Турбовинтовой двигатель

Применение

Турбовентиляторные реактивные двигатели успешно используются на современных самолетах отечественного и зарубежного производства. Из «родных» стоит выделить ПС-90А и Д-18Т; из зарубежных — General Electric GE90, CFM56-5А/B, CFM56-5C2.

Сфера применения ТВРД очень широкая. Это наиболее востребованный вид авиационных реактивных двигателей на сегодняшний день, который значительно потеснил свой прототип – классический ТРД. Благодаря своей экономичности, он используется и в гражданской, и в военной авиации. Им оснащаются пассажирские и грузовые самолеты, летающие на дальние и средние расстояния, хотя раньше в целях экономии на них устанавливались ТВД. Сейчас же появилась возможность летать быстро и сравнительно недорого, и все благодаря ТВРД.

ПС-90 под крылом Sukhoi Superjet 100

Д-18Т и он же под крылом АН-124

Реактивные двигатели в самолете

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Me-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Здравствуйте, друзья

ТРДД с вентилятором на входе.

В сегодняшней небольшой статье продолжаем более конкретное знакомство с типами авиационных двигателей. Двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД) уже не раз упоминался по сайту и осталось только познакомиться с ним поближе.

Главная идея статьи в том, чтобы понять каково, собственно, главное отличие ТРДД от его предшественника, так сказать первого звена в двигательном семействе, обычного турбореактивного двигателя (ТРД).

Правильней, наверное, было бы сказать даже не просто отличие, а преимущество. Ведь на сегодняшний день ТРД активно сдает свои позиции (если уже не сдал совсем :-)) двухконтурному двигателю. ТРДД теперь превратился в самый распространенный воздушно-реактивный авиационный двигатель на земле.

Главная причина этому одна – высокая экономичность при столь же высокой тяговой эффективности. В наше время растущего энергодефицита такой важный фактор значит очень многое. Экономичность и, соответственно, дальность полета.Современный самолет с ТРДД имеет в этой области большие преимущества.

Первые разработки по теме двухконтурный турбореактивный двигатель начались еще в 19-м веке. Начал их (по крайней мере это официально известно :-)) русский инженер Федор Романович Гешвен (наш ! :-)). В 1939 году А.М. Люлька, ставший в последствии знаменитым конструктором авиадвигателей, разработал ТРДД такой схемы, которая используется в современных двухконтурных двигателях. Но ни тогда, ни в последующие годы проблема экономичности ТРД не стояла так остро, как сейчас. Это были скорее просто конструктивные варианты воздушно-реактивного двигателя, хотя выигрышно-положительные стороны их были известны.

Таковым положение дел оставалось вплоть до 50-х годов, когда ТРД уверенно стали завоевывать первенство среди авиационных двигателей мира. И уже тогда стал проявляться их, пожалуй, главный недостаток. На относительно небольших скоростях полета эти двигатели довольно неэкономичны. Или, говоря другими словами, имеют низкий коэффициент полезного действия.

В одной из прошлых статей я упомянул как-то прочитанный мной в одной из книг интересный факт, неплохо характеризующий этот недостаток. Там было сказано, что в течение одной летной смены полка сверхзвуковых бомбардировщиков ТУ-22 (они были оснащены ТРДФ) потреблялось количество керосина, равное месячному бюджету Белорусской ССР по топливу. За достоверность сказанного не ручаюсь, но очень похоже на правду :-).

Бомбардировщик ТУ-22.

То есть для повышения экономичности было бы конечно хорошо снизить подачу топлива в двигатель. Но ведь чем меньше топлива в камере сгорания, тем меньше температура газа. Воздушный поток, проходящий через двигатель, получит меньше энергии, и в дальнейшем, при выходе из сопла, скорость потока будет ниже. А это значит, что и тяга тоже уменьшится.

Выходит, ничего хорошего … Однако есть возможность этого избежать. Уменьшение тяги, полученное за счет падения скорости истечения газовоздушного потока из двигателя, можно компенсировать увеличением самого этого потока, то есть, правильней говоря, увеличением его массы. Или на техническом языке: нужно увеличить расход воздуха через двигатель. Чем больше масса воздуха, тем больше импульс тяги, создаваемый двигателем. Это, я думаю, всем уже ясно. Реактивное движение : чем больше из движка «вылетело», тем сильнее его самого толкнуло в обратную сторону :-).

Что же получилось в итоге? А то, что тяга осталась той же, а расход топлива уменьшился. То есть улучшилась экономичность, иначе говоря повысился коэффициент полезного действия двигателя (кпд).

Или же немного по-другому: можно при тех же энергетических затратах пропускать через двигатель значительно большую массу воздуха, но с малой скоростью ее истечения. При этом получим большую тягу с меньшими удельными параметрами расхода топлива. То есть суть дела та же :-)…

Все вышесказанное как раз и есть основной принцип работы двухконтурного турбореактивного двигателя. Получили, так сказать, мое любимое объяснение «на пальцах» :-)…

А теперь подтвердим этот факт парочкой формул. Тяга воздушно-реактивного двигателя (коим и является, как известно, ТРД) определяется простым выражением, вытекающим из закона сохранения импульса:

P = G (c — v) , здесь Р – тяга двигателя, G – это расход воздуха через двигатель (кг/с), c— скорость истечения газовоздушной струи из двигателя (м/с), v – скорость полета (м/с). Из этой формулы хорошо видно, что чем больше скорость реактивной струи, тем выше тяга двигателя.

С какими недостатками ведут борьбу конструкторы

Нет механизмов, совершенных во всем . Возможно, это является причиной, почему человек до сих пор не посетил соседние планеты. Древние ученые мечтали о создании вечного двигателя, современные конструкторы пытаются избавить силовые агрегаты от недостатков. К ним принадлежат:

• Шумы, переносимые с трудом человеческим ухом . Когда реактивный самолет взлетает, то создается грохот, приравненный к 120 дБ . Возле космических аппаратов не стоят даже испытатели, чтобы не подвергать организм контузии. Инженеры работают, но пока безуспешно над подобной проблемой.
• Расход горючего . Двигатели много потребляют топлива. Для вывода ракеты на орбиту массой 4000 тонн , необходимо установить не меньше 5 силовых агрегатов. Они создают скорость приблизительно 4 км/сек. Газов за один момент выходит около 10 т. Мгновенно сгорает по цистерне ракетного топлива.
• Ограничение ресурсов . Во время полета ракет, какой бы вид горючего не использовался, каждое выделяет определенный уровень энергии. Но его мало, чтобы покорять Галактику. Сейчас ведутся ядерные разработки, ученые мечтают с помощью этого перспективного направления, открыть туристические путешествия между планетами.
• Быстрый расход топлива . На длительные полеты необходим большой запас энергоносителей. Горючее весит больше чем сами самолеты или космические корабли.
• Летательные аппараты огромные по размерам и массе.

Если конструкторы смогли придумать аппарат, чтобы доставить астронавтов на Луну, возможно, скоро появится движок настолько мощный и компактный, который позволит посетить Марс.

Немного истории

Когда в 1903 году первый самолет братьев Райт с поршневым ДВС поднялся в воздух, советский ученый Константин Циолковский написал труд о применении реактивной тяги для преодоления гравитации. В нем были приведены основные идеи теории реактивного движения. Как всегда бывает с гениальными открытиями, его работу не восприняли всерьез. Лишь десятки лет спустя суждено было сбыться тому, что ученый уже давно зафиксировал на бумаге.

Так случилось, что турбореактивный двигатель был принят к серийному производству в Германии в конце тридцатых годов. В проекте приняли участие такие известные компании, как «Хейникель», «БМВ», «Дэймлер-Бенс» и «Порш». Но главным производителем стал все-таки «Джанкерс».

Несмотря на успех, развиваться это направление в то время не стало.

В Советском Союзе разработкой начал заниматься авиаконструктор Архип Люлька. В первой половине сорокового года он запатентовал схему, на которой был двухконтурный турбореактивный двигатель. К сожалению, руководство страны тогда не поддержало ученого, хотя позже он и получил признание во всем мире. Архипу Люльке было предписано заниматься танковыми разработками. К турбореактивным двигателям он вернулся только после того, когда они появились в Германии.

Первые испытания двигателя были проведены в 1947 году.

Какими достоинствами наделены турбореактивные двигатели

Активно развиваются технологии, появляются новые разработки, но двигатели с силой тяги, где горючее, сгорая преобразует внутреннюю энергию в кинетическую, остаются в производстве из-за множества положительных качеств . На этом принципе созданы более совершенные модели, они по-прежнему действуют в соответствии с законом сохранения импульсов. К достоинствам турбореактивных силовых агрегатов относятся:

• Простая конструктивная структура . Где основной составной частью служит реактор, здесь происходит сгорание топлива, создается высокая тепловая энергия, с её помощью передается аппарату реактивная тяга.
• Мало подвижных элементов . Усиливается функциональность дополнительными механизмами, они принудительно нагнетают воздух в простую по конструкции камеру сгорания. В состав воздухосборника входит, крутящийся винт и лопасти.
• Большая мощность . Удельным импульсом характеризуется уровень ускорения, передаваемого воздушным кораблям для развития скорости.
• Высокий КПД . Этот показатель намного выше по сравнению с другими моделями двигателей.
• Тягой можно управлять во время космического полета . Изменяя расход горючего, пилот снижает или увеличивает скорость, маневрирует, отключает или запускает силовой агрегат в автономном режиме, без взаимодействия с другими механизмами.
• Работа осуществляется в условиях низкого воздушного давления , а в безвоздушном пространстве без него, что является первой необходимостью для ракет.

Турбореактивные двигатели отлично зарекомендовали себя в самых трудных ситуациях.

Преимущества и недостатки турбовентиляторных двигателей

Преимущества

Чем же так привлекателен турбовентиляторный реактивный двигатель? В первую очередь он дает возможность экономии топлива без потерь мощности, что так важно для реактивных двигателей. Кроме того, этот мотор менее шумный, чем его «сородичи»

Еще одно преимущество – наличие упрощенной реверсной системы тяги. При торможении самолета используется тяга внешнего контура.

Недостатки

Что же касается недостатков, не обошлось и без них

Любые дополнительные компоненты конструкции двигателей – это дополнительный вес, что для авиации очень важно, а дополнительный контур немалых размеров – это довольно существенное увеличение массы мотора. Еще один минус – большие габариты, что ведет к повышению значения лобового сопротивления воздуха во  время полета

ТВРД можно безошибочно узнать по характерному виду: они напоминают бочонки с большим сечением. Большой диаметр этих моторов – залог высокой степени двухконтурности, в некоторых моделях через него проходит до 80% воздушного потока. В целях экономии и уменьшения веса второй контур выполняют не по всей длине двигателя, а немного меньше, в результате чего из объемного «бочонка» сзади выглядывает конус первого контура.

Принцип работы турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель технологически очень сложное изделие, но работающее по довольно простому и понятному принципу. Расскажем, о его устройстве и какие процессы и как в нём протекают. Сначала разберёмся с терминами. Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan, причём англоязычный мир имеет под словом turbofan абсолютно любой двухконтурный турбореактивный двигатель.

При этом они разделяют их с низкой и высокой степенью двухконтурности соответственно, а степень двухконтурности – это параметр, который показывает отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу во внутреннем. Итак, неотъемлемое свойство турбовентиляторного двигателя высокая степень двухконтурности – для современных изделий от 4 и выше.

Чтобы как можно больше воздуха расходовать через внешний контур используется вентилятор большого диаметра, энергия для его вращения появляется за счёт работы внутреннего контура и в этом заключается суть работы турбовентиляторного двигателя, где с помощью вентилятора создаётся около 80% всей тяги.

Рассмотрим типичное устройство и как это работает. Турбовентиляторный двигатель имеет внешний и внутренний контуры. На входе в двигатель имеется вентилятор большого диаметра, который подаёт воздух в оба контура, устройство внутреннего контура подобно обычному турбореактивному двигателю, который состоит из компрессора, турбины, камеры сгорания и реактивного сопла.

Сначала воздух, немного увеличив давление, после вентилятора попадает в компрессор низкого давления, затем он попадает в компрессор высокого давления, который вращается в несколько раз быстрее. После прохождения обоих компрессоров, воздух, сжатый более чем в 30 раз и сильно нагретый от высокого давления попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, которое подаётся с помощью форсунок и поджигается. Далее раскалённый газ с температурой около 1600 градусов и выше начинает совершать полезную работу.

Сначала он попадает в турбину высокого давления, которая заставляет вращаться, находящийся с ней на одном валу компрессор высокого давления. Затем, потратив часть энергии и снизив свою температуру, раскаленный газ попадает в турбину низкого давления, которая находится на одном валу с компрессором и вентилятором. Потеряв большую часть энергии, раскалённый газ попадает в сопло и совершает последнее полезное действие – создаёт реактивную тягу. Таков принцип работы внутреннего контура, который создаёт лишь 20% всей тяги вентиляторного двигателя.

Принцип работы внешнего контура. Турбина низкого давления, находящаяся на одном валу с вентилятором, заставляет его вращаться, воздух, пройдя через лопатки вентилятора и немного увеличив своё давление, проходит через спрямляющий аппарат, его неподвижные лопатки поворачивают поток воздуха в осевом направлении, заодно повышая его давление. Затем воздушный поток попадает в сопло, где создаётся реактивная тяга.

Вот и весь принцип работы вентиляторного двигателя. Разумеется, каждый конкретный двигатель имеет свои особенности и различия, больше всего они касаются устройства внутреннего контура, но схема исполнения всегда остаётся плюс минус одинаковой. Обычно разница заключается в количестве ступеней компрессора и турбины, также помимо двухвальной схемы используется и трёхвальная, когда вентилятор и компрессор низкого давления больше не связаны, в таком случае используется промежуточная турбина, которая вращает только компрессор низкого давления на отдельном валу.

Ещё один способ увеличения эффективности конструкции – это установка редуктора на валу, который соединяет турбину низкого давления и вентилятор, такое решение позволяет им работать на оптимальных для себя режимах. Устройство внешнего контура также может иметь заметные отличия. При относительно небольшой степени двухконтурности в двигателе может использоваться смешение потоков, где газ из обоих контуров попадает в единую камеру сгорания и покидает через общее сопло.

Но, такая схема не подходит для более габаритных двигателей с высокой степенью двухконтурности, так как масса двигателя значительно вырастет, поэтому практически во всех вентиляторных двигателях потоки не смешиваются и длина внешнего контура всегда меньше внутреннего. Вот собственно и всё – таков принцип и способы повышения эффективности работы турбовентиляторного двигателя.

Источник

Примечания[править | править код]

1. .
2. . bigenc.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
3. . rus-eng.org. Дата обращения: 16 февраля 2019.
4. В. М. Корнеев. Особенности конструкции газотурбинных двигателей. — Ridero, 2018. — ISBN 978-5-4485-9499-1.
5. Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
6. — С. 3. термин 13.
7. — С. 29. термин 175.
8. ↑ — С. 149. раздел III «Авиационные двигатели», глава 1 «Классификация и области применения».
9. ↑ — С. 205. раздел III «Авиационные двигатели», глава 4 «Конструктивные особенности ТРДД и ТРДДФ».
10. — С. 207. раздел III «Авиационные двигатели», глава 4 «Конструктивные особенности ТРДД и ТРДДФ».
11. Александр Грек. Человек, который купил космодром // Популярная механика. — 2017. — № 11. — С. 54.
12. . Популярная механика. Дата обращения: 12 сентября 2019.

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

• 16,5 МВт — мощность на валу.
• 37% — КПД, механический привод.
• 36% — КПД, электрический (простой цикл).
• 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
• 200 000 часов — полный жизненный цикл
• выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем

Десантное судно «Зубр»