Авиационные газотурбинные двигатели – Репозиторий Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва: Недопустимый идентификатор

Газотурбинный двигатель самолета. Фото. Строение. Характеристики.

 

Авиационные газотурбинные двигатели.

 

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

 

Принцип работы газотурбинного двигателя.

 

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

 

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

• забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
• сжатие – 2 (компрессор)
• смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
•  выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
• Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

 

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

• турбореактивные
• турбовинтовые
• турбовентиляторные
• турбовальные

 

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс». 

 

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим признакам:

• по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
•  по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
• по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
• по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
• по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

 

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

 

 

Газотурбинный двигатель. Видео.

 

Полезные статьи по теме.

 

Ещё узлы и агрегаты

 

Газотурбинный двигатель — Википедия

Газотурбинный двигатель (ГТД) — это воздушный двигатель, в котором воздух сжимается нагнетателем перед сжиганием в нём топлива, а нагнетатель приводится газовой турбиной, использующей энергию нагретых таким образом газов. Двигатель внутреннего сгорания с термодинамическим циклом Брайтона.

То есть сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда подаётся топливо, которое, сгорая, образует газообразные продукты с большей энергией. Затем в газовой турбине часть энергии продуктов сгорания преобразуется во вращение турбины, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть энергии может передаваться на приводимый агрегат или использоваться для создания реактивной тяги. Эта часть работы двигателя считается полезной. Газотурбинные двигатели имеют большую удельную мощность до 6 кВт/кг.

В качестве топлива используется разнообразное горючее. Например: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельчённый уголь.

Одну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск — компрессора, второй — турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания.

Простейшая схема газотурбинного двигателя Схема турбореактивного двигателя

Принцип работы газотурбинного двигателя:

• всасывание и сжатие воздуха в осевом компрессоре, подача его в камеру сгорания;
• смешение сжатого воздуха с топливом для образования топливо-воздушной смеси (ТВС) и сгорание этой смеси;
• расширение газов из-за её нагрева при сгорании топливо-воздушной смеси, что формирует вектор давления газа, направленный в сторону меньшего сопротивления (в направлении лопаток турбины), передача энергии (давления) газа лопатками турбины на диск или вал, в котором эти лопатки закреплены;
• привод во вращение диска турбины и, вследствие этого, передача крутящего момента по валу с диска турбины на диск компрессора.^[1]

Увеличение количества подаваемого топлива (добавление «газа») вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха, поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС (топливо-воздушной смеси) приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше топливный коэффициент полезного действия (если точнее, чем выше разница между «нагревателем» и «охладителем»). Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытается рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. Также существует и другой способ утилизации тепла остаточных газов — подача в паровой котёл-утилизатор. Генерируемый котлом пар может быть передан паровой турбине для выработки дополнительной энергии в комбинированном цикле на парогазовой установке, либо использоваться для нужд отопления и ГВС в комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) на газотурбинной ТЭЦ.

Чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток, так как длина окружности (путь, проходимый лопатками за один оборот), прямо зависит от радиуса ротора. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Вал реактивного двигателя вращается с частотой около 10000 об/мин и микротурбина — с частотой около 100000 об/мин.^[2][3]

Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя.

Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым циклом[править | править код]

В ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко.

Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгоранием[править | править код]

Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.^{[источник не указан 2991 день]}

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолчённая биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник, и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Одновальные и многовальные газотурбинные двигатели[править | править код]

Простейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина, которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта^[4] или корабля, мощные электрогенераторы и так далее), так и дополнительные каскады компрессора самого двигателя, расположенные перед основным. Разбиение компрессора на каскады (каскад низкого давления, каскад высокого давления — КНД и КВД соответственно^[5], иногда между ними помещается каскад среднего давления, КСД, как, например, в двигателе НК-32 самолёта Ту-160) позволяет избежать помпажа на частичных режимах.

Также преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приёмистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме лёгкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления — большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартёр для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Система запуска[править | править код]

Для запуска ГТД нужно раскрутить его ротор до определённых оборотов, чтобы компрессор начал подавать достаточное количество воздуха (в отличие от объёмных компрессоров, подача инерционных (динамических) компрессоров квадратично зависит от частоты вращения и поэтому на малых оборотах практически отсутствует), и поджечь подаваемое в камеру сгорания топливо. Со второй задачей справляются свечи зажигания, зачастую установленные на специальных пусковых форсунках, а раскрутка выполняется стартером той или иной конструкции:

• электростартер, зачастую являющийся стартёр-генератором, то есть после запуска переключающимся в режим генератора постоянного тока 27 вольт. Таковы, например, ГС-24 вспомогательного двигателя ТА-6Б или СТГ-18 турбовинтового двигателя АИ-24 самолёта Ан-24;
• воздушный турбостартер (ВТС) — небольшая воздушная турбина, получающая воздух от системы отбора (от ВСУ или соседнего работающего двигателя) или наземной установки воздушного запуска (УВЗ). Такие стартёры стоят на двигателях Д-30КП самолёта Ил-76, ТВ3-117 вертолётов Ми-8 и Ми-24 и многих других;
• турбостартер (ТС) — небольшой турбовальный двигатель, рассчитанный только на раскрутку ротора основного двигателя, на котором он и установлен. Такие стартёры стоят, например, на двигателе АИ-25ТЛ учебно-тренировочного самолёта L-39 и НК-12МВ дальнего бомбардировщика Ту-95. Сам ТС имеет электрозапуск.^[6]

Турбореактивный двигатель[править | править код]

Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой[править | править код]

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50 %, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

Двухконтурный турбореактивный двигатель[править | править код]

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m > 4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m < 2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m > 2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель[править | править код]

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях.

Турбовинтовентиляторный двигатель[править | править код]

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, а, как винт, через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полёта ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и «шумовое загрязнение».

Пример ТВВД — Д-27 грузового самолёта Ан-70.

Турбовинтовой двигатель[править | править код]

Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора.^[7] Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта — например, Ан-12, Ан-22, C-130. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 500—700 км/ч.

Вспомогательная силовая установка (ВСУ)[править | править код]

ВСУ — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример, ВСУ типа АИ-9, применяемая на вертолётах и самолёте Як-40). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, то есть являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Такова, например, ВСУ ТА-12 самолётов Ан-124^[8], Ту-95МС, Ту-204, Ан-74 и других.

Турбовальный двигатель[править | править код]

Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Реактивное сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создаёт.

Выходной вал ТВаД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.

Редуктор — непременная принадлежность турбовального двигателя. Скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.

Компрессор у ТВаД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, в нём есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД.

Основное применение турбовальный двигатель находит в авиации, по большей части, на вертолётах. Полезная нагрузка в этом случае — несущий винт вертолёта. Известным примером могут служить широко распространённые вертолёты Ми-8 и Ми-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117.

Турбостартёр[править | править код]

ТС — агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске.

Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартёр ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолёты типа Су-24^[9], или ТС-12, устанавливаемый на авиационные двигатели НК-12 самолётов Ту-95 и Ту-142. ТС-12 имеет одноступенчатый центробежный компрессор, двухступенчатую осевую турбину привода компрессора и двухступенчатую свободную турбину. Номинальные обороты ротора компрессора в начале запуска двигателя — 27 тысяч мин⁻¹, по мере раскрутки ротора НК-12 за счёт роста оборотов свободной турбины ТС-12 противодавление за турбиной компрессора падает и обороты возрастают до 30 тысяч мин⁻¹.

Турбостартёр ГТДЭ-117 двигателя АЛ-31Ф также выполнен со свободной турбиной, а стартёр С-300М двигателя АМ-3, стоявшего на самолётах Ту-16, Ту-104 и М-4 — одновальный и раскручивает ротор двигателя через гидромуфту.^[10]

Судовые установки[править | править код]

Используются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 — характерные модели этого типа машин.

Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходами. Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создаётся при помощи ГТД.

Например, газотурбоход «Циклон-М» с 2 газотурбинными двигателями ДО37. Пассажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке.

Железнодорожные установки[править | править код]

Локомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозами (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 1960-е годы в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 1970-х годов проект был свёрнут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец грузового газотурбовоза, работающий на сжиженном природном газе. ГТ1 успешно прошёл испытания, позднее был построен второй газотурбовоз, с той же силовой установкой, но на другой ходовой части, машины эксплуатируются.

Перекачка природного газа[править | править код]

Газотурбинный двигатель НК-12СТ, используется на магистральных газопроводах ООО «Газпром трансгаз Москва» с 1981 года. По состоянию на 2018 год, в ООО «Газпром Трансгаз Москва» эксплуатируется тридцать таких двигателей.

Принцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей, ТВаД используются здесь в качестве привода мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются двигатели, созданные на базе авиационных — НК-12 (НК-12СТ)^[11], НК-32 (НК-36СТ), так как на них можно использовать детали авиадвигателей, выработавшие свой лётный ресурс.

Электростанции[править | править код]

Турбовальный газотурбинный двигатель может использоваться для привода электрогенератора на электростанциях, основу которой составляют один или несколько таких двигателей. Такая электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт.

Однако, газотурбинный двигатель, помимо вращения, также производит большое количество тепла, которое также может быть использовано для производства электроэнергии или теплоснабжения, поэтому наиболее эффективно его применение совместно с котлом-утилизатором. Полученный в котле-утилизаторе пар подаётся в паротурбинную установку, в таком случае вся установка в целом называется парогазовой, либо подаётся в сетевой подогреватель для использования в теплофикации, в таком случае установка называется газотурбинной ТЭЦ.

Парогазовая установка является одним из самых распространённых и эффективных источников электроэнергии, её КПД выше, чем у отдельных паросиловых и газотурбинных установок.

Танкостроение[править | править код]

Первые исследования в области применения газовой турбины в танковых двигателях проводились в Германии Управлением вооружённых сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком с газотурбинным двигателем стал С-танк.

Установка блочного силового агрегата (двигатель — трансмиссия) в танк M1A1

Турбовальные двигатели (ТВаД) установлены на советском танке Т-80 (двигатель ГТД-1000Т) и американском М1 Абрамс. Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо бо́льшую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также ТВаД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, — оперативная готовность танка с ГТД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем, занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который не требуется ТВаД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршемся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить так называемую холодную прокрутку ГТД для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать — на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар, ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующий замены двигателя.

Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, установленных на тихоходных (в отличие от самолётов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТВаД М1 Абрамс в условиях высокой запылённости (например в песчаных пустынях). В отличие от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запылённости, — конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надёжно защищает ГТД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» — во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком^{[источник не указан 694 дня]}.

Автостроение[править | править код]

STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газотурбинным двигателем Pratt & Whitney. A 1968 Howmet TX — единственный в истории газотурбинный двигатель, принёсший победу в автомобильной гонке.

Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащёнными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировали первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решётки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в лондонском Музее науки.

Команды Rover и British Racing Motors (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, автомобиля с приводом от газовых турбин, который принял участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемого Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Этот автомобиль показал среднюю скорость 173 км/ч, максимальную — 229 км/ч.

Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 году глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Единственная серийная модель «семейного» газотурбинного автомобиля для использования на дорогах общего пользования была выпущена Chrysler в 1963—1964 года. Компания передала пятьдесят собранных вручную машин в кузовах итальянского ателье Ghia добровольцам, которые испытывали новинку в обычных дорожных условиях до января 1966 года. Эксперимент прошёл удачно, но компания, не располагавшая средствами для постройки нового моторного производства, отказалась от массового выпуска автомобиля с ГТД. После ужесточения экологических стандартов и взрывного роста цен на нефть компания, с трудом пережившая финансовый кризис, отказалась от продолжения разработок^[12].^[13]

В 1791 году английский изобретатель Джон Барбер получил патент за номером 1833, в котором описал первую газовую турбину.^[14]

В 1892 году русский инженер П. Д. Кузьминский конструировал и построил первый в мире ГТД с газовой реверсивной турбиной радиального типа с 10 ступенями давления.^[15] Турбина должна была работать на парогазовой смеси, которая получалась в созданной им же камере сгорания — «газопаророде».^[16]

В 1906—1908 году русский инженер В. В. Кароводин сконструировал газовую турбину взрывного типа (турбину постоянного объёма).^[17] Бескомпрессорный ГТД Кароводина с 4 камерами прерывистого сгорания и газовой турбиной при 10 000 об/мин развивал мощность 1,2 квт (1,6 л. с.).^[18]

В 1909 году русский инженер Н. Герасимов запатентовал ГТД, использующийся для реактивного движения, то есть по сути — первый турбореактивный двигатель (привилегия № 21021, 1909 г.).^[19][20][21]

В 1913 г., М. Н. Никольский спроектировал газотурбинный двигатель мощностью 120 кВт (160 л. с.), у которого было три ступени газовой турбины.^[22][23]

Дальнейшие усовершенствования в конструкцию газотурбинных двигателей внесли В. И. Базаров (1923 г.), В. В. Уваров и Н. Р. Брилинг (1930—1936 гг.).^[24][25]

В 1930-е годы огромный вклад в развитие газотурбинных технологий внесла группа конструкторов под руководством академика АН СССР А. М. Люльки. Главные работы конструктора касались турбореактивных двигателей с центробежным лопастным компрессором, которые стали основными для авиации.^{[26][27][28][29]}

Как и у любого теплового двигателя, у ГТД есть множество параметров, которые необходимо контролировать для эксплуатации двигателя в безопасных, а по возможности и экономичных режимах. Измеряются с помощью приборов контроля.

• Обороты — контролируются для оценки режима работы двигателя и недопущения опасных режимов. У многовальных двигателей, как правило, контролируются обороты всех валов — например, на Як-42 для контроля оборотов всех трёх валов каждого двигателя Д-36 установлен трёхстрелочный тахометр ИТА-13^[30], на Ан-72 и Ан-74, оснащённых такими же двигателями Д-36 — три двухстрелочных тахометра, два стоят на приборной доске пилотов и показывают один обороты роторов вентиляторов, второй обороты роторов ВД, третий установлен на пульте предполётной подготовки и показывает обороты роторов НД.
• Температура выходящих газов (ТВГ) — температура газов за турбиной двигателя, как правило, за последней ступенью^[5], так как температура перед турбиной слишком высока для надёжного измерения. Температура газов показывает тепловую нагрузку на турбину и измеряется с помощью термопар. Также от термопар может работать автоматика, срезающая расход топлива или вовсе выключающая двигатель при превышении ТВГ — СОТ-1 на двигателе ТА-6^[1], РТ-12 на двигателе НК-8 и так далее.

Конструкторы газотурбинных двигателей и основанные ими КБ[править | править код]

Авиационные газотурбинные двигатели | Авиационные двигатели

      Здравствуйте! В начале сороковых годов XX века газовая турбина нашла применение в авиации. За сравнительно короткий срок поршневые двигатели были вытеснены из скоростной авиации более совершенными газотурбинными двигателями (ГТД).

      Очень важным показателем для авиации является удельная масса двигателя. У поршневого двигателя она составляет 0,55— 0,82 кг/кВт, а у газотурбинного — всего лишь 0,11—0,14 кг/кВт.

      Принципиальное отличие газотурбинного двигателя от поршневого состоит в характере движения рабочего органа. Если в поршневом двигателе поршень совершает возвратно — поступательное движение, которое затем с помощью коленчатого вала преобразуется во вращательное, то в ГТД рабочий орган (ротор турбины) сразу же совершает вращательное движение.

      Это обстоятельство в основном и предопределило успех ГТД, так как оно позволило получить большее число оборотов и, следовательно, увеличить мощность двигателя при одинаковой массе. Кроме того, поперечные габаритные размеры ГТД, отнесенные к силе тяги, оказались во много раз меньшими, чем у лучших поршневых двигателей. Все это позволило резко увеличить скорость полета самолетов при установке на них газотурбинных двигателей. Если для самолетов с поршневыми двигателями скорость полета обычно составляет 200—300 км/ч, то самолеты гражданской авиации, оснащенные газотурбинными двигателями, развивают скорость значительно выше.

      В ходе развития и совершенствования ГТД появились различные конструктивные решения. Однако все авиационные ГТД подразделяются на две основные группы: турбореактивные (ТРД, рис. 1.) и турбовинтовые (ТВД, рис. 2).

Турбореактивный двигатель состоит из входного устройства 1, осевого компрессора 2, топливной системы 3, камеры сгорания 4, турбины 5 и выходного устройства (сопла) 6. Воздух, поступающий через входное устройство 1 внутрь двигателя, сжимается в компрессоре 2 и нагнетается им в камеру сгорания 4.

       Сюда же подается через форсунки жидкое топливо. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы повышенной температуры и высокого давления направляются на рабочие лопатки турбины 5, приводя во вращение ее ротор, который опирается на роликовые 7 и шариковые раднально -упорные 8 подшипники. Затем через сопло газы отводятся наружу.

      Выходное устройство 6 служит для преобразования потенциальной энергии газового потока в кинетическую и отвода газов из двигателя. Скорость истечения газов из реактивного насадка дозвукового выходного устройства близка к критической или равна ей и составляет 500—600 м/с.

      Для газовой турбины характерны непрерывность рабочего процесса, высокие скорости газа и отсутствие возвратного движения масс. Газовая турбина служит приводом компрессора, а избыток энергии используется для сообщения газу большой скорости. При истечении газа в сторону, противоположную направлению полета, возникает реактивная тяга, которой приводится в движение самолет. Реактивная струя частично создается турбиной и частично соплом, отсюда и название — турбореактивный двигатель.

      Таким образом, движущей силой или тягой в турбореактивном двигателе является реакция струи горячих газов, истекающих из сопла. Тяга — основная характеристика ТРД. Для создания постоянной тяги в течение продолжительного времени топливо непрерывно сжигается в камере. Благодаря этому в камере поддерживается давление, большее давления окружающей среды. Под действием перепада давления и происходит истечение газов из сопла в атмосферу и образование реактивной струи.

      Постоянство тяги и давления в камере сгорания обеспечивается при условии, что количество газа, образующегося в единицу времени при сжигании топлива, равно количеству газа, истекающего за это же время из камеры. Величина тяги зависит в основном от секундного расхода газов и скорости их истечения из двигателя в атмосферу. Чем больше расход газов и скорость истечения, тем большей (при прочих равных условиях) будет тяга. Для увеличения скорости истечения и, следовательно, тяги служит сопло.

      Основными элементами турбовинтового двигателя (рис.2.) являются воздушный винт 1, редуктор числа оборотов 2, компрессор 3, камера сгорания 4, турбина 5 и выходное устройство б. Характерная особенность турбовинтового двигателя состоит в том, что его газовая турбина приводит в действие наряду с компрессором воздушный винт, причем основная тяга создается винтом, а расширение выхлопных газов в реактивном сопле дает дополнительную тягу. Однако скорость выхода газов из сопла в ТВД значительно меньше, чем в ТРД. Теплоперепад здесь срабатывается более полно, поэтому ТВД отличаются большей экономичностью. Таким образом, разница между ТВД и ТРД состоит в методе преобразования энергии сжатых газов в работу силы тяги.

      Существует различие также между движителями указанных двигателей. Если в ТРД движитель состоит из выхлопной трубы и сопла, то в ТВД, кроме отмеченных узлов, он включает дополнительную турбину или отдельные ступени, связанные с воздушным винтом. Количество и скорости отбрасываемого воздуха у них будут также различными.

      Турбовинтовые двигатели обычно применяются при дозвуковых скоростях полета, а турбореактивные — при сверхзвуковых. По конструктивным признакам элементов ГТД различают двигатели с центробежными, осевыми и осецентробежными компрессорамн, с трубчатыми, кольцевыми и трубчато — кольцевыми камерами сгорания, с осевыми и радиальными турбинами, с прямоточным и петлевым движением газов и т. д.

      В основном применяются осевые компрессоры, так как они имеют высокий к.п.д., малый вес, малые поперечные габариты и позволяют получать большую степень повышения давления. Они хорошо вписываются в плавные контуры двигательной установки, снижая тем самым лобовое сопротивление самолета. Среди камер сгорания наибольшее распространение получили кольцевые и трубчато — кольцевые, поскольку их стенки могут быть включены в силовые корпусы двигателя, что приводит к снижению его веса.

      В двигателях большой тяги используются газовые турбины только осевого типа и лишь на малых ТРД и ТВД встречаются радиальные турбины. Число ступеней турбины определяется величиной срабатываемого теплоперепада и его распределения по ступеням. В турбореактивных самолетах основной упор делается на скорость полета, поэтому они оборудуются турбинами с малым числом ступеней — от одной до трех. В турбовинтовых самолетах скорости полета меньшие, теплоперепад срабатывается более полно за счет применения многоступенчатых турбин (число ступеней 3—5).

       Число оборотов роторов ТВД находится в пределах 6000—18 000 об/мин. С помощью редуктора оно снижается до наивыгоднейшего числа оборотов винта, равного 800—1500 об/мин. Компрессор, камера сгорания, турбина и реактивное сопло как в ТВД, так и в ТРД располагают обычно так, чтобы обеспечить прямоточное движение воздуха и продуктов сгорания. Этим снижаются гидравлические потери двигателя.

      На тепловой экономичности ГТД сказывается также высота полета самолета, так как ею определяется температура T2 холодного источника. С увеличением высоты отношение максимальной температуры Т1 к минимальной Т2 в цикле растет (при высоте 10 км T2 = 232 К или t2 = — 41°C), а это положительно влияет на к.п.д. двигателя. Кроме того, относительно небольшой срок службы двигателя в авиации облегчает его создание для работы на повышенных температурах.

      При сверхзвуковых скоростях полета в ТРД применяется форсирование двигателей по тяге. Наиболее распространенным способом форсирования является применение в выхлопной системе двигателей форсажных камер. Скорость газов, выходящих из турбины, снижается диффузором до 150—200 м/с. В форсажной камере в этот поток газов впрыскивается топливо, которое при сгорании создает дополнительную тягу. Ее величина может составлять 20—50% от номинальной тяги двигателя.

      Важнейшими параметрами, характеризующими совершенство ГТД и их технические данные, являются тяга, удельный расход топлива, масса, габаритные размеры и ресурс (продолжительность безотказной работы двигателя в эксплуатации). По мере развития и совершенствования конструкции ГТД, технологии изготовления, применения новых материалов отмеченные параметры существенно изменяются: тяга двигателей непрерывно возрастает, улучшается экономичность, снижается масса на единицу тяги, уменьшаются габаритные размеры, а ресурс возрастает.

     Существенным показателем для оценки ТРД является удельная масса, под которой понимается отношение массы двигателя к его номинальной тяге: mуд = mдв/R. С начала строительства турбореактивных двигателей их удельная масса снизилась в несколько раз, и начиная с 1951 г. средние значения удельной массы ТРД с осевыми компрессорами имеют меньшую величину, чем с центробежными.

      Для турбовинтовых двигателей удельная масса оценивается отношением массы двигателя к суммарной мощности Ne, которая равна сумме мощности Nв на валу винта и мощности Np реакции струи газов: mуд = mдв/Ne. За период строительства ТВД их удельная масса снизилась примерно в несколько раз. Удельная масса является важнейшим показателем для авиационных двигателей, поскольку ею определяется скороподъемность и дальность полета самолета. Как следует из статистических данных, увеличение массы двигателя на 1 кг приводит к увеличению массы самолета на 3—5 кг.

      Благодаря небольшой удельной массе ГТД целесообразно использование их в водном и наземном транспорте. Имеется также опыт применения ГТД на морских судах, локомотивах, автомашинах, и только недостаточная экономичность сдерживает пока их широкое применение. Исп. литература: 1) Теплотехника, под редакцией А.П.Баскакова, Москва, Энергоиздат, 1982. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

1.1— Введение

Âсовременной технике разработано и используется множество различных типов двигателей. В данном пособии рассматривается лишь один тип — газотурбинные двигатели (ГТД), т.е. двигатели, имеющие в своем составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину. Наибольшее внимание при этом уделено авиационным ГТД. Что касается ГТД, используемых в качестве силового привода в наземных и морских условиях, то у них рассматривается лишь особенности, отли- чия от авиационных.

ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. На Рис. 1.1_1 показаны основные объекты применения современных ГТД.

Âнастоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 %, наземные и морские — около 30 %. Объем производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом:

— энергетические ГТД ~ 91 %; — ГТД для привода промышленного оборудо-

вания и наземных транспортных средств ~ 5 %; — ГТД для привода судовых движителей ~ 4 %.

Âсовременной гражданской и военной авиации ГТД практически полностью вытеснили поршневые двигатели и заняли доминирующее положение. Их широкое применение в энергетике,

Рисунок 1.1_1 – Классификация ГТД по назначению и объекты применения

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

промышленности и транспорте стало возможным благодаря более высокой энергоотдачи, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок.

Высокие удельные параметры ГТД обеспечи- ваются особенностями конструкции и термодинамического цикла. Цикл ГТД, хотя и состоит из тех же основных процессов, что и цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеет существенное отличие. В поршневых двигателях процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — цилиндре. В ГТД эти же процессы происходят одновременно и непрерывно в различных элементах двигателя. Благодаря этому в ГТД нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом, а средняя скорость и массовый расход рабочего тела в 50…100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Это позволяет сосредоточить в малогабаритных ГТД большие мощности [1.6.1].

Авиационные ГТД по способу создания тягового усилия относятся к классу реактивных двигателей, классификация которых показана на Рис. 1.1_2.

Среди реактивных двигателей можно выделить две основные группы.

Первую группу составляют ракетные двигатели. Они создают тяговое усилие за счет ускорения рабочего тела, запасенного на борту летательного аппарата (ЛА). В настоящее время наибольшее распространение получили жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ). Первые из них используют двухкомпонентное жидкое топливо — размещенные в разных емкостях горючее и окислитель. А вторые — твердое топливо, которое содержит горючие и окисляющие компоненты и целиком размещается в камере сгорания. Ракетные двигатели применяются, в основном, в ракетах различного назначения, и могут использоваться для полетов в безвоздушном пространстве (в космосе), т.к. для создания силы тяги им не требуется окружающая среда.

Ко второй группе относятся воздушно-реак- тивные двигатели (ВРД), для которых атмосферный воздух является основным компонентом рабочего тела, а кислород воздуха используется как

Рисунок 1.1_2 – Классификация реактивных двигателей

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

окислитель. Задействование воздушной среды позволяет значительно сократить запас рабочего тела на борту ЛА, повысить экономичность и дальность полета.

В свою очередь ВРД подразделяются на две основные подгруппы.

1. Бескомпрессорные ВРД, включающие прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД) двигатели. В прямоточных ВРД воздуха сжимается за счет скоростного напора. Двигатели могут применяться для сверхзвуковых скоростей полета при ÌÏ≥ 2…3 (СПВРД) и гиперзвуковых скоростей (ГПВРД, ÌÏ>6…7). Однако, прямоточные ВРД не имеют стартовой тяги. Этот органический недостаток ПВРД можно исправить переходом к пульсирующему процессу подачи воздуха и сжиганию топлива при постоянном объеме. Такой процесс реализован в пульсирующих ВРД (ПуВРД). В них сжатие воздуха происходит без использования скоростного напора и компрессора. ПуВРД использовались в Германии в конце второй мировой войны на крылатых ракетах «V-1», но дальнейшего развития не получили. В последнее время интерес к пульсирующим ВРД возобновился. Активно изучаются так называемые импульсные детонационные двигатели, в которых тяга дискретно создается за счет ударных волн, образующихся в результате детонационного (взрывного) сгорания топлива

типов, комбинированные двигатели, прямоточные

èпульсирующие ВРД, а из группы ГТД — турбореактивные двигатели (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) (см. Рис. 1.1_2). Если же основная часть полезной работы цикла в виде механической работы на валу двигателя передается специальному движителю, например, воздушному винту, то такой двигатель называется двигателем непрямой реакции. Примерами двигателей непрямой реакции являются турбовинтовой двигатель (ТВД) и вертолетный ГТД. Классическим примером двигателя непрямой реакции может служить также поршневая винтомоторная установка. Качественного отличия по способу создания тягового усилия между ней и турбовинтовым двигателем нет.

Применение ГТД в военной и гражданской авиации, начавшееся после второй мировой войны, позволило совершить качественный скачок в развитии авиации: освоить большие высоты полета и сверхзвуковые скорости с числом Маха до 3,0…3,3, значительно повысить грузоподъемность

èдальность.

1.2 — Газотурбинные ВРД – основные двигатели современной авиации

âкамере сгорания.

2.Газотурбинные ВРД , получившие свое на- 1.2.1 — Основные типы авиационных

звание из-за наличия турбокомпрессорного агрегата, имеющего в своем составе газовую турбину как основной источник механической энергии. Классификация авиационных ГТД показана на Рис. 1.1_2, характеристика основных типов авиационных ГТД приведена в разделе 1.2.

ВРД отдельных типов могут быть конструктивно объединены друг с другом или с ракетными двигателями в единой двигательной установке. Такие комбинированные двигатели совмещают в себе положительные качества исходных двигателей. Например, в турбопрямоточном двигателе со- четаются возможность самостоятельного старта ТРД и работоспособность при высоких сверхзвуковых скоростях полета СПВРД. Группа комбинированных двигателей может включать большое число схем и вариантов, наиболее характерные из которых показаны на Рис. 1.1_2 — турбопрямоточ- ный, ракетно-прямоточный, ракетно-турбинный.

Реактивные двигатели, в которых вся полезная работа цикла затрачивается на ускорение рабочего тела, называются двигателями прямой реакции. К ним относятся ракетные двигатели всех

ГТД, объекты и области применения

1.2.1.1 — Турбореактивные двигатели (ТРД)

Наиболее простым и по этой причине первым получившим широкое применение в авиации является ТРД, состоящий из компрессора, камеры сгорания, турбины и реактивного сопла (см. Рис. 1.2.1.1_1). Турбокомпрессорный агрегат служит для повышения давления и температуры рабочего тела (газа) перед соплом по сравнению с давлением и температурой на входе в двигатель. Этим обеспечивается последующее ускорение рабочего тела в сопле и создание реактивной тяги. ТРД обыч- но устанавливаются на самолетах с околозвуковыми максимальными скоростями полета, но при высокой температуре газа перед турбиной они могут применяться и до скоростей, соответствующих ÌÏ ≥ 2 (ñì. Ðèñ. 1.2.1.3_4).

На военных самолетах с большой потребной тяговооруженностью и большими скоростями полета (до ÌÏ = 3…3,3), а также на сверхзвуковых

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

пассажирских самолетах применяются ТРД с форсажной камерой (ТРДФ). Форсажная камера (ФК) представляет собой дополнительную камеру сгорания (см. Рис. 1.2.1.1_2), расположенную между турбиной и соплом. В ФК к потоку газа вновь подводится тепло при сжигании дополнительного (форсажного) топлива. Отсутствие за ФК вращающихся деталей позволяет реализовать в ней высокие температуры, достигающие при αÔÊ = 1,1…1,2 значений Ò*Ô = 2000…2100 К, и значительно повысить тягу двигателя (от ~40 % при ÌÏ = 0 до 100 % и более при ÌÏ ≥ 2.5).

Основное достоинство ТРД и ТРДФ – значи- тельный рост тяги с увеличением скорости полета, в большей степени проявляющийся в ТРДФ, а основ-

ной недостаток – низкая экономичность, особенно на дозвуковых скоростях полета. В настоящее время ТРД и ТРДФ эксплуатируются на устаревших типах военных самолетов (дозвуковых и сверхзвуковых): МИГ-21, МИГ-23, F-4 и др. В 1950-х…1970-х годах ТРД эксплуатировались также на некоторых типах гражданских дозвуковых самолетов (ТУ-104, «Каравелла»), а ТРДФ в 1970-х…2000-х г.г. – на сверхзвуковых пассажирских самолетах (СПС) ТУ-144

è«Конкорд». В октябре 2003 г. СПС «Конкорд» совершил последний коммерческий рейс. ТУ-144 снят с эксплуатации еще раньше. Эксплуатация этого типа самолетов была прекращена по причине высоких эксплуатационных затрат, вызванных, в том числе,

èбольшим расходом топлива ТРДФ.

Рисунок 1.2.1.1_1 – Конструктивная схема ТРД (Avon) (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)

1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина; 4 – реактивное сопло

Рисунок 1.2.1.1_2 – Конструктивная схема ТРДФ (Р11Ф-300)

1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина; 4 – форсажная камера; 5 – регулируемое реактивное сопло.

ГОСТ 23851-79 Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
СОЮЗА ССР

ДВИГАТЕЛИ ГАЗОТУРБИННЫЕ
АВИАЦИОННЫЕ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ГОСТ 23851-79

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москва

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ДВИГАТЕЛИ ГАЗОТУРБИННЫЕ АВИАЦИОННЫЕ Термины и определения Avia cas turbine engine. Terms and definitions

ГОСТ 23851-79

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 26 сентября 1979 г. № 3708 срок введения установлен

с 01.07. 1980 г.

Настоящий стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения понятий в области авиационных газотурбинных двигателей.

Термины, установленные стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, научно-технической, учебной и справочной литературе.

Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в стандарте в качестве справочных и обозначены «Ндп».

Для отдельных стандартизованных терминов в стандарте приведены в качестве справочных краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования. Установленные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.

В случаях, когда необходимые и достаточные признаки понятия содержатся в буквальном значении термина, определение не приведено, и, соответственно, в графе «Определение» поставлен прочерк.

В стандарте в качестве справочных приведены иностранные эквиваленты стандартизованных терминов на немецком (D), английском (Е) и французском (F) языках.

В стандарте имеется справочное приложение, содержащее основные данные и параметры авиационных газотурбинных двигателей.

Стандартизованные термины набраны полужирным шрифтом, их краткая форма — светлым, а недопустимые синонимы — курсивом.

Термин	Определение
ВИДЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1. Газотурбинный двигатель гтд D. Gasturbinentriebwerk Е. Gas turbine engine F. Turbomoteur	Тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи и (или) в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина
2. Одновальный ГТД Ндп. Однокаскадный ГТД D. Einwelen-Gasturbinentriebwerk Е. One-shaft gas turbine engine F. Turbomoteur simple corps	ГТД, имеющий общий вал для компрессора и турбины
3. Двухвальный ГТД Ндп. Двухкаскадный ГТД D. Zweiwellen-Gasturbinentriebwerk Е. Two-shaft gas turbine engine F. Turbomoteur double corps	ГТД, имеющий два соосных, механически не связанных вала, на которых установлены отдельные каскады компрессоров и вращающих их турбин
4. Трехвальный ГТД Ндп. Трехкаскадный ГТД D. Dreiwellen-Gasturbinentriebwerk Е. Three-shaft gas turbine engine F. Turbomoteur triple corps

Турбовальный двигатель. | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Привет!

Центробежная ступень компрессора ТВаД.

Сегодня продолжаем серию рассказов о типах авиационных двигателей.

Как известно, основной узел любого газотурбинного двигателя ( ГТД) – это турбокомпрессор. В нем компрессор работает в связке с турбиной, которая его вращает. Функции турбины этим могут и ограничиться. Тогда вся оставшаяся полезная энергия газового потока, проходящего через двигатель, срабатывается в выходном устройстве (реактивном сопле). Как говорил мой преподаватель «спускается на ветер» :-). Тем самым создается реактивная тяга и ГТД становится обычным турбореактивным двигателем (ТРД).

Но можно сделать и по-другому. Турбину ведь можно заставить кроме компрессора вращать и другие нужные агрегаты, используя ту самую оставшуюся полезную энергию. Это может быть, например, самолетный воздушный винт. В этом случае ГТД становится уже турбовинтовым двигателем, в котором 10-15% энергии все же расходуется «на воздух» :-), то есть создает реактивную тягу.

Принцип работы турбовального двигателя.

Но если вся полезная энергия в двигателе срабатывается на валу и через него передается для привода агрегатов, то мы уже имеем так называемый турбовальный двигатель (ТваД).

Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. То есть вся турбина как бы поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопла на таком двигателе нет. То есть выходное устройство для отработанных газов конечно имеется, но соплом оно не является и тяги не создает. Просто труба… Зачастую еще и искривленная :-).

Компоновка двигателя Arriel 1E2.

Турбовальный двигатель ARRIEL 1E2.

Eurocopter BK 117 c 2-мя турбовальными двигателями Arriel 1E2.

Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя.

Компоновка двигателя Arrius 2B2.

Турбовальный двигатель ARRIUS 2B2.

Eurocopter EC 135 с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2B2.

Надо сказать, что редуктор – непременная принадлежность турбовального двигателя. Ведь скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала.

Компоновка двигателя Makila 1A1.

Турбовальный двигатель MAKILA 1A1

Eurocopter AS 332 Super Puma с 2-мя турбовальными двигателями Makila 1A1

Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, то есть в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Примером разнообразия конструкций ТваД могут служить двигатели известной французской двигателестроительной фирмы TURBOMEKA. Здесь я представляю ряд иллюстраций на эту тему (их сегодня вообще много как-то получилось :-)… Ну много — не мало… :-)).

Компоновка двигателя Arrius 2K1

Турбовальный двигатель ARRIUS 2K1.

Вертолет Agusta A-109S с 2-мя турбовальными двигателями Arrius 2K1.

Основное свое применение турбовальный двигатель находит сегодня конечно же в авиации, по большей части на вертолетах. Его часто и называют вертолетный ГТД. Полезная нагрузка в этом случае – несущий винт вертолета. Известным примером ( кроме французов :-))могут служить широко распространенные до сих пор отличные классические вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117.

Вертолет МИ-8Т с 2-мя турбовальными двигателями ТВ2-117.

Турбовальный двигатель ТВ2-117.

Вертолет МИ-24 с 2-мя турбовальными двигателями ТВ3-117.

Турбовальный двигатель ТВ3-117 для вертолета МИ-24.

Кроме того ТваД может применяться в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ, о ней подробнее в следующей статье :-)), а также в виде специальных устройств для запуска двигателей. Такие устройства представляют собой миниатюрный турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. Называется такое устройство турбостартер. В качестве примера могу привести турбостартер ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолеты СУ-24, в частности на мой родной СУ-24МР :-)…

Двигатель АЛ-21Ф-3 с турбостартером ТС-21.

Турбостартер ТС-21, снятый с двигателя.

Фронтовой бомбардировщик СУ-24М с 2-мя двигателями АЛ-21Ф-3.

Однако, говоря о турбовальных двигателях, нельзя не сказать о совсем неавиационном направлении их использования. Дело в том, что ведь изначально газотурбинный двигатель не был монополией авиации. Главный его рабочий орган, газовая турбина, создавался задолго до появления самолетов. И предназначался ГТД для целей более прозаических, нежели полеты в воздушной стихии :-). Эта самая воздушная стихия его все же завоевала. Однако неавиационное приземленное предназначение существует и серьезности своей не потеряло, скорее наоборот.

На земле, так же как и в воздухе ГТД (турбовальный двигатель) применяется на транспорте.

Первое – это перекачка природного газа по крупным магистралям через газоперекачивающие станции. ГТД используются здесь в качестве мощных насосов.

Второе – это водный транспорт. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД.

Газотурбоход «Циклон-М» с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37.

Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в очень неудобное для себя время в 1986 году. Успешно пройдя все испытания, оно «благополучно» перестало существовать для России. Перестройка… Более таких судов не строили. Зато у военных в этом плане дела обстоят несколько лучше. Чего стоит один только десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке.

Десантный корабль на воздушной подушке «Зубр» с газотурбинными двигателями.

Третье – это железнодорожный транспорт. Локомотивы на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называют газотурбовозы. На них используется так называемая электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, вращает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревновавния с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо :-)). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация.

И наконец четвертое, самое, наверное, экзотическое… Танки. Грозные боевые машины. На сегодняшний момент достаточно широко известны два типа ныне использующихся боевых танков с газотурбинными двигателями. Это американский М1 Abrams и российский Т-80.

Танк M1A1 Abrams с газотурбинным двигателем AGT-1500.

Во всех вышеописанных случаях применения ГТД (суть турбовальный двигатель), он обычно заменяет дизельный двигатель. Это происходит потому, что (как я уже описывал здесь) при одинаковых размерах турбовальный двигатель значительно превосходит дизельный по мощности, имеет гораздо меньший вес и шумность.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем ГТД-1000Т.

Однако у него есть и крупный недостаток.Он обладает сравнительно низким коэффициентом полезного действия, что обуславливает большой расход топлива. Это естественно снижает запас хода любого транспортного средства (и танка в том числе :-)). Кроме того он чувствителен к грязи и посторонним предметам, всасываемым вместе с воздухом. Они могут повредить лопатки компрессора. Поэтому приходится создавать достаточно объемные системы очистки при использовании такого двигателя.

Эти недостатки достаточно серьезны. Именно поэтому турбовальный двигатель получил гораздо большее распространение в авиации, чем в наземном транспорте. Там этот трудяга-движок, ничего не пуская «на ветер» :-), заставляет подниматься в воздух вертолеты. И они в родной для них стихии из несуразных, на первый взгляд, машин превращаются в изумительные по красоте и возможностям творения рук человеческих… Все-таки авиация – это здорово :-)…

P.S. Вы только посмотрите, что они вытворяют!

Все фотографии и схемы кликабельны.

No related posts.

Газотурбинный двигатель — это… Что такое Газотурбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.

Основные принципы работы

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.^{[источник не указан 404 дня]} Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.^{[источник не указан 404 дня]}

Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.^{[источник не указан 404 дня]}

Типы газотурбинных двигателей

Схема турбореактивного двигателя

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.^{[источник не указан 404 дня]} Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.^{[источник не указан 404 дня]}

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

«Основные параметры турбореактивных двигателей различных поколений»

Поколение/ период	Т-ра газа перед турбиной °C	Степень сжатия газа, πк*	Характерные представители	Где установлены
1 поколение 1943-1949 гг.	730-780	3-6	BMW 003, Jumo 004	Me 262, Ar 234, He 162
2 поколение 1950-1960 гг.	880-980	7-13	J 79, Р11-300	F-104, F4, МиГ-21
3 поколение 1960-1970 гг.	1030-1180	16-20	TF 30, J 58, АЛ 21Ф	F-111, SR 71, МиГ-23Б, Су-24
4 поколение 1970-1980 гг.	1200-1400	21-25	F 100, F 110, F404, РД-33, АЛ-31Ф	F-15, F-16, МиГ-29, Су-27
5 поколение 2000-2020 гг.	1500-1650	25-30	F119-PW-100, EJ200, F414, АЛ-41Ф	F-22, F-35, ПАК ФА

Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

Турбовинтовой двигатель

Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.

Двухконтурные двигатели

Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.

Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

Судовые установки

Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

Наземные двигательные установки

Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

Газовая турбина с замкнутым циклом

В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

Газовая турбина с внешним сгоранием

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.^{[источник не указан 404 дня]}

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Использование в наземных транспортных средствах

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Rover JET1 STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney. A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Использование в танках

Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.

Конструкторы газотурбинных двигателей

См. также

Ссылки