Какое основное предназначение у компрессора авиационного двигателя?

Какое основное предназначение у компрессора авиационного двигателя?

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР В АВИАЦИОННЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Рассмотрим устройство центробежного компрессора (рис. 13, 14). В литом корпусе на специальных подшипниках вращается колесо. Перед колесом укреплены неподвижные направляющие аппараты, которые создают предварительную накрутку потока воздуха перед входом в колесо – отклоняют поток воздуха от осевого направления движения, при этом уменьшается скорость воздуха относительно колеса. Назна­чение закрутки воздуха -увеличить быстроходность колеса (повысить число оборотов).

Рис. 13. Принципиальное устройство центробежного компрессора

Колесо состоит из крыльчатки и заборных лопаток.

Крыльчатка представляет собой диск, имеющий лопатки (идущие по радиусу) с одной или обеих сторон диска.

Если лопатки имеются на одной стороне, то такое колесо называется колесом с односторонним входом воздуха. Если лопатки имеются с. обеих сторон колеса, то оно назы­вается колесом с двухсторонним входом воздуха.

Чаще всего колесо делают с двухсторонним входом воздуха для увеличения количества воздуха, прогоняемого компрессором в одну секунду,

К крыльчатке наглухо крепятся заборные стальные ло­патки, загнутые в сторону вращения колеса, для обеспечения безударного входа воздуха в колесо.

Воздух из колеса попадает в диффузор, а из него через коленообразные патрубки поступает в камеры сгорания.

Рис. 14. Детали колеса компрессора

Главная рабочая часть центробежного компрессора – ко­лесо. Оно получает энергию от газовой турбины и передает ее воздуху. За счет этой энергии повышается давление воз­духа о колесе и увеличивается абсолютная скорость его дви­жения.

Часть энергии, передаваемая колесом воздуху, тратится на преодоление гидравлических сопротивлений, возникаю­щих при движении воздуха.

Рассмотрим подробнее движение воздуха по колесу. Поток воздуха закручивается неподвижным направляю­щим аппаратом и подходит к колесу со скоростью с 1 (рис. 15). Треугольник скоростей на входе в колесо составляют:

с 1 – абсолютная скорость входа воздуха на лопатки;

– и – окружная скорость вращения лопатки (знак минус показывает, что вращение колеса происходит навстречу дви­жения частиц воздуха);

w 1 – скорость движения частиц воздуха относительна лопатки.

Колесо вращается с очень большими оборотами: 10000—15000 в минуту (160—250 оборотов в секунду). Окружная скорость на ободе колеса достигает 450— 500 м/сек и более.

Лопатки колеса, захватив частицы воздуха, увлекают их и заставляют вращаться с такой же большой скоростью.

Обозначим через т массу частички воздуха и через r радиус, где находится эта частичка.

Величина радиуса будет все время увеличиваться при движении частички от входа в колесо до выхода из него.

Центробежная сила, отбрасывающая частичку воздуха к краю колеса, определяется по известному из физики уравнению:

Значит, чем дальше будет частица воздуха удаляться от оси вращения колеса, тем больше будет ее окружная скорость и, следовательно, больше будет центробежная сила, дей­ствующая на частицу воздуха и сжимающая ее. Масса же воздуха состоит из бесчисленного количества этих элемен­тарных частиц.

Рис. 15. Треугольники скоростей воздуха на входе и выходе колеса

Таким образом, воздух, прогоняемый колесом, сжимается, кроме того, увеличивается абсолютная скорость его дви­жений.

Треугольник скоростей на выходе из колеса будет состав­лен скоростями:

с к – абсолютная окружная скорость воздуха на выходе из колеса;

u k – окружная скорость лопатки на краю колеса;

w k – относительная скорость выхода воздуха из колеса.

Вектор относительной скорости отклонен против враще­ния колеса, так как воздух отстает от вращающегося колеса. Величина отставания воздушного потока на выходе из колеса зависит главным образом от числа и длины лопаток колеса . Чем больше лопаток, тем труднее частице воздуха отклониться от радиального направления. Но чем больше лопаток, тем меньше канал для прохода воздуха и тем труд­нее воздуху проходить по этому каналу.

На выходе из колеса воздух имеет давление 2,2 – 2,5 кг/см и абсолютную скорость порядка 450 – 550 м/сек, полученные за счет энергии, сообщенной воздуху колесом. С такими параметрами воздух поступает в диффузор. Диффузор пред­ставляет расширяющийся канал, в котором происходит уменьшение скорости потока воздуха. Он служит для преоб­разования скоростной энергии в потенциальную, т. е. в энер­гию давления воздуха.

Рис. 16. Лопаточный диффузор

Диффузоры делятся на два типа: щелевые и лопаточные. Конструктивно они выполняются вместе (рис. 16, 17).

Щелевой диффузор представляет собой кольцевую щель между колесом и лопаточным диффузором; вели­чина щели колеблется (в различных ТРД) в пределах 12 – 30 мм.

В щелевом диффузоре происходит некоторое выравнива­ние скоростей воздушного потока, (что улучшает устойчивость работы компрессора) и понижение скорости движения воз­духа.

Рис. 17. Схема щелевого и лопаточного диффузоров

Лопаточный диффузор .представляет решетку из лопаток, расположенных по окружности.

Между лопатками образуются расширяющиеся каналы.

Установка лопаток сокращает путь частиц воздуха, что уменьшает потери на трение. При движении воздуха по рас­ширяющемуся каналу лопаточного диффузора уменьшается скорость и повышается давление воздуха (так же как в спрямляющем аппарате осевого компрессора).

Параметры воздуха (с, р, Т) в элементах центробежного компрессора изменяются следующим образом (рис. 18). В неподвижном направляющем аппарате скорость воздуха увеличивается, давление и температура падают – участок а – 1.

В колесе за счет затраты энергии происходят сжатие воздуха и увеличение скорости его движения; температура воз­духа повышается как за счет сжатия, так и за счет тепла тре­ния (сечение в — в).

Наконец в диффузоре и коленообразных патрубках за счет уменьшения скорости потока воздуха его давление и тем­пература увеличиваются (сечение 2 – 2).

Рис. 18. Изменение параметров воздуха в элементах центробежного компрессора

Примерные величины давления, температуры и скорости воздушного потока и элементах центробежного компрессора показаны на рис. 18.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Авиационные газотурбинные двигатели.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после – в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

  • забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
  • сжатие – 2 (компрессор)
  • смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
  • выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
  • Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

Будет полезно:  Как ставить направленные шины?

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

  • турбореактивные
  • турбовинтовые
  • турбовентиляторные
  • турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

  • по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
  • по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
  • по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
  • по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
  • по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

Газотурбинный двигатель. Видео.

КОМПРЕССОР

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Компрессор газотурбинного двигателя предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. Сжатие воздуха необходимо для более полного преоб­разования подводимого в камеру сгорания тепла в ки­нетическую энергию газового потока. Это наглядно вид­но из формулы, выражающей зависимость термическо­го коэффициента полезного действия двигателя (щ) от степени повышения давления компрессора

где лк — степень повышения давления в компрессоре; к — показатель адиабаты.

Анализ формулы показывает, что при отсутствии сжатия (лк=1) термический КПД равен нулю и, сле­довательно, введенное в двигатель тепло в результате сгорания топлива не идет на увеличение кинетической энергии газа. С увеличением степени повышения дав­ления повышается термический КПД, возрастает эф­фективность использования подводимого в двигатель тепла. Поэтому одним из основных требований, предъ­являемых к компрессорам, наряду с требованиями обес­печения надежной и устойчивой работы на всех эксплуа­тационных* режимах, предъявляются требования обес­печить возможность получения больших степеней сжа­тия при малой массе и габаритах.

Возможность удовлетворения этих требований в зна­чительной степени определяется конструкцией компрес­сора. По конструкции компрессоры современных авиационных двигателей разделяются на два типа: центробежные и осевые.

Центробежные компрессоры имеют целый ряд пре­имуществ перед осевыми: простота конструкции и ма­лая трудоемкость в изготовлении, удовлетворительная характеристика при переменных режимах работы, воз­можность получения больших степеней повышения дав­ления в одной ступени (яСт = 3…6).

Основные недостатки центробежных компрессоров по сравнению с осевыми — меньший КПД, небольшая пропускная способность и большие габаритные разме­ры в поперечном направлении.

Осевые компрессоры имеют более высокий коэффи­циент полезного действия, большую пропускную способ­ность, выполняются многоступенчатыми, а потому име­ют более высокую степень повышения давления и, сле­довательно, более высокий КПД, однако они более сложны и дороги в изготовлении, менее устойчивы в газодинамическом отношении и менее надежны в экс­плуатации.

Высокая надежность, простота конструкции и боль­шая газодинамическая устойчивость предопределили использование на двигателе М701 центробежного ком­прессора.

Центробежный компрессор (рис. 85) состоит из ро­тора и статора. Лопатки вращающегося направляюще­го аппарата (воздухозаборника) совместно с лопатками рабочего колеса образуют межлопаточные каналы и вместе с корпусом — проточную часть компрессора.

Рабочее колесо с вращающимся направляющим ап­паратом (ВНА) и валом образуют ротор компрессора, а корпус компрессора с диффузором — его статор. Вра­щающийся направляющий аппарат — это спрофилиро­ванный лопаточный венец, обеспечивающий безударный вход воздуха на лопатки рабочего колеса.

На входе во ВНА величина и направление относи­тельной скорости W определяются величинами абсо­лютной скорости С и изменяющейся по высоте лопаток окружной скорости U (рис. 86).

Для обеспечения безударного входа углы загиба ло­паток ВНА делают близкими к углам направле­ния относительной скорости Wi. Поскольку направле­ние относительной скорости меняется по высоте лопат­ки, углы загиба лопаток ВНА также изменяются про­порционально высоте лопатки, увеличиваясь от втулки к периферии.

Рис. 85. Про­дольный раз­рез компрессо­ра двигателя М70ІС-500:

1—входной кор­пус компрессо­ра; 2—передняя стенка компрес­сора; 3—перед­нее опорное кольцо лопаточ­ного диффузо­ра; 4 — фланец отбора воздуха для охлажде­ния узла тур­бины; 5—заднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 6— крыльчатка компрессора;

7 — передний вал; 8 — основ­ной вал ротора; 9 — силовой ко­нус; 10—задний корпус компрес­сора; 11 — гор­ловина заднего корпуса ком­прессора; 12— нижний узел крепления дви­гателя; 13—ло­патка диффузо­ра; 14—штифт; 15 — передний подшипник с корпусом пе­реднего уплот­нения; 16—вра­щающийся на­правляющий ап­парат крыль­чатки компрес­сора

В межлопаточных каналах происходит поворот воз­душного потока, вращающийся направляющий аппарат вовлекает воздушный поток во вращение, закручивает его и сообщает ему кинетическую энергию вращатель­ного движения.

Рис. 86. Треугольник ско-
ростей воздуха на входе В;
колесо центробежного ком-
прессора

В межлопаточных каналах колеса центро­бежного компрессора.: поток воздуха, посту — ^ лающий из ВНА, дви­жется в направлении от центра к периферии с непрерывным возра­станием окружной ско­рости. На двигателе М701 окружная ско­рость колеса компрес­сора меняется от 130 м/с у втулки до 450 м/с на периферии (на максимальном режиме работы дви­гателя). Вращение потока вызывает появление центро­бежных сил, повышающих давление воздуха. Таким образом, из колеса выходит закрученный воздушный поток с большой скоростью, т. е. обладающий большой кинетической энергией.

Из колеса воздушный поток поступает в диффузор, в котором полученная кинетическая энергия превраща­ется в работу сжатия. Поэтому на выходе из диффу­зора скорость воздуха уменьшается, а давление и тем­пература увеличиваются.

Процесс сжатия воздуха в компрессоре происходит с определенными потерями. Так, вследствие вязкости воздуха при вращении колеса происходит трение возду­ха, окружающего колесо, и воздуха, движущегося по межлопаточным каналам, о стенки колеса. Это трение создает дополнительный момент сопротивления враще­нию колеса и требует на его преодоление затрат допол­нительной работы, которая входит составной частью в работу, затрачиваемую на вращение компрессора. Ос­новную часть потерь вызывает трение торцевых повен ч — ностей лопаток колеса и воздуха, движущегося по э:” му колесу, о воздух, находящийся в осевых зазорах между колесом и корпусом компрессора.

Кроме трения воздуха, увлеченного во вращение ло­патками колеса, о стенки корпуса значительное влия­ние на величину потерь оказывает перетекание воздуха по зазорам между торцами лопаток и стенкой корпуса. Это приводит к возникновению дополнительных гидрав­лических потерь. Перетекание воздуха обусловливается наличием разности давлений с обеих сторон лопатки колеса, которая, в свою очередь, является следствием радиального относительного движения воздуха в коле­се и абсолютного движения по спирали с возрастающей окружной скоростью, вызывающих появление сил, дей­ствующих перпендикулярно относительной скорости в сторону, обратную направлению движения. Действие этих сил создает перепад давления по обе стороны ло­паток, что является источником возникновения момен­та сопротивления, на преодоление которого необходимо затратить работу. Поскольку величина зазора между лопатками колеса компрессора и корпусом существенно влияет на величину потерь, а следовательно, и на коэф­фициент полезного действия компрессора, этот зазор конструктивно стараются сделать минимальным.

Будет полезно:  Лампочки ближнего света Н4 какие лучше?

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Авиационные газотурбинные двигатели.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после – в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

  • забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
  • сжатие – 2 (компрессор)
  • смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
  • выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
  • Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

  • турбореактивные
  • турбовинтовые
  • турбовентиляторные
  • турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

  • по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
  • по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
  • по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
  • по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
  • по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

Газотурбинный двигатель. Видео.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором

Турбореактивный двигатель (ТРД) – это наиболее известный и востребованный тип газотурбинных двигателей (ГТД), который широко используется в гражданской и военной авиации. ТРД, как и все остальные виды ГТД, относятся к тепловым машинам, а это значит, что выработанная ими энергия получена в результате сжигания топлива. Именно эти двигатели стали первыми газотурбинными двигателями, которые заменили собой поршневые в авиастроении.

История ТРД берет начало в 30-х годах, когда в СССР и Европе были проведены исследования и созданы первые опытные образцы турбореактивных двигателей для самолетов: отечественные АЛ, немецкий HeS3B, английский W. Вскоре интерес к ним проявили и авиаконструкторы из США и Японии. Первый советский турбореактивный истребитель ЯК-15, оснащенный двигателем РД-10 появился сразу после Второй Мировой Войны – в 1946 году. С тех пор практически все военные самолеты летали именно на реактивных двигателях.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

Все модели двигателей семейства ГТД имеют схожее строение, а их работа основывается на вращении турбины, что и дало название всему семейству. Строение турбореактивного двигателя с одной стороны проще, чем у других видов, но с другой имеет ряд особенностей. Итак, ТРД состоит из компрессора, камеры (или нескольких камер) сгорания, турбины и сопла. Другие виды ГТД имеют еще и дополнительные валы, выполняющие определенную полезную работу, но в данном случае их нет, что и упрощает конструкцию, а также снижает вес.

Будет полезно:  АКБ не держит заряд что делать?

Принцип работы ТРД соответствует принципу работы всех ГТД. Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней воздух перемешивается с впрыснутым форсунками топливом, образуя топливный заряд, который при сгорании расширяется. Расширенные газы направляются в сторону турбины, вращая ее, а остатки неиспользованной энергии выходят через сужающееся сопло, образуя реактивную тягу, которая и является движущей силой. Турбина, вращаясь, приводит в движение компрессор, связанный с ней механически.

Теперь более подробно о каждой составляющей ТРД. Турбореактивные двигатели отличаются между собой по типу компрессоров, которые в них устанавливаются. Они могут быть осевыми, центробежными или комбинированными. В данной статье будут рассматриваться ТРД с осевым компрессором.

Элементы двигателя

Осевой компрессор

Осевой компрессор представляет собой вал с подвижными дисками, на концах которых закреплены рабочие лопатки, называемый ротором, а между этими дисками находятся неподвижные направляющие лопатки, закрепленные на внутренней стороне корпуса, — статор. Ротор работает, как обычный вентилятор, только лопастей у него больше и скорость вращения выше. Поток воздуха, пройдя через подвижные лопатки, закручивается, и чтобы его выровнять, используется статор. Неподвижные лопатки статора тормозят воздух и придают ему нужный вектор движения, направленный вдоль оси вала. Именно поэтому компрессор и называется осевым.

Каждая пара рабочих и направляющих лопаток формирует одну ступень компрессора. Таких ступеней обычно несколько (их число может достигать 15) и расположены они одна за другой. В результате получается чередование подвижных и неподвижных лопаток, расположенных вдоль вала. Одна ступень увеличивает давление воздуха в незначительной степени, но при прохождении всех их оно достигает нужного значения. Уменьшение скорости на статоре увеличивает давление и температуру, так что на следующую ступень воздух поступает уже сжатым и нагретым. С каждой последующей ступенью давление и температура в компрессоре повышаются. Количество ступеней определяется при проектировании двигателя и зависит от требуемого значения степени сжатия в камере сгорания.

Для получения большего значения величины давления корпус компрессора может постепенно сужаться, что дополнительно увеличивает напор внутри и контролирует осевое направление движения потока. С этой же целью ротор может иметь конусную форму, а в некоторых случаях сечение канала сужается путем комбинирования конусной формы и корпуса, и ротора.

Компрессор может быть одно- или многокаскадным. Первый тип представляет собой ротор и статор с необходимым числом ступеней. Он используется в обычных турбореактивных двигателях. Многокаскадный компрессор – это два и более узла, каждый из которых оснащен своей приводной турбиной. Его использование позволяет более точно и эффективно управлять режимами работы двигателя и настраивать их под определенную нагрузку. Такие компрессоры нашли применение как на обычных, так и на двухконтурных ТРД.

Если сравнивать осевой и цетробежный компрессоры, более эффективным считается первый. КПД осевого компрессора может достигать 90%, к тому же он более легкий и компактный и имеет большую производительность. Именно поэтому авиаконструкторы чаще отдают предпочтение именно ему.

Камера сгорания

Камера сгорания газотурбинных двигателей в основном представлена 3 типами. Камера сгорания представляющая собой «кольцо», которое охватывает корпус мотора, или же отдельные трубы, называемые жаровыми, а вот гибрид этих двух КС, так называемый трубчато-кольцевая камера сгорания использовалась в переходный момент от трубчатой КС к кольцевой КС и редко где встречается. Поверхность камеры сгорания имеет своеобразную перфорацию для эффективного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В ней расположены форсунки, подающие топливо (в самолетах это авиационный керосин). При контакте с сжатым горячим воздухом оно воспламеняется, в результате чего образуются расширенные газы с высоким зарядом энергии.

Основная функция камеры сгорания, это подвод тепловой энергии к воздушному потоку, получаемой в результате химической реакции окисления топлива кислородом воздуха, то есть попросту его сгорания. Дополнительная энергия подводимая к потоку, проходящему через камеру сгорания в частности и всецело через двигатель, позволяет уравновесить потери, и разогнать этот поток в сопле с целью получения достаточной тяги для придания движения двигателю и как следствие, летательному аппарату.

Турбина

Турбина – это «компрессор наоборот»: если лопасти компрессора вращаются, чтобы затягивать воздух в корпус, то лопасти турбины вращаются, потому что на них воздействуют расширенные газы. По своей структуре турбина практически не отличается от компрессора, имея неподвижные лопатки статора и подвижные ротора. Но в ее случае статор находится впереди, а ротор – за ним (сначала поток газов выпрямляется, а затем попадает на рабочие лопатки). Ступеней у турбины меньше, обычно их количество не более 4-х, а то и меньше; есть даже одноступенчатые модели. Работает турбина следующим образом: из камеры сгорания расширенные газы попадают на рабочие лопатки и вращают их. Поскольку основная и единственная задача турбины ТРД – вращение компрессора, ей достаточно небольшого количества ступеней. Излишек энергии, не потраченный на вращение турбинного ротора, в прямом смысле слова «вылетает в трубу», то есть в сопло, обеспечивая реактивную тягу.

Сопловой аппарат

Сопла ТРД тоже бывают разными. Они могут иметь переменное сечение, сужаясь к выходу, а могут сначала сужаться, а затем расширяться. В некоторых моделях самолетов можно регулировать сечение сопла и направление тяги, могут быть устройство реверса или отклонения вектора тяги, различные шумопоглощающие устройства или приспособления для снижения инфракрасной заметности. Сопловой аппарат это так же и форсажная камера.

Основная задача сопла — это формирования необходимых параметров потока газа, выходящего из двигателя. Срабатывание энергии газа в поступательную энергию двигателя и движение самолета. Сопла для реактивных двигателей бывают 2 видов, в зависимости от расчетной скорости полета самолета. Для двигателей самолетов, летающих с дозвуковой скоростью применяют сопло со сужающимся сечением к срезу сопла. Сопло для двигателей сверхзвуковых самолетов применяют уже с расширяющимся сечением к срезу сопла, так называемое сопло Лаваля.

1 — обычное жесткое сужающееся сопло, 2 — сопло Витошинского, 3 — сопло Лаваля

В современной авиации из соображений наибольшей оптимальности работы двигателей на всех режимах полета самолета (максимального приближения к расчетному режиму), то есть обеспечения большой тяги с минимальными потерями, сверхзвуковые сопла делаются регулируемыми.

Система управления двигателем

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, турбореактивный двигатель – это сложная система, которой практически полностью управляет «умная» автоматика. Пилот определяет нагрузку с помощью одного только рычага, тогда как многочисленные датчики и регуляторы выполняют остальную работу, настраивая двигатель на нужный режим работы.

Преимущества и недостатки

Турбореактивными двигателями с осевым компрессором оснащаются большинство самолетов с ТРД. К ним относятся большинство современных гражданских самолетов, а также военные истребители и бомбардировщики. Такое широкое применение объясняется наличием у турбореактивного двигателя ряда преимуществ, выгодно выделяющих их среди других видов моторов. Во-первых, их конструкция наиболее простая среди ГТД, во-вторых, они имеют компактные габариты и малый вес, в-третьих, они менее шумные, чем турбовинтовые (ТВД) или турбовальные (ТВаД) двигатели. Но главным их преимуществом является возможность преодолевать звуковой барьер, что особенно важно в военной авиации.

К недостаткам ТРД можно отнести их «прожорливость». Среди моторов семейства ГТД они занимают первое место по расходу топлива, так что порой намного выгоднее заменить их теми же ТВД. Это объясняет то, что они редко используются на самолетах с низкими скоростями, летающими на дальние расстояния. Еще один недостаток – их дороговизна. Достаточно представить, в каких условиях работает турбина, чтобы понять: обыкновенные материалы не смогут выдержать таких нагрузок. Для изготовления лопастей турбин используются сверхпрочные жаростойкие материалы, способные выдержать «адские» условия работы, а стоят они, соответственно, немало.

В последнее время традиционные турбореактивные двигатели начали вытесняться другими своими подвидами, например, двухконтурными ТРД. Прогресс не стоит на месте, а авиаконструкторы постоянно борются за повышение мощности и эффективности моторов в комплексе с уменьшением их веса, что так важно для авиации. И все же ТРД рано списывать со счетов – они по-прежнему востребованы, о чем свидетельствует их широкое применение.

Небольшое видео, представленное ниже про работу турбовентиляторного двигателя, продемонстрирует работу турбореактивного двигателя с осевым компрессором, т.к. принцип у них одинаков.

Источники:

http://avia.pro/blog/gazoturbinnyy-dvigatel-foto-stroenie-harakteristiki

http://ooobskspetsavia.ru/2015/10/03/kompressor/

http://avia.pro/blog/gazoturbinnyy-dvigatel-foto-stroenie-harakteristiki

http://zewerok.ru/osevoy_trd/

http://drivertip.ru/repair/kak-proverit-podushki-dvigatelja-avtomobilja.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector