Турбина авиационного двигателя: Турбина всему голова

Турбина всему голова

Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.

Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.

Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла.

Во время полета воздух затягивается и немного сжимается вентилятором, самым большим винтом и самым первым по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину.

Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.

Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности.

Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.

Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.

В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление). В целом же турбовентиляторный двигатель не может развивать скорость выше скорости звука, но имеет небольшой расход топлива, что как раз очень важно для пассажирских и грузовых перевозок.

Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.

Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже. Первый CFM56 расходовал чуть больше 700 граммов топлива на килограмм-силы в час.

Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.

Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.

Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет б

ольшую степень сжатия.

Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.

Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно.

По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.

Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составить около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняются недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.

Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором.

Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.

Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее.

Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.

Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.

С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.

Василий Сычёв

Направления деятельности ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова»

Турбина ГТД – это узел, работающий в наиболее сложных условиях нагружения. Разработка турбины всегда была ключевой инженерной задачей при создании ГТД. Это узел, в котором теснее всего завязаны проблемы прочности, газовой динамики, материаловедения. Работы по созданию ГТД в СССР начались еще в предвоенный период по инициативе В.В. Уварова, основателя отечественной школы газотурбостроения. В 1940 г. группа В.В. Уварова была переведена в ЦИАМ. Однако интенсивные исследования в этой области развернулись в стране лишь в послевоенные годы. В части исследования турбин они шли в различных подразделениях института по двум направлениям – газодинамическому и тепловому. В 1970 г. эти подразделения были объединены в самостоятельный отдел газовых турбин. При участии ЦИАМ в 1970-х гг. была освоена технология производства рабочих лопаток конвективно-пленочного охлаждения – ключевой технологии двигателей 4-го поколения. Основными тенденциями развития турбин авиационных ГТД являются: дальнейшее повышение газа на входе в турбину, упрощение конструкции и уменьшение числа деталей (ступеней, лопаток), обеспечение максимальной эффективности на основных режимах, а также высокого ресурса и надежности. В ЦИАМ ведутся работы по актуальным направлениям в области газовой динамики турбин, специализированные подразделения института занимаются решением первоочередных тепловых и конструктивно-технологических проблем, возникающих при разработке высокоэффективных конструкций и технологических процессов турбин авиационных ГТД. В настоящее время отделом газовых турбин создан задел, позволяющий проектировать турбины АД 5-го поколения с предельно высокими температурами. Ведутся работы и на более далекую перспективу.   

Направления работ

Исследования по газовой динамике турбин 

• Аэродинамическое проектирование турбин высокого и низкого давления на основе расчетов стационарных и нестационарных трехмерных течений газа в проточной части турбин (для авиационных двигателей и стационарных установок). Расчетно-экспериментальное исследование центростремительных турбин.
• Анализ тонального шума турбин на основе численного решения нестационарных уравнений Рейнольдса.
• Сопровождение экспериментальных исследований модельных и натурных турбин (охлаждаемых и неохлаждаемых), верификация результатов расчетов с экспериментальными данными.
• Расчетно-экспериментальные исследования аэродинамики решеток турбин.

     

Исследование теплообмена, систем охлаждения, систем подвода воздуха

• Проектирование и расчет гидравлических характеристик и теплового состояния охлаждаемых элементов ТРД, ТРДД, ГТУ, ГТД.
• Проектирование и расчет компрессора высокого давления (КВД), турбины высокого и низкого давления (ТВД, ТНД).
• Проектирование и расчет гидравлических характеристик и теплового состояния в системах наддува полостей роторов ТРД, ТРДД, ГТУ, ГТД.
• Проектирование и расчет системы управления радиальными зазорами над рабочими лопатками КВД, ТВД, ТНД для ТРД, ТРДД, ГТУ, ГТД.
• Расчетно-экспериментальные исследования эффективности пленочного охлаждения экспериментальных лопаток ТВД.
• Расчетно-экспериментальные исследования интенсивности теплообмена в каналах охлаждаемых лопаток ТВД.
• Расчетно-экспериментальные исследования внешнего теплообмена на профилях лопаток современных и перспективных ГТД.
• Расчетно-экспериментальные исследования контактного теплообмена в соединениях лопаток турбин.
• Расчетно-экспериментальные исследования систем подвода воздуха к охлаждаемым лопаткам турбин.

Другие направления

• Математические модели рабочего процесса ГТД высокого уровня.
• Расчетные исследования течения пара в цилиндрах высокого, среднего, низкого давления паровых турбин. Проектирование проточной части паровых турбин.
• Разработка методов утилизация твердых бытовых отходов путем термической обработки с последующим энергопреобразованием получаемого продукт-газа. 

ТурбАэро | Турбовинтовые двигатели | Легкий самолет и БПЛА

Оставьте это поле пустым

First Name*

Last Name*

Confirm Email

Please choose…AfghanistanAland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua and BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Saint Eustatius and Saba Bosnia and HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Indian Ocean TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral African RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos IslandsColombiaComorosCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuracaoCyprusCzech RepublicDemocratic Republic of the КонгоДанияДжибутиДоминикаДоминиканская РеспубликаВосточный ТиморЭквадорЕгипетСальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские островаФарерские островаФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные ТерриторииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренландияГренадаГваделупаГуам GuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard Island and McDonald IslandsHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle of ManIsraelItalyIvory CoastJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKosovoKuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPalestinian TerritoryPanamaPapua New GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRepublic of the CongoReunionRomaniaRussiaRwandaSaint BarthelemySaint HelenaSaint Kitts and NevisSaint LuciaSaint MartinSaint Pierre and MiquelonSaint Vincent and the GrenadinesSamoaSan MarinoSao Tome and PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSi Эрра-ЛеонеСингапурСент-МартенСловакияСловенияСоломоновы островаСомалиЮжная АфрикаЮжная Георгия и Южные Сандвичевы островаЮжная КореяЮжный СуданИспанияШри-ЛанкаСуданСуринамШпицберген и Ян-МайенСвазилендШвецияШвейцарияСирияТайванТаджикистанТанзанияТаиландТогоТокелауТонгаТринидад и ТобагоТунисТурцияТуркменистанЮжные островаТурки и Кайкос. Виргинские островаУгандаУкраинаОбъединенные Арабские ЭмиратыВеликобританияСоединенные ШтатыОтдаленные малые острова СШАУругвайУзбекистанВануатуВатиканВенесуэлаВьетнамУоллис и ФутунаЗападная СахараЙеменЗамбияЗимбабвеСтрана*

Пожалуйста, выберите…АвиашоуАвиационные публикацииСоциальные сети (например, Facebook, YouTube)Веб-сайт или форум TurbAeroДруг или коллегаПоисковая система (например, Google)YouTuber или InfluencerВеб-сайт или форум другой компанииДругоеКак вы узнали о TurbAero?

TurbAero стремится защищать и уважать вашу конфиденциальность. Ознакомьтесь с нашим заявлением о политике конфиденциальности здесь.

Я разрешаю TurbAero хранить и обрабатывать мои персональные данные. *

Двигатели

The Forefront of Propulsion

Наши двигатели бывают разных размеров и с различными вариантами мощности, что позволяет удовлетворить различные потребности авиации. Наша команда постоянно внедряет инновации в области разработки систем производства и распределения электроэнергии, топливных элементов и систем электродвижения. Мы постоянно сосредоточены на том, как мы можем увеличить мощность наших подразделений. Наконец, мы стремимся уменьшить воздействие авиации на окружающую среду.

Ознакомьтесь с нашими продуктами

• Газотурбинные двигатели
• Турбореактивные двигатели
• Турбовинтовые двигатели
• Турбовальные двигатели
• Воздушные турбинные системы
• Системы контроля
• Генераторы
• Клапаны

Газотурбинные двигатели

Компактная конструкция, возможность холодного запуска, мгновенная мощность, многотопливные возможности и скрытная работа; на наши газотурбинные двигатели можно положиться в самых сложных военных задачах.

Газотурбинный двигатель AGT1500

Турбовентиляторные двигатели

Наше семейство турбовентиляторных двигателей используется в реактивных самолетах бизнес-класса и устанавливает новый стандарт реактивных силовых установок.

F124 Turbion Engine

F125 Turbion Engine

HTF7000 Turbion Engine

TFE331 Турбовант. топливной экономичности, которые позволяют самолетам маневрировать в самых сложных и технических условиях.

Турбовинтовой двигатель TPE331

Турбовальные двигатели

Наши турбовальные двигатели обеспечивают необходимую мощность и возможности экономии топлива, необходимые для эксплуатации вертолетов, и могут использоваться в различных коммерческих и военных целях.

CTS800 Turboshaft Engine

HTS7500 Turboshaft Engine

HTS900 Turboshaft Engine

LTS101 Turboshaft Engine

T55 Turboshaft Engine

Air Turbine Systems

Air Turbine Systems are used to power aircraft worldwide, providing them with the ignition and энергии, необходимой для полета.

Система запуска воздушной турбины (ATSS)

Системы управления

Продукты в наших категориях систем управления двигателем включают приводы клапанов, топливные насосы, теплообменники и соленоиды, которые обеспечивают эффективную работу самолета.

Электронная система управления двигателем

Привод регулируемого выпускного клапана управления двигателем

Привод регулируемого статорного клапана управления двигателем

Топливные насосы

Теплообменники

Механические регуляторы подачи топлива

Соленоиды

Генераторы

Мы предлагаем широкий спектр решений для производства электроэнергии для самолетов, которые, как доказано, обеспечивают высоконадежную подачу электроэнергии, постоянную скорость, переменную частоту и постоянный ток (DC).

Стартер-генераторы

Клапаны

Клапаны и сервосистемы Honeywell облегчают управление потоком воздуха внутри и вокруг различных функций самолета, регулируя температуру в салоне и кабине.

Почему Honeywell

Наше наследие надежности

Наши проверенные временем двигатели по-прежнему соответствуют строгим стандартам безопасности полетов и надежности авиационной отрасли, а также продвигают инновации в области устойчивого развития за счет усовершенствований систем с электрическим приводом.

Культура совершенствования

Наша культура непрерывного совершенствования двигателя приводит к созданию продуктов, которые требуют меньше обслуживания благодаря их простой, прочной конструкции, большей мощности и меньшему расходу топлива.

Готовность к самым суровым миссиям

Десятилетия опыта в области двигателей означают постоянное совершенствование двигателей, в результате чего продукты требуют меньше обслуживания даже в самых суровых условиях. Наши двигатели способны справиться с любой миссией за счет увеличения дальности полета и грузоподъемности.

Получайте новую информацию Honeywell прямо на свой почтовый ящик.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе всех последних событий Honeywell.

Зарегистрироваться

Поддерживаемые отрасли

Узнайте, почему Honeywell — это лучший выбор для лучших в отрасли решений.

Авиакомпании и грузовые перевозки

Наши двигатели соответствуют жестким эксплуатационным требованиям для авиалайнеров всех размеров, отвечают строгим стандартам безопасности и производительности таких брендов, как Airbus и Boeing.

Деловая авиация

Мы оснащаем все классы и модели бизнес-самолетов в вашем парке новыми, более интеллектуальными технологиями, чтобы вы могли летать с безотказной работой двигателя, на которую вы можете положиться.

Защита

Сильный. Мощный. Безжалостный. Наши двигатели используются в одних из самых технологически продвинутых и энергоемких самолетов на планете.

Вертолеты

Будь то деловые поездки, спасение здоровья и жизни людей или военные и оборонные операции, наши двигатели обеспечивают надежность и мощность, необходимые для выполнения работы.

БПЛА и городская авиамобильность

Наши двигатели используют силу нашего инженерного творчества для эффективной авиации, которая поддерживает городские воздушные такси, доставку посылок дронами и все формы электрических и автономных полетов.

Интеллектуальное лидерство

Экспертные идеи для всех ваших аэрокосмических потребностей.

ПРОДУКТ

Новый двигатель для вертолета Chinook

Узнайте о важности первого испытания двигателя (FETT) для нового двигателя T55-714C.

ПОСМОТРЕТЬ

Блог

ТРДД: 50 оборотов

Турбовентиляторный двигатель

TFE731 способствовал развитию деловой авиации.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Блог

20 лет работы над двигателями Chinook

Спустя два десятилетия механик размышляет о качестве и простоте двигателя T55.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Будьте в курсе того, что происходит с Honeywell.

Новости

Honeywell садится на борт DEFIANT X

Наш HTS7500 выбран для оснащения нового штурмового вертолета армии США.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Новости

Новый двигатель для армии США

Узнайте, как мы сотрудничаем с Boeing и Sikorsky, чтобы создать будущее вертикального подъема в соревновании армии США.

ПОСМОТРЕТЬ

Новости

Спустя 60 лет Chinook все еще продается

Последняя версия двигателя T55 продолжает использоваться в культовом вертолете.