Турбовентиляторный реактивный двигатель | Техника и человек
Реактивный двигатель в свое время дал возможность самолетам преодолевать звуковой барьер и летать на больших скоростях, что стало настоящим прорывом как в гражданской, так и в военной авиации. Но, как это частенько бывает, не все в нем оказалось идеальным. Увеличение мощности повлекло за собой увеличение расхода топлива, что не могло не сказаться на стоимости перелетов. С тех пор авиаконструкторы постоянно ищут решения, позволяющие объединить высокую эффективность с экономичностью. Одним из возможных вариантов является двухконтурный турбореактивный двигатель и в частности его вид – турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД).
Турбовентиляторные реактивные двигатели – это все те же газотурбинные двигатели (ГТД), в семейство которых входят практически все современные авиационные силовые установки. ГТД относятся к тепловым машинам, в которых тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую.
Главной особенностью всех ГТД является наличие турбины – вала с лопастями, которые воспринимают часть выработанной энергии и приводят в движение мотор. Наиболее простыми по строению считаются обычные турбореактивные двигатели (ТРД), состоящие из компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. Но, как было отмечено выше, такая конструкция хоть и обеспечивает необходимую мощность, при этом потребляет много топлива. Самыми же экономными в плане расхода топлива считаются турбовинтовые двигатели (ТВД), у которых тягу создает не реактивный поток, а винт, приводимый в движение турбиной. Правда, самолеты, оснащенные такими моторами, не могут преодолевать звуковой барьер, так что их возможности ограничены. Они используются в гражданской авиации на самолетах, летающих на большие расстояния с дозвуковой скоростью. Авиаконструкторы ищут возможность соединить эти два основных типа ГТД, чтобы получить эффективный и экономичный силовой агрегат, и турбовентиляторный реактивный двигатель – это как раз один из результатов их работы.
Перед тем, как перейти непосредственно к ТВРД, стоит обратить внимание на такое понятие, как двухконтурность реактивных моторов. Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) представляют собой обычные реактивные моторы, оснащенные дополнительным – внешним – контуром, который «обволакивает» их корпус. Между внешним и внутренним корпусом есть кольцевой канал, по которому проходит воздушный поток. То есть, при работе двигателя воздушный поток, который всасывает компрессор, попадает не только во внутренний контур, но и во внешний, что увеличивает расход воздуха и повышает эффективность работы. Степень двухконтурности таких двигателей определяется отношением количества воздуха, которое проходит через внешний контур, к количеству воздуха во внутреннем. Чем больше это значение, тем эффективнее работа силового агрегата.
Устройство
А теперь самое время перейти к турбовентиляторному реактивному двигателю, который как раз и является одним из видов ТРДД со степенью двухконтурности больше 2-х.
Компрессор высокого давления (КВД), как правило, осевой и состоит из нескольких ступеней, каждую из которых формируют подвижные и неподвижные лопатки, закрепленные на валу. Чем больше ступеней, тем выше степень сжатия воздуха. Подвижные лопатки расположены впереди, они засасывают и сжимают воздушный поток, который потом попадает на неподвижные лопасти, задающие ему осевое направление.
Вентилятор – это своего рода тот же компрессор, его даже порой называют компрессором низкого давления и считают одной из ступеней КВД. Обычно он одноступенчатый, чего вполне достаточно для предварительно сжатия воздуха, но в некоторых случаях встречаются и двух- и трехступенчатые вентиляторы.
Камера сгорания может быть кольцевой или трубчатой. Ее поверхность имеет отверстия для лучшего вентилирования и охлаждения. В самой камере установлены форсунки для подачи топлива.
Турбина высокого давления – это основа мотора. Собственно, это тот же компрессор, только с обратным принципом работы: в случае с турбиной не она воздействует на газовый поток, а поток воздействует на нее, отдавая часть своей энергии. Ее конструкция состоит из неподвижных лопаток, выпрямляющих поток расширенных газов, и подвижных лопаток, которые и создают крутящий момент. Как и компрессор, она может иметь несколько ступеней.
Турбина низкого давления – это свободная турбина, вращающая вентилятор. Она тоже вращается под воздействием расширенных газов Две турбины не связаны между собой механически и работают независимо одна от другой. Вал второй турбины при этом обычно находится внутри вала первой, но есть конструкции, предусматривающие наличие трех валов.
Принцип работы
Принцип работы ТВРД заключается в следующем.
Поток воздуха захватывается вентилятором и, частично сжимаясь, направляется по двум направлениям: в первый контур к компрессору и во второй на неподвижные лопатки. Вентилятор при этом играет роль не винта, создающего тягу, а компрессора низкого давления, увеличивающего количество воздуха, проходящего через двигатель. В первом контуре поток сжимается и нагревается при проходе через компрессор высокого давления и попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с впрыснутым топливом и воспламеняется, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Поток расширяющихся горячих газов направляется на турбину высокого давления и вращает ее лопатки. Эта турбина вращает компрессор высокого давления, который закреплен с ней на одном валу. Далее газы вращают турбину низкого давления, приводящую в движение вентилятор, после чего попадают в сопло и вырываются наружу, создавая реактивную тягу.
В это же время во втором контуре поток воздуха, захваченный и сжатый вентилятором, попадает на неподвижные лопатки, выпрямляющие направление его движения так, чтобы он перемещался в осевом направлении.
При этом воздух дополнительно сжимается, после чего попадает в сопло второго контура и выходит наружу, создавая дополнительную тягу. Два контура обычно не смешиваются между собой, но есть и исключения.
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.
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.
Отечественные двигатели под крылом самолета
ПС-90 под крылом Sukhoi Superjet 100
Д-18Т и он же под крылом АН-124
Зарубежные образцы двигателей
ТВРД General Electric GE90
ТВРД Rolle Royce Trent 970
Реактивные, турбореактивные двигатели, их виды и принцип работы
При всей своей мощи и кажущейся невероятной сложности — ракетные и турбореактивные двигатели на самом деле имеют довольно простой принцип работы.
Самым простым является ракетный двигатель. Начнем с него.
Для того, чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливо-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.
Наглдный пример реактивной силы в повседневной жизни это обычный воздушный шарик. Если его надуть и отпустить, не завязывая, то шарик будет двигаться за счет реактивной силы, создаваемой вылетающим из него воздухом.
Турбореактивный двигатель (ТРД)
Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по тому же принципу, что и ракетный, за исключением того, что в нем сжигается атмосферный кислород.
Сходства:
Топливо постоянно сжигается внутри камеры сгорания турбины. Освобождающийся через сопло газ создает реактивную силу.
Различия:
На выходе из сопла установлены несколко ступеней турбины, закрепленные на общем валу. проходя через лопатки турбин газ приводит их во вращение. Между колесами турбин установлены неподвижные направляющие лопатки, которые придаю определенное направление потоку газа на пути ко следующей ступени (колесу) турбины, что создает более эффективое вращение.
Вместе с турбиной на едином валу в передней части двигателя установлен компрессор, который служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания.
Турбовинтовой двигатель (ТВД).
Принцип работы точно такой же как и у ТРД, за исключением того, что на валу перед компрессором установлен редуктор, приводящий во вращение воздушный винт с более низкими оборотами, чем турбина.
Получение мощности, необходимой для вращения ротора компрессора и воздушного винта, обеспечивается турбиной с увеличенным числом ступеней, поэтому расширение газа в турбине происходит почти полностью и реактивная тяга, получаемая за счет реакции газовой струи, вытекающей из двигателя, составляет только 10–15% суммарной тяги, в то время как воздушный винт создает основное тяговое усилие (85–90%).
ТВД сочетают в себе преимущества ТРД на больших скоростях полета (способность создавать большую тягу при относительно небольшой массе и габаритах двигателя) и ПД на малых скоростях (низкие расходы топлива) и, обладая высокой топливной эффективностью, широко применяются в силовых установках имеющих большую грузоподъемность и дальность полета самолетов (летающих на скоростях 600–800 км/ч) и вертолетов.
Турбовентиляторный двигатель (ТВлД)
Этот двигатель является неким копромиссом между турбореактивным и турбовинтовым двигателем. У турбовентиляторного двигателя (ТВлД) на валу перед компрессором установлен вентилятор, имеющий большее количество лопаток, чем воздушный винт и обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета, включая низкие скорости при взлете.
Новости СМИ2
Как работают турбовентиляторные двигатели?
Когда производители таких гигантов, как Boeing или Airbus, обычно запускают новый тип самолета, главная цифра почти всегда сводится к тому, насколько новый самолет экономичен по топливу по сравнению с его предшественником. Чаще всего почти вся экономия топлива связана с улучшением двигателей. Но как именно работают турбовентиляторные двигатели?
Основной принцип
Прежде чем мы углубимся в сложную конструкцию современного турбовентиляторного двигателя, давайте разберемся с основами того, как летают самолеты.
Говоря очень широко, самолету нужны две вещи, чтобы подняться в небо: подъемная сила и тяга. Подъемная сила — это восходящая сила, создаваемая крыльями, а тягу можно определить как поступательный импульс, исходящий от двигателей самолета.
Во время путешествия пассажиры могут видеть только большой вентилятор спереди и относительно небольшую выхлопную трубу сзади реактивного двигателя, но между этими двумя компонентами происходит гораздо больше. Основными компонентами турбовентиляторного двигателя являются лопасть вентилятора, секция компрессора, камера сгорания, турбины и выхлоп.
Турбовентиляторные двигатели работают по простой и знакомой концепции. Фото: Pratt & Whitney.
Турбовентиляторный двигатель работает в четыре простых этапа: сосать, сжимать, стучать и дуть , очень похоже на двигатели внутреннего сгорания в дорожных транспортных средствах. Спереди воздух всасывается в двигатель через массивный вентилятор. Затем высокоскоростной воздух поступает на вторую ступень, где он сжимается с помощью лопаток компрессора низкого и высокого давления в указанном порядке.
К этому времени воздух в 40 раз плотнее обычного, а температура достигает нескольких сотен градусов. Затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где топливо распыляется, пытаясь смешать их. Затем смесь воспламеняется, что приводит к быстрому расширению газов, которые в конечном итоге выбрасываются из выхлопных сопел.
Третий закон движения Ньютона гласит, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. В этом случае выхлопные газы, выходящие из двигателя с высокой скоростью, будут толкать самолет вперед с равной и противоположной силой, иначе известной как тяга.
Коэффициент двухконтурности
Теперь, когда вы знаете основы работы турбовентиляторного двигателя, осталось понять одну важную деталь. Когда воздух поступает в двигатель через большой впускной вентилятор, он не весь попадает в сердцевину двигателя. Большая часть поступающего воздуха проходит между капотом двигателя и внешним слоем сердечника. Этот воздух известен как перепускной воздух, поскольку он выходит сзади, но не проходит через сердцевину двигателя.
Однако стоит отметить, что байпасный воздух также создает тягу. Фактически он производит более половины всей тяги двигателя.
Проще говоря, чем выше степень двухконтурности двигателя, тем эффективнее он будет, поскольку ядро отвечает за создание лишь небольшой части общей тяги двигателя. Можно даже сказать, что основной функцией ядра является питание приточного вентилятора, чтобы поддерживать поток байпасного воздуха на полную мощность. Это то, что делает современный турбовентиляторный двигатель значительно более эффективным, чем старые турбореактивные двигатели, которые в настоящее время преимущественно используются в истребителях.
Перепускной канал — это участок между сердцевиной двигателя и капотом. Фото: Getty Images
Количество воздуха, распределяемого между перепускным трактом и сердцевиной двигателя, называется перепускным воздухом и обычно определяется степенью двухконтурности. Коэффициент байпаса 12:1 означает, что на каждые 12 единиц воздуха, проходящих через байпасный канал, одна единица поступает в сердцевину двигателя.
Поскольку перепускной воздух все еще проходит через впускной вентилятор двигателя, его скорость будет несколько выше, чем снаружи. В результате некоторая тяга также создается, когда перепускной воздух выходит из двигателя.
Как работают впускной вентилятор и турбины компрессора?
Большой впускной вентилятор в передней части двигателя приводится в действие самим двигателем. Когда воздушно-топливная смесь сгорает, образующиеся горячие газы проходят через набор турбин, концентрически соединенных с впускным вентилятором. Таким образом, небольшая часть мощности, вырабатываемой двигателем, расходуется на поддержание работы вентилятора.
Турбины компрессора на ступени «дожима» также питаются аналогичным образом. Большинство современных турбовентиляторных двигателей имеют два концентрических вала, проходящих через центр, один для впускного вентилятора, а другой для турбины компрессора.
Как работает турбовентиляторный двигатель?
хорошо знать
Высокие технологии вплоть до мельчайших деталей: современные авиационные двигатели — это первоклассные технологические продукты, которые должны выдерживать экстремальные условия.
Мы объясняем, как они работают.
07.2021 | автор: Изабель Хенрих
автор:
Изабель Генрих изучал политологию и коммуникации. В MTU она координирует редакционный процесс AERO REPORT и отвечает за концепцию и разработку его содержания.
Авиационные двигатели — это высокотехнологичная продукция высшего класса, которая должна выдерживать экстремальные условия. Различные типы двигателей предлагают различные преимущества в зависимости от области применения. С наступлением эпохи авиации на первый план вышли поршневые двигатели с воздушными винтами. Сегодня они встречаются почти исключительно на небольших и частных самолетах. Больше мощности поступило в виде турбовинтового двигателя, в котором пропеллер приводится в движение газовой турбиной через коробку передач. Турбовинтовые двигатели особенно эффективны на более низких скоростях примерно до 600 км/ч, но на более высоких скоростях вступает в свои права реактивный двигатель.
Первыми реактивными двигателями были турбореактивные двигатели, также известные как воздушно-реактивные двигатели с турбиной. Они обеспечили базовую конструкцию будущих реактивных двигателей: воздух всасывается через входное отверстие двигателя и подается в компрессор. Там он сжимается лопастями перед тем, как попасть в камеру сгорания. Форсунки впрыска отвечают за создание смеси топлива и воздуха, которая затем сгорает. Горячие газообразные продукты сгорания взрывоопасно расширяются и под высоким давлением поступают в турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор. Затем эти газы ускоряются в реактивном сопле, создавая движение. Расцвет турбореактивных двигателей пришелся на годы с конца ВОВ до середины 19-го гг.60-х годов и использовались как в коммерческих, так и в военных целях. Сегодня они все еще иногда используются в некоторых типах военных самолетов.
Достижение желаемой тяги зависит либо от сильного ускорения небольшого количества воздуха, либо от мягкого ускорения большого количества воздуха.
Последний требует меньше энергии, что привело к идее турбовентиляторного двигателя как серьезного усовершенствования турбореактивного двигателя. В турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессор, камеру сгорания и турбины, после чего выбрасывается с большим ускорением. Турбовентиляторные двигатели, напротив, разделяют воздушный поток так, что только часть воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания и турбины для привода вентилятора. Большая часть воздуха сжимается самим вентилятором, создавая львиную долю тяги при малом ускорении в отдельном сопле. Соотношение между этими двумя воздушными потоками известно как степень двухконтурности, которая в самых современных турбовентиляторных двигателях может достигать 12:1.
Турбовентиляторный двигатель с редуктором (GTF), последнее поколение турбовентиляторных двигателей, имеет особый атрибут: редуктор между вентилятором и валом низкого давления вместе с компрессором низкого давления и приводной турбиной низкого давления.
Благодаря такому расположению все компоненты могут работать с оптимальной скоростью: вентилятор большого диаметра медленнее, а компрессор низкого давления меньшего размера и турбина низкого давления значительно быстрее. Это помогает достичь более низкого коэффициента давления вентилятора и, следовательно, более высокого коэффициента байпаса. Следовательно, GTF имеет очень высокий общий КПД, существенно снижая расход топлива и выбросы углекислого газа. Кроме того, уменьшенная скорость вентилятора двигателя GTF и потока выхлопных газов означает, что он имеет значительно меньший шумовой след, чем обычные турбовентиляторные двигатели.
Таким образом, по сравнению с предыдущим поколением двигателей, семейство GTF обеспечивает снижение расхода топлива и выбросов углекислого газа на 16 процентов каждый, а уровень шума на 75 процентов меньше.
Как работает современный турбовентиляторный двигатель в 4 этапа
1. Всасывание
Ротор вентилятора, лопастное колесо спереди, всасывает воздух.
В то время как в турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессоры, камеры сгорания и турбины, в турбовентиляторных двигателях поток ускоренного воздуха разделяется за ротором вентилятора. Здесь также определенное количество воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания. Но остальная часть, известная как поток оболочки, не сгорает; вместо этого он обходит внутренние узлы и расширяется в отдельном сопле, создавая большую часть тяги — до 80 процентов. Этот холодный перепускной поток окружает горячие выхлопные газы из сердцевины двигателя как кожух, обеспечивая снижение уровня шума.
2. Сжатие
Затем часть всасываемого воздуха, поступающего в сердцевину двигателя, сжимается в компрессорах низкого и высокого давления. Компрессор низкого давления, также известный как бустер, отвечает за предварительное сжатие. Компрессор высокого давления обеспечивает основное сжатие и отличается высокой эффективностью и малым весом благодаря инновационному принципу блиска, при котором лопасти и диск изготавливаются как единое целое.
3. Горение
После сжатия воздух поступает в камеру сгорания. Именно здесь форсунки впрыска топлива создают смесь топлива и воздуха, которая затем сгорает при температуре примерно 1700 градусов по Цельсию. Накопление тепла заставляет газ расширяться в несколько раз по сравнению с его первоначальным объемом и выходить из камеры сгорания с высокой энергией.
4. Выброс
Горячий газ проходит через турбины высокого и низкого давления, каждая из которых имеет несколько турбинных колес и множество лопастей, приводимых во вращение потоком выхлопных газов. Это приводит к тому, что поток расходует до 60 процентов своей энергии на приведение в действие бустера, компрессора и вентилятора. Это происходит посредством двух концентрических валов — внешнего вала, соединяющего турбину высокого давления с компрессором высокого давления, и внутреннего вала, соединяющего турбину низкого давления с бустером и вентилятором. Только после этого продукты сгорания выходят из реактивного сопла, создавая дополнительный импульс остаточной тяги.
1. Всасывание
1. Всасывание
Ротор вентилятора, крыльчатка спереди, всасывает воздух. В то время как в турбореактивных двигателях весь всасываемый воздух последовательно проходит через компрессоры, камеру сгорания и турбины, в турбовентиляторных двигателях поток ускоренного воздуха разделяется за ротором вентилятора. Здесь также определенное количество воздуха проходит через лопатки компрессора в камеру сгорания. Но остальная часть, известная как поток оболочки, не сгорает; вместо этого он обходит внутренние узлы и расширяется в отдельном сопле, создавая большую часть тяги — до 80 процентов. Этот холодный перепускной поток окружает горячие выхлопные газы из сердцевины двигателя как кожух, обеспечивая снижение уровня шума.
2. Компрессия
2. Компрессия
Затем часть всасываемого воздуха, поступающего в сердцевину двигателя, сжимается в компрессорах низкого и высокого давления.
Компрессор низкого давления, также известный как бустер, отвечает за предварительное сжатие. Компрессор высокого давления обеспечивает основное сжатие и отличается высокой эффективностью и малым весом благодаря инновационному принципу блиска, при котором лопасти и диск изготавливаются как единое целое.
3. Горение
3. Горение
После сжатия воздух поступает в камеру сгорания. Именно здесь форсунки впрыска топлива создают смесь топлива и воздуха, которая затем сгорает при температуре примерно 1700 градусов по Цельсию. Накопление тепла заставляет газ расширяться в несколько раз по сравнению с его первоначальным объемом и выходить из камеры сгорания с высокой энергией.
4. Высылка
4. Выброс
Горячий газ проходит через турбины высокого и низкого давления, каждая из которых имеет несколько турбинных колес и множество лопастей, которые вращаются потоком выхлопных газов. Это приводит к тому, что поток расходует до 60 процентов своей энергии на приведение в действие бустера, компрессора и вентилятора.