, в котором размещен узел подшипника; наружное кольцо, необходимое для соединения корпуса опоры с другими частями силового корпуса двигателя; радиальные силовые элементы, соединяющие между собой вышеназванные кольца, в результате чего образуется жесткая осесимметричная кольцевая рама.

Существенное влияние на КПД компрессора оказывает величина радиального зазора между концевыми профилями рабочих лопаток и элементами корпуса НА, через который происходит непроизводительное перетекание воздуха со стороны выхода из рабочего колеса на его вход под действием разности давлений. Увеличение относительного радиального зазора (отношения зазора к высоте лопаток) во всех ступенях на 1% приводит к уменьшению КПД компрессора на 3%, что сопровождается возрастанием удельного расхода топлива до 10%. Поэтому величину радиального зазора необходимо уменьшать до предельно возможного значения

В процессе работы двигателя величина относительного радиального зазора изменяется в широких пределах под действием эксплуатационных нагрузок и температур, вызывающих возникновение силовых и термических деформаций статора и ротора. Так, например, при запуске и любых переходах двигателя на повышенные режимы менее массивный корпус компрессора нагревается до более высоких температур, чем ротор, поэтому радиальные температурные деформации статора, суммируясь с деформациями от избыточного внутреннего давления воздуха, приводят к существенному увеличению радиального зазора. На крейсерских режимах этот зазор также больше, чем на неработающем двигателе. При выключении двигателя (особенно в условиях низких температур атмосферного воздуха на земле или в полете) корпус охлаждается значительно быстрее ротора, что сопровождается резким уменьшением температуры газов (возможно до нуля и ниже), которое может вызвать заклинивание ротора в статоре, разрушение рабочих лопаток и т. п.

Для предотвращения разрушения рабочих лопаток в случае их касания о корпус на внутреннюю поверхность элементов корпуса НА наносят мягкое покрытие толщиной 1…3 мм, которое называют уплотнительным слоем. При уменьшении зазора до нуля и ниже рабочие лопатки легко срезают часть этого слоя, не получая повреждений.

В состав уплотнительного слоя входят следующие материалы: графит, тальк, асбест, алюминиевый порошок и другие компоненты. Из указанных материалов и специальных лаков изготавливают пасту, которая по составу должна быть различной для первых и последних ступеней в связи с различными температурными условиями. Пасту наносят на специально подготовленную шероховатую поверхность в кольцевые расточки корпуса НА или на рабочие кольца, затем высушивают в электропечи и растачивают на заданные диаметры для всех ступеней одновременно при полностью собранном корпусе НА.

В последних ступенях высоконапорных компрессоров, где температура воздуха может достигать 650…700 °С, вместо мягких покрытий на основе вышеуказанных материалов применяют термостойкие металлокерамические или сотовые вставки, используемые в газовых турбинах.

Для уменьшения перетеканий воздуха под действием разности давлений со стороны выхода из направляющего аппарата в сторону входа через радиальный зазор между НА и ротором компрессора обычно применяют межступенчатые лабиринтные уплотнения.

Для создания межступенчатого лабиринтного уплотнения на элементах ротора между рабочими колесами выполняют заостренные выступы (лабиринтные гребни), относительно которых с небольшим зазором устанавливают внутреннее бандажное кольцо НА с нанесенным на его внутреннюю поверхность уплотнительным слоем.

Для защиты входа в компрессор от посторонних предметов (камней, града, птиц, пыли и т. д.) изучены возможности применения защитных сеток или решеток, устройств струйного и инерционного типов. Несмотря на большую важность данной проблемы отмеченные защитные устройства не получили широкого практического применения, главным образом из-за существенного их отрицательного влияния на топливную экономичность двигателей, обусловленного большими потерями на преодоление гидравлических сопротивлений входа. Защитные устройства применяют, в основном, для вертолетных ГТД, которые работают в условиях запыленной воздушной среды, что приводит к интенсивному эрозионному износу лопаток компрессора. Используют при этом пылезащитные устройства (ПЗУ) инерционного типа с криволинейными входными каналами, сформированными таким образом, что при повороте потока центробежные силы перемещают частицы пыли в пылесборники.

Конец ознакомительного фрагмента.

kartaslov.ru

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель успешно применяется в танках и авиации. К сожалению, ряд конструктивных ограничений не позволяет использовать эту прогрессивную конструкцию в качестве силовой установки для легкового автомобиля.

Преимущество двигателей этого типа в том, что у них самая большая удельная мощность среди существующих силовых установок, относящихся к двигателям внутреннего сгорания, до 6 кВт/кг. Кроме того, газотурбинный двигатель может работать на различных видах жидкого топлива, а не только на бензине или дизеле.

История создания газотурбинного двигателя

Первая газовая турбина была разработана в 1519 году. Она существенно отличалась от современных устройств и применялась в "сфере малой механизации". Турбина вращала вертел, предназначенного для жарки мяса. Использовалась газовая турбина и для приведения в движение повозки изобретателя Джона Барбера.

Один из первых газотурбинных двигателей для танков разработала компания BMW в 1944 году. Он был опробован на самоходной установке "Пантера"

В 1950 году компанией «Rover» был разработан газотурбинный двигатель, предназначенный для автомобилей. В результате появилась экспериментальная модель гоночного автомобиля «JET1».  Двигатель машины был расположен позади сидений, по бокам монтировались воздухозаборники, а на верхней задней части находились отверстия для выхода выхлопных газов. Скорость вращения турбины достигала 50 тысяч оборотов за 1 минуту. В качестве топлива использовался бензин, парафиновое масло и дизельное топливо. Максимальная скорость, с которой могла двигаться машина, составляла 140 км/ч. Из-за значительного расхода топлива автомобили с газотурбинным двигателем не пользовались особым спросом.

Единственный случай применения газотурбинного двигателя в конструкции мотоцикла - MTT Y2K Turbine Superbike с ДВС Rolls-Royce-Allison Model 250

Модернизировав устройство и сконструировав модель «BRM», копания «Rover» приняла участие в гоночных соревнованиях 1963 года и установила рекорд: машина разгонялась до скорости 229 км/ч. Позже в аналогичных соревнованиях участвовали и другие автомобильные производители. Например, компания «Howmet» выпустила модель «TX», которая работала на газотурбинном двигателе и неоднократно становилась гоночным фаворитом.

Единственная в истории модель серийного автомобиля с газотурбинным двигателем, предназначенного для передвижения по дорогам общего пользования, была выпущена американским концерном Chrysler в 1963 году. Пятьдесят экземпляров автоьмобля под названием Chrysler Turbine были вручную собраны специалистами итальянского кузовного ателье Ghia. В продажу автомобили не поступали, а были розданы добровольцам, на два года для тестирования. Эксперимент прошёл удачно, но для запуска нового производства требовалась постройка завода по выпуску двигателей нового типа, и концерн Chrysler не рискнул инвестировать большие деньги. В семидесятые годы, когда в США существенно ужесточились экологические нормы, и, вдобавок, начался топливный кризис, взвинтивший цены на нефть компания отказалась от продолжения разработок.

Устройство и принцип действия газотурбинного двигателя

Попадая в компрессор, воздух подвергается сжатию и нагреванию. Далее он поступает в камеру сгорания, куда также подается и часть топлива. Из-за высокой скорости воздух и топливо воспламеняются при столкновении. Во время сгорания смеси выделяется энергия, которая преобразуется в механическую работу за счет вращения. Часть данной энергии используется для сжатия воздуха в компрессоре. Другая часть поступает в электрический генератор. После этого отработавшие газы отправляются в утилизатор.

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Газотурбинные двигатели во многом превосходят поршневые моторы. Благодаря способности развивать большие обороты устройство отличается высокой мощностью, но при этом имеет компактные размеры. В качестве топлива используют керосин или дизельное топливо. Масса газотурбинного двигателя в 10 раз меньше массы аналогичного по мощности двигателя внутреннего сгорания. Ввиду отсутствия трущихся деталей газовая турбина не требует наличия разветвленной системы охлаждения.

Инженеры Chrysler, создавшие единственный мелкосерийный автомобиль с газотурбинным двигателем, опытным путем выяснили, что лучшее топливо для ГТД - обычный керосин

Основным недостатком становится повышенный расход топлива, вызванный необходимостью искусственного ограничения температуры газов. Это ограничение связано с тем, что в случае с автомобилем двигатель устанавливается внутри кузова, а не под крылом, как, у самолета, например. Соответственно,  температура двигателя не должна превышать 700 градусов. Металлы, устойчивые к таким температурам, имеют очень высокую стоимость. Эта проблема часто вызывает интерес у ученых, и в скором будущем должны появиться газотурбинные двигатели, обладающие хорошими показателями экономичности. Очевидно, это произойдет только в том случае, если будет решена проблема отвода большого количества тепла, что позволит ставить на автомобили "незадушенные" двигатели, в конструкции которых проблема экономичности решена. Среди недостатков также следует отметить высокие требования к качеству атмосферного воздуха и отсутствие возможности торможения двигателем.

Двухвальный газотурбинный двигатель, оснащенный теплообменником

Этот тип двигателей встречается наиболее часто. По сравнению с  одновальными аналогами, данные устройства соответствуют более высоким требованиям к динамике автомобилей. Двухвальные агрегаты предполагают наличие специальной (для привода компрессора) и тяговой (для привода колес) турбин, валы которых не соединены. Такие двигатели позволяют улучшить динамические свойства машины и дают возможность сократить количество ступеней в коробке передач.

После отказа от массового производства автомобилей с газотурбинными двигателями компания Chrysler уничтожила большую часть тестовых экземпляров, чтобы "турбины не попали на авторазборки"

В отличие от поршневых моторов, двухвальные газотурбинные установки предполагают автоматическое возрастание крутящего момента при увеличении нагрузки.  Благодаря этому переключение коробки передач требуется значительно позже или вообще не требуется. При равной мощности автомобили с двухвальным газотурбинным двигателем разгоняются быстрее, чем машины с поршневыми моторами. Недостатками данного вида является сложность изготовления, увеличение размеров и веса вследствие наличия дополнительных деталей: теплообменника, газо- и воздухопроводов.

Газотурбинный двигатель со свободно-поршневым газовым генератором

На данный момент газотурбинные двигатели этой конструкции - самые перспективные для строительства автомобилей. Устройство представляет собой блок, объединяющий поршневой компрессор и двухтактный дизель. В средней части находится цилиндр с прямоточной продувкой, внутри которого располагается два связанных между собой специальным механизмом поршня. При схождении поршней происходит сжимание воздуха, и топливо воспламеняется. Сгоревшее топливо способствует образованию газов, которые при высокой температуре и давлении провоцируют расхождение поршней в стороны. Далее через выхлопные окна газы попадают в газосборник. Благодаря наличию продувочных окон в цилиндр проникает сжатый воздух, который способствует очищению от выхлопных газов и подготавливает двигатель к следующему циклу. После этого процесс повторяется.

blamper.ru

Газотурбинный двигатель - что это? Как устроен и принципе работы

Газотурбинный двигатель является разновидностью теплового двигателя, в основе его работы которого не очень простой принцип. А именно, в двигателе газ сначала сжимается, потом нагревается, и после этого, энергия этого газа и «превращается» в механическую работу. Как стало ясно, с первых слов описания такого типа двигателя, все рабочие процессы в потоке движущегося газа происходят, благодаря чему от принципа работы поршневых типов двигателей отличается кардинально.

А если говорить простым языком, то, как же работает газотурбинный двигатель? Итак, если более подробно рассматривать процесс работы газотурбинника, то следует выделить несколько шагов, которые описывают в соединении в механическую работу сложный процесс преобразования энергии сжатого газа. И что это за этапы?

*  Итак, подача воздуха, а в дальнейшем и топливно-воздушной смеси. В сжатом виде атмосферный воздух из компрессора попадает в камеру сгорания. Куда и поступает топливо, в итоге получаем топливную смесь, которой выделяется очень много энергии во время процесса сгорания.

*  Далее идёт преобразование. Оно начинается после того, как и топливно-воздушная смесь преобразуется в энергию в процессе сгорания, и необходимо, чтобы ее преобразовать в механической действие, работу. Происходит это благодаря вращению специально предназначенных «лопаток» с помощью струй газа, которые и получаются под большим давлением после горения смеси.

*  Разделяется работа. А именно, следующим образом - часть полученной механической работы, которую получаем от энергии топливной смеси, идёт в компрессоре на сжатие воздуха для последующей подачи, а остальная часть энергии передается на приводимое устройство силового агрегата.

Как раз та работа, которую и получает приводимый агрегат и есть полезная работа! Кстати, газотурбинный мотор считается по праву двигателем, который обладает наибольшей удельной мощностью, среди остальных типов ДВС. В качестве топлива к газотурбинному двигателю можно выступить почти любое горючее: керосин, дизельное топливо, бензин, природный газ, мазут, водяной газ, спирт, судовое топливо, и даже мелкий уголь!

Принцип работы газотурбинного двигателя

Чтобы получить высокое КПД в тепловом двигателе, нужно добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, однако не всегда можно достичь это. Препятствия кроются не в способностях материалов, из которых выполнен двигатель (это может быть никель, магний, сталь, сплавы, керамика и прочие) которые сами по себе выдерживают большие температуры и давление. Инженеры очень большое количество трудов направили на то, чтобы удачно отводить тепло от турбины и применять его там, где необходимо это. Можно смело сказать, что работа их была проведена не зря, ибо в настоящее время, благодаря этим инновационным разработкам, удалось эту цель достичь путем перенаправления выхлопных газов, а точнее их тепла, сжатому воздуху. Этот процесс называется рекуперированием. Это оказался очень успешным подходом, ведь в иначе, тепло выхлопных газов мог бы быть просто утеряно, а таким способом, оно в состоянии выступать в роли источника нагрева сжатого воздуха, перед тем как начнётся процесс дальнейшего сгорания. В итоге, можем смело утверждать, что без данного процесса и специально предусмотренных теплообменников, или рекуператоров, не удалось бы добиться столь высокого значения КПД.

Максимальное давление определяется максимальной скорость вращения лопаток турбинных, которое необходимо достигнуть для того, чтобы получить наивысшее значение мощности мотора. Как правило, при этом, чем меньше размеры и вес двигателя, частота вращения его вала должна быть тем выше, для того, чтобы поддерживать максимальную скорость турбинных лопаток. Это в силу их малой инерционности – чем меньше ГТД, то есть газотурбинный двигатель, тем больше вращение вала – чтобы компенсировать меньшие размеры и вес.

Об устройстве ГТД

Что насчёт его устройства, то здесь все не так и сложно, как себе можно представить. Газотурбинники состоят из камеры сгорания, где также расположены форсунка и свечи зажигания, для подачи топлива и в камере сгорания получения искры. Турбинное колесо обладает специальными лопатками, и установлено с компрессором на одном валу. Конструкция устройства такого мотора также состоит из: понижающего редуктора, теплообменника, выпускного трубопровода, впускного канала, а также диффузора и сопла.

Когда вращается вал компрессора, то его лопастями захватывается воздух, который и поступает во впускной канал. Как компрессором увеличивается скорость движения воздуха до скорости 500 метров в секунду, он его нагнетает в диффузор. Хотя и скорость воздуха на выходе диффузора уменьшается, однако заодно и  повышается его давление. Воздух после диффузора поступает в теплообменник, там он нагревается под воздействием тепла отработанных газов и попадает в камеру сгорания. Кроме воздуха, который уже подогрет и сжат, в камеру сгорания непрерывно подается топливо, предварительно распыляясь, с помощью форсунок. Топливо там смешивается с воздухом, там образуется топливная смесь, далее идёт процесс воспламенения этой смеси, с помощью искры, которая производится свечами. В результате этого сгорания, повышается в камере давление, через сопло нагретые газы проходят и направляются в сторону лопаток турбинного колёса, которое и начинает своё движение. Через понижающий редуктор крутящий момент от турбинного колеса передается на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы попадают в теплообменник, где помогают подогревать уже поступивший сжатый воздух и наконец, выходят в атмосферу.

Конечно, у ГТД есть куча плюсов, но есть и минусы. Основным из них считается стоимость теплопрочных материалов, с применением которых производится двигатель. Кроме этого сложность работ и необходимая высокая уровень очистки воздуха, который поступает в мотор, также бьют по карману хорошо, однако, не взирая ни на что, и разработка и усовершенствование ГТД уже вовсю проходят не только в нашей стране, но и за границей. Когда-то у них был большой минус – огромная турбояма – то есть, например, у Крайслера Турбайн образца 1963 года! То есть, несмотря на огромную тягу в 576 Н*м, он ждал целых десять секунд, прежде чем начать разгон!!! На такое не в состоянии даже модели у которых тандем из откровенно «тупого» автомата и  «провального» турбомотора (с большой «турбоямой»). Но позже крайслеровцы и другие инженеры это доработали, и уже вместо десяти секунд мотор «думал» секунд три. Были помимо Крайслера, такие марки с моделями с ГТД под капотом, как Ровер, Лотус и другие.

О типах газотурбинных моторов

Что насчёт типов, то их довольно большое количество, правда, при этом суть их работы абсолютна одна и та же (в отличие от привычных нам поршневых типов, они могут быть бензиновыми, дизельными, атмосферными, турбированными, роторно-поршневыми и т.д.), однако лишь выполнение – может немного различаться. Исходя из типов, ГТД нашёл широкое применение на железнодорожных составах, морских судах, самолетах, вертолетах, автомобилях и даже на танках. Кстати на сегодняшний день остался лишь американский танк Абрамс М1А1, оснащенный газотурбинником. Конечно, советские инженеры также применяли попытки применить газотурбинник на танках, было даже несколько концептов на базе T80, однако почему в дальнейшем все эти разработки свернули.

• < Назад
• Вперёд >

autosteam.ru

Система управления запуском и розжигом авиадвигателя — Википедия

Система управления запуском и розжигом ГТД служит для обеспечения перевода авиадвигателя из нерабочего состояния в установившийся режим малого газа, который характеризуется наименьшими оборотами турбины, при которых он может устойчиво работать длительное время.

Для запуска газотурбинного двигателя необходимо принудительно, от внешнего источника энергии раскрутить вал турбины компрессора, подать в камеру сгорания определённое количество топлива, воспламенить его. При этом процесс максимально автоматизируется, с целью обеспечения заданной устойчивости протекания процедуры запуска и предотвращения механических и тепловых перегрузок элементов двигателя.

Система состоит из пускового устройства (стартёра), агрегатов подачи топлива, системы зажигания и аппаратуры программного управления. Пусковые устройства бывают электрические (электростартёры и стартёр-генераторы), турбокомпрессорные (турбостартёр — малогабаритный ГТД) и воздушные (воздушный стартёр, работающий на сжатом воздухе). Короткоресурсные «одноразовые» турбореактивные двигатели крылатых ракет могут запускаться от пиротехнических (пороховых) стартёров.

Процесс раскрутки, подачи топлива и его воспламенения регламентируется специальными программными устройствами по времени и по частоте вращения компрессора.

Электростартёр[править | править код]

Электрическая раскрутка от стартёра или стартёр-генератора обычно применяется на небольших ГТД и ВСУ. Питание подаётся от наземных источников электроэнергии, а также от бортовых аккумуляторов или генератора работающей бортовой ВСУ. На наиболее крупных двигателях с электрозапуском (к примеру, АИ-20, оборудованный двумя стартёр-генераторами СтГ-12, АИ-24, оборудованный одним СтГ-18) вал стартёр-генератора соединяется с валом ГТД через двухскоростной редуктор и обгонную муфту, встроенные в СтГ. Передаточное отношение редуктора автоматически меняется, в зависимости от направления передачи крутящего момента — в стартёрном режиме оно больше, так как якорь соединяется с двигателем через планетарный редуктор, а в генераторном режиме напрямую. Кроме того, применяется ступенчатая подача электроэнергии для уменьшения нагрузки на трансмиссию и большей плавности хода. Для этого применяются выводимые по мере раскрутки ротора пусковые резисторы, ослабление магнитного потока стартёра на больших оборотах, а в старых системах запуска применялось пересоединение источников (батарей или коллекторов наземного генератора) с параллельного соединения на последовательное — так называемый запуск 24/48 вольт.

Турбостартёр[править | править код]

Более мощные авиадвигатели (АЛ-31Ф, стоящий на Су-27, НК-12 — двигатель Ту-95 и Ту-142, или ныне не эксплуатируемый АМ-3) раскручиваются от работающего турбостартёра (ТС), который представляет собой малогабаритный газотурбинный двигатель, который в свою очередь, имеет небольшой электростартёр, систему зажигания и подачи топлива, но в упрощённом виде. ТС обычно работает на том же топливе, что и основной двигатель, но бывают и исключения — С-300М, стоящий на АМ-3, работал на бензине Б-70. Валы турбостартёра и двигателя соединены через редуктор и обгонную муфту. ТС может быть как одновальным (С-300М), в этом случае ротор двигателя раскручивается от ротора стартёра через гидромуфту, так и со свободной турбиной (ТС-12, стоящий на НК-12) — одна турбина служит для привода компрессора ТС, а вторая — свободная — служит для раскрутки компрессора двигателя. Процесс запуска турбостартёра и время его работы регламентируются программным устройством.

Воздушный турбостартёр[править | править код]

Воздушный стартёр — это турбоагрегат, работающий на сжатом воздухе. Сжатый воздух, как правило, поступает от турбины компрессора работающей ВСУ, представляющей собой малогабаритный автономный ГТД, выполняющий на борту летательного аппарата роль энергоузла. Сжатый воздух может подаваться и от наземных установок или воздушных баллонов, а также от турбины компрессора соседнего, уже запущенного авиадвигателя. Воздушные стартёры ввиду простоты и надёжности нашли широкое применение на мощных двигателях — например, Д-18Т (Ан-124 «Руслан»), CFM56 (Airbus A320, Boeing 737), ТВ3-117 (Ми-8М, Ми-24).

Управление запуском[править | править код]

В процессе раскрутки, в строго заданной последовательности включается подача пускового топлива к пусковым форсункам и система зажигания. Подача топлива обеспечивается топливными насосами, заслонками и электрокранами, до момента полного воспламенения основного топлива и начала интенсивной раскрутки турбины. После воспламенения топлива система зажигания автоматически выключается.

Процесс запуска регламентируется программным устройством (автоматической панелью запуска — АПД), представляющим собой электромеханический программно-временной агрегат, состоящий из электродвигателя постоянного тока, редуктора, центробежного регулятора частоты вращения и пакета профилированных дисков с микровыключателями. Более современные системы собраны на полупроводниковой элементной базе. Сигналы определённых частот вращения турбины ГТД снимаются центробежными выключателями или определяются тахометрической аппаратурой двигателя. Управляющие программные сигналы подаются на блоки, агрегаты, заслонки, электрокраны не напрямую, а через силовую коммутационную аппаратуру, реле и контакторы.

Зажигание[править | править код]

Система зажигания состоит из агрегата зажигания (индукционной катушки), преобразующего напряжение бортсети в переменный ток высокой частоты, и свечей зажигания.

При запуске двигателя в воздухе (неважно, ТРД или ТВД) раскрутка турбины происходит от набегающего потока воздуха, поэтому при заданных оборотах авторотации включается подача топлива и зажигание, программа наземного запуска не включается. Признаком успешного запуска является рост оборотов и повышение температуры выходящих газов.

Для прекращения работы двигателя служит отсечной топливный клапан, который прерывает поступление топлива в камеру сгорания. Этот клапан управляется рычагом останова двигателя (РОД) или стоп-краном.

В процессе запуска двигателя система контролирует достаточно много параметров. Программа автоматически прекращается при затянутом запуске (зависании оборотов), превышении температуры газов за турбиной или падении давления масла, и конечно, при срабатывании пожарной сигнализации. Впрочем, в любой момент запуск двигателя может прекратить лётчик или бортинженер нажатием на кнопку «стоп» или переводом РОД.

ru.wikipedia.org

Как появился газотурбинный двигатель на автомобиле?

Под газотурбинным двигателем подразумевают двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую.

Основная сфера применения такого типа двигателя – это авиация и танковая промышленность. Ввиду определенных технических ограничений газотурбинный двигатель для автомобиля изначально было использовать крайне сложно. Но теперь эта схема запущена и активно внедряется в систему функционала легковых автомобилей.

Появление газотурбинного двигателя на автомобиле

Принцип работы двигателя

Автомобильный двигатель такого типа представляет собой два агрегата: турбину с компрессией и газогенератор. Основное отличие газогенератора автомобильного двигателя от авиационного заключается в том, что газы после выхода из камеры сгорания попадают в турбину, которая собственно и запускает движение колес автомобиля. Основное преимущество – это наличие теплообменника, который снижает расход топлива и уменьшает шум от отработанных газов.

Использование подобной установки компенсирует отсутствие гидротраснформатора и поршневого двигателя. Потому необходимость использования сложных гидромеханических коробок передач отпадает, а также упрощается управление самим автомобилем.

Виды газотурбинных двигателей

Среди основных видов, используемых при производстве легковых автомобилей, называют два типа двигателей:

• Двухвальный с теплообменником. Такой тип можно встретить чаще всего. Использование таких двигателей улучшает динамические свойства машины и сводит к минимуму количество ступеней в коробке передач. Автомобили с реактивными двигателями такого типа при разгоне практически не требуют переключения коробки передач. Среди недостатков можно назвать увеличение массы агрегата за счет использования дополнительных деталей (воздуховода и теплообменника).

Двухвальный газотурбинный двигатель

• Двигатель со свободно-поршневым газовым генератором. Такой тип считается самым перспективным в плане конструкции легковых автомобилей нового типа. Схема конструкции двигателя представляет собой блок, который объединяет двухтактный дизель и поршневой компрессор.

Принцип работы свободно-поршневого газотурбинного двигателя

Особенности конструкции двигателя

Среди главных отличий между газотурбинным и поршневым типами двигателей называют отсутствие цикличности. В первом типе сжатие топливной смеси, выделение энергии происходит каждую секунду.

Главной движущей силой в работе газотурбинного двигателя являются лопатки. Они имеют такую форму, чтобы увеличить уровень КПД. Сжатие воздуха происходит изначально в лопастном компрессоре, после чего поступает в рабочую зону. И уже здесь впрыскивается топливо.
Внутренняя конструкция двигателя представляет собой сложный механизм, где можно заметить два ряда лопаток, один из которых является неподвижным и закреплен на корпусе. Вторые же соединены с валом, в результате чего и происходит их вращение. Подобный вид конструкции объясняется тем, что газу при поступлении требуется опора, которую и выполняют неподвижные лопатки.

Общая схема устройства газотурбинного двигателя

В газотурбинных двигателях автомобиля применяются два вида турбин: центростремительные и осевые. Тяговая выполняет роль осевой турбины, а компрессорная – центростремительной. Вал компрессора в движение приводит стартер.

Газотурбинный двигатель отличается высокой пусковой способностью. Он может принять основную нагрузку уже через пару минут после запуска. Двигатель максимально уравновешен, поэтому рама для поршневого двигателя по массе значительно превосходит раму для газотурбинного.

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Если сравнивать их с поршневыми моторами, в плане функционала газотурбинные двигатели их превосходят в разы. Устройство обладает высокой мощностью, потому может развивать большие обороты, однако в результате этого отличается габаритными размерами. Топливным материалом выступают либо керосин, либо дизельное топливо. Однако масса такого двигателя раз в 10 меньше, чем аналогичного по мощности двигателя внутреннего сгорания.

В системе газотурбинного двигателя не предусмотрено наличие трущихся деталей, потому система охлаждения в этом случае не требуется.
Есть некоторые недостатки, которыми отличается в некоторых случаях газотурбинный двигатель. Расход топлива иногда превышает норму, поскольку оно тратится на искусственное ограничение температуры газов. Металлы, которые устойчивы к подобным температурам, достаточно дорогие. Эта проблема вызывает повышенный интерес у ученых, которые в скором времени планируют разработать более экономически выгодные газотурбинные двигатели.

Среди прочих неудобств в использовании газотурбинных двигателей можно назвать высокий уровень шума. Этот двигатель генерирует огромное количество колебаний на низких частотах, что является более восприимчивым для слуха человека. Помимо этого, если традиционные моторы автомобилей можно починить, не имея под рукой сложного оборудования, то газотурбинный двигатель своими руками починить уже не получится.

Среди общих плюсов использования можно отметить, что двигатель заводится и набирает обороты при любой температуре, даже в лютый мороз. Также среди преимуществ следует отметить удобство установки на автомобиль. Здесь не нужно сцепление, потому что раскручивание вала происходит при неподвижной тяговой турбине. Это значительно облегчает последующую работу водителя.

Перспективы развития и улучшения двигателя

Сейчас у ученых основной проблемой является разработка способа понижения расхода топлива. Повышение эргономичности может достигаться в случае:

1. Увеличения КПД центробежных процессоров;
2. Повышения температуры и давления газов и использования тепла исходящих газов.

Идея использования теплообменника не является новой. Но ситуация модернизации двигателя в сторону уменьшения размеров, массы двигателя, обеспечения полной передачи тепла от газа к воздуху при минимальных потерях давления.

blog-mycar.ru

принцип работы и конструкция :: SYL.ru

Преимущества

Газотурбинный двигатель – это то, что в последнее время используется как энергетическая установка для машины. И это связано не только с несомненными преимуществами данного агрегата. Газотурбинный двигатель способен развить мощность, которая просто необходима некоторым автомобилям.

Конструкция

Благодаря тому, что у этого агрегата отсутствуют возвратно-поступательно двигающиеся части, а также тому, что его ротор обладает высокой частотой вращений, можно существенно уменьшить габаритные размеры и удельную массу этого двигателя (если сравнивать с дизелем). А это, в свою очередь, позволяет рассмотреть его как перспективный агрегат. Итак, чтобы создать газотурбинный двигатель своими руками (данным процессом интересуются многие – это реально, однако весьма трудно), нужно иметь турбины, камеру сгорания и компрессор. Также в его комплектацию входят стартер, масляный насос, регулятор частоты вращений и другое оборудование. Как правило, в автомобильных двигателях газотурбинного типа применяется центробежный одноступенчатый компрессор, при помощи которого давление воздуха увеличивается в 3,5 раза. Чтобы достичь указанного давления, нужно, чтобы компрессорное колесо вращалось с как можно большей скоростью. А она составляет около 420-450 метров в секунду.

Материалы

Для изготовления камеры сгорания чаще всего используется листовой жаростойкий материал. Газотурбинный двигатель в своей комплектации имеет осевую и центростремительную турбины. Они же состоят из рабочего колеса и соплового аппарата. Газ в осевой турбине, проходя по каналам, которые находятся в рабочем колесе, изменяет направление своего движения. При этом оказывается давление на лопатки. Благодаря этому образуется  сила, которая приводит во вращение рабочее колесо.

Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства

Компрессорный вал при помощи стартера приводится в движение. Пусковая частота вращения составляет 2530% от номинальной. Сжатый воздух подается компрессором в камеру сгорания, а в неё через форсунку нагнетается топливо с помощью шестеренчатого насоса. После этого посредством электрической свечи накаливания поджигается горючее. И как только устойчивая зона горения образована, последующее горючее воспламеняется от соприкосновения с огнем, а отработанные газы затем уходят в атмосферу через выпускную трубу.

Отличительные свойства

Хочется отметить, что газотурбинный двигатель обладает еще и высочайшими пусковыми качествами. Несмотря на то что его стартер имеет достаточно небольшую производительность, он может обеспечить пуск при абсолютно любой температуре внешней среды. Это очень хорошее качество. И еще одно его существенное преимущество – достаточно малая токсичность газов, которые отрабатываются двигателем: она в 37 раз меньше тех, которые извергает дизель. Из этого можно сделать вывод, что такой двигатель еще и безопасен для окружающей среды.

www.syl.ru

Турбина — Википедия

Турби́на (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение) — лопаточная машина, в которой происходит преобразование ^[1]кинетической энергии и/или внутренней энергии рабочего тела (пара, газа, воды) в механическую работу на валу. Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение.

Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте, привода компрессора в газотурбинном двигателе, а также гидродинамической передачи, гидронасосах.

Попытки создать механизмы, похожие на турбины, делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. н. э.). По словам И. В. Линде^[2], XIX век породил «массу проектов», которые остановились перед «материальными трудностями» их выполнения. Лишь в конце XIX века, когда развитие термодинамики (повышение КПД турбин до сравнимого с поршневой машиной), машиностроения и металлургии (увеличение прочности материалов и точности изготовления, необходимых для создания высокооборотных колёс), Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности паровые турбины.^[3]

Хронология[править | править код]

• I в. н. э.: Паровая турбина Герона Александрийского (эолипил) — на протяжении столетий рассматривалась как игрушка и её полный потенциал не был изучен.
• 1500: В чертежах Леонардо да Винчи встречается «дымовой зонт». Горячий воздух от огня поднимается через ряд лопастей, которые соединены между собой и вращают вертел для жарки.
• 1551: Таги-аль-Дин придумал паровую турбину, которая использовалась для питания самовращающегося вертела.
• 1629: Сильная струя пара вращала турбину, которая затем вращала ведомый механизм, позволяющий работать мельнице Джованни Бранка.
• 1678: Фердинанд Вербейст построил модель повозки на основе паровой машины.
• 1791: Англичанин Джон Барбер получил патент на первую настоящую газовую турбину. Его изобретение имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. Турбина была разработана для приведения в действие безлошадной повозки.
• 1832: Французский ученый Бюрден создал первую водяную турбину^[4].
• 1837: Создана первая в России водяная турбина И.Е. Сафоновым^[4].
• 1872: Франц Столц разработал первый настоящий газотурбинный двигатель.
• 1887: русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич Кузьминский сконструировал первую в мире газовую реверсивную турбину, которая работала на «газопаророде» – парогазовой смеси, получаемой в созданной им же в 1894 году камере сгорания.^[5]
• 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею корабля, приводимого в действие паровой турбиной и построил демонстрационное судно Турбиния. Этот принцип тяги используется до сих пор.
• 1895: Три четырёхтонных 100 кВт генераторов радиального потока Парсонса были установлены на электростанции в Кембридже и использовались для электрического освещения улиц города.
• 1903: Норвежец, Эджидиус Эллинг (англ.)русск., смог построить первую газовую турбину, которая отдавала больше энергии, чем затрачивалось на обслуживание внутренних компонент турбины, что рассматривалось как значительное достижение в те времена, когда знания о термодинамике были ограничены. Используя вращающиеся компрессоры и турбины, она производила 11 л. с. (существенная мощность для того времени). Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Уиттлом.
• 1913: Никола Тесла запатентовал турбину Тесла, основанную на эффекте граничного слоя.
• 1918: General Electric, один из ведущих производителей турбин в настоящее время, запустил своё подразделение газовых турбин.
• 1920: Практическая теория протекания газового потока через каналы была переработана в более формализованную (и применяемую к турбинам) теорию течения газа вдоль аэродинамической поверхности доктором Аланом Арнольдом Грифицем.
• 1930: Сэр Фрэнк Уиттл запатентовал газовую турбину для реактивного движения. Впервые этот двигатель был успешно использован в авиации в апреле 1937.
• 1934: Рауль Патерас Пескара запатентовал поршневой двигатель в качестве генератора для газовой турбины.
• 1936: Ханс фон Охайн и Макс Хан в Германии разработали собственный патентованный двигатель в то же самое время, когда сэр Фрэнк Уиттл разрабатывал его в Англии.

Разработки Густафа Лаваля[править | править код]

Первую паровую турбину создал шведский изобретатель Густав Лаваль в 1883 году. По одной из версий, Лаваль создал её для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар. Изобретатель начал работать над своей конструкцией и в конце концов собрал работоспособное устройство. В 1889 году Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями, так появилось знаменитое сопло Лаваля, которое стало прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться стабильной работы турбины. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную вибрацию и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль использовал тонкую ось, которая при вращении могла прогибаться.

Разработки Чарлза Парсонса[править | править код]

В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую турбину. Турбина предназначалась для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он разработал усовершенствованную версию, которая получила широкое применение на электростанциях. В конструкции турбины был применен выравнивающий аппарат, представляющий из себя набор неподвижных венцов (дисков) с лопатками, имевшими обратное направление. Турбина имела три ступени разного давления с разной геометрией лопаток и шагом их установки. Таким образом, в турбине использовался как «активный», так и «реактивный» принцип.

В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии. Парсонс старался расширить сферу применения своего изобретения и в 1894 году он построил опытовое судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость — 60 км/ч.

Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно повысить единичную мощность, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась (в основном, на военных кораблях), но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одно- или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

Ступень турбины состоит из двух основных частей. Рабочего колеса — лопаток установленных на роторе(подвижная часть турбины), которое непосредственно создаёт вращение. И Соплового аппарата — лопаток установленных на статоре (неподвижная часть турбины), которые поворачивают рабочее тело для придания потоку необходимого угла атаки по отношению к лопаткам рабочего колеса.

По направлению движения потока рабочего тела различают аксиальные паровые турбины, у которых поток рабочего тела движется вдоль оси турбины, и радиальные, направление потока рабочего тела в которых перпендикулярно оси вала турбины. Центробежные турбины (турбокомпрессоры) также выделяют как отдельный тип турбин.

По числу контуров турбины подразделяют на одноконтурные, двухконтурные и трёхконтурные. Очень редко турбины могут иметь четыре или пять контуров. Многоконтурная турбина позволяет использовать большие тепловые перепады энтальпии, разместив большое число ступеней разного давления.

По числу валов различают одновальные, двухвальные, реже трёхвальные, связанных общностью теплового процесса или общей зубчатой передачей (редуктором). Расположение валов может быть как коаксиальным так и параллельным с независимым расположением осей валов.

В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения для предупреждения утечек рабочего тела наружу и засасывания воздуха в корпус.

На переднем конце вала устанавливается предельный центробежный регулятор (регулятор безопасности), автоматически останавливающий (замедляющий) турбину при увеличении частоты вращения на 10—12 % сверх номинальной.

По типу рабочего тела[править | править код]

1. ↑ Техническая энциклопедия / Главный редактор Л. К. Мартенс. — М: Государственное словарно-энциклопедическое издательство "Советская энциклопедия", 1934. — Т. 24. — 31 500 экз.
2. ↑ И. В. Линде. Паровые турбины, вентиляторы и центробежные насосы высокого давления системы инженера А. Рато. // Записки Московскаго отделения Императорского русского технического общества, 1904. С. 563—641.
3. ↑ Константин Владиславович Рыжов. [lib.aldebaran.ru/author/ryzhov_konstantin/ryzhov_konstantin_100_velikih_izobretenii/ 100 великих изобретений]. — М., 2006. — ISBN 5‑9533‑0277‑0.
4. ↑ ^{1 2} Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 169.
5. ↑ Меркулов И. А. Газовая турбина / под ред. проф. А. В. Квасникова. — Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. — С. 25 – 26.

ru.wikipedia.org

Газотурбинный двигатель - это... Что такое Газотурбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.

Основные принципы работы

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.^{[источник не указан 404 дня]} Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.^{[источник не указан 404 дня]}

Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.^{[источник не указан 404 дня]}

Типы газотурбинных двигателей

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.^{[источник не указан 404 дня]} Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.^{[источник не указан 404 дня]}

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

Турбовинтовой двигатель

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.

Двухконтурные двигатели

Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.

Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

Судовые установки

Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

Наземные двигательные установки

Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

Газовая турбина с замкнутым циклом

В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

Газовая турбина с внешним сгоранием

Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.^{[источник не указан 404 дня]}

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Использование в наземных транспортных средствах

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Использование в танках

Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.

Конструкторы газотурбинных двигателей

См. также

Ссылки

dik.academic.ru

Реактивные, турбореактивные двигатели, их виды и принцип работы

Двухпоршневой и малоразмерный двигатель

Наиболее распространен двигатель с двумя валами, оборудованный теплообменником. В сравнении с агрегатами, у которых всего 1 вал, такие аппараты более эффективные и мощные. 2-х вальный двигатель оснащен турбинами, одна из которых предназначена для привода компрессора, а другая для привода осей.

Подобный агрегат обеспечивает машине хорошие динамические характеристики и сокращает кол-во скоростей в трансмиссии.

Также существуют малоразмерные газотурбинные двигатели. Они состоят из компрессора, газо-воздушного теплообменника, камеры сгорания и двух турбин, одна из которых находятся в одном корпусе со сборником газа.

Малоразмерные газотурбинные двигатели применяются в основном на самолетах и вертолетах, которые преодолевают большие расстояние, а также на беспилотных летательных устройств и ВСУ.

Реактивные, турбореактивные двигатели, их виды и принцип работы

( 36 Votes )

При всей своей мощи и кажущейся невероятной сложности – ракетные и турбореактивные двигатели на самом деле имеют довольно простой принцип работы.

Самым простым является ракетный двигатель. Начнем с него.

Для того, чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливо-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении. Наглдный пример реактивной силы в повседнев

class-tour.com

Смотрите также

• 
  Что означает надпись 5 18
• 
  Технологии и машины
• 
  Акцент мт2 комплектация что входит
• 
  Каких врачей проходят для водительской справки женщине 2020
• 
  На матиз тахометр
• 
  Когда нужен техосмотр для осаго
• 
  Лансер 10 2008
• 
  Как прогнать воздух из системы охлаждения
• 
  Когда меняют масло в двигателе
• 
  Солярис против рио
• 
  Как долить масло