Turbóhajtómű

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. január 29-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

A turbóhajtómű ( a továbbiakban: TRD ) olyan gázturbinás motor , amelyben az üzemanyag kémiai energiája a sugárfúvókából kiáramló gázsugarak mozgási energiájává alakul . [1] A fő alkalmazási terület a légi közlekedés . Minden turbóhajtómű mechanikai alapja mindig a turbófeltöltő .

Történelem

1791-ben John Barber angol feltaláló felvetette egy dugattyús kompresszorral, égéskamrával és gázturbinával ellátott forgómotor ötletét . 1909-ben az orosz feltaláló , N. V. Gerasimov szabadalmaztatott egy gázturbinás motor sémáját a sugárhajtómű (turbóhajtómű) létrehozására [2] [3] [4] . Maxime Guillaume francia mérnök 1921-ben kapott szabadalmat a gázturbina repülőgép meghajtására való használatára .

A turbóhajtómű első mintáját Frank Whittle angol mérnök mutatta be 1937. április 12-én és az általa létrehozott kis magáncég, a Power Jets . Alan Griffith elméleti munkája alapján készült .

A turbóhajtómű első hasznos alkalmazása Németországban történt egy Heinkel He 178 repülőgépen , HeS 3 turbóhajtóművel . A turbóhajtóművet Hans von Ohain fejlesztette ki szinte egy időben Whittle-lel – az első indítást 1937 szeptemberében a Heinkel-Hirth Motorenbau gyártotta. Erich Warsitz pilóta 1939. augusztus 27-én hajtotta végre az első repülést.

Hogyan működik

A kompresszor levegőt szív be, összenyomja és az égéstérbe irányítja. Ebben a sűrített levegő üzemanyaggal keveredik, ami meggyullad. Az égés következtében keletkező forró gázok kitágulnak, forgásra kényszerítve a turbinát , amely a kompresszorral azonos tengelyen található. Az energia többi része a konvergáló fúvókába költözik . A gáznak a fúvókából történő irányított kiáramlása következtében a sugárhajtóerő hat a motorra . Az üzemanyag elégetésekor a munkaközegként szolgáló levegő 1500-2000 Celsius fokra melegszik fel.

Repülés közben a kompresszor előtti bemeneti berendezésben lelassul a légáramlás, aminek következtében a hőmérséklete és a nyomása nő. A talajon a bemenetben a levegő felgyorsul, hőmérséklete és nyomása csökken.

A kompresszoron áthaladva a levegő összenyomódik, nyomása 10-45-szörösére emelkedik, hőmérséklete megemelkedik. A gázturbinás motorok kompresszorait axiálisra és centrifugálisra osztják. Napjainkban a motorokban a legelterjedtebbek a többfokozatú axiális kompresszorok. A centrifugális kompresszorokat jellemzően kis erőművekben használják.

Ezután a sűrített levegő belép az égéstérbe, az úgynevezett lángcsövekbe, vagy a gyűrű alakú égéstérbe, amely nem különálló csövekből áll, hanem egy integrált gyűrű alakú elem. Ma a gyűrű alakú égéskamrák a legelterjedtebbek. A cső alakú égéskamrákat sokkal ritkábban alkalmazzák, főként katonai repülőgépeken. Az égéstérbe belépő levegő primer, szekunder és harmadlagos részre oszlik. A primer levegő egy speciális ablakon keresztül jut be az égéstérbe, amelynek közepén egy befecskendező szeleptartó karima található, és közvetlenül részt vesz az üzemanyag oxidációjában (égésében) (az üzemanyag-levegő keverék képződésében). A másodlagos levegő a lángcső falán lévő lyukakon keresztül jut be az égéstérbe, lehűl, formálja a lángot, és nem vesz részt az égésben. Az égéstérbe már a kilépésnél tercier levegő kerül, hogy kiegyenlítse a hőmérsékleti mezőt. Amikor a motor jár, a lángcső elülső részében mindig forró gázörvény forog (a lángcső elülső részének különleges alakja miatt), folyamatosan meggyújtva a keletkező levegő-üzemanyag keveréket, és az üzemanyagot ( kerozin , gáz), amely a fúvókákon keresztül gőz formájában bejut, elégetik.

A gáz-levegő keverék kitágul és energiájának egy része a turbinában a forgórészlapátokon keresztül a főtengely forgásának mechanikai energiájává alakul . Ezt az energiát elsősorban a kompresszor működésére fordítják, emellett a motoregységek (üzemanyag-fokozó szivattyúk, olajszivattyúk stb.) meghajtására, illetve a különféle fedélzeti rendszerek energiáját biztosító elektromos generátorok hajtására is használják.

A táguló gáz-levegő keverék energiájának fő része a fúvókában a gázáramlás felgyorsítására és a tolóerő létrehozására szolgál.

Minél magasabb az égési hőmérséklet, annál nagyobb a motor hatásfoka . A motoralkatrészek tönkremenetelének megakadályozása érdekében gyártásukhoz hőálló ötvözeteket és hőzáró bevonatokat használnak . Ezenkívül hűtőrendszert használ a kompresszor középső fokozataiból vett levegővel.

Főbb jellemzők

A turbóhajtómű legfontosabb jellemzői a következők:

  1. a motor által generált tolóerő.
  2. Fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás ( az egységnyi tolóerő/teljesítmény egység létrehozásához elfogyasztott üzemanyag tömege )
  3. Levegőfogyasztás (a motor egyes szakaszain áthaladó levegő tömege időegységenként)
  4. A kompresszor össznyomási aránya
  5. A gáz hőmérséklete az égéstér kimeneténél.
  6. Súly és méretek.

A kompresszorban a teljes nyomás növekedésének mértéke a turbóhajtómű egyik legfontosabb paramétere, mivel ettől függ a motor effektív hatásfoka . Ha a turbóhajtóművek első mintáinál ( Jumo-004 ) ez a szám 3 volt, akkor a moderneknél eléri a 40-et ( General Electric GE90 ).

A kompresszorok gázdinamikus stabilitásának növelése érdekében kétfokozatúként ( NK-22 ) vagy háromfokozatúként ( NK-25 ) készülnek. Mindegyik kaszkád a saját forgási sebességével működik, és a saját turbina kaszkádja hajtja. Ebben az esetben a kompresszor 1. fokozatának (alacsony nyomású) tengelye, amelyet a turbina utolsó (legkisebb fordulatszámú) fokozata forgat, áthalad a második fokozat kompresszorának üreges tengelyén belül (nagy nyomású fokozat egy két fokozatra). -fokozatú motor, közepes nyomású fokozat háromfokozatúhoz). A motorfokozatokat alacsony, közepes és nagynyomású rotoroknak is nevezik.

A legtöbb turbóhajtómű égéskamrája gyűrű alakú, és a turbina-kompresszor tengelye a kamragyűrűn belül halad át. Amikor belép az égéstérbe, a levegő 3 áramra oszlik.

Elsődleges levegő  - belép az égéstér első nyílásain, lelassul az injektorok előtt, és közvetlenül részt vesz az üzemanyag-levegő keverék kialakulásában. Közvetlenül részt vesz az üzemanyag elégetésében. Az üzemanyag-levegő keverék a tüzelőanyag égési zónájában a VKI-ben közel a sztöchiometrikus összetételű .

Másodlagos levegő  - az égéstér falainak középső részén lévő oldalsó lyukakon keresztül jut be, és ezek hűtésére szolgál azáltal, hogy sokkal alacsonyabb hőmérsékletű légáramot hoz létre, mint az égési zónában.

Harmadlagos levegő  - speciális légcsatornákon keresztül jut be az égéstér falainak kimeneti részébe, és arra szolgál, hogy kiegyenlítse a turbina előtti munkaközeg hőmérsékleti mezőjét.

Az égéstérből a felmelegített munkaközeg belép a turbinába, kitágul, mozgásba hozza és energiájának egy részét adja, majd miután a fúvókában kitágul és kiáramlik, sugártolóerőt hoz létre.

A kompresszornak köszönhetően a turbósugárhajtómű (ellentétben a ramjet motorral ) képes „felszállni” és alacsony repülési sebességgel működni, ami egy repülőgép hajtóművéhez feltétlenül szükséges , míg a hajtóműben lévő nyomást és a légáramot csak a kompresszor.

A repülési sebesség növekedésével az égéstérben a nyomás és a munkaközeg áramlási sebessége növekszik a szembejövő légáram nyomásának növekedése miatt, amely a bemeneti berendezésben lelassul (ugyanúgy, mint a ramjetnél), ill. a légköri nyomásnál nagyobb nyomáson lép be a kompresszor alsó fokozatába, ekkor megnő a motor tolóereje.

A fordulatszám-tartomány, amelyben a turbósugárhajtómű hatékonyan működik, alacsonyabb értékek felé tolódik el, mint a sugárhajtóműves motoré . A "turbina-kompresszor" egység, amely lehetővé teszi a nagy áramlási sebesség és a munkafolyadék magas fokú kompressziójának létrehozását az alacsony és közepes repülési sebességek tartományában, akadályozza a motor hatékonyságának növelését a nagy sebességek zónájában:

A turbina bemeneténél a munkaközeg megengedett hőmérsékletének növelése a turbóhajtómű fejlesztésének egyik fő iránya. Ha az első turbóhajtóműveknél ez a hőmérséklet alig érte el az 1000 K-t, akkor a modern motoroknál megközelíti a 2000 K-t. Ezt egyrészt a különösen hőálló anyagok felhasználásával, amelyekből a turbinalapátokat és -tárcsákat készítik, másrészt a hűtésük megszervezésével biztosítják: A közepes kompresszorfokozatokból származó levegő (sokkal hidegebb, mint az üzemanyag égéstermékei) a turbinába kerül, és összetett csatornákon halad át a turbinalapátokon belül.

Ennek eredményeként a turbóhajtómű maximális áramlási sebessége kisebb, mint egy sugárhajtóműnél, amely a sugárhajtómű reaktív tolóerejének képletével összhangban a tervezési üzemmódban, amikor a nyomás a fúvóka kilépésénél egyenlő a környezeti nyomással, [5]

, (egy)

ahol  a tolóerő ,  a munkafolyadék tömegének második áramlási sebessége a motoron keresztül,  a sugár kiáramlási sebessége (a hajtóműhöz viszonyítva),  a repülési sebesség, korlátozza a sebességtartományt, amelyen a turbósugár A motor felülről működik, az M = 2,5-3 értékkel (M a Mach szám ). Ennél és nagyobb légsebességnél a beáramló légáramlás lassulása a nagynyomású kompresszorokéval megegyező vagy akár nagyobb mértékű nyomásnövekedést hoz létre, több tíz egységben mérve, és még nagyobb sűrítés nemkívánatossá válik, mivel a levegőt a levegő áramlása. fűtött, és ez korlátozza az égéstérben átadható hőmennyiséget. Így nagy repülési sebességnél (M > 3-nál) a turbina-kompresszor egység használhatatlanná, sőt kontraproduktívvá válik, mivel csak további ellenállást hoz létre a motorcsatornában, és ilyen körülmények között a ramjet hajtóművek hatékonyabbá válnak.



A turbóhajtóművek típusai

Egykörös turbóhajtómű

(szintén - TRD)

Ez egy turbósugárhajtómű egy áramkörrel - vagyis egy áramlási útvonallal. [6]
Az egykörös turbósugárhajtóművek 1000 km/h feletti sebességnél a legjobb hatásfokkal, ezért alkalmazási körük általában katonai repülőgépekre korlátozódik. [7] Az egykörös turbósugárhajtómű kiegészíthető utóégetővel (TRDF). [nyolc]

Kétkörös turbóhajtómű

(és - turbóventilátoros motor)
Ez egy belső és külső áramkörrel rendelkező turbósugárhajtómű, amelyben a belső körbe szállított tüzelőanyag égési energiájának egy része mechanikai munkává alakul át a külső kör kompresszorának (ventilátorának) meghajtására. [9]

A turbóventilátoros motor alapja az az elve, hogy a tolóerő létrehozásába további levegőtömegnek kell bevonnia, mindenekelőtt a turbóventilátor -motor hatékonyságának növelése érdekében sűrű légkörben. Ellentétben az egykörös turbóventilátoros motorral (egy áramlású turbósugárhajtóművel), a turbóventilátoros motorban a közös légbeömlőn keresztül a motorba belépő levegő két áramra oszlik. Az első áramlás - a belső kör áramlása - a kompresszor több szakaszában összenyomódik, belép az égéstérbe, áthalad a turbinán és kilép a fúvókán. A második áramlást - a külső kör áramlását - szintén a kompresszor fokozatai sűrítik össze, de ezután az égésteret megkerülve a fúvókára irányítják. Mindkét áramot általában a turbina mögött összekeverik az úgynevezett " keverőkamrában " [10] egészen a fúvókáig, és egyetlen fúvókán keresztül közös sugársugárként távoznak. [tizenegy]

Két áramlási rész (áramkörök), két (vagy több) tengely, két turbókompresszor, egy keverőkamra jelenléte - mindez a turbóhajtómű komplikációjához, hossz- és keresztirányú méretének növekedéséhez, valamint a súly. Ennek eredményeként azonban a motor hatásfoka szubszonikus fordulatszámon megnő, és a sugársugár által keltett zaj csökken. A hatásfok növelése a gázok fúvókából való kiáramlási sebessége és a repülőgép sebessége közötti különbség csökkentésével érhető el a belső kört megkerülő légáramlás növelésével. A katonai szuperszonikus repülőgépek motorjaiban egy második kör alkalmazása lehetővé teszi a motor forró részeinek hűtését, ami lehetővé teszi a turbina előtti gázok hőmérsékletének növelését, ami hozzájárul a tolóerő további növekedéséhez. [13]

Bármely turbóventilátor-motor fontos paramétere a bypass arány - a külső áramkörön áthaladó levegőtömeg-áramlás aránya a belső áramkörön keresztül. Ezt a paramétert a tervezési szakaszban határozzák meg, és nagymértékben függ a motor rendeltetésétől (alkalmazás és üzemi sebesség). [12]

Alacsony bypass arányú ( m < 2 ) motorokat használnak szuperszonikus repülőgépekhez, m > 2 motorokat szubszonikus utas- és szállító repülőgépekhez. Abban az esetben, ha a bypass arány 4-nél nagyobb ( m > 4 ), a turbóventilátoros motor keverés nélkül történik a fúvóka felé, rövid külső kontúrral, mivel ilyen esetekben jelentős nyomás- és sebességkülönbség miatt. , az áramlások keverése nehéz. Ugyanakkor a bypass arány növekedésével a kompresszor-ventilátor meghajtásához szükséges teljesítmény aránya is növekszik. Az ilyen turbóventilátoros motorok a turbóventilátoros motorok és a turbótengelyes/turbóprop gázturbinás motorok közé tartoznak, és külön típusként – az úgynevezett turbóventilátoros motorokként – kiemelkednek .

A turbóventilátoros motorok a turbóventilátoros motorokhoz hasonlóan állítható fúvókákkal és utóégetőkkel is felszerelhetők szuperszonikus katonai repülőgépekhez. [tizenegy]

Első alkalommal az első működőképes turbósugárhajtómű megalkotója , Frank Whittle javasolta a bypass turbósugárhajtóművet az 1930-as évek elején. A szovjet tudós és tervező, A. M. Lyulka 1937 óta tanulmányozta ezt az elvet, és kérelmet nyújtott be egy bypass turbóhajtómű feltalálására (a szerzői bizonyítvány 1941. április 22.). Az 1940-es évek második felében a Rolls-Royce- nál készítették el az utóégetős turbósugárhajtóművek első modelljeit , és a Conway lett az első sorozatgyártású.

Turbóventilátor motor

A népszerű irodalomban néha turbóventilátornak nevezik a magas (2 feletti) bypass-arányú turbóventilátor-motorokat. Az angol nyelvű szakirodalomban ezt a motort turbofannak hívják, hozzáadva a magas bypass (high bypass) specifikációt, rövidítve hbp. A nagy bypass arányú turbóventilátoros motorok általában keverőkamra nélkül készülnek. Az ilyen motorok nagy bemeneti átmérője miatt a külső kontúrfúvókát gyakran lerövidítik a motor tömegének csökkentése érdekében.

TRD tolóerővektor-vezérléssel (UVT)

UVT

Egyes turbóventilátoros motorok speciális forgófúvókái lehetővé teszik a fúvókából kiáramló munkafolyadék áramlásának a motor tengelyéhez viszonyított eltérítését. Az OVT további veszteségeket okoz a hajtómű tolóerejében az áramlás elforgatásával kapcsolatos további munkák elvégzése miatt, és megnehezíti a repülőgép irányítását. Ezeket a hiányosságokat azonban teljes mértékben kompenzálja a manőverezőképesség jelentős növekedése, valamint a repülőgép felszállási és leszállási futása, egészen a függőleges fel- és leszállásig. Az OVT-t kizárólag a katonai repülésben használják.

Turbóhajtómű utóégetővel

utánégető

Bár a turbómotor égésterében oxigéntöbblet van, ez a teljesítménytartalék közvetlenül - a kamra üzemanyag-fogyasztásának növelésével - a turbinába belépő munkaközeg hőmérsékletének korláta miatt nem realizálható. Ezt a tartalékot a turbina és a fúvóka között elhelyezett utóégetővel felszerelt motorokban használják . Utóégető üzemmódban ebben a kamrában további mennyiségű tüzelőanyag ég el, a munkaközeg belső energiája a fúvókában történő kitágulás előtt megnő, aminek következtében a kiáramlási sebessége nő, és a motor tolóereje bizonyos esetekben nő, több mint 1,5-szeresére, amit a nagy sebességgel repülő harci repülőgépek használnak. Az utóégetőben stabilizátort használnak, melynek feladata, hogy a mögötte lévő fordulatszámot nulla közeli értékekre csökkentse, ami biztosítja a tüzelőanyag keverék stabil égését. Az utóégetővel jelentősen megnő az üzemanyag-fogyasztás, az utóégetővel ellátott turbósugárhajtóműveket gyakorlatilag nem használták a kereskedelmi repülésben, kivéve a Tu-144- es repülőgépeket , amelyek repülései már leálltak.

Hibrid turbóhajtómű

TRD + ramjet motor

Hibrid turbósugárhajtóművek

Az 1960-as években az Egyesült Államok megalkotta a Pratt & Whitney J58 hibrid turbó/ramjet motort, amelyet az SR-71 Blackbird stratégiai felderítő repülőgépeken használtak . Az M = 2,4 Mach-számig turbó sugárhajtóműként működött utóégetővel, nagyobb fordulatszámon pedig csatornák nyíltak, amelyeken keresztül a bemeneti készülék levegője az utóégetőbe jutott, megkerülve a kompresszort, az égésteret és a turbinát, az üzemanyag-ellátást. az utóégető megnőtt, és úgy kezdett dolgozni, mint egy ramjet. Egy ilyen működési séma lehetővé tette a motor hatékony működésének fordulatszám-tartományának kiterjesztését M = 3,2-re. Ugyanakkor a motor súlyjellemzőit tekintve gyengébb volt mind a turbó-, mind a sugárhajtású motoroknál, és ezt a tapasztalatot nem alkalmazták széles körben.

TRD + rakétamotor

Az ilyen típusú motorok a légkörben való repülés során a légköri levegő oxigénjét használják oxidálószerként, a légkörön kívüli repüléskor pedig az üzemanyagtartályokból származó folyékony oxigént használják oxidálószerként. Az ilyen típusú motorokat a HOTOL projektben tervezték használni, és a Skylon projektben is tervezik [14] .

Változó fúvókás turbósugárhajtómű

állítható fúvóka

Azok a TRD-k, amelyekben a sugár áramlási sebessége szubszonikus és szuperszonikus is lehet a motor különböző üzemmódjainál, állítható fúvókákkal vannak felszerelve. Ezek a fúvókák hosszanti elemekből, úgynevezett szárnyakból állnak , amelyek egymáshoz képest mozgathatók, és egy speciális hajtás által mozgásba hozható, amely lehetővé teszi a pilóta vagy az automatikus motorvezérlő rendszer parancsára a fúvóka geometriájának megváltoztatását. Ezzel egyidejűleg megváltozik a fúvóka kritikus (legszűkebb) és kimeneti szakaszának mérete, ami lehetővé teszi a hajtómű működésének optimalizálását repülés közben különböző sebességgel és hajtómű üzemmóddal. [egy]

Nukleáris turbósugárhajtómű

Atomreaktort használ a levegő felmelegítésére kerozin elégetése helyett. A fő hátrány a használt levegő erős sugárszennyezettsége. Előnye a hosszú repülés lehetősége [15] .

Hatókör

A turbóhajtóműveket legaktívabban különféle katonai és kereskedelmi repülőgépek motorjaként fejlesztették ki a XX. század 70-80-as éveiig. Jelenleg a turbósugárhajtóművek a repülőgépiparban elfoglalt résük jelentős részét elvesztették, a gazdaságosabb bypass turbósugárhajtóművek (turbojet motorok) miatt kiszorultak.

Elmondhatjuk, hogy az 1960-as évektől a mai napig a repülőgépmotor-iparban - a turbóventilátor-motorok korszakában. A különféle típusú turbóventilátor-motorok a repülőgépeken használt turbóventilátor-motorok legelterjedtebb osztályai, a nagy sebességű, alacsony turbóventilátorral rendelkező vadászrepülőgépektől a nagy megkerülő turbóventilátorral rendelkező óriás kereskedelmi és katonai szállító repülőgépekig.

Jegyzetek

  1. GOST 23851-79 Repülési gázturbinás motorok. Kifejezések és meghatározások. (10. kifejezés, 3. o.) .
  2. JET ENGINE • Great Russian Encyclopedia – elektronikus változat . bigenc.ru. Letöltve: 2019. február 16. Az eredetiből archiválva : 2021. június 6..
  3. Oroszország találmányai // Gázturbinás motor . rus-eng.org. Hozzáférés dátuma: 2019. február 16. Az eredetiből archiválva : 2019. február 17.
  4. V. M. Kornyejev. A gázturbinás motorok tervezési jellemzői. - Ridero, 2018. - ISBN 978-5-4485-9499-1 .
  5. A sugárhajtóművek elmélete és számítása. Tankönyv középiskoláknak. Szerzők: V. M. Akimov, V. I. Bakulev, R. I. Kurziner, V. V. Polyakov, V. A. Sosunov, S. M. Shlyakhtenko. Szerkesztette: S. M. Shlyakhtenko. 2. kiadás, átdolgozva és bővítve. M.: Mashinostroenie, 1987
  6. GOST 23851-79. - 3. o. 11. term.
  7. Harci repülőgépek. - 150. o. III. szakasz "Repülőgép-hajtóművek", 1. fejezet "Osztályozás és alkalmazások".
  8. GOST 23851-79. - 3. o. 12. term.
  9. GOST 23851-79. - 3. o. 13. term.
  10. GOST 23851-79. - S. 29. term 175.
  11. 1 2 Harci repülőgép. — 149. o. III. szakasz „Repülőgép-hajtóművek”, 1. fejezet „Osztályozás és alkalmazások”.
  12. 1 2 Harci repülőgép. - 205. o. III. szakasz "Repülőgép-hajtóművek", 4. fejezet "A turbóventilátoros motorok és a turbóventilátoros motorok tervezési jellemzői".
  13. Harci repülőgépek. - 207. o. III. szakasz „Repülőgép-hajtóművek”, 4. fejezet „A turbóventilátoros motorok és a turbóventillátor-motorok tervezési jellemzői”.
  14. Sándor Grek. Az ember, aki megvette a kozmodromot // Popular Mechanics . - 2017. - 11. sz . - S. 54 .
  15. Nukleáris déjà vu: létezik-e atommeghajtású rakéta ? Népszerű mechanika . Letöltve: 2019. szeptember 12. Az eredetiből archiválva : 2020. augusztus 3.

Irodalom

  • GOST 23851-79. Repülési gázturbinás motorok; Kifejezések és meghatározások. - Moszkva: IPK Standards Publishing House, 1979. - 99 p.
  • Pavlenko VF Combat repülőgép; repülőgépek, erőművek, működésük. - Moszkva: Katonai Könyvkiadó, 1984. - 319 p.