Распространено воздушное охлаждение, при котором воздух, отбираемый из компрессора, пройдя через каналы системы охлаждения, поступает в проточную часть турбины.
Авиационная газовая турбина служат для привода компрессора турбореактивного двигателя , компрессора и вентилятора двухконтурного турбореактивного двигателя и для привода компрессора и винта турбовинтового двигателя . Авиационная газовая турбина используются также для привода вспомогательных агрегатов двигателей и летательных аппаратов - пусковых устройств (стартеров), электрических генераторов, насосов горючего и окислителя в жидкостном ракетном двигателе .
Развитие Авиационная газовая турбина идёт по пути аэродинамического конструктивного и технологического совершенствования; улучшения газодинамических характеристик проточной части для обеспечения высокого кпд в широком диапазоне изменения режимов работы, характерном для авиационого двигателя; уменьшения массы турбины (при заданной мощности); дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину; применения новейших высокожаропрочных материалов, покрытий и эффективного охлаждения лопаток и дисков турбины. Развитие Авиационная газовая турбина характерно также дальнейшим увеличением числа ступеней: в современных Авиационная газовая турбина число ступеней доходит до восьми.
Лит.: Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины, М., 1956; Скубачевский Г. С., Авиационные газотурбинные двигатели, М., 1965; Абианц В. X., Теория газовых турбин реактивных двигателей, 2 изд., М., 1965.
С. З. Копелев.
Экспериментальные образцы газотурбинных двигателей (ГТД) впервые появились в преддверии Второй мировой войны. Разработки воплотились в жизнь в начале пятидесятых годов: газотурбинные двигатели активно использовались в военном и гражданском самолетостроении. На третьем этапе внедрения в промышленность малые газотурбинные двигатели, представленные микротурбинными электростанциями, начали широко применяться во всех сферах промышленности.
Общие сведения о ГТД
Принцип функционирования общий для всех ГТД и заключается в трансформации энергии сжатого нагретого воздуха в механическую работу вала газовой турбины. Воздух, попадая в направляющий аппарат и компрессор, сжимается и в таком виде попадает в камеру сгорания, где производится впрыскивание топлива и поджег рабочей смеси. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, под высоким давлением проходят сквозь турбину и вращают ее лопатки. Часть энергии вращения расходуется на вращение вала компрессора, но большая часть энергии сжатого газа преобразуется в полезную механическую работу вращения вала турбины. Среди всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки обладают наибольшей мощностью: до 6 кВт/кг.
Работают ГТД на большинстве видов диспергированного топлива, чем выгодно отличаются от прочих ДВС.
Проблемы разработки малых ТГД
При уменьшении размера ГТД происходит уменьшение КПД и удельной мощности по сравнению с обычными турбореактивными двигателями. При этом удельная величина расхода топлива так же возрастает; ухудшаются аэродинамические характеристики проточных участков турбины и компрессора, снижается КПД этих элементов. В камере сгорания, в результате уменьшения расхода воздуха, снижается коэффициент полноты сгорания ТВС.
Снижение КПД узлов ГТД при уменьшении его габаритов приводит к уменьшению КПД всего агрегата. Поэтому, при модернизации модели, конструкторы уделяют особое внимание увеличению КПД отдельно взятых элементов, вплоть до 1%.
Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%. Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину.
Авиационный ГТД «Климов ГТД-350» для вертолета Ми-2
Впервые разработка ГТД-350 началась еще в 1959 году в ОКБ-117 под начальством конструктора С.П. Изотова. Изначально задача состояла в разработке малого двигателя для вертолета МИ-2.
На этапе проектирования были применены экспериментальные установки, использован метод поузловой доводки. В процессе исследования созданы методики расчета малогабаритных лопаточных аппаратов, проводились конструктивные мероприятия по демпфированию высокооборотных роторов. Первые образцы рабочей модели двигателя появились в 1961 году. Воздушные испытания вертолета Ми-2 с ГТД-350 впервые были проведены 22 сентября 1961 года. По результатам испытаний, два вертолетных двигателя разнесли в стороны, переоснастив трансмиссию.
Государственную сертификацию двигатель прошел в 1963 году. Серийное производство открылось в польском городе Жешув в 1964 году под руководством советских специалистов и продолжалось до 1990 года.
Ма лый газотурбинный двигатель отечественного производства ГТД-350 имеет следующие ТТХ:
— вес: 139 кг;
— габариты: 1385 х 626 х 760 мм;
— номинальная мощность на валу свободной турбины: 400 л.с.(295 кВт);
— частота вращения свободной турбины: 24000;
— диапазон рабочих температур -60…+60 ºC;
— удельный расход топлива 0,5 кг/кВт час;
— топливо — керосин;
— мощность крейсерская: 265 л.с;
— мощность взлётная: 400 л.с.
В целях безопасности полетов на вертолет Ми-2 устанавливают 2 двигателя. Спаренная установка позволяет воздушному судну благополучно завершить полет в случае отказа одной из силовых установок.
ГТД — 350 на данный момент морально устарел, в современной малой авиации нужны более можные, надежные и дешевые газотурбинные двигатели. На современный момент новый и перспективным отечественным двигателем является МД-120, корпорации «Салют». Масса двигателя — 35кг, тяга двигателя 120кгс.
Общая схема
Конструктивная схема ГТД-350 несколько необычна за счет расположения камеры сгорания не сразу за компрессором, как в стандартных образцах, а за турбиной. При этом турбина приложена к компрессору. Такая необычная компоновка узлов сокращает длину силовых валов двигателя, следовательно, снижает вес агрегата и позволяет достичь высоких оборотов ротора и экономичности.
В процессе работы двигателя, воздух поступает через ВНА, проходит ступени осевого компрессора, центробежную ступень и достигает воздухосборной улитки. Оттуда, по двум трубам воздух подается в заднюю часть двигателя к камере сгорания, где меняет направление потока на противоположное и поступает на турбинные колеса. Основные узлы ГТД-350: компрессор, камера сгорания, турбина, газосборник и редуктор. Системы двигателя представлены: смазочной, регулировочной и противообледенительной.
Агрегат расчленен на самостоятельные узлы, что позволяет производить отдельные запчасти и обеспечивать их быстрый ремонт. Двигатель постоянно дорабатывается и на сегодняшний день его модификацией и производством занимается ОАО «Климов». Первоначальный ресурс ГТД-350 составлял всего 200 часов, но в процессе модификации был постепенно доведен до 1000 часов. На картинке представлена общая смеха механической связи всех узлов и агрегатов.
Малые ГТД: области применения
Микротурбины применяют в промышленности и быту в качестве автономных источников электроэнергии.
— Мощность микротурбин составляет 30-1000 кВт;
— объем не превышает 4 кубических метра.
Среди преимуществ малых ГТД можно выделить:
— широкий диапазон нагрузок;
— низкая вибрация и уровень шума;
— работа на различных видах топлива;
— небольшие габариты;
— низкий уровень эмиссии выхлопов.
Отрицательные моменты:
— сложность электронной схемы (в стандартном варианте силовая схема выполняется с двойным энергопреобразованием);
— силовая турбина с механизмом поддержания оборотов значительно повышает стоимость и усложняет производство всего агрегата.
На сегодняшний день турбогенераторы не получили такого широкого распространения в России и на постсоветском пространстве, как в странах США и Европы в виду высокой стоимости производства. Однако, по проведенным расчетам, одиночная газотурбинная автономная установка мощностью 100 кВт и КПД 30% может быть использована для энергоснабжения стандартных 80 квартир с газовыми плитами.
Коротенькое видео, использования турбовального двигателя для электрогенератора.
За счет установки абсорбционных холодильников, микротурбина может использоваться в качестве системы кондиционирования и для одновременного охлаждения значительного количества помещений.
Автомобильная промышленность
Малые ГТД продемонстрировали удовлетворительные результаты при проведении дорожных испытаний, однако стоимость автомобиля, за счет сложности элементов конструкции многократно возрастает. ГТД с мощностью 100-1200 л.с. имеют характеристики, подобные бензиновым двигателям, однако в ближайшее время не ожидается массовое производство таких авто. Для решения этих задач необходимо усовершенствовать и удешевить все составляющие части двигателя.
По иному дела обстоят в оборонной промышленности. Военные не обращают внимание на стоимость, для них важнее эксплуатационные характеристики. Военным нужна была мощная, компактная, безотказная силовая установка для танков. И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350. КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000.
Малая авиация
На сегодняшний день высокая стоимость и низкая надежность поршневых двигателей с мощностью 50-150 кВт не позволяют малой авиации России уверенно расправить крылья. Такие двигатели, как «Rotax» не сертифицированы на территории России, а двигатели «Lycoming», применяемые в сельскохозяйственной авиации имеют заведомо завышенную стоимость. Кроме того, они работают на бензине, который не производится в нашей стране, что дополнительно увеличивает стоимость эксплуатации.
Именно малая авиация, как ни одна другая отрасль нуждается в проектах малых ГТД. Развивая инфраструктуру производства малых турбин, можно с уверенностью говорить о возрождении сельскохозяйственной авиации. За рубежом производством малых ГТД занимается достаточное количество фирм. Сфера применения: частные самолеты и беспилотники. Среди моделей для легких самолетов можно выделить чешские двигателиTJ100A, TP100 и TP180, и американский TPR80.
В России со времен СССР малые и средние ГТД разрабатывались в основном для вертолетов и легких самолетов. Их ресурс составлял от 4 до 8 тыс. часов,
На сегодняшний день для нужд вертолета МИ-2 продолжают выпускаться малые ГТД завода «Климов» такие как: ГТД-350, РД-33,ТВЗ-117ВМА, ТВ-2-117А, ВК-2500ПС-03 и ТВ-7-117В.
0Воздушно-реактивные двигатели по способу предварительного сжатия воздуха перед поступлением в камеру сгорания разделяются на компрессорные и бескомпрессорные. В бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях используется скоростной напор воздушного потока. В компрессорных двигателях воздух сжимается компрессором. Компрессорным воздушно-реактивным двигателем является турбореактивный двигатель (ТРД). В группу, получившую название смешанных или комбинированных двигателей, входят турбовинтовые двигатели (ТВД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). Однако конструкция и принцип работы этих двигателей во многом схожи с турбореактивными двигателями. Часто все типы указанных двигателей объединяют под общим названием газотурбинных двигателей (ГТД). В качестве топлива в газотурбинных двигателях используется керосин.
Турбореактивные двигатели
Конструктивные схемы. Турбореактивный двигатель (рис. 100) состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного устройства.
Входное устройство предназначено для подвода воздуха к компрессору двигателя. В зависимости от расположения двигателя на самолете оно может входить в конструкцию самолета или в конструкцию двигателя. Входное устройство способствует повышению давления воздуха перед компрессором.
Дальнейшее повышение давления воздуха происходит в компрессоре. В турбореактивных двигателях применяются компрессоры центробежные (рис. 101) и осевые (см. рис. 100).
В осевом компрессоре при вращении ротора рабочие лопатки, воздействуя на воздух, закручивают его и заставляют двигаться вдоль оси в сторону выхода из компрессора.
В центробежном компрессоре при вращении рабочего колеса воздух увлекается лопатками и под действием центробежных сил движется к периферии. Наиболее широкое применение в современной авиации нашли двигатели с осевым компрессором.
Осевой компрессор включает в себя ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть), к которому крепится входное устройство. Иногда во входных устройствах устанавливаются защитные сетки, предотвращающие попадание в компрессор посторонних предметов, которые могут привести к повреждению лопаток.
Ротор компрессора состоит из нескольких рядов профилированных рабочих лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередующихся вдоль оси вращения. Роторы подразделяют на барабанные (рис. 102, а), дисковые (рис. 102, б) и барабаннодисковые (рис. 102, в).
Статор компрессора состоит из кольцевого набора профилированных лопаток, закрепленных в корпусе. Ряд неподвижных лопаток, называемых спрямляющим аппаратом, в совокупности с рядом рабочих лопаток называется ступенью компрессора.
В современных авиационных турбореактивных двигателях применяются многоступенчатые компрессоры, увеличивающие эффективность процесса сжатия воздуха. Ступени компрессора согласуются между собой таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плавно обтекал лопатки следующей ступени.
Нужное направление воздуха в следующую ступень обеспечивает спрямляющий аппарат. Для этой же цели служит и направляющий аппарат, устанавливаемый перед компрессором. В некоторых конструкциях двигателей направляющий аппарат может отсутствовать.
Одним из основных элементов турбореактивного двигателя является камера сгорания, расположенная за компрессором. В конструктивном отношении камеры сгорания выполняются трубчатыми (рис. 103), кольцевыми (рис. 104), трубчато-кольцевыми (рис. 105).
Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания состоит из жаровой трубы и наружного кожуха, соединенных между собой стаканами подвески. В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные форсунки и завихритель, служащий для стабилизации пламени. На жаровой трубе имеются отверстия для подвода воздуха, предотвращающего перегрев жаровой трубы. Поджигание топливо-воздушной смеси в жаровых трубах осуществляется специальными запальными устройствами, устанавливаемыми на отдельных камерах. Между собой жаровые трубы соединяются патрубками, которые обеспечивают поджигание смеси во всех камерах.
Кольцевая камера сгорания выполняется в форме кольцевой полости, образованной наружным и внутренним кожухами камеры. В передней части кольцевого канала устанавливается кольцевая жаровая труба, а в носовой части жаровой трубы - завихрители и форсунки.
Трубчато-кольцевая камера сгорания состоит из наружного и внутреннего кожухов, образующих кольцевое пространство, внутри которого размещаются индивидуальные жаровые трубы.
Для привода компрессора ТРД служит газовая турбина. В современных двигателях газовые турбины выполняются осевыми. Газовые турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (до шести ступеней). К основным узлам турбины относятся сопловые (направляющие) аппараты и рабочие колеса, состоящие из дисков и расположенных на их ободах рабочих лопаток. Рабочие колеса крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор (рис. 106). Сопловые аппараты располагаются перед рабочими лопатками каждого диска. Совокупность неподвижного соплового аппарата и диска с рабочими лопатками называется ступенью турбины. Рабочие лопатки крепятся к диску турбины при помощи елочного замка (рис. 107).
Выпускное устройство (рис. 108) состоит из выпускной трубы, внутреннего конуса, стойки и реактивного сопла. В некоторых случаях из условий компоновки двигателя на самолете между выпускной трубой и реактивным соплом устанавливается удлинительная труба. Реактивные сопла могут быть с регулируемым и нерегулируемым выходным сечением.
Принцип работы. В отличие от поршневого двигателя рабочий процесс в газотурбинных двигателях не разделен на отдельные такты, а протекает непрерывно.
Принцип работы турбореактивного двигателя заключается в следующем. В полете воздушный поток, набегающий на двигатель, проходит через входное устройство в компрессор. Во входном устройстве происходит предварительное сжатие воздуха и частичное преобразование кинетической энергии движущегося воздушного потока в потенциальную энергию давления. Более значительному сжатию воздух подвергается в компрессоре. В турбореактивных двигателях с осевым компрессором при быстром вращении ротора лопатки компрессора, подобно лопастям вентилятора, прогоняют воздух в сторону камеры сгорания. В установленных за рабочими колесами каждой ступени компрессора спрямляющих аппаратах вследствие диффузорной формы межлопаточных каналов происходит преобразование приобретенной в колесе кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.
В двигателях с центробежным компрессором сжатие воздуха происходит за счет воздействия центробежной силы. Воздух, входя в компрессор, подхватывается лопатками быстро вращающейся крыльчатки и под действием центробежной силы отбрасывается от центра к окружности колеса компрессора. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем большее давление создается компрессором.
Благодаря компрессору ТРД могут создавать тягу при работе на месте. Эффективность процесса сжатия воздуха в компрессоре
характеризуется величиной степени повышения давления π к, которая представляет собой отношение давления воздуха на выходе из компрессора р 2 к давлению атмосферного воздуха р H
Воздух, сжатый во входном устройстве и компрессоре, далее поступает в камеру сгорания, разделяясь на два потока. Одна часть воздуха (первичный воздух), составляющая 25-35% от общего расхода воздуха, направляется непосредственно в жаровую трубу, где происходит основной процесс сгорания. Другая часть воздуха (вторичный воздух) обтекает наружные полости камеры сгорания, охлаждая последнюю, и на выходе из камеры смешивается с продуктами сгорания, уменьшая температуру газовоздушного потока до величины, определяемой жаропрочностью лопаток турбины. Незначительная часть вторичного воздуха через боковые отверстия жаровой трубы проникает в зону горения.
Таким образом, в камере сгорания происходит образование топливо-воздушной смеси путем распыливания топлива через форсунки и смешения его с первичным воздухом, горение смеси и смешение продуктов сгорания со вторичным воздухом. При запуске двигателя зажигание смеси осуществляется специальным запальным устройством, а при дальнейшей работе двигателя топливо-воздушная смесь поджигается уже имеющимся факелом пламени.
Образовавшийся в камере сгорания газовый поток, обладающий высокой температурой и давлением, устремляется на турбину через суживающийся сопловой аппарат. В каналах соплового аппарата скорость газа резко возрастает до 450-500 м/сек и происходит частичное преобразование тепловой (потенциальной) энергии в кинетическую. Газы из соплового аппарата попадают на лопатки турбины, где кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу вращения турбины. Лопатки турбины, вращаясь вместе с дисками, вращают вал двигателя и тем самым обеспечивается работа компрессора.
В рабочих лопатках турбины может происходить либо только процесс преобразования кинетической энергии газа в механическую работу вращения турбины, либо еще и дальнейшее расширение газа с увеличением его скорости. В первом случае газовая турбина называется активной, во втором - реактивной. Во втором случае лопатки турбины, помимо активного воздействия набегающей газовой струи, испытывают и реактивное воздействие за счет ускорения газового потока.
Окончательное расширение газа происходит в выходном устройстве двигателя (реактивном сопле). Здесь давление газового потока уменьшается, а скорость возрастает до 550-650 м/сек (в земных условиях).
Таким образом, потенциальная энергия продуктов сгорания в двигателе преобразуется в кинетическую энергию в процессе расширения (в турбине и выходном сопле). Часть кинетической энергии при этом идет на вращение турбины, которая в свою очередь вращает компрессор, другая часть - на ускорение газового потока (на создание реактивной тяги).
Турбовинтовые двигатели
Устройство и принцип действия. Для современных самолетов,
обладающих большой грузоподъемностью я дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными установками на небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые типы самолетов, предназначенные для полетов с относительно невысокими скоростями и с большой дальностыо, требуют постановки двигателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуществами винтомоторной установки на малых скоростях полета. К таким двигателям относятся турбовинтовые двигатели (ТВД).
Турбовинтовым двигателем называется газотурбинный авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность, большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощности используется для вращения воздушного винта. Принципиальная схема ТВД показана на рис. 109.
Как видно из схемы, турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом двигателе дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна развивать большие обороты (до 20000 об/мин). Если с этой же скоростью будет вращаться воздушный винт, то коэффициент полезного действия последнего будет крайне низким, так как наибольшего значения к. п. д. винта на расчетных режимах полета достигает при 750-1 500 об/мин.
Для уменьшения оборотов воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в турбовинтовом двигателе устанавливается редуктор. На двигателях большой мощности иногда используют два винта, вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воздушных винтов обеспечивает один редуктор.
В некоторых турбовинтовых двигателях компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт - другой. Это создает благоприятные условия для регулирования двигателя.
Тяга у ТВД создается главным образом воздушным винтом (до 90%) и лишь незначительно за счет реакции газовой струи.
В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью срабатывать на турбине ТВД большие теплоперепады, чем на турбине ТРД. Кроме того, применение многоступенчатой турбины позволяет снизить ее обороты и, следовательно, габариты и вес редуктора.
Назначение основных элементов ТВД ничем не отличается от назначения тех же элементов ТРД. Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД. Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре и далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через форсунки впрыскивается топливо. Образовавшиеся в результате сгорания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциальной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полностью расширяясь, производят работу, которая затем передается компрессору, воздушному винту и приводам агрегатов. За турбиной давление газа практически равно атмосферному.
В современных турбовинтовых двигателях сила тяги, получаемая только за счет реакции вытекающей из двигателя газовой струи, составляет 10-20% суммарной силы тяги.
Двухконтурные турбореактивные двигатели
Стремление повысить тяговый коэффициент полезного действия ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРД).
В отличие от ТРД обычной схемы в ДТРД газовая турбина приводит во вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов) низконапорный компрессор, называемый иначе вентилятором второго контура. Привод вентилятора второго контура ДТРД может осуществляться и от отдельной турбины, располагаемой за турбиной компрессора. Простейшая схема ДТРД представлена на рис. 110.
Первый (внутренний) контур ДТРД представляет собой схему обычного ТРД. Вторым (внешним) контуром является кольцевой канал с расположенным в нем вентилятором. Поэтому двухконтурные турбореактивные двигатели называют иногда турбовентиляторными.
Работа ДТРД происходит следующим образом. Набегающий на двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник и далее одна часть воздуха проходит через компрессор высокого давления первого контура, другая - через лопатки вентилятора (компрессора низкого давления) второго контура. Так как схема первого контура представляет собой обычную схему ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему процессу в ТРД. Действие вентилятора второго контура подобно действию многолопастного воздушного винта, вращающегося в кольцевом канале.
ДТРД могут найти применение и на сверхзвуковых летательных аппаратах, но в этом случае для увеличения их тяги необходимо предусматривать сжигание топлива во втором контуре. Для быстрого увеличения (форсирования) тяги ДТРД иногда осуществляется сжигание дополнительного топлива либо в воздушном потоке второго контура, либо за турбиной первого контура.
При сжигании дополнительного топлива во втором контуре необходимо увеличивать площадь его реактивного сопла для сохранения неизменными режимов работы обоих контуров. При несоблюдении этого условия расход воздуха через вентилятор второго контура уменьшится вследствие повышения температуры газа между вентилятором и реактивным соплом второго контура. Это повлечет за собой снижение потребной мощности для вращения вентилятора. Тогда, чтобы сохранить прежние числа оборотов двигателя, придется в первом контуре снизить температуру газа перед турбиной, а это приведет к уменьшению тяги в первом контуре. Повышение суммарной тяги будет недостаточным, а в некоторых случаях суммарная тяга форсированного двигателя может оказаться меньше суммарной тяги обычного ДТРД. Кроме того, форсирование тяги связано с большими удельными расходами топлива. Все эти обстоятельства ограничивают применение данного способа увеличения тяги. Однако форсирование тяги ДТРД может найти широкое применение при сверхзвуковых скоростях полета.
Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
ИДЕЯ применить в автомобилях газотурбинные двигатели возникла давно. Но лишь за последние несколько лет их конструкция достигла той степени совершенства, которая дает им право на существование.
Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии и техники производства обеспечивает теперь реальную
возможность создания надежных газотурбинных двигателей, способных с успехом заменить на автомобиле поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Что представляет собой газотурбинный двигатель?
На рис. показана принципиальная схема такого двигателя. Ротационный компрессор, находящийся на одном валу с газовой турбиной, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания.
Топливный насос, также приводимый в движение от вала турбины, нагнетает топливо в форсунку, установленную в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат на рабочие лопатки колеса газовой турбины и заставляют его вращаться в одном, определенном направлении. Газы, отработавшие в турбине, выпускаются в атмосферу через патрубок. Вал газовой турбины вращается в подшипниках.
По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинный двигатель обладает весьма существенными преимуществами. Правда, он тоже еще не свободен от недостатков, но они постепенно ликвидируются по мере развития конструкции.
Характеризуя газовую турбину, прежде всего следует отметить, что она, как и паровая турбина, может развивать большие обороты. Это дает возможность получать значительную мощность от гораздо меньших по размерам (по сравнению с поршневыми) и почти в 10 раз более легких по весу двигателей.
Вращательное движение вала является по существу единственным видом движения в газовой турбине, в то время как в двигателе внутреннего сгорания, помимо вращательного движения коленчатого вала, имеет место возвратно-поступательное движение поршня, а также сложное движение шатуна. Газотурбинные двигатели не требуют специальных устройств для охлаждения. Отсутствие трущихся деталей при минимальном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособность и высокую надежность газотурбинного двигателя.
Для питания газотурбинного двигателя используется керосин либо топлива типа дизельных.
Основная причина, которая сдерживает развитие автомобильных газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает коэффициент полезного действия двигателя и приводит к повышенному удельному расходу топлива (на 1 л. с). Температуру газа приходится ограничивать для газотурбинных двигателей пассажирских и грузовых автомобилей в пределах 600-700°С, а в авиационных турбинах до 800-900°С потому, что еще очень дороги высокожаропрочные сплавы.
В настоящее время уже существуют некоторые способы повышения коэффициента полезного действия газотурбинных двигателей путем охлаждения лопаток, использования тепла отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха, производства газов в высоко эффективных свободно-поршневых генераторах, работающих по дизель-компрессорному циклу с высокой степенью сжатия и т. д. От успеха работ в этой области во многом зависит решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя.
Принципиальная схема двухвального газотурбинного двигателя с теплообменником
Большинство существующих автомобильных газотурбинных двигателей построено по так называемой двухвальной схеме с теплообменниками. Здесь для привода компрессора 1 служит специальная турбина 8, а для привода колес автомобиля - тяговая турбина 7. Валы турбин не соединены между собой. Газы из камеры сгорания 2 вначале поступают на лопатки турбины привода компрессора, а затем на лопатки тяговой турбины. Воздух, нагнетаемый компрессором, прежде чем поступить в камеры сгорания, подогревается в теплообменниках 3 за счет тепла, отдаваемого отработавшими газами. Применение двухвальной схемы создает выгодную тяговую характеристику газотурбинных двигателей, позволяющую сократить число ступеней в обычной коробке передач автомобиля и улучшить его динамические качества.
Ввиду того, что вал тяговой турбины механически не связан с валом турбины компрессора, число его оборотов может изменяться в зависимости от нагрузки, не оказывая существенного влияния на число оборотов вала компрессора. Вследствие этого характеристика крутящего момента газотурбинного двигателя имеет вид, представленный на рис., где для сопоставления нанесена также и характеристика поршневого автомобильного двигателя (пунктиром).
Из диаграммы видно, что у поршневого двигателя по мере уменьшения числа оборотов, происходящего под влиянием возрастающей нагрузки, крутящий момент вначале несколько возрастает, а затем падает. В то же время у двухвального газотурбинного двигателя крутящий момент автоматически возрастает по мере увеличения нагрузки. В результате необходимость в переключении коробки передач отпадает либо наступает значительно позже, чем у поршневого двигателя. С другой стороны, ускорения при разгоне у двухвального газотурбинного двигателя будут значительно большими.
Характеристика одновального газотурбинного двигателя отличается от показанной на рис. и, как правило, уступает, с точки зрения требований динамики автомобиля, характеристике поршневого двигателя (при равной мощности).
Большую перспективу имеет газотурбинный двигатель. В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в так называемом свободно-поршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и поршневой компрессор, объединенные в общем блоке. Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора.
Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободно-поршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр 4, имеющий прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппозитно перемещаются два поршня, один из которых 9 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень 3 также открывает и закрывает продувочные окна. Поршни связаны между собой легким реечным или рычажным синхронизирующим механизмом, не показанным на схеме. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку 5. В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны, при этом поршень 9 открывает выхлопные окна, через которые газы устремляются в газосборник 7. Затем открываются продувочные окна, через которые в цилиндр 4 поступает сжатый воздух, вытесняет из цилиндра выхлопные газы, смешивается с ними и также поступает в газосборник. За то время, пока продувочные окна остаются открытыми, сжатый воздух успевает очистить цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив таким образом двигатель к следующему рабочему ходу.
С поршнями 3 и 9 связаны компрессорные поршни 2, двигающиеся в своих цилиндрах. При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана 10 открыты, а выпускные 11 закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер 6, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях 1 во время предыдущего рабочего хода. Газы из сборника 7 поступают в тяговую турбину 8, вал которой соединен с трансмиссией. Следующее сопоставление коэффициентов полезного действия показывает, что описанный газотурбинный двигатель уже сейчас по своей эффективности не уступает двигателям внутреннего сгорания:
Дизель 0,26-0,35
Двигатель бензиновый 0,22-0,26
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема без теплообменника 0,12-0,18
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема с теплообменником 0,15-0,25
Газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа 0,25-0,35
Таким образом, КПД лучших образцов турбин не уступает КПД дизелей. Не случайно поэтому количество экспериментальных газотурбинных автомобилей различного типа возрастает с каждым годом. Все новые фирмы в различных странах объявляют о своих работах в этой области.
Этот двухкамерный двигатель, без теплообменника, имеет эффективную мощность 370 л. с. Топливом для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13 000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815° Ц, давление воздуха на выходе из компрессора - 3,5 ат. Общий вес силовой установки, предназначенной для гоночного автомобиля, составляет 351 кг, причем газопроизводящая часть весит 154 кг, а тяговая часть с коробкой передач и передачей на ведущие колеса - 197 кг.
«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.
Российский машиностроительный лидер ОДК
России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков - "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики.
Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.
А начиналось все так просто…
Поиски и пар
Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.
Рождение газовых турбин
Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.
Газовая турбина Николы Тесла
Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.
Принципиальная схема
Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.
Достоинства авиационных турбин
Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.
Есть у газотурбинных двигателей и недостатки
Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.
Охлаждение газовых турбин - сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.
Правильное применение
Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого - газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…
Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.
Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.
Тригенераторные электростанции
Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.
Ядерные энергоустановки
Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.
Широкое применение
Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.