Какое основное предназначение у компрессора авиационного двигателя. Компрессор авиационного двигателя: назначение, принцип работы и ключевые характеристики

Какое основное предназначение компрессора в авиационном двигателе. Как устроен компрессор авиационного двигателя. Какие бывают типы компрессоров в авиадвигателях. Какие ключевые параметры характеризуют работу компрессора. Почему компрессор так важен для эффективности двигателя.

Назначение компрессора в авиационном двигателе

Компрессор является одним из ключевых элементов авиационного газотурбинного двигателя. Его основное назначение — сжатие воздуха, поступающего во входное устройство двигателя, перед подачей в камеру сгорания. Это необходимо для повышения эффективности работы двигателя в целом.

Сжатый компрессором воздух обеспечивает:

• Более интенсивное и полное сгорание топлива в камере сгорания
• Увеличение мощности, развиваемой турбиной
• Повышение тяги двигателя
• Улучшение экономичности двигателя

Принцип работы компрессора авиадвигателя

Как работает компрессор авиационного двигателя? Принцип его действия основан на передаче энергии от вращающихся лопаток к потоку воздуха. При этом происходит:

1. Увеличение скорости воздушного потока на рабочих лопатках
2. Повышение давления воздуха в направляющих лопатках
3. Сжатие и нагрев воздуха по мере его продвижения через ступени компрессора

В результате на выходе из компрессора воздух имеет высокое давление и температуру, что необходимо для эффективной работы камеры сгорания и турбины.

Основные типы компрессоров в авиадвигателях

В авиационных двигателях применяются два основных типа компрессоров:

Осевой компрессор

Особенности осевого компрессора:

• Воздушный поток движется вдоль оси двигателя
• Состоит из чередующихся рядов вращающихся и неподвижных лопаток
• Обеспечивает высокую степень сжатия при большом расходе воздуха
• Применяется в большинстве современных турбореактивных и турбовентиляторных двигателей

Центробежный компрессор

Характеристики центробежного компрессора:

• Воздух разгоняется за счет центробежной силы
• Обеспечивает высокую степень сжатия в одной ступени
• Имеет меньшие габариты по сравнению с осевым
• Применяется в основном в малоразмерных двигателях и вспомогательных силовых установках

Ключевые параметры компрессора авиадвигателя

Эффективность работы компрессора характеризуется следующими основными параметрами:

Степень повышения давления

Степень повышения давления показывает, во сколько раз увеличивается давление воздуха после прохождения через компрессор. В современных авиадвигателях этот показатель может достигать 40-45.

Расход воздуха

Расход воздуха определяет количество воздуха, проходящего через компрессор в единицу времени. От этого параметра зависит тяга двигателя.

КПД компрессора

КПД компрессора показывает, насколько эффективно энергия вращения ротора преобразуется в энергию сжатого воздуха. Современные компрессоры имеют КПД до 85-90%.

Многоступенчатые компрессоры в авиадвигателях

Для достижения высоких степеней сжатия в авиадвигателях применяются многоступенчатые компрессоры. Они имеют ряд преимуществ:

• Позволяют достичь более высокой степени сжатия
• Обеспечивают более стабильную работу на различных режимах
• Дают возможность оптимизировать параметры каждой ступени

Количество ступеней в современных компрессорах может достигать 15-20.

Регулирование работы компрессора

Для обеспечения устойчивой работы компрессора на различных режимах применяются методы регулирования:

• Поворотные направляющие лопатки
• Перепуск воздуха из промежуточных ступеней
• Многокаскадная схема компрессора

Эти методы позволяют избежать помпажа и обеспечить эффективную работу двигателя в широком диапазоне условий.

Материалы для изготовления компрессоров

Выбор материалов для компрессора авиадвигателя крайне важен. Основные требования к ним:

• Высокая прочность
• Малый удельный вес
• Устойчивость к высоким температурам
• Сопротивление усталостным нагрузкам

Для изготовления компрессоров применяются:

• Титановые сплавы
• Жаропрочные стали
• Композитные материалы (в перспективных разработках)

Влияние компрессора на характеристики двигателя

Компрессор оказывает значительное влияние на основные характеристики авиадвигателя:

• Тягу
• Удельный расход топлива
• Массогабаритные показатели
• Надежность и ресурс

Повышение эффективности компрессора позволяет улучшить все эти параметры, что делает его совершенствование одним из приоритетных направлений развития авиационного двигателестроения.

Проблемы и вызовы в разработке компрессоров

Несмотря на достигнутые успехи, разработчики компрессоров сталкиваются с рядом проблем:

• Повышение степени сжатия при сохранении устойчивой работы
• Снижение массы при обеспечении необходимой прочности
• Уменьшение потерь и повышение КПД
• Обеспечение надежной работы в широком диапазоне условий

Решение этих задач требует применения передовых технологий проектирования, новых материалов и методов производства.

Перспективы развития компрессоров авиадвигателей

Основные направления совершенствования компрессоров авиационных двигателей включают:

• Применение трехмерного проектирования лопаток
• Использование композитных материалов
• Внедрение активных методов управления потоком
• Разработку адаптивных конструкций
• Интеграцию компрессора с другими узлами двигателя

Эти инновации позволят создать более эффективные, легкие и надежные компрессоры для авиадвигателей следующих поколений.

Морской флот —

description

bookmark access_time2 годыназад personadmin chat_bubble0

Для особо сильно нагруженных узлов с большим крутящим моментом, применяются эвольвентные шлицевые соединения. Они способны выдерживать динамические нагрузки и работать …

description

Отвертка — простейший инструмент, который всегда должен быть под рукой: дома, на даче, в гараже, ведь трудно представить какое-либо изделие, …

description

После заливки бетонного пола на его поверхности обычно появляются различные неровности, которые могут стать причиной некачественного монтажа напольного покрытия. Чтобы …

description

Современные угловые шлифмашины, более известные как приборы под названием «болгарки», используются для различных технологических процессов при строительстве и ремонте. Подбирая …

description

Шлифовка придаёт внутреннему пространству дома из бруса красоту и завершённость. Даже строганый брус после усушки покрывается ворсом, это свойство присуще …

description

Когда деталь готова, ее поверхность следует тщательно отшлифовать. У деталей из цельного дерева принято сглаживать спилы или удалять следы клея, …

description

Какие преимущества ручной шлифовки? Шлифование дерева вручную хоть и требует больших трудозатрат, но взамен обеспечивает ряд важных преимуществ: менее агрессивную …

description

При проведении различного типа ремонта, на момент производства мебели или деревянных вещей нередко приходится проводить шлифование древесины. Существует довольно много …

description

Рекомендованные сообщения Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий Создать аккаунт Зарегистрируйтесь …

description

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек – в наличии на складе! Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность …

ЦИАМ

Array
(
    [0] => Array
        (
            [TEXT] => Учебный центр ЦИАМ
            [LINK] => /education/training-center/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 1
        )

    [1] => Array
        (
            [TEXT] => Основные сведения
            [LINK] => http://ciam.ru/education/training-center/serunya-information-/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => Z
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Основные сведения
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [2] => Array
        (
            [TEXT] => Структура и органы управления
            [LINK] => /education/training-center/structure/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Структура и органы управления
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [3] => Array
        (
            [TEXT] => Документы
            [LINK] => /education/training-center/documents/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 2
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Документы
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [4] => Array
        (
            [TEXT] => Образование
            [LINK] => /education/training-center/education chiled
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 3
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Образование
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [5] => Array
        (
            [TEXT] => Образовательные стандарты
            [LINK] => /education/training-center/educational-standards/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 4
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Образовательные стандарты
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [6] => Array
        (
            [TEXT] => Руководство. Педагогический (научно-педагогический состав)
            [LINK] => /education/training-center/guide
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 5
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Руководство. Педагогический (научно-педагогический состав)
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [7] => Array
        (
            [TEXT] => Материально-техническое обеспечение и оснащенность образовательного процесса
            [LINK] => /education/training-center/equipment/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 6
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Материально-техническое обеспечение и оснащенность образовательного процесса
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [8] => Array
        (
            [TEXT] => Стипендии и иные виды материальной поддержки
            [LINK] => /education/training-center/stipendi
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 7
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Стипендии и иные виды материальной поддержки
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [9] => Array
        (
            [TEXT] => Платные образовательные услуги
            [LINK] => /education/training-center/paid_education/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 8
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Платные образовательные услуги
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [10] => Array
        (
            [TEXT] => Финансово-хозяйственная деятельность
            [LINK] => /education/training-center/economic_activity/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 9
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Финансово-хозяйственная деятельность
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [11] => Array
        (
            [TEXT] => Вакантные места для приема (перевода)
            [LINK] => /education/training-center/vacant
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 10
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Вакантные места для приема (перевода)
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [12] => Array
        (
            [TEXT] => Доступная среда
            [LINK] => /education/training-center/dostupnaya-sreda
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 11
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Доступная среда
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [13] => Array
        (
            [TEXT] => Международное сотрудничество
            [LINK] => /education/training-center/mezhdunarodnoe-sotrudnichestvo
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 12
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Учебный центр ЦИАМ
                    [1] => Международное сотрудничество
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [14] => Array
        (
            [TEXT] => Высшее образование
            [LINK] => /education/higher-educated/departments-of-universities
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Высшее образование
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

    [15] => Array
        (
            [TEXT] => Аспирантура
            [LINK] => /education/postgraduate/
            [SELECTED] => 1
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 2
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 1
        )

    [16] => Array
        (
            [TEXT] => Общая информация
            [LINK] => /education/postgraduate/information/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                    [1] => Общая информация
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [17] => Array
        (
            [TEXT] => Нормативные документы
            [LINK] => /education/postgraduate/regulatory-documents/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                    [1] => Нормативные документы
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [18] => Array
        (
            [TEXT] => Поступающим
            [LINK] => /education/postgraduate/coming/
            [SELECTED] => 1
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 2
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                    [1] => Поступающим
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [19] => Array
        (
            [TEXT] => Приказы и распоряжения по аспирантуре
            [LINK] => /education/postgraduate/orders-and-instructions-for-the-graduate-school
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 3
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                    [1] => Приказы и распоряжения по аспирантуре
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [20] => Array
        (
            [TEXT] => Аспирантам
            [LINK] => /education/postgraduate/graduate-student/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 4
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Аспирантура
                    [1] => Аспирантам
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [21] => Array
        (
            [TEXT] => Дополнительное профессиональное образование
            [LINK] => /education/additional-professional-education/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 3
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Дополнительное профессиональное образование
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 1
        )

    [22] => Array
        (
            [TEXT] => Общая информация
            [LINK] => /education/additional-professional-education/general-information
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 0
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Дополнительное профессиональное образование
                    [1] => Общая информация
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [23] => Array
        (
            [TEXT] => Программы дополнительного профессионального образования
            [LINK] => /education/additional-professional-education/programs-of-additional-professional-education
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => P
            [ITEM_INDEX] => 1
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Дополнительное профессиональное образование
                    [1] => Программы дополнительного профессионального образования
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 2
            [IS_PARENT] => 
        )

    [24] => Array
        (
            [TEXT] => Целевое обучение
            [LINK] => /education/the-target-set/rules-of-admission/
            [SELECTED] => 
            [PERMISSION] => R
            [ADDITIONAL_LINKS] => Array
                (
                )

            [ITEM_TYPE] => D
            [ITEM_INDEX] => 4
            [PARAMS] => Array
                (
                )

            [CHAIN] => Array
                (
                    [0] => Целевое обучение
                )

            [DEPTH_LEVEL] => 1
            [IS_PARENT] => 
        )

)

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.

«Создание производства восстановления рабочих лопаток газотурбинных двигателей методом лазерной наплавки»

Заказчик НИОКТР: ЗАО Плакарт

Договор с Минобрнауки России от «27» апреля 2016 г. № 02.G25.31.0215

Руководитель проекта: Туричин Глеб Андреевич

Главная цель проекта заключается в создании на базе ЗАО «Плакарт» высокотехнологичного производства по восстановлению турбинных лопаток из высоколегированных жаропрочных сплавов с использованием технологии высокопроизводительной лазерной наплавки.

Для достижения поставленной цели в рамках проекта решаются следующие задачи:

  •      Проводятся теоретические и экспериментальные исследования получения однослойных и многослойных покрытий из порошков жаропрочных сплавов методом лазерной наплавки.

  •      Разрабатывается технология получения покрытий для ремонта деталей из жаропрочных сплавов с использованием мощных волоконных лазеров.

  •      Разрабатывается и изготавливается лазерный технологический комплекс на базе волоконного 700 Вт лазера для ремонта, восстановления деталей из жаропрочных сплавов на металлической основе.

К выполнению работ привлекаются организации-соисполнители (участники консорциума):

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»).

ООО «Темпо»

Конечный потребитель: АО «ОДК-Пермские моторы»

Основные планируемые результаты проекта

— Технология восстановления торцов и гребешков бандажных полок рабочих лопаток турбины газотурбинной установки методом лазерной наплавки

— Комплекс технологический лазерный наплавочный

Основные характеристики технологии:

Производительность 0,1 — 0,7 кг /час

Толщину наплавляемого за один проход слоя 200 – 800 мкм

Толщину слоя перемешивания не более 10 %

Коэффициент использования материалов не менее 50 %,

Коэффициент выхода годных лопаток по наплавке с первого предъявления не менее 90 %

Основные характеристики установки:

— Мощность лазерного излучения до 700 Вт

— Повторяемость позиционирования рабочего инструмента не хуже 0,03 мм

— Размер рабочей зоны технологической установки не менее (мм) – 500х500х500;

— Быстросменная кассетная оснастка

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции

Рабочие лопатки турбины газотурбинных установок имеют установленный разработчиком ресурс. Обычно это 25 тыс. часов. После выработки ресурса рабочие лопатки подлежат ремонту. В общем случае ремонт заключается в выполнении следующих операций: демонтаж лопаток, чистка, дефектация, восстановление микроструктуры основного материала, восстановление геометрии и формы, восстановление покрытий, контроль качества. В настоящее время на предприятиях газотурбостроения применяются технологии восстановления геометрии и формы рабочих лопаток на базе аргоно-дугового, плазменного методов с коэффициентом выхода годного 15…25% и коэффициентом использования материала — 10…20%. Разрабатываемая технология восстановления рабочих лопаток турбины газотурбинной установки методом лазерной наплавки обеспечит коэффициентом выхода годного 80…90% и КИМ – 50-60%.

Созданием высокотехнологичного производства на базе технологий лазерной наплавки лопаток ГТД решаются следующие научно-технические и технологические задачи:

•      Тиражирование разработанного технологического процесса лазерного восстановления лопаток ГТД на предприятиях ОАО «ОДК»;

•      Комплект конструкторской документации на комплекс технологический лазерный наплавочный, на базе которого можно организовать серийное изготовления оборудования;

•      Повышение межремонтного ресурса лопаток ГТД;

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта

Внедрение в производственный цикл разрабатываемых технологий и оборудования лазерной наплавки позволит повысить конкурентоспособность выпускаемых авиационных двигателей по сравнению с мировыми аналогами за счет снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения эксплуатационных характеристик, в частности, повышения топливной эффективности авиадвигателей, а также повышения тяговых характеристик. Разрабатываемые технологии и оборудование лазерной наплавки также обеспечат повышение производительности процесса ремонта.

Ход работ

Текущие результаты проекта

Разработан эскизный проект технологического комплекса

Разработка и изготовление макета комплекса для исследовательских испытаний технологического процесса лазерной наплавки;

Разработан предварительный проекта технологии лазерной наплавки;

Проведены патентные исследования

Разработана и изготовлена спец оснастки для лабораторной наплавки образцов для

исследований;

Разработаны технические требования к наплавочному материалу и изготовлены опытные партии порошков жаропрочных сплавов на основе никеля;

Публикации по проекту:

ЛАЗЕРНАЯ ПОРОШКОВАЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ НАПЛАВКА ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Р.С. Корсмик, Г.А. Туричин, О.Г. Климова-Корсмик, Е.В. Земляков, К.Д. Бабкин

Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей Е.В. Земляков, к. т.н., [email protected], К.Д. Бабкин, Р.С. Корсмик, М.О. Скляр, М.В. Кузнецов

Газотурбинный двигатель самолета. 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 признакам:

• 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.

 

Полезные статьи по теме.

 

Ещё узлы и агрегаты

 

ЛУХОВИЦКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИКУМ » Страница не найдена

15.02.15 Аннотации рабочих программ с приложением рабочих программ

ТМП - 29 год набора 2017
ТМП - 1 год набора 2018
ТМП - 2 год набора 2019
ТМП - 3 год набора 2020
[ECP 23.04.2021 ECP] Аннотации ТМП-3 
[ECP 23.04.2021 ECP]ЕН 01 Математика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ЕН 02 Информационные технологии в профессиональной деятельности 
[ECP 23.04.2021 ECP]ЕН 03 Промышленная экология 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 01 Основы философии 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 02 История 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 03 Иностранный язык в профессиональной деятельности 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 04 Физическая культура 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 05 Русский язык и культура речи 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОГСЭ 06 Психология общения 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 01 Инженерная графика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 02 Техническая механика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 03 Компьютерная графика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 04 Материаловедение 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 05 Метрология, стандартизация и сертификация 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 06 Процессы формообразования и инструмент 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 07 Технологическое оборудование и приспособления 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 08 Технология машиностроения 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 09 Технологическая оснастка 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 10 Программирование_для_автоматизированного_оборудования 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 11 Экономика и организация производства 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 12 Правовые основы профессиональной деятельности 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 13 Охрана труда 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 14 Безопасность жизнедеятельности 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 15 Основы электротехники и электроники 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 16 Гидравлические и пневматические приводы 
[ECP 23.04.2021 ECP]ОП 17 Контроль качества 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 01 Производственная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 01 Разработка ТП и УП 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 01 Учебная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 02 Разработка ТП для сборки узлов и изделий 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 02 Производственная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 02 Учебная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 03 Организация контроля, наладки и подналадки в процессе работы 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 03 Производственная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 03 Учебная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 04 Организация контроля, наладки и подналадки в процессе работы и техническое обслуживание сборочного оборудования 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 04 Производственная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 04 Учебная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 05 Организация деятельности подчиненного персонала 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 05 Производственная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 05 Учебная практика 
[ECP 23.04.2021 ECP]ПМ 06 Выполнении работ по профессии 
[ECP 23.04.2021 ECP]Р.п. ТМП 1-3 химия 
[ECP 23.04.2021 ECP] РП .ОДБ.09 ОБЖ ТМП -3 2020-21 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП .ОДП.12 Физика ТМП 1-3, 20-21 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП АСТРОНОМИЯ ТМП -3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП ОДБ.08 физическая культура ТМП3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП. ОДБ. 02 Литература ТМП 1-3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДБ.01 Русский язык ИС4, ПОАТ 6, ТЭО 22 , ТМП 3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДБ.03 Иностранный язык ТМП-3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДБ.04 история ТМП -3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДБ.05 Родная литература ИС 4, ТМП 3, ТЭО 22, ПОАТ 6 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДП.10 математика ТМП-3 
[ECP 23.04.2021 ECP]РП.ОДП.11 информатика ТМП-3

3.7. Основные элементы энергетических газотурбинных установок и их назначение

3.7. Основные элементы энергетических газотурбинных установок и их назначение

В принципах конструирования газотурбинных установок можно выделить две основные тенденции. Первая базируется на традициях конструирования, свойственного паротурбостроению, вторая основана на подходах, характерных для авиационных газотурбинных двигателей. Собственно значительная часть первых стационарных энергетических газотурбинных установок, выпускаемых ведущими турбостроительными фирмами мира, создавалась на базе конструктивных традиций паротурбостроения. В дальнейшем по мере развития авиационных газотурбинных двигателей большая часть фирм для конструирования стационарных энергетических газотурбинных установок стала использовать подходы и опыт авиационного двигателестроения и близкого к нему судового газотурбостроения. Можно утверждать, что именно такие установки в существенной степени формируют облик современных стационарных энергетических газотурбинных установок.

Газотурбинной установкой называется двигатель, в котором сжатый в компрессоре воздух подается в камеру сгорания, где к нему подводится теплота, а образовавшийся горячий газ, поступая в лопаточный аппарат турбины, преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую; последняя на лопатках рабочих колес превращается в механическую энергию, передавая её вращающемуся непрерывно валу, соединенному с компрессором и нагрузочным устройством.

Для газотурбинных установок, создаваемых на конструктивной базе паротурбинных установок, характерны более умеренные температуры газа в сравнении с газотурбинными установками, создаваемыми на базе авиационных газотурбинных двигателей. Им свойствены одновальные схемы с массивными, обладающими высокой жесткостью, цельнокованными или сварными барабанно-дисковыми двухопорными роторами. Достаточно часто также применяется конструктивная схема с выделенной силовой турбиной, т.е. схема, когда компрессор приводится турбиной высокого давления, а турбина низкого давления работает на привод нагрузки (рис. 3.19).

Охлаждение роторов, как правило, производится продувкой воздуха через монтажные зазоры в хвостовых соединениях лопаток и дисков. При высоких температурах газа рабочие лопатки первой ступени выполняются охлаждаемыми. Статоры таких установок образуют несущие силовую нагрузку массивные наружные литые корпуса с тепловой изоляцией по их внутренней поверхности. Здесь устанавливаются обоймы с расположенными в них сопловыми аппаратами. Сопловые лопатки первой ступени охлаждаемые. Охлаждение статора обычно осуществляется продувкой воздухом наружных поверхностей обойм. В конструкциях используются как выносные, так и встроенные блочные камеры сгорания. Преимущества выносных камер сгорания в том, что в них можно обеспечить более эффективный процесс сгорания топлива, большую полноту сгорания, меньшие вредные выбросы в атмосферу и большую равномерность температурных полей газа на входе в турбину. Недостаток – увеличение массогабаритных характеристик установки, часто и увеличение гидравлического сопротивления тракта. В первом случае обычно делаются одна или две, три камеры. Таким образом, направление движения потоков газа и воздуха изменяется несколько раз. В установках этого типа применяются подшипники скольжения.

Газотурбинные установки, которые создаются на основе традиций авиационного газотурбостроения, имеют свои вполне определенные конструктивные особенности. Здесь распространены как одновальные (рис. 3.20), так и двухвальные двухи трехопорные роторные схемы с разделенными компрессорами и турбинами низкого и высокого давления (рис. 3.21). Роторы таких установок составные дисковые с одной центральной или несколькими периферийными стяжками. Боковые поверхности дисков турбин, как правило, закрыты дефлекторными или покрывными дисками. Охлаждение роторов осуществляется продувкой боковых поверхностей дисков, а также зоны хвостовых соединений лопаток и дисков. Рабочие лопатки первой, а чаще всего и второй ступени охлаждаемые. В установках этого типа применяются как подшипники скольжения, так и хорошо отработанные и рассчитанные на длительный ресурс подшипники качения.

Рис. 3.19. Конструктивная схема и внешний вид одновальной ГТУ для энергетики (UGT 110000), «Зоря»–«Машпроект»: 1 – входное направляющее устройство; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – рама

В установках применяются встроенные блочные камеры сгорания, расположенные между компрессором и турбиной высокого давления. Такая компоновка основных узлов и элементов конструкции обеспечивает прямоточность потоков воздуха и газа в установке, благодаря чему улучшаются массогабаритные показатели, а также снижаются гидравлические потери в газовоздушном тракте установки. Прямоточность газовоздушных потоков в таких конструкциях с разделенными роторами турбин высокого и низкого давления вынуждает применять либо «горячий» средний подшипник (подшипник, находящийся внутри газохода между компрессорной и силовой турбиной), либо консольное расположение самих турбин, с размещенным снаружи подшипником силовой турбины.

Статорные части в таких конструкциях обычно двухстенные и состоят из наружного силового корпуса, воспринимающего механические нагрузки и давление рабочего тела, а также тонкостенного жаростойкого внутреннего корпуса (см. рис. 3.21). Элементы, соединяющие их, выполняются с максимально возможным тепловым сопротивлением и минимально возможной площадью контактов, что способствует минимальной передаче теплоты от газа к наружному корпусу. Часть теплоты снимается продувкой полостей между корпусами охлаждающим воздухом, а также охлаждением элементов, соединяющих корпуса. Ещё часть теплоты отсекается от силового корпуса за счет применения тепловых экранов с воздушными прослойками в полости между корпусами, а в некоторых случаях за счет применения изоляции на внутренней поверхности корпуса. Сопловые лопатки обычно связываются в диафрагме блоками или по отдельности с помощью бандажных колец. Установка диафрагм в наружном корпусе осуществляется либо за счет установочных колец, либо за счет обоймы, закатываемой в наружный корпус. Сопловые лопатки первой, а часто и второй ступени в современных газотурбинных установках охлаждаемые.

Рис. 3.20. Газотурбинная установка MS6001 и ее ротор, фирма GE («Дженерал электрик»)

Основные элементы современных газотурбинных установок. Компрессор газотурбинных установок предназначен для сжатия больших объемов воздуха до расчетных давлений и обеспечения устойчивой работы на переменных режимах работы установки. Степень сжатия современных компрессоров достигает 16–30, а расходы воздуха 300–700 кг/с. Наибольшее распространение в энергетических газотурбинных установках получили многоступенчатые осевые компрессоры с составными дисковыми роторами. Очень редко применяются центробежные компрессоры в установках небольшой мощности. Назначение камеры сгорания состоит в организации эффективного и устойчивого сжигания топлива в воздушном потоке от компрессора. Камера сгорания должна обеспечить полное сжигание топлива независимо от величины коэффициента избытка воздуха, минимальные потери давления, равномерное температурное поле за камерой, устойчивое зажигание и горение на переменных режимах работы установки. Наиболее распространенной является цилиндрическая конструкция камер сгорания с блочно-кольцевой компоновкой их. Иногда некоторые фирмы применяют конструкции с одной или двумя выносными камерами сгорания для создания более благоприятных условий процесса сжигания топлива, а также конструкции с кольцевыми и вихревыми камерами сгорания.

Газовая турбина, основными элементами которой являются сопловые лопатки, установленные в статорной части, и рабочие лопатки, установленные на роторной части газотурбинной установки, предназначена для преобразования потенциальной энергии потока рабочего тела в механическую энергию вращающегося вала с дальнейшей передачей ее электрогенератору, нагнетателю природного газа и другим нагрузочным устройствам. Электрические мощности современных энергетических ГТУ достигают 260–280 МВт.

Рис. 3.21. Газотурбинный двигатель UGТ15000+ ГП НПКП «Зоря»–«Машпроект»: 1 – входное направляющее устройство; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – форсунка; 5 – камера сгорания; 6 – турбина высокого давления; 7 – турбина низкого давления; 8 – силовая турбина; 9 – фланец отбора мощности; 10 – коробка приводов; 11 – электростартеры; 12 – рама

Поскольку температуры газа перед турбиной в современных энергетических ГТУ достигают весьма высоких значений (до 1200–1300°С), практически все основные узлы и детали газовых турбин – статор, сопловые и рабочие лопатки, ротор – имеют развитые системы воздушного охлаждения. В подавляющем большинстве случаев используются составные дисковые конструкции роторов газовых турбин (см. рис. 3.20, 3.21).

Практическое применение в энергетических стационарных ГТУ нашли две конструктивные схемы – одновальная и двухвальная. В случае использования одной и той же турбины для привода компрессора и производства полезной работы роторы турбины и компрессора представляют собой одно целое. Достоинство этой схемы в конструктивной простоте и снижении массы установки. Недостаток – уменьшение области эффективной работы установки на частичных нагрузках, особенно при больших степенях сжатия (числе ступеней компрессора). Применение регулируемого поворотного направляющего аппарата компрессора в существенной степени избавляет от этого недостатка, однако не исключает его совсем.

Разделение турбинной группы на две части, одной на привод только компрессора, а другой на выработку полезной мощности, благоприятно отражается на характеристиках как стационарных, так и транспортных газотурбинных установок. Связь турбин осуществляется газодинамическим путем, при этом обеспечивается работа турбины низкого давления (силовой турбины) с постоянной скоростью вращения ротора при всех нагрузках, что необходимо для производства электрического тока постоянной частоты.

Рост параметров рабочего тела перед турбиной и соответствующее увеличение степени сжатия в компрессоре могут осуществляться разделением компрессора на компрессор низкого и высокого давления с соответствующим разделением турбины на турбину высокого давления для привода компрессора высокого давления и турбину низкого давления для привода компрессора низкого давления и нагрузочных устройств через полый вал группы высокого давления. Это позволяет увеличить число ступеней компрессора и, следовательно, степень сжатия, а также улучшить характеристики приемистости установки.

Каждая газотурбинная установка обеспечивается рядом систем, относимых к вспомогательным, без которых, однако, работа установки невозможна. К ним относятся система смазки, обеспечивающей работу подшипников и редукторов, система регулирования, в которую можно включить и топливную систему, обеспечивающие устойчивую и надёжную работу установки на любом расчетном режиме от холостого хода до номинальной нагрузки, а также на режимах пуска и останова, система очистки воздуха и шумоглушения, а также система пуска установки. Важнейшую роль в обеспечении надёжной и высокоэкономичной работы газотурбинных установок играет система охлаждения или тепловой защиты установки, которая по сути состоит из ряда автономных систем, охлаждающих наиболее горячие и напряженные детали и узлы установки и поддерживающих расчетный уровень термонапряженного состояния деталей. Системы охлаждения стационарных энергетических газотурбинных установок в качестве охладителя используют исключительно цикловой воздух, отбираемый из компрессора. К числу наиболее важных, определяющих работоспособность и надёжность двигателя следует отнести системы охлаждения сопловых и рабочих лопаток, а также камер сгорания и роторов турбин. На рис. 3.22 показана стационарная ГТЭ-160 (это энергетическая ГТУ V-94.2, выпускаемая по лицензии фирмы «Сименс» на ЛМЗ) мощностью 159 МВт и с к.п.д. 34,5%, выполненная по одновальной схеме. Ротор компрессора 16-ступенчатый, дискового типа. Турбина 4-ступенчатая; в рабочих лопатках первых двух ступеней и сопловых аппаратах первых трех ступеней турбины применено конвективно-пленочное воздушное охлаждение. Четыре таких ГТЭ-160 успешно работают на двух энергоблоках Северо-Западной ТЭЦ г. Санкт-Петербурга.

Рис. 3.22. Стационарная газовая турбина V-94.2

Развитие и совершенствование современного стационарного энергетического газотурбостроения в направлении повышения экономичности и надёжности работы газотурбинных установок определяются по сути следующими факторами:

• термодинамическими законами, описывающими рабочие циклы газотурбинной установки, и возможностями реализации выбранных циклов;
• возможностями современного материаловедения по созданию новых жаропрочных и жаростойких материалов;
• возможностями создания новых, высокоэффективных, надёжных систем охлаждения, обеспечивающих дальнейшее повышение начальной температуры газа в цикле;
• возможностями аэродинамического совершенствования процессов течения в проточной части газотурбинной установки.

Последние два фактора в свою очередь определяются возможностями современных технологий, применяемых в турбостроении, обеспечивающих изготовление лопаточных аппаратов и систем охлаждения нового типа.

Секция компрессора авиационного газотурбинного двигателя

Компрессорная секция газотурбинного двигателя выполняет множество функций. Его основная функция — подавать воздух в количестве, достаточном для удовлетворения требований горелок. В частности, для выполнения своей цели компрессор должен увеличивать давление массы воздуха, поступающей из воздухозаборника, а затем выпускать ее в горелки в необходимом количестве и при требуемом давлении.

Вторичной функцией компрессора является подача отбираемого воздуха для различных целей в двигателе и самолете.Отводимый воздух забирается из любой из ступеней компрессора с различным давлением. Точное расположение выпускных отверстий, конечно, зависит от давления или температуры, необходимых для конкретной работы. Порты представляют собой небольшие отверстия в корпусе компрессора, примыкающие к конкретной ступени, из которой должен быть удален воздух; таким образом, различные степени давления доступны, просто нажав на соответствующую ступень. Воздух часто удаляется из конечной ступени или ступени самого высокого давления, поскольку в этот момент давление и температура воздуха максимальны.Иногда может возникнуть необходимость охладить этот воздух под высоким давлением. Если он используется для создания избыточного давления в кабине или для других целей, для которых избыток тепла был бы неудобным или вредным, воздух проходит через кондиционер, прежде чем он попадет в кабину. Отводимый воздух используется множеством способов. Вот некоторые из текущих применений стравливания воздуха:

1. Герметизация, обогрев и охлаждение кабины
2. Противообледенительное оборудование
3. Пневматический пуск двигателей
4. Вспомогательные приводы (ADU)

Типы компрессоров

Два основных типа компрессоров, которые в настоящее время используются в газотурбинных авиационных двигателях, — это центробежный поток и осевой поток.Компрессор с центробежным потоком достигает своей цели, собирая поступающий воздух и ускоряя его наружу за счет центробежного действия. Компрессор с осевым потоком сжимает воздух, в то время как воздух продолжает движение в своем первоначальном направлении потока, что позволяет избежать потерь энергии, вызванных поворотами. Компоненты каждого из этих двух типов компрессора выполняют свои индивидуальные функции при сжатии воздуха в секции сгорания. Ступень компрессора считается повышением давления.

Центробежные компрессоры

Центробежный компрессор состоит из рабочего колеса (ротора), диффузора (статора) и коллектора компрессора.[Рис. 1] Центробежные компрессоры имеют высокий подъем давления на ступень, который может составлять около 8: 1. Обычно центробежные компрессоры ограничиваются двумя ступенями из-за проблем с эффективностью. Двумя основными функциональными элементами являются крыльчатка и диффузор. Хотя диффузор является отдельным блоком и размещается внутри коллектора и прикручивается к нему болтами, весь узел (диффузор и коллектор) часто называют диффузором. Для пояснения при ознакомлении с компрессором, агрегаты рассматриваются индивидуально.Рабочее колесо обычно изготавливается из кованого алюминиевого сплава, подвергается термообработке, механической обработке и полировке для минимального ограничения потока и турбулентности.

Рис. 1. (A) Компоненты центробежного компрессора; (B) Воздуховыпускной патрубок с поворотными лопатками для снижения потерь давления воздуха

В большинстве типов крыльчатка изготавливается из цельной поковки. Рабочее колесо этого типа показано на рисунке 1.Рабочее колесо, функция которого заключается в подборе и ускорении потока воздуха наружу к диффузору, может быть двух типов — одинарного или двойного входа. Принципиальные различия между двумя типами рабочих колес заключаются в размере и расположении каналов. Тип с двойным входом имеет меньший диаметр, но обычно работает с более высокой скоростью вращения, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток. Крыльчатка с одинарным входом, показанная на рис. 2, обеспечивает удобный подвод воздуховодов непосредственно к проушине рабочего колеса (лопатки индуктора) в отличие от более сложных каналов, необходимых для доступа к задней стороне двухходового типа.Крыльчатка с одинарным входом, хотя и немного более эффективна в приеме воздуха, должна быть большого диаметра, чтобы подавать такое же количество воздуха, что и крыльчатка с двойным входом. Это, конечно, увеличивает общий диаметр двигателя.

Рис. 2. Рабочее колесо с одним входом

В воздуховоды компрессорных двигателей с двойным входом входит водоотводящая камера. Эта камера необходима для компрессора с двойным входом, потому что воздух должен входить в двигатель почти под прямым углом к ​​оси двигателя.Следовательно, чтобы создать положительный поток, воздух должен окружать компрессор двигателя под положительным давлением перед входом в компрессор. В некоторых установках в качестве необходимых частей водоотводящей камеры входят дверцы для забора дополнительного воздуха (дверцы для впуска воздуха). Эти обдувные двери пропускают воздух в моторный отсек во время наземной эксплуатации, когда потребность в воздухе для двигателя превышает поток воздуха через впускные каналы. Когда двигатель не работает, дверцы удерживаются закрытыми с помощью пружины.Однако во время работы двери автоматически открываются, когда давление в моторном отсеке падает ниже атмосферного. Во время взлета и полета давление набегающего воздуха в моторном отсеке помогает пружинам удерживать двери закрытыми.

Диффузор представляет собой кольцевую камеру, снабженную множеством лопаток, образующих серию расходящихся каналов в коллекторе. Лопатки диффузора направляют поток воздуха от крыльчатки к коллектору под углом, рассчитанным на сохранение максимального количества энергии, передаваемой крыльчаткой.Они также подают воздух в коллектор со скоростью и давлением, подходящими для использования в камерах сгорания. Обратитесь к рис. 1-A и обратите внимание на стрелку, указывающую путь воздушного потока через диффузор, а затем через коллектор.
Коллектор компрессора, показанный на рисунке 1-A, направляет поток воздуха из диффузора, который является неотъемлемой частью коллектора, в камеры сгорания. Коллектор имеет по одному выпускному отверстию для каждой камеры, так что воздух распределяется равномерно. Выходное колено компрессора прикреплено болтами к каждому из выходных отверстий.Эти отверстия для выпуска воздуха имеют форму каналов и известны под разными названиями, например, каналы для выпуска воздуха, выпускные колена или входные каналы для камеры сгорания. Независимо от используемой терминологии, эти выпускные каналы выполняют очень важную часть процесса диффузии; то есть они изменяют радиальное направление воздушного потока на осевое, в котором процесс диффузии завершается после поворота. Чтобы помочь локтям эффективно выполнять эту функцию, внутри локтей иногда устанавливают поворотные лопатки (каскадные лопатки).Эти лопатки уменьшают потери давления воздуха за счет гладкой поворотной поверхности. [Рисунок 1-B]

Осевой компрессор

Осевой компрессор имеет два основных элемента: ротор и статор. Ротор имеет лопасти, закрепленные на шпинделе. Эти лопасти толкают воздух назад так же, как пропеллер, из-за их угла и формы аэродинамического профиля. Ротор, вращаясь с высокой скоростью, всасывает воздух на входе в компрессор и перемещает его через ряд ступеней. От входа к выходу воздух проходит по осевому пути и сжимается примерно в 1 раз.25: 1 на этап. Действие ротора увеличивает сжатие воздуха на каждой ступени и ускоряет его назад на несколько ступеней. При такой увеличенной скорости энергия передается от компрессора к воздуху в виде энергии скорости. Лопатки статора действуют как диффузоры на каждой ступени, частично преобразуя высокую скорость в давление. Каждая следующая пара лопаток ротора и статора составляет ступень давления. Количество рядов лопастей (ступеней) определяется требуемым количеством воздуха и общим повышением давления.Степень сжатия компрессора увеличивается с увеличением количества ступеней сжатия. В большинстве двигателей используется до 16 ступеней и более.

Статор имеет ряды лопаток, которые, в свою очередь, закреплены внутри кожуха. Лопатки статора, которые являются неподвижными, выступают радиально по направлению к оси ротора и плотно прилегают к каждой стороне каждой ступени лопаток ротора. В некоторых случаях корпус компрессора, в который вставлены лопатки статора, горизонтально разделен на половины. Верхнюю или нижнюю половину можно снять для осмотра или обслуживания лопаток ротора и статора.

Функция лопаток статора состоит в том, чтобы принимать воздух из впускного воздуховода или из каждой предыдущей ступени, повышать давление воздуха и подавать его на следующую ступень с правильной скоростью и давлением. Они также регулируют направление воздуха к каждой ступени ротора, чтобы получить максимально возможную эффективность лопаток компрессора. На рисунке 3 показаны элементы ротора и статора типичного осевого компрессора. Лопастям ротора первой ступени может предшествовать узел входной направляющей лопатки, который может быть фиксированным или регулируемым.

Рис. 3. Элементы ротора и статора типичного осевого компрессора

Направляющие лопатки направляют воздушный поток в лопасти ротора первой ступени под нужным углом и придают вихревое движение воздуху, поступающему в компрессор. Этот предварительный вихрь в направлении вращения двигателя улучшает аэродинамические характеристики компрессора за счет уменьшения лобового сопротивления лопаток ротора первой ступени.Входные направляющие лопатки представляют собой изогнутые стальные лопатки, обычно приваренные к стальным внутренним и внешним кожухам.

На выпускном конце компрессора лопатки статора сконструированы так, чтобы выпрямлять воздушный поток и устранять турбулентность. Эти лопатки называются правильными лопатками или узлом выпускных лопаток. Кожухи осевых компрессоров не только поддерживают лопатки статора и обеспечивают внешнюю стенку осевого пути, по которому следует воздух, но также обеспечивают средства для отвода воздуха из компрессора для различных целей.Лопатки статора обычно изготавливаются из стали, устойчивой к коррозии и эрозии. Довольно часто их окутывают (закрывают) лентой из подходящего материала, чтобы упростить проблему крепления. Лопатки приварены к кожухам, а внешний кожух прикреплен к внутренней стенке корпуса компрессора радиальными стопорными винтами.
Лопасти ротора обычно изготавливаются из нержавеющей стали, а последние ступени — из титана. Конструкция крепления лопастей к ободам дисков ротора различна, но обычно они устанавливаются в диски либо луковичным, либо еловым способом.[Рис. 4] Затем лезвия фиксируются на месте разными способами. Толщина наконечников лопаток компрессора уменьшена за счет вырезов, называемых профилями лопаток. Эти профили предотвращают серьезное повреждение лопасти или корпуса в случае контакта лопастей с корпусом компрессора. Это может произойти, если лопасти ротора слишком ослаблены или если опора ротора ослаблена из-за неисправного подшипника. Несмотря на то, что профили лопаток значительно сокращают такие возможности, иногда лопатка может сломаться под нагрузкой трения и вызвать значительное повреждение лопаток компрессора и узлов лопаток статора.Длина лопастей варьируется от входа к разгрузке, поскольку кольцевое рабочее пространство (от барабана до обсадной колонны) постепенно уменьшается к задней части за счет уменьшения диаметра обсадной колонны.

Рисунок 4. Распространенные конструкции крепления лопаток компрессора к диску ротора

[Рис. 5] Эта функция обеспечивает довольно постоянную скорость через компрессор, что помогает поддерживать постоянный поток воздуха.Ротор имеет барабанную или дисковую конструкцию. Ротор барабанного типа состоит из колец, которые имеют фланцы для прилегания друг к другу, при этом весь узел может быть скреплен сквозными болтами. Этот тип конструкции подходит для тихоходных компрессоров, где центробежные нагрузки невелики. Ротор дискового типа состоит из серии дисков, выточенных из алюминиевых поковок, усаженных на стальной вал, с лопастями ротора, вставленными в обода диска. Другой метод конструкции ротора заключается в изготовлении дисков и вала из цельной алюминиевой поковки, а затем в закреплении болтами стальных коротких валов на передней и задней части узла, чтобы обеспечить опорные поверхности подшипников и шлицы для соединения вала турбины.Роторы барабанного и дискового типа показаны на рисунках 5 и 6 соответственно.

Рис. 5. Ротор барабанного компрессора

Рис. 6. Ротор дискового компрессора

Комбинация ступеней компрессора и ступеней турбины на общем валу представляет собой двигатель, называемый катушкой двигателя.Общий вал образуется путем соединения валов турбины и компрессора подходящим способом. Золотник двигателя поддерживается подшипниками, которые размещены в подходящих корпусах подшипников.

Как упоминалось ранее, в настоящее время используются две конфигурации осевого компрессора: с одним ротором / золотником и с двойным ротором / золотником, иногда называемым сплошным золотником и раздельным золотником (два золотника, два золотника).

В одной из версий компрессора со сплошным золотником (с одним золотником) используются регулируемые входные направляющие лопатки.Кроме того, переменными являются несколько первых рядов лопаток статора. Основное различие между регулируемой входной направляющей лопаткой (VIGV) и регулируемой лопаткой статора (VSV) заключается в их положении относительно лопастей ротора. VIGV находятся перед лопастями ротора, а VSV — за лопастями ротора. Углы входных направляющих лопаток и первых нескольких ступеней лопаток статора могут изменяться. Во время работы воздух поступает в переднюю часть двигателя и направляется в компрессор под правильным углом с помощью регулируемой впускной направляющей и направляется VSV.Воздух сжимается и нагнетается в камеру сгорания. Топливное сопло, которое входит в каждую гильзу сгорания, распыляет топливо для сгорания. Эти переменные контролируются в прямой зависимости от количества мощности, которое двигатель требуется для выработки положения рычага мощности.

Большинство турбовентиляторных двигателей относятся к компрессорному типу с раздельным золотником. В большинстве крупных турбовентиляторных двигателей используется большой вентилятор с несколькими ступенями сжатия, называемый золотником низкого давления. Эти турбовентиляторные двигатели включают в себя два компрессора с соответствующими турбинами и соединительными валами, которые образуют две физически независимые роторные системы.Многие системы с двумя роторами имеют роторы, вращающиеся в противоположных направлениях и не имеющие механического соединения друг с другом. Второй золотник, называемый золотником высокого давления, представляет собой компрессор для газогенератора и сердечника двигателя, подает воздух в секцию сгорания двигателя.

Преимущества и недостатки обоих типов компрессоров включены в следующий список. Несмотря на то, что каждый тип имеет преимущества и недостатки, каждый имеет свое применение в зависимости от типа и размера двигателя.

Преимущества центробежно-проточного компрессора:

• Повышение высокого давления на ступень
• КПД в широком диапазоне частот вращения
• Простота изготовления и невысокая стоимость
• Малый вес
• Низкие требования к пусковой мощности.

Недостатки центробежно-проточного компрессора:

• Его большая фронтальная площадь для заданного воздушного потока
• Потери в очереди между ступенями

Преимущества осевого компрессора:

• Высокая пиковая эффективность
• Малая передняя поверхность для заданного воздушного потока
• Прямоточный поток, обеспечивающий высокий КПД гидроцилиндра
• Повышение давления за счет увеличения числа ступеней с незначительными потерями

Недостатки осевого компрессора:

Компрессоры

Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ.Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница.

---

Большинство современных пассажирских и военных самолетов оснащены двигателями газотурбинные двигатели, также называемые реактивными двигатели. Есть несколько разных типы газотурбинных двигателей, но все газотурбинные двигатели имеют некоторые общие детали. Все турбины двигатели имеют компрессор для повышения давления поступающий воздух до того, как он попадет в камеру сгорания.Производительность компрессора имеет большое влияние на общий двигатель представление.

Как показано на рисунке выше, существует два основных типа компрессоры: осевой и центробежный . На картинке компрессор слева называется осевым компрессором, потому что поток через компрессор проходит параллельно оси вращения. В компрессор справа называется центробежным компрессор, потому что поток через этот компрессор повернут перпендикулярно оси вращения.Центробежные компрессоры, которые использовались в первых реактивных двигателях, до сих пор используются на малых турбореактивных двигателях а также турбовальный двигатели и насосы на ракета двигатели. Современный большой турбореактивный и турбовентилятор в двигателях обычно используются осевые компрессоры.

Почему переход на осевые компрессоры? Средняя, ​​одноступенчатая, центробежный компрессор может увеличить давление в 4 раза. аналогичный средний, одноступенчатый осевой компрессор увеличивает давление только на фактор 1.2. Но связать вместе несколько ступеней и изготовить многоступенчатый осевой компрессор . в многоступенчатый компрессор, давление перемножается из ряда в ряд (8 ступеней при 1,2 на ступень дает коэффициент 4,3). Это намного больше сложно изготовить эффективный многоступенчатый центробежный компрессор потому что на каждом этапе поток должен возвращаться к оси. Поскольку поток направлен перпендикулярно оси, двигатель с центробежный компрессор, как правило, шире, имеет большее поперечное сечение площадь, чем соответствующая осевая.Это создает дополнительные нежелательные сопротивление самолета. По этим причинам наиболее высокая производительность, высокое сжатие В турбинных двигателях используются многоступенчатые осевые компрессоры. Но если бы только требуется умеренная степень сжатия, центробежный компрессор намного проще в использовании.

---

Действия:

---

Экскурсии с гидом

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

The Compressor — Блог по аэрокосмической технике Блог по аэрокосмической технике

В этом посте будет обсуждаться конструкция компрессоров реактивных двигателей, ведущая к определению ориентировочных рабочих параметров.Для двигателей меньшего размера используются центробежные (CF) компрессоры, поскольку они могут работать с меньшими расходами более эффективно и более компактны, чем осевые компрессоры. Однако осевые компрессоры обладают преимуществом меньшей передней площади для данного расхода, могут работать с более высокими расходами и, как правило, имеют более высокий КПД, чем компрессоры CF. Для более крупных турбин, используемых на гражданских самолетах, наиболее подходящими будут компрессор и турбина осевого типа. Ранние осевые компрессоры были способны повышать давление в зоне входа примерно в 5 раз, в то время как современные турбовентиляторные двигатели имеют соотношение давлений более 30: 1.

Схема осевого компрессора низкого давления ТРД Olympus BOl.1. (Фото: Википедия)

Поскольку давление повышается в направлении потока через компрессор, существует острая опасность разделения пограничных слоев на лопатках компрессора, когда они сталкиваются с этим неблагоприятным градиентом давления. Когда это происходит, производительность компрессора резко падает, и говорят, что компрессор глохнет. По этой причине сжатие распространяется на большое количество ступеней компрессора, так что меньшие приращения давления на каждой ступени позволяют инженерам получить большую общую степень сжатия без остановки.Ступень состоит из ряда вращающихся лопастей, называемых ротором , и ряда неподвижных лопастей, называемых статором . Каждый из этих рядов может состоять из 30-100 отдельных лопаток, и между входом для воздуха и выходом компрессора может быть до 20 ступеней. Роль лопастей ротора заключается в ускорении поступающего воздуха с целью увеличения кинетической энергии жидкости. Затем через статоры жидкость замедляется, и, как следствие, давление жидкости увеличивается.По мере увеличения давления и плотности на каждой ступени общая скорость потока поддерживается относительно постоянной за счет уменьшения высоты лопастей от ступени к ступени. Таким образом, компрессор сужается от входа к выходу.

В попытке уменьшить количество ступеней компрессора для более компактного двигателя цель проектировщика состоит в том, чтобы максимально увеличить степень сжатия на каждой ступени. Степень сжатия ступени R определяется следующим выражением:

Где — изоэнтропический КПД ступени, T ₀₁ — общая (застойная) температура, U частота вращения компрессора, C _a осевая скорость жидкости, c _p — коэффициент скрытого плавления при постоянном давлении, а b ₁ и b ₂ — угол передней и задней кромки лопасти ротора относительно осевого направления потока.

Схема осевого компрессора. (Фото: Википедия)

Степень сжатия на каждой ступени может быть увеличена до максимума за счет увеличения скорости вращения компрессора U , угла, на который жидкость поворачивается поперек лопастей ротора, tan b ₁ –tan b ₂ и осевой скорости жидкость C, _и через компрессор. Однако степень этих трех параметров ограничена.

1. Скорость конца лезвия и, следовательно, U ограничена соображениями напряжения в основании. Если предполагается, что вентилятор имеет постоянную площадь поперечного сечения, тогда центробежное напряжение в основании определяется выражением

.

Где U _t — скорость вершины, — это плотность лезвия, а отношение r _r / r _t называется отношением длины ножки к вершине лезвия. Чтобы предотвратить отсоединение лопастей от ступицы и разрушение двигателя, это корневое напряжение не должно превышать определенного предела прочности.Видно, что корневое напряжение пропорционально квадрату скорости вращения компрессора и уменьшается по мере уменьшения длины лопатки. Поскольку лопатки первого компрессора имеют наибольшую длину, они ограничивают максимальную скорость кончика и, следовательно, эффективность компрессора. Поэтому обычно компрессор разделяют на конфигурации с двумя или тремя золотниками, такие как большой вентилятор, компрессоры среднего и высокого давления, которые вращаются с тремя разными скоростями.Таким образом, вентилятор большого диаметра может вращаться на более низких скоростях, чтобы удовлетворить ограничениям по напряжению, в то время как компрессор высокого давления с более короткими лопастями может вращаться на более высоких скоростях.

Однако скорость вращения вентилятора обычно ограничивается более строгими соображениями напряжения. В турбовентиляторном двигателе вентилятор большого диаметра в передней части двигателя действует как одноступенчатый компрессор. В современных турбовентиляторных двигателях вентилятор разделяет поток, при этом большая часть воздуха попадает в байпасный канал к движущему соплу, и только небольшая часть попадает в активную зону.Высокие нагрузки на корни, вызываемые длинными лопастями вентилятора, часто усугубляются ударами птиц. По механическим причинам часто используется нижний предел отношения корня к верхушке, равный 0,35. Поток, падающий на вентилятор, также имеет очень высокое число Маха, поскольку крейсерская скорость гражданского самолета обычно составляет около M = 0,83. Сверхзвуковой поток неизбежно заканчивается ударной волной, что приводит к увеличению давления и энтропии над лопатками компрессора. Ударные волны снижают эффективность лопаток компрессора, поскольку они нарушают поток по профилю, что приводит к отрыву пограничного слоя.Кроме того, эти ударные волны могут вызывать нежелательные вибрации лопастей вентилятора, которые еще больше снижают эффективность компрессора и увеличивают шум. Поэтому из соображений эффективности, снижения шума и ограничения повреждений от ударов птиц скорость вращения вентилятора ограничена, обычно относительное число Маха 1,6 считается верхним пределом.

2. Осевая скорость C _a должна быть максимальной, чтобы оптимизировать степень сжатия и уменьшить площадь лобовой части двигателя.Подобно аргументу, приведенному выше, осевая скорость обычно ограничивается эффектами сжимаемости сверхзвукового потока. По мере того, как давление, статическая температура и, следовательно, скорость звука возрастают от стадии к стадии, эффекты сжимаемости ухудшаются на первых стадиях. На первом этапе воздух поступает в осевом направлении так, что, сложив ортогональные векторы скорости U и C _a , мы получим V ² = U ² + C _a ² где V — это скорость относительно лезвия.В современных двигателях V может находиться в околозвуковой области с довольно большими потерями. В этом отношении двухконтурные двигатели имеют то преимущество, что компрессор низкого давления вращается с меньшей скоростью, что снижает проблему сжимаемости.

3. Угол, на который жидкость поворачивается поперек лопастей ротора b , ограничен ростом пограничных слоев. Лопасти компрессора — это крылья, которые действуют так же, как крылья самолета.Следовательно, когда угол атаки или изгиб аэродинамической поверхности увеличивается для увеличения вращения вектора скорости потока, неблагоприятный градиент давления на поверхности всасывания увеличивается до тех пор, пока в какой-то момент пограничный слой не разделится. По мере того, как пограничный слой разделяет эффективный угол поворота b , уменьшается, так что общее повышение давления на ступени уменьшается.

Пределы U , C _a и b ₁ — b ₂ все устанавливают ограничения на максимальное отношение давлений, которое может быть достигнуто в осевом компрессоре.Типичные примеры: U ≈ 350 м / с , C _a = 200 м / с , b ₁ — b ₂ <45 °.

Лопатки компрессора

обычно довольно тонкие и изготавливаются из легких металлических сплавов, таких как алюминий и титан. Лопатки компрессора имеют аэродинамическую секцию, как показано на рисунке ниже. Центробежные силы, действующие на воздушный поток, уравновешиваются воздухом под высоким давлением, направленным к кончику лезвия. Чтобы получить это более высокое давление на наконечник, лезвие должно быть повернуто от основания к наконечнику, чтобы изменить угол падения потока и, следовательно, контролировать изменение давления на лезвии.

Основные ссылки

Rolls-Royce (1996 г.). Реактивный двигатель. Технические публикации Rolls Royce; 5-е изд. выпуск

Нравится:

Нравится Загрузка …

Похожие сообщения

Реактивные двигатели

Базовый обзор

На изображении выше показано, как реактивный двигатель будет расположен в современном военный самолет.В базовом реактивном двигателе воздух поступает в передний воздухозаборник и сжат (посмотрим, как позже). Затем воздух нагнетается в камеры сгорания, в которые впрыскивается топливо, и воздушная смесь и топливо воспламеняется. Образующиеся газы быстро расширяются и истощаются через заднюю часть камер сгорания. Эти газы обладают одинаковой силой во всех направлениях, обеспечивая тягу вперед, когда они уходят в тыл. В качестве газы выходят из двигателя, они проходят через веерный набор лопаток (турбина), которая вращает вал, называемый валом турбины.Этот вал, в повернуть, вращает компрессор, обеспечивая приток свежего воздуха через впуск. Ниже представлена ​​анимация изолированного реактивного двигателя, который иллюстрирует процесс притока, сжатия, сгорания, истечения воздуха. и только что описанное вращение вала.

процесс можно описать следующей схемой, взятой с сайта Rolls Royce, популярного производителя реактивных двигателей.

Этот процесс является сутью того, как работают реактивные двигатели, но как именно что-то вроде сжатия (сдавливания) происходит? Чтобы узнать больше о каждом о четырех этапах создания тяги реактивным двигателем см. ниже.

SUCK

Двигатель всасывает большой объем воздуха через вентилятор и компрессор этапы. Типичный коммерческий реактивный двигатель потребляет 1,2 тонны воздуха в секунду. во время взлета — другими словами, он может выпустить воздух на корте для сквоша в меньше секунды. Механизм при котором реактивный двигатель всасывает воздух, в значительной степени является частью сжатия сцена. Во многих двигателях компрессор отвечает как за всасывание воздуха, так и за его сжатие.Некоторые двигатели имеют дополнительный вентилятор, который не является частью компрессора для втягивания дополнительного воздуха в систему. Вентилятор — это крайний левый компонент двигатель, показанный выше.

SQUEEZE

Помимо всасывания воздуха в двигатель, компрессор также создает давление в воздух и подает его в камеру сгорания. Компрессор показан на изображении выше слева от огонь в камере сгорания и справа от вентилятора.Компрессионные вентиляторы приводятся в действие турбина валом (турбина, в свою очередь, приводится в движение воздухом, оставив двигатель). Компрессоры могут достигать чрезмерных степеней сжатия 40: 1, что означает, что давление воздуха в конце компрессор более чем в 40 раз превышает объем воздуха, поступающего в компрессор. На полную мощность лопасти типового коммерческий струйный компрессор вращается со скоростью 1000 миль в час (1600 км / ч) и принимает 2600 фунтов (1200 кг) воздуха в секунду.

Сейчас мы обсудим, как компрессор на самом деле сжимает воздух.

Как видно на изображении выше, зеленые вееры, составляющие компрессор постепенно становится все меньше и меньше, как и полость, проходящая через который воздух должен путешествовать. Воздух должен продолжать движение вправо, к камерам сгорания двигатель, так как вентиляторы вращаются и выталкивают воздух в этом направлении. Результат — заданное количество воздуха. переходя от большего пространства к меньшему, и, таким образом, увеличивая давление.

BANG

В камере сгорания топливо смешивается с воздухом, чтобы произвести взрыв, который отвечает за расширение, которое заставляет воздух попадать в турбину.В типичном коммерческом реактивном двигателе топливо горит при сгорании. камера при температуре до 2000 градусов Цельсия. Температура, при которой металлы в эта часть двигателя начинает плавиться — 1300 градусов по Цельсию, поэтому продвинутый необходимо использовать методы охлаждения.

Горение камера имеет сложную задачу сжигания большого количества топлива, подается через топливные форсунки с большим объемом воздуха, подаваемый компрессором, и выделяя образующееся тепло таким образом что воздух расширяется и ускоряется, давая плавный поток равномерно нагретый газ.Эта задача должна быть выполнена с минимальными потерями. по давлению и с максимальным тепловыделением в ограниченном пространстве доступный.

Количество топлива добавление в воздух будет зависеть от требуемого повышения температуры. Тем не мение, максимальная температура ограничена определенным диапазоном, определяемым материалы, из которых изготовлены лопатки и сопла турбин. В воздухе есть уже были нагреты до температуры от 200 до 550 C в результате работы, проделанной в компрессор, требующий повышения температуры примерно от 650 до 1150 C от процесса сгорания.Поскольку температура газа определяет тягу двигателя, камера сгорания должна быть способна поддержание стабильного и эффективного сгорания в широком диапазоне двигателей условия эксплуатации.

Воздух, принесенный вентилятор, который не проходит через ядро ​​двигателя и, следовательно, не используется для сжигания, что составляет около 60 процентов от общего количества поток воздуха, постепенно вводится в жаровую трубу, чтобы снизить температура внутри камеры сгорания и охладите стенки жаровой трубы.

УДАР

Вынужденная реакция расширенного газа — смеси топлива и воздуха. через турбину, приводит в действие вентилятор и компрессор и выдувает из выхлопное сопло, обеспечивающее тягу.

Таким образом, турбина должна обеспечивать мощность для привода компрессор и аксессуары. Это делает это за счет извлечения энергии из горячих газов, выделяемых из системы сгорания и расширения их до более низкого давления и температуры.Непрерывный поток газа, к которому открытая турбина может попасть в турбину при температуре от 850 до 1700 ° C, что снова намного выше точки плавления текущего материаловедение.

Для производства крутящего момента, турбина может состоять из нескольких ступеней, каждая из которых использует один ряд подвижных лопастей и один ряд неподвижных направляющих лопаток для направления воздух по желанию на лезвия. Количество ступеней зависит от соотношение между мощностью, требуемой от газового потока, вращательной скорость, с которой она должна производиться, и допустимый диаметр турбины.

Желание для обеспечения высокого КПД двигателя требуется высокая температура на входе в турбину, но это вызывает проблемы, поскольку лопатки турбины должны выполнять и выдерживают длительные периоды эксплуатации при температурах выше их плавления точка. Эти лезвия, хотя и раскаленные докрасна, должны быть достаточно прочными, чтобы нести центробежные нагрузки из-за вращения с высокой скоростью.

Для работы в этих условиях холодный воздух вытесняется из множества мелких отверстия в лезвии.Этот воздух остается близко к лезвию, предотвращая его плавится, но не сильно ухудшает общий представление. Никелевые сплавы используются для изготовления лопаток турбин и направляющие лопатки сопла, поскольку эти материалы демонстрируют хорошие свойства при высокие температуры

Как работают авиационные двигатели?

На базе Air

Airbus A380 — самый большой в мире пассажирский самолет

Самолету требуется огромная мощность двигателя для взлета и полета.Полностью загруженный Airbus A380 — самый крупный пассажирский самолет в эксплуатации — может весить на взлете более 500 тонн, для чего требуются четыре мощных двигателя, объединяющих тягу в 300 000 фунтов.
Двигатели должны приводить самолет в движение достаточно быстро, чтобы создать достаточную подъемную силу для преодоления силы тяжести. Но в отличие от наземных транспортных средств, которые прижимаются к земле с помощью приводных колес, самолет создает тягу с помощью пропеллеров или двигателей, которые толкаются в воздух.
Газотурбинные двигатели заполнены аэродинамическими профилями или «лопастями» различных размеров, прикрепленными к вращающейся оси.Лопасти перемещают воздух через разные ступени двигателя, сжимая и расширяя газ, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.

Как выглядит газотурбинный двигатель?

Ниже представлена ​​схема типичного газотурбинного двигателя. Забор воздуха слева часто сопровождается большим вентилятором для увеличения всасывания. Затем воздух сжимается до меньшего объема перед смешиванием с топливом в камере сгорания. Смесь воспламеняется от искры или пламени, и горячий газ проходит через турбину, которая вращается, чтобы привести в действие компрессор и вентилятор.Выхлоп под высоким давлением затем выходит из задней части двигателя, создавая тягу и продвигая самолет вперед. Ступени газовой турбины более подробно описаны ниже.

Схема газотурбинного двигателя

Ступени газотурбинного реактивного двигателя

Большой всасывающий вентилятор

Вентилятор: Вентилятор расположен в передней части двигателя и является воздухозаборником первичного воздуха. Большие вращающиеся лопасти всасывают огромное количество воздуха, ускоряя газ и разделяя его на два отдельных потока.Часть воздуха направляется в заднюю часть двигателя для создания тяги, а остальная часть направляется в сердечник двигателя, где он поступает на следующую ступень.
Компрессор: Компрессор сжимает воздух, всасываемый лопастями вентилятора, сжимая его до меньшего объема и увеличивая давление. Секция компрессора облицована множеством рядов лопастей, которые направляют воздух во все более мелкие каналы. Сжатие воздуха увеличивает потенциальную энергию и концентрирует молекулы кислорода для более эффективного сгорания на следующей стадии.
Камера сгорания: Камера сгорания вводит топливо в сжатый воздух и воспламеняет смесь, создавая расширяющийся газ под высоким давлением. Это самая горячая часть двигателя, где энергия выделяется при сжигании топлива, а температура может подниматься выше 2000 градусов по Фаренгейту. Камера сгорания снабжена форсунками для впрыска топлива и воспламенителем, чтобы вызвать реакцию. Как только происходит воспламенение, устойчивый поток топлива обеспечивает поддержание горения, а расширяющийся газ направляется вниз по потоку в секцию турбины.

Внутри реактивного двигателя видны секции компрессора, камеры сгорания и турбины.

Турбина: Секция турбины — это еще одна серия вращающихся лопастей, которые приводятся в движение воздухом под высоким давлением, выходящим из камеры сгорания. Лопатки турбины улавливают быстрый воздушный поток и вращаются, приводя в движение вращающийся вал, который вращает вентилятор и компрессор в передней части двигателя. Турбина, по сути, приводит в действие остальную часть двигателя, используя энергию камеры сгорания для поддержания стабильного всасывания и сжатия воздуха.Воздух, проходящий через турбину, теряет энергию для вращающихся лопастей, но то, что остается, перемещается в последнюю ступень выхлопа двигателя, откуда он выталкивается для создания тяги.

Реактивный истребитель с включенной форсажной камерой

Сопло: Сопло представляет собой конусообразный канал в задней части двигателя. Здесь воздушный поток из сердечника двигателя и воздух, отводимый из секции вентилятора, выбрасываются для создания тяги. Сопло двигателя обычно сужается для ускорения выходящего газа, а воздух, выходящий из сопла, оказывает на двигатель силу, которая толкает самолет вперед.
В некоторых двигателях используется форсажная камера для создания дополнительной тяги. Форсажная камера впрыскивает больше топлива и воспламеняет смесь после того, как она прошла через турбину. Этот процесс значительно увеличивает скорость воздуха, выходящего из сопла, но он потребляет избыточное топливо и используется только в течение коротких периодов времени на специализированных военных самолетах.

Как работает реактивный двигатель — Сводка видео

Вот забавное видео, созданное CFM International, в котором анимированные частицы воздуха проходят через каждую ступень двухконтурного двухконтурного двухконтурного двухконтурного двухконтурных двигателей.

Улучшение аэродинамического профиля

Один реактивный двигатель может иметь сотни лопастей в секциях вентилятора, компрессора и турбины. Эти лопасти различаются по размеру, форме и составу материала, но все они выполняют важные функции в работе двигателя. Учитывая экстремальные силы и температуры, присутствующие в газотурбинном двигателе, методы улучшения качества металла, такие как лазерная обработка, имеют жизненно важное значение для безопасности и производительности двигателя и его компонентов.

Лопасти вентилятора на бомбардировщике B-1 обработаны лазером на устойчивость к FOD

Сопротивление FOD: Повреждение инородными предметами (FOD) представляет серьезную опасность для авиационных двигателей. Мощное всасывание, создаваемое вентилятором и компрессором, может втягивать твердые предметы, такие как глыбы льда или обломки взлетно-посадочной полосы, потенциально повреждая компоненты двигателя. Лазерная обработка обеспечивает непревзойденную стойкость к FOD и, как было показано, значительно препятствует растрескиванию и разрушению титановых лопастей вентилятора, связанных с FOD.Лазерное упрочнение применялось более 20 лет для защиты критических компонентов двигателя бомбардировщика B-1.
Предотвращение усталостных трещин: Усталостное растрескивание — еще одна серьезная опасность для лопастей авиационных двигателей. Поскольку компоненты вращаются с высокой скоростью, каждое лезвие испытывает растягивающее напряжение, которое повторяется в течение миллионов циклов. Если в металле развивается трещина, даже в микроскопическом масштабе, повторное нагружение в каждом цикле может постепенно расширять трещину, пока она не станет настолько большой, что сломается лезвие.Лазерное упрочнение часто применяется к лопаткам вентиляторов, компрессоров и турбин в областях, склонных к растрескиванию и усталости. Глубокие сжимающие остаточные напряжения, создаваемые лазерным упрочнением, препятствуют зарождению и распространению трещин, продлевая срок службы лопаток и предотвращая неожиданные отказы.
На следующей неделе мы обсудим различные типы авиационных двигателей: от турбовентиляторных и турбовинтовых до прямоточных и прямоточных.
Подписывайтесь на нас в LinkedIn, чтобы не пропустить ни одной статьи или блога.
Свяжитесь с LSPT, чтобы узнать больше о компонентах газотурбинных двигателей с лазерной упрочнением.

3 авиационных газотурбинных двигателя | Исследование силовых установок и энергетических систем коммерческих самолетов: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее. Кроме того, общий коэффициент давлений ² газовых турбин со временем увеличился, чтобы улучшить термодинамический КПД. В то же время, однако, размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубило проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолета и двигателя для полета требуется меньше мощности, так что объем двигателя и мощность, требуемые при неизменных характеристиках самолета, в будущем уменьшатся.

Возможность улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД — от расхода топлива до движущей силы — повысился примерно с 10 процентов до текущего значения, приближаясь к 40 процентам (см. Рис. 3.2). Вероятно, что скорость улучшения этих двигателей может продолжаться примерно на 7 процентов в десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии. Потенциал общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих КПД: термодинамической эффективности двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам может быть возможно создание газовой турбины для коммерческого самолета, учитывая важные ограничения авиации в отношении безопасности, веса, надежности и стоимости. Несколько авторов рассмотрели вопрос о практических пределах для газовых турбин простого цикла с учетом потенциала новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов. Их оценки индивидуальных пределов термодинамического и пропульсивного КПД несколько различаются (и могут по-разному разделить потери между термодинамическим и пропульсивным КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достигнуто.Как показано на Рисунке 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65-70 процентов, а тяговый КПД — 90-95 процентов.

Газотурбинные двигатели нуждаются в значительном улучшении, при этом общий КПД повышается на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день. Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших приращений, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь на охлаждение может улучшить термодинамический КПД на 19 процентов и 6 процентов соответственно. ³ Такой значительный выигрыш не достигается простым внедрением новой технологии в существующие двигатели. Скорее, это требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения. Практические циклы с промежуточным охлаждением или рекуперацией могут повысить эффективность еще на 4. ⁴ Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. ⁵ Конечно, практические ограничения тягового КПД не могут быть рассмотрены только на уровне двигателя без ссылки на конфигурацию самолета и интеграцию силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для улучшения, с потенциалом повышения общего КПД на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день, с потенциалом улучшения пропульсивного КПД примерно в два раза выше термодинамического КПД. Этот уровень производительности потребует множества технологических усовершенствований и будет происходить в виде ряда относительно небольших приращений, несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии.В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

² Общий коэффициент давления — это отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

³ D.K. Холл, 2011 г., «Пределы производительности осевых ступеней турбомашин», М.С. диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс,

⁴ Дж. Уурр, 2013, «Будущие архитектуры и технологии гражданских авиационных двигателей», представленный на 10-й Европейской конференции по турбомашинному оборудованию, http: // www.etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

⁵ Д. Карлсон, 2009, «Возрождение двигателей: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития персонала», представленный на 19-й конференции ISABE Международного общества дыхательных двигателей, Монреаль, Канада.

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Когда вы садитесь на борт рейса авиакомпании, вы можете не уделять много времени размышлениям о двигателях. Но они единственная причина, по которой 700 000 фунтов алюминия и пассажиры могут лететь по воздуху со скоростью 80% от скорости звука.Так как они работают? Давайте взглянем.

Основы

Реактивные двигатели, которые также называют газовыми турбинами, работают за счет засасывания воздуха в переднюю часть двигателя с помощью вентилятора. Оттуда двигатель сжимает воздух, смешивает с ним топливо, воспламеняет топливно-воздушную смесь и выбрасывает ее в заднюю часть двигателя, создавая тягу.

Это довольно простое объяснение того, как это работает, поэтому давайте взглянем на каждую секцию реактивного двигателя, чтобы увидеть, что происходит на самом деле.

Части реактивного двигателя

Существует 4 основных типа газотурбинных двигателей, но в этом примере мы будем использовать турбовентиляторный двигатель, который является наиболее распространенным типом газотурбинных двигателей, используемых сегодня на авиалайнерах.

Вентилятор

Первая часть ТРДД — вентилятор. Это также та часть, которую вы можете увидеть, когда смотрите на переднюю часть реактивного самолета.

Вентилятор, который почти всегда состоит из титановых лопастей, всасывает огромных количества воздуха в двигатель.

Воздух проходит через две части двигателя. Часть воздуха направляется в ядро ​​двигателя, где происходит сгорание. Остальной воздух, называемый «перепускным воздухом», перемещается по внешней стороне сердечника двигателя по воздуховоду.Этот перепускной воздух создает дополнительную тягу, охлаждает двигатель и делает его тише, подавляя выхлопной воздух, выходящий из двигателя. В современных турбовентиляторных двигателях байпасный воздух создает большую часть тяги двигателя.

Компрессор

Компрессор расположен в первой части сердечника двигателя. И это, как вы, наверное, догадались, сжимает воздух .

Компрессор, который называется «компрессором с осевым потоком», использует ряд вращающихся лопастей в форме аэродинамического профиля для ускорения и сжатия воздуха.Это называется осевым потоком, потому что воздух проходит через двигатель в направлении, параллельном валу двигателя (в отличие от центробежного потока).

По мере того, как воздух проходит через компрессор, каждый набор лопастей становится немного меньше, что добавляет воздуху больше энергии и сжатия.

Между каждым набором лопаток компрессора находятся неподвижные лопатки аэродинамической формы, называемые «статорами». Эти статоры (также называемые лопастями) увеличивают давление воздуха, преобразуя энергию вращения в статическое давление.Статоры также подготавливают воздух для входа в следующий набор вращающихся лопастей. Другими словами, они «распрямляют» поток воздуха.

В сочетании пара вращающихся и неподвижных лопастей называется столиком.

Камера сгорания

Возгорание происходит в камере сгорания. Когда воздух выходит из компрессора и попадает в камеру сгорания, он смешивается с топливом и воспламеняется.

Звучит просто, но на самом деле это очень сложный процесс. Это потому, что камера сгорания должна поддерживать стабильное сгорание топливно-воздушной смеси, в то время как воздух движется через камеру сгорания с чрезвычайно высокой скоростью.

В корпусе находятся все части камеры сгорания, а внутри него диффузор — первая часть, которая действительно работает.

Диффузор замедляет выход воздуха из компрессора, облегчая его воспламенение. Купол и завихритель добавляют воздуху турбулентность, что облегчает его смешивание с топливом. А топливная форсунка, как вы, наверное, догадались, распыляет топливо в воздух, создавая топливно-воздушную смесь, которая может воспламениться.

Отсюда происходит фактическое сгорание гильзы.Вкладыш имеет несколько входных отверстий, позволяющих воздуху входить в несколько точек зоны горения.

Последняя основная часть — это воспламенитель, который очень похож на свечи зажигания в вашем автомобиле или самолете с поршневым двигателем. Как только воспламенитель зажигает огонь, он становится самоподдерживающимся, а воспламенитель выключается (хотя он часто используется в качестве резервного в плохую погоду и в условиях обледенения).

Турбина

Как только воздух проходит через камеру сгорания, он проходит через турбину.Турбина представляет собой серию лопаток в форме аэродинамического профиля, которые очень похожи на лопатки в компрессоре. Когда горячий воздух с высокой скоростью проходит над лопатками турбины, они извлекают энергию из воздуха, вращая турбину по кругу и вращая вал двигателя, с которым она связана.

Это тот же вал, к которому подключены вентилятор и компрессор, поэтому при вращении турбины вентилятор и компрессор на передней части двигателя продолжают всасывать больше воздуха, который вскоре смешивается с топливом и сгорает.

Сопло

Последний этап процесса происходит в сопле. Форсунка — это, по сути, выхлопной канал двигателя, из которого в спину выходит высокоскоростной воздух.

Это также та часть, где вступает в силу третий закон сэра Исаака Ньютона: на каждое действие существует равное и противоположное противодействие. Проще говоря, выталкивая воздух из задней части двигателя на высокой скорости, самолет толкает вперед.

В некоторых двигателях в выхлопном сопле есть смеситель.Это просто смешивает часть перепускного воздуха, протекающего вокруг двигателя, с горячим, сгоревшим воздухом, делая двигатель тише.

Собираем все вместе

Реактивные двигатели создают невероятную тягу, втягивая воздух, сжимая его, воспламеняя и выбрасывая назад. И все это делается очень экономно.

Итак, в следующий раз, когда вы подниметесь на борт авиалайнера, будь вы пилот впереди или едете сзади, найдите секунду, чтобы поблагодарить инженеров, благодаря которым ваш самолет мог лететь по небу на 80% скорости. звука.

Узнайте, что делает Republic как лидер отрасли здесь .

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь на электронную почту Boldmethod и каждую неделю получайте советы и информацию о реальных полетах прямо на свой почтовый ящик.

.