Авиационные газотурбинные двигатели / Хабр

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

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

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

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

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

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

Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

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

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

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

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

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

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

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

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

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

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

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

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве

В-К — процесс сжатия в компрессоре

К-Г — изобарический подвод тепла

Г-Т — процесс расширения газа в турбине

Г-С — процесс расширения газа в сопле

С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

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

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

Реальный двигатель такого вида в разрезе

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

Двухконтурный турбореактивный двигатель

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

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.

Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

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

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.

Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.

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

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

Д-18Т в разрезе изнутри

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

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

Турбовинтовые двигатели

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

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

Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.

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

Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.

Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

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

Турбовальный двигатель

Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.

А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.

Схематичная конструкция турбовального двигателя

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

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

Спасибо за внимание.

Почему самолеты летают? / Экономика / Независимая газета

Тэги: транспорт, авиация, авиадвигатель, одк, пд14, технологии, ТВ7117СТ01, пд8, АЛ41СТ, ГТД110М, ПД35

Фото пресс-службы ОДК

По небу. Этот весёлый ответ нам знаком с детства. Люди, знающие физику, обязательно расскажут про форму крыла и разницу в давлении, благодаря чему самолет действительно поднимается в воздух. Однако ключевой элемент движения и полета – газотурбинный авиационный двигатель – всегда остаётся за кадром. Но ирония судьбы в том, что без него никто и никуда не полетит. Так что же такое двигатели и какую роль они играют в нашей жизни и в экономике страны?

Авиационное газотурбинное двигателестроение официально признано одной из самых высокотехнологичных отраслей промышленности наравне с освоением космоса и атомной энергетикой. Сегодня в мире всего пять стран способны обеспечить полный цикл производства и обслуживания газотурбинных двигателей, и Россия – в их числе. Тогда как стран, выпускающих самолёты и вертолеты, гораздо больше. Созданная ещё столетие назад двигателестроительная отрасль успешно развивалась в Советском Союзе, пережила трудный для страны переходный период 90-х годов и в последние годы снова начала активно развиваться. И если в советское время отрасль состояла из ряда отдельных заводов в разных городах, то сегодня практически все предприятия собраны в Объединённую двигателестроительную корпорацию Ростеха, которая аккумулировала усилия по развитию отрасли.

Нет двигателя – летательные аппараты в воздух не поднимутся, а как следствие – нет собственной авиации. Сегодня мы это ощутили в полной мере. Западные страны закрыли доступ к своим технологиям и продуктам, Boeing и Airbus покинули наш рынок. Нам не поставляют самолеты, авиационные силовые установки, а стране необходимо летать. В советское время был свой огромный гражданский флот, но он был уничтожен. И сегодня стало ясно, что это было не случайно. Нет собственной гражданской и военной авиации – на страну можно легко давить, ее можно уничтожить. Еще раз напомним – всего пять стран производят авиационные двигатели, и ключ к созданию воздушного флота находится именно у них.

Господство в воздухе является одной из основ стратегии ведения современной войны. Еще с советских времен наша боевая, транспортная, стратегическая авиация имеют двигатели, которые позволяют отечественным самолётам и вертолётам быть конкурентоспособными в воздухе. Более того, в последние годы ОДК, впервые после советского периода, при поддержке Госкорпорации Ростех создала новые образцы техники и продолжает активно работать над уникальными, прорывными силовыми установками будущего.

Наша страна огромна, ей жизненно необходим гражданской флот, чтобы связать Владивосток и Калининград, Самару и Уфу и еще сотни других городов. Есть места, куда кроме авиации вообще никто добраться не в состоянии, а там живут и работают наши соотечественники. А как же доставка работников на газовые и нефтяные месторождения! Сегодня мы можем легко представить, где была бы страна, если бы ради покупок за рубежом всю авиационную промышленность пустили под нож … Авиапром необходимо не просто сохранять, нужно поддерживать и стимулировать его развитие.

Но настоящий прорыв состоялся в последние годы и отчасти вопреки общему тренду последних лет. Первой ласточкой стал ПД-14 – авиационный двигатель российской разработки мирового уровня для среднемагистрального самолета МС-21. Это пропуск в элитный клуб мировой авиации и будущее российского гражданского флота. Это уверенность в том, что мы сохраняем свой технологический суверенитет и мы способны себя обеспечить сами. В 2020 году этот двигатель впервые поднял в воздух самолет, а на днях ожидается его сертификация в составе МС-21. Следующий шаг — массовое серийное производство.

За последние годы ОДК существенно увеличила эффективность своей работы. Создан двигатель ТВ7-117СТ-01 для регионального самолета ИЛ-114-300, который жизненно необходим для связи между небольшими городами в разных климатических и инфраструктурных условиях. Для еще одного регионального самолета SSJ New заканчивается создание современного двигателя ПД-8. Сейчас он уже начал летные испытания. В процессе разработки двигатель-демонстратор технологий ПД-35 для дальнемагистральной авиации.

Работа по решению таких важных, стратегических государственных задач идет, результаты есть, и здесь важно активно помогать – финансово, организационно, законодательно. Создавать лучшие условия и требовать максимальный результат — вот что необходимо.

Нужно отметить, что разработка силовой установки с нуля занимает около десяти лет, но это еще и уметь нужно! Конструкторы авиационных двигателей — это золотой фонд российской инженерной школы и мысли. Сегодня активно реализуется масштабная программа «Крылья Ростеха», в рамках которой при участии предприятий и ведущих технических вузов страны готовятся инженеры нового поколения и в отрасль привлекается талантливая и целеустремленная молодежь.

Перекачка газа, генерация электроэнергии на месторождениях — это еще одна незаметная ниша работы газотурбинного двигателя. В советское время конструктор Дмитрий Кузнецов впервые предложил применить их для нефтегазовой отрасли, и получилось очень успешно. В условиях резкого сокращения поставок импортных газовых турбин ОДК смогла предложить компаниям топливно-энергетического комплекса принципиально новые отечественные технические решения.

Взят курс на выпуск наземной продукции с максимальной эффективностью производства, рост серийности и унификацию оборудования. А созданная в 2019 году дочерняя компания «ОДК Инжиниринг» консолидировала поставки наземной продукции корпорации.

Одной из наиболее заметных инициатив наземного направления ОДК стала совместная с ПАО «Газпром» по разработке унифицированного газоперекачивающего агрегата УГПА-16(25), который рассчитан на использование газотурбинных двигателей различной мощности без изменения конструкции основного оборудования. Унификация значительно сокращает сроки проектных работ, монтажа, пусконаладки и в целом снижает стоимость агрегата. Два пилотных газотурбинных агрегата УГПА-16 уже успешно введены в эксплуатацию на компрессорной станции «Юбилейная» в Вологодской области.

Также ОДК разрабатывает индустриальные газотурбинные двигатели нового поколения, в частности, АЛ-41СТ, который призван занять рыночную нишу силовых турбин в сегменте мощности от 25 до 40 МВт. В 2023 году АЛ-41СТ будет установлен для испытаний на компрессной станции «Арская» в Татарстане. В 2025 году ОДК будет готова предложить рынку двигатель мощностью 32 МВт, а также установки и агрегаты на базе этой турбины.

Успешно реализуется программа импортозамещения оборудования в проектах освоения морских месторождений России. В 2022 году ОДК провела испытания первого отечественного энергетического агрегата морского применения ГТА-8 мощностью 8 МВт. Четыре таких изделия в первом квартале 2023 года будут поставлены на ледостойкую морскую платформу добычи газа на месторождении «Каменномысское-море» в Ямало-Ненецком автономном округе.

Знаковое событие для российского машиностроения — изготовление первой серийной турбины большой мощности ГТД-110М. Ранее аналогичное оборудование приходилось импортировать из стран дальнего зарубежья. Отличительные особенности двигателя ГТД-110М по сравнению с импортными аналогами – меньший вес и габариты, а также более высокие показатели топливной эффективности. В результате программы модернизации российских ТЭЦ турбины большой мощности станут основным оборудованием на теплоэлектростанциях в своём классе.

Без двигателя не полетит ни один самолёт, а без самолёта не будет и авиации, без турбин не пойдет газ по газопроводам. Без двигателя невозможно движение, а без движения – сама жизнь. Прекрасная для всех нас новость в том, что газотурбинное двигателестроение в России есть.

Типы и конструкция авиационных газотурбинных двигателей

Конструкция газотурбинных двигателей

В поршневом двигателе функции впуска, сжатия, сгорания и выпуска выполняются в одной и той же камере сгорания. Следовательно, каждый из них должен иметь исключительную занятость камеры во время соответствующей части цикла сгорания. Существенной особенностью газотурбинного двигателя является то, что каждой функции посвящены отдельные разделы, и все функции выполняются одновременно без перерыва.

Типичный газовый турбинный двигатель состоит из:

1. Входной запуск,
2. Секция компрессора,
3. Секция сгорания
4. Секция турбины,
5. выпускной секция,
6. Accessory Section и
7. . запуск, смазка, подача топлива и вспомогательные функции, такие как защита от обледенения, охлаждение и наддув.

Основные компоненты всех газотурбинных двигателей в основном одинаковы; однако номенклатура составных частей различных двигателей, используемых в настоящее время, немного различается из-за различий в терминологии каждого производителя. Эти различия отражены в соответствующих руководствах по техническому обслуживанию. Одним из важнейших факторов, влияющих на конструктивные особенности любого газотурбинного двигателя, является тип компрессора или компрессоров, для которых предназначен двигатель.

Типы газотурбинных двигателей

Турбинные двигатели классифицируются по типу используемых в них компрессоров. Компрессоры бывают трех типов: центробежные, осевые и центробежно-осевые. Сжатие впускного воздуха достигается в центробежном двигателе за счет ускорения воздуха наружу перпендикулярно продольной оси машины. Осевой двигатель сжимает воздух за счет ряда вращающихся и неподвижных аэродинамических профилей, перемещающих воздух параллельно продольной оси. В конструкции с центробежно-осевым потоком используются оба типа компрессоров для достижения желаемой степени сжатия.

Путь, который проходит воздух через двигатель, и то, как вырабатывается мощность, определяют тип двигателя. Четыре типа газотурбинных двигателей используются для приведения в движение самолетов. Это турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и турбовальный.

Турбореактивный двигатель

Термин «турбореактивный двигатель» использовался для описания любого газотурбинного двигателя, используемого в самолетах. По мере развития технологии газовых турбин эти другие типы двигателей были разработаны, чтобы заменить чисто турбореактивные двигатели. Турбореактивный двигатель был впервые разработан в Германии и Англии до Второй мировой войны и является самым простым из всех реактивных двигателей. У ТРД проблемы с шумом и расходом топлива в диапазоне скоростей, на которых летают авиалайнеры (0,8 Маха). Эти двигатели ограничены по дальности и выносливости и сегодня в основном используются в военной авиации.

Турбореактивный двигатель состоит из четырех секций: компрессора, камеры сгорания, турбинной секции и выхлопной. Секция компрессора пропускает входящий воздух с высокой скоростью в камеру сгорания. Камера сгорания содержит впускное отверстие для топлива и воспламенитель для сжигания. Расширяющийся воздух приводит в движение турбину, соединенную валом с компрессором, поддерживая работу двигателя. Ускоренные выхлопные газы двигателя обеспечивают тягу. Это основное применение сжатия воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси, производства энергии для автономной работы двигателя и выхлопа для движения. [Рисунок 1]

Рисунок 1. ТРД

Преимущества ТРД;

• Относительно простая конструкция
• Возможность очень высоких скоростей
• Занимает мало места

Недостатки ТРД;

• Высокий расход топлива
• Громкий
• Плохая производительность на низких скоростях
• Ограниченная дальность и выносливость

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторные двигатели были разработаны, чтобы объединить некоторые из лучших характеристик турбореактивных и турбовинтовых двигателей. [Рисунок 2] Турбовентиляторные двигатели предназначены для создания дополнительной тяги за счет отклонения вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания.

Итак, почти все авиалайнеры используют турбореактивный двигатель. Он был разработан для вращения большого вентилятора или набора вентиляторов в передней части двигателя и обеспечивает около 80 процентов тяги двигателя. Этот двигатель был тише и имел лучший расход топлива в этом диапазоне оборотов. Турбовентиляторные двигатели имеют более одного вала в двигателе; многие из них двухвальные двигатели. Это означает, что есть компрессор и турбина, которая его приводит в движение, и еще один компрессор и турбина, которые его приводят. В этих двигателях с двумя валами используются два золотника (золотник — это компрессор, а вал и турбины — это привод этого компрессора). В двухзолотниковом двигателе есть золотник высокого давления и золотник низкого давления. Золотник низкого давления обычно содержит вентилятор (вентиляторы) и ступени турбины, необходимые для их привода. Золотник высокого давления представляет собой компрессор высокого давления, вал и турбины. Эта катушка составляет ядро ​​​​двигателя, и здесь находится секция сгорания. Золотник высокого давления также называют газогенератором, поскольку он содержит секцию сгорания.

Турбовентиляторные двигатели могут быть с малой двухконтурностью или с высокой степенью двухконтурности. Количество воздуха, проходящего через сердцевину двигателя, определяет степень двухконтурности. Как видно на рисунке, воздух, обычно приводимый в движение вентилятором, не проходит через внутреннее рабочее ядро ​​двигателя. Величина воздушного потока в фунтах/сек от байпаса вентилятора до основного потока двигателя является коэффициентом байпаса.

Некоторые турбовентиляторные двигатели с малой двухконтурностью используются в диапазонах скоростей свыше 0,8 Маха (военные самолеты). В этих двигателях используются форсажные камеры или форсажные камеры для увеличения тяги. Добавляя больше топливных форсунок и держатель пламени в выхлопную систему, можно распылять и сжигать дополнительное топливо, что может дать значительное увеличение тяги на короткое время.

В турбовентиляторных двигателях используются две разные конструкции выхлопных патрубков. Воздух, выходящий из вентилятора, может быть направлен за борт через отдельное сопло вентилятора [Рисунок 2] или может быть направлен вдоль внешнего корпуса базового двигателя для выпуска через смешанное сопло (выхлоп ядра и вентилятора вместе). Вентиляторный воздух либо смешивается с отработавшими газами перед выбросом (смесительное или общее сопло), либо поступает непосредственно в атмосферу без предварительного смешения (раздельное сопло). Турбореактивные двигатели являются наиболее широко используемыми газотурбинными двигателями для воздушных транспортных самолетов. ТРДД представляет собой компромисс между хорошей эксплуатационной эффективностью и высокой тягой турбовинтового двигателя и высокой скоростью и высотностью турбореактивного двигателя.

Преимущества ТРДД;

• Топливная экономичность
• Тише турбореактивных двигателей
• Выглядят потрясающе

Недостатки ТРДД;

• Тяжелее турбореактивных двигателей
• Лобовая площадь больше, чем у турбореактивных двигателей
• Неэффективность на очень больших высотах

Турбовинтовой двигатель

Между 1939 и 1942 годами венгерский конструктор Gyorgy Jendy Jendy разработал первый турбодвигатель. Однако эта конструкция не была реализована в реальном самолете до тех пор, пока Rolls Royce не переоборудовал Derwint II в RB50 Trent, который поднялся в воздух 20 сентября 1919 года.45 как первый турбовинтовой реактивный двигатель.

Турбовинтовой (ТРД) двигатель представляет собой комбинацию газотурбинного двигателя, редуктора и воздушного винта. [Рисунок 3] Турбовинтовые двигатели — это, по сути, газотурбинные двигатели, которые имеют компрессор, камеру (камеры) сгорания, турбину и выхлопное сопло (газогенератор), все из которых работают так же, как и любой другой газовый двигатель. Однако разница в том, что турбина турбовинтового двигателя обычно имеет дополнительные ступени для извлечения энергии для привода воздушного винта. Помимо работы компрессора и вспомогательного оборудования, турбовинтовая турбина передает увеличенную мощность вперед через вал и зубчатую передачу для привода гребного винта. Повышенная мощность создается выхлопными газами, проходящими через дополнительные ступени турбины.

Турбовинтовой двигатель представляет собой газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт. Выхлопные газы приводят в действие силовую турбину, соединенную валом, который приводит в движение узел редуктора. Понижающая передача необходима в турбовинтовых двигателях, потому что оптимальные характеристики воздушного винта достигаются на гораздо более низких скоростях, чем рабочие обороты двигателя. Турбовинтовые двигатели представляют собой компромисс между турбореактивными двигателями и поршневыми силовыми установками. Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скорости от 250 до 400 миль в час и на высоте от 18 000 до 30 000 футов. Они также хорошо работают на низких скоростях полета, необходимых для взлета и посадки, и экономят топливо. Минимальный удельный расход топлива турбовинтового двигателя обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы. Приблизительно 80–85 % энергии, развиваемой газотурбинным двигателем, используется для привода гребного винта. Остальная часть доступной энергии выходит из выхлопа в виде тяги. Если сложить мощность, развиваемую валом двигателя, и мощность выходной тяги, то получится эквивалентная мощность на валу. [Рисунок 4]

В некоторых двигателях используется мультироторная турбина с соосными валами для независимого привода компрессора и воздушного винта. Хотя на этой иллюстрации используются три турбины, целых пять ступеней турбины используются для приведения в действие двух элементов ротора, воздушного винта и вспомогательного оборудования.

Выхлопные газы также способствуют выходной мощности двигателя за счет создания тяги, хотя количество энергии, доступной для тяги, значительно снижается. Используются два основных типа турбовинтовых двигателей: фиксированная турбина и свободная турбина. Неподвижная турбина имеет механическую связь от газогенератора (ГТД) к редуктору и гребному винту. Свободная турбина имеет только воздушную связь от газогенератора к силовым турбинам. Механической связи от воздушного винта к газотурбинному двигателю (газогенератору) нет.

Поскольку основные компоненты обычных газотурбинных и турбовинтовых двигателей незначительно отличаются лишь конструктивными особенностями, должно быть довольно просто применить полученные знания об основах газовой турбины к турбовинтовым двигателям.

Типовой турбовинтовой двигатель можно разбить на следующие узлы:

1. Блок силовой части — содержит обычные основные компоненты газотурбинного двигателя (т. е. компрессор, камеру сгорания, турбину и выхлопные секции).
2. Редуктор или редуктор в сборе — содержит секции, уникальные для турбовинтовых конфигураций.
3. Узел измерителя крутящего момента — передает крутящий момент от двигателя к коробке передач редуктора.
4. Корпус привода вспомогательных агрегатов в сборе — установлен на нижней части корпуса воздухозаборника компрессора. Он включает в себя необходимые зубчатые передачи для приведения в движение всех вспомогательных агрегатов силовой секции с их правильными оборотами в зависимости от оборотов двигателя.

У каждой системы есть свои преимущества и недостатки, при этом используемая система обычно определяется корпусом самолета.

Преимущества турбовинтового двигателя;

• Очень экономичный
• Наиболее эффективный на средней скорости 250-400 узлов
• Наиболее эффективный на средней высоте 18000-30000 футов

Недостатки турбовинтового двигателя;

• Ограниченная скорость полета вперед
• Системы передач тяжелые и могут сломаться

Турбовальный двигатель

Четвертый распространенный тип реактивного двигателя — турбовальный. [Рисунок 5] Он передает мощность на вал, который приводит в движение что-то другое, кроме гребного винта. Самая большая разница между турбореактивным и турбовальным двигателем заключается в том, что в турбовальном двигателе большая часть энергии, вырабатываемой расширяющимися газами, используется для привода турбины, а не для создания тяги. Многие вертолеты используют турбовальный газотурбинный двигатель. Кроме того, турбовальные двигатели широко используются в качестве вспомогательных силовых установок на больших самолетах. Первый турбовальный двигатель был построен французской фирмой Turbomeca в 1919 г.49.

Рисунок 5. Турбовальный двигатель бортовая вспомогательная силовая установка (ВСУ). ВСУ используется на самолетах с турбинными двигателями для обеспечения электроэнергией и отбора воздуха на земле, а также в качестве резервного генератора в полете. Турбовальные двигатели могут быть самых разных стилей, форм и диапазонов мощности. Преимущества турбовального двигателя; Гораздо более высокое отношение мощности к весу, чем у поршневых двигателей Обычно меньше, чем у поршневых двигателей Недостатки турбовального двигателя; LOUD Руководитель, подключенные к валу, могут быть сложными и разбиться Связанные посты Авиационные двигатели Общие требования Диффузер ГОДИНГОВЫЕ ТУРБИННЫ0011 Принципы работы газотурбинного двигателя Тяга Характеристики газотурбинного двигателя В чем разница между авиационными газовыми турбинами и промышленными газовыми турбинами? Газовые турбины работают по принципу сжатия, сгорания и расширения. Поступающий воздух проходит через ряд ступеней компрессора (лопасти и лопасти), где воздух сжимается. По мере уменьшения скорости воздуха давление и температура воздуха увеличиваются. Сжатый воздух смешивается с топливом (или газом) под давлением и воспламеняется в камере сгорания. Горячие газы расширяются и проходят через ряд ступеней турбины (лопасти и лопасти), прежде чем выйти через выхлоп. Во время этого процесса выходная скорость становится более значительной, чем скорость набегающего потока, которая создает тягу и продвигает двигатель (и самолет) вперед. Газотурбинные двигатели могут использоваться для промышленного производства электроэнергии и для создания тяги для движения самолетов по воздуху. Как промышленные газовые турбины (ПГТ), так и их авиационные производные схожи по принципу работы и функциональности. Тем не менее, есть некоторые специфические эксплуатационные различия Некоторые IGT могут иметь одновальную конструкцию вместо стандартной двухвальной конструкции авиационных двигателей. Однако геометрия и общая структура могут быть идентичными в этих двух конструкциях. Например, номера деталей на корпусе турбины, задней раме и корпусе камеры сгорания одинаковы для General Electric (GE) J79, авиационного производного от GE LM1500 IGT. Фото: GE Aerospace J79 — это осевой турбореактивный двигатель, созданный для нескольких истребителей и бомбардировщиков. LM1500 — турбовальный аналог J79., используемые для наземных и морских применений. Следует отметить, что OEM-производитель может ограничить поставщиков услуг, в том числе MRO (техническое обслуживание, ремонт и капитальный ремонт), для замены деталей между двумя типами. Обычно это делается для контроля (и независимого обслуживания) различных рынков. Модульные секции Камера сгорания является одним из конструктивных модулей, которые могут различаться из-за различных требований к производительности между двумя типами. Авиадвигатели создают тягу за счет сжигания топливно-воздушной смеси. Следовательно, для них требуются более короткие кольцевые камеры сгорания. Авиадвигатели легче и компактнее, чтобы свести к минимуму общее сопротивление в полете. В IGT обычно используется природный газ для выработки электроэнергии, и для них требуются камеры сгорания гораздо большего размера. Более объемные камеры сгорания контейнерного типа тяжелее, но лучше контролируют выбросы и более доступны для обслуживания. Количество и расположение принадлежностей также могут различаться между двумя типами. Например, аэродинамическая версия будет иметь все необходимые аксессуары в одной системе. С другой стороны, некоторые аксессуары на IGT могут быть частью отдельной наземной системы. Производительность Производительность авиационных газовых турбин основана на соотношении тяги к массе. Кроме того, в зависимости от фазы полета такие двигатели работают с разными скоростями в пределах диапазона полета. IGT не обязательно должны быть ограничены по весу и обычно работают на одной скорости в течение более продолжительных периодов времени. Фото: GE Aerospace Рабочий цикл и срок службы Авиадвигатели имеют гораздо более короткое время цикла, чем IGT. Среднее время цикла типичного широкофюзеляжного двигателя составляет семь часов. Хотя максимальное время цикла для авиационных двигателей может составлять почти 24 часа (на сверхдальних рейсах), оно значительно меньше, чем у IGT. Posted inКоленчатый вал Copyright 2021 Негосударственное частное образовательное учреждение Учебный технический Центр «Светофор». Все права защищены