Газотурбинный двигатель принцип работы: Принцип работы газотурбинного двигателя

Содержание

Что это — газотурбинный двигатель?

На сегодняшний день существует несколько различных видов двигателей, которые отличаются друг от друга по принципу работы. Один из них — газотурбинный двигатель. Он создан таким образом, что, переняв все ключевые достоинства бензиновых и дизельных поршневых двигателей, получил ряд неоспоримых преимуществ.

Газотурбинный двигатель, принцип работы которого заключается в проведении топлива через ряд турбинных лопастей, приводит их в движение с помощью расширяющегося газа. Он относится к моделям внутреннего сгорания. Газотурбинные двигатели делятся на одно- и двухвальные. Их КПД прямо пропорционален температуре сгорания топлива. Самые элементарные модели  — одновальные, имеющие единственную турбину. Двухвальные не только сложнее в устройстве, но и способны выдерживать большие нагрузки.

Как правило, газотурбинные двигатели используются в грузовых автомобилях, кораблях и локомотивах. Производятся опыты по разработке таких механизмов для легковых автомобилей.

В настоящее время существует большое количество моделей таких двигателей, многие из которых значительно превосходят своих предшественников большей производительностью, меньшими размерами, габаритами и весом. Также газотурбинный двигатель является более безопасным и нейтральным для окружающей среды. Он производит меньше шума и вибрации, а также расходует намного меньше топлива. Это основные преимущества, которыми обладает газотурбинный двигатель.

Своими руками первый такой механизм создал норвежский ученый Эгидиус Эллинг в 1903 году. С тех пор его доработкой никто не занимался до самого 1920 года, когда по завершении Первой мировой войны доктор А. Гриффит начал вносить свои изменения в его конструкцию. А после окончания Второй мировой войны реактивные двигатели вошли в массовое производство в качестве наиболее эффективного метода питания самолета.

В настоящее время газотурбинный двигатель продолжает активно совершенствоваться. Наиболее широко он применяется в турбинах самолета, приводя в движение его лопасти, и в военной технике.

Именно газотурбинные механизмы подарили человечеству множество современных возможностей. Без них не существовали бы трансконтинентальные перекачки газа и перелеты больших авиалайнеров на большие расстояния. Газотурбинный двигатель способен вырабатывать огромное количество энергии с минимальными затратами топливных ресурсов. Он представляет собой самую сложную технологическую конструкцию среди всех, что были разработаны за прошедший век.

Итак, газотурбинный двигатель являет собой одно из самых грандиозных открытий двадцатого века, благодаря которому человечество получило колоссальные возможности для совершенствования технологий. Особенно ценным вкладом данной разработки становится то, что она позволяет экономить топливные ресурсы и практически не несет вреда окружающей среде, что крайне важно в наше время глобальных экологических кризисов.

Двигатель газотурбинный — Энциклопедия по машиностроению XXL

В первой части изложены законы термодинамики и их приложение к анализу циклов тепловых двигателей, газотурбинных, паротурбинных и холодильных установок и др.[c.2]

Газовая турбина. Все более широкое применение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 119). Компрессор состоит из  [c.112]


В настоящее время можно указать большой класс задач, когда в процессе движения тела происходит не только отделение, но и одновременно присоединение их. Так, например, в простейшем прямоточном воздушно-реактивном двигателе частицы воздуха присоединяются к движущемуся телу из атмосферы и затем отбрасываются вместе с продуктами горения из сопла реактивного двигателя. Газотурбинные реактивные двигатели, получившие весьма широкое применение на современных самолетах, точно так же берут частицы воздуха из атмосферы (частицы воздуха присоединяются к самолету, увеличивая его массу), а затем отбрасывают их с большой скоростью вместе с газообразными продуктами горения.
Если на вращающийся вал наматывается цепь, то масса вала увеличивается при сматывании цепи с вала его масса уменьшается когда оба процесса происходят одновременно, мы будем иметь общий случай вращения тела переменной массы. В динамике гибкой нерастяжимой нити имеется большой класс движений, когда кривая, форму которой имеет нить, перемещается в пространстве поступательно, не меняя своей конфигурации, а сама нить движется вдоль этой кривой иначе говоря, нить как бы движется в жесткой гладкой нематериальной трубочке, которая в общем случае перемещается поступательно в пространстве. Если поступательного перемещения нет, то нить, скользя продольно, остается как бы в состоянии покоя (кажущийся покой). Фиксируя определенный участок нити (трубочки), мы можем процесс продольного скольжения нити рассматривать как одновременно происходящее присоединение и отделение частиц.  
[c.118]

Задание 2. Газовый цикл Цикл поршневого двигателя (газотурбинной установки) (4) имеет следующие характеристики (3).

Начальная температура (1)°С и давление (2) бар. Принимая за рабочее тело воздух (Ср= 1,004 кдж кг-град) с = 0,716 кдж кг — град)-. Я —287 дж/ кг — град), требуется 1) определить параметры цикла р, и, I, и, з, I для основных точек цикла  [c.253]

На современных автомобилях в качестве силовой установки используются главным образом поршневые двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях горючее сгорает внутри цилиндров. Другие типы тепловых двигателей — газотурбинные и реактивные — распространения не получили и применение их на автомобилях, по сути дела, носит пока опытный характер.  

[c.9]

У газотурбовозов, как уже отмечалось, основным двигателем является газовая турбина. По сравнению с поршневыми двигателями газотурбинные имеют ряд преимуществ газовая турбина может работать на низкосортном жидком топливе (мазуте) в одном силовом агрегате концентрируется большая мощность при небольших объемных габаритах (удельная мощность 0,5—2,0 кг/л. с.) число деталей в турбине значительно меньше, чем в поршневом двигателе, следовательно, сокращаются ремонтные расходы и стоимость отсутствие поверхностей трения, иной принцип охлаждения деталей позволяют уменьшить расход смазки в 7—10 раз по сравнению с поршневым двигателем возможность применения жестких передач (механической и др.).  

[c.138]


Двигатели газотурбинные ЛА — Методы и средства диагностирования 424-426 Дельта — метод 321 Денситометр 311 Детекторы 367  [c.456]

Дизель представляет собой шестицилиндровый четырехтактный с рядным расположением цилиндров двигатель, газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Остов дизеля — это литой чугунный блок-картер, на котором установлены все узлы и агрегаты дизеля.  [c.17]

Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300—370 °С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре сжиженный газ (выход около ] %), бензиновую (около 15%, двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок — бензина, керосина, дизельных топлив и т.

д.  [c.120]

Газотурбинный двигатель расходует за один час 9 кг жидкого нормального октана. Предполагая полное сгорание со стехиометрическим количеством воздуха до двуокиси углерода, водяного пара и азота при адиабатных условиях, определить максимальную мощность (а. с.1ч). Воздух и топливо поступают прв 25 °С, выхлопные газы выходят с температурой 1000 °С.  

[c.68]

Специфические особенности процесса ЭХО обусловливают целесообразность его применения в условиях серийного производства. Наиболее эффективен процесс для производства лопаток газотурбинных двигателей и энергетических турбин. Наряду с этим технологию электрохимической обработки применяют для калибрования отверстий различной формы, изготовления полостей сложной конфигурации (штампов, пресс-форм, литейных форм), обработки заготовок корпусных деталей и др.  [c.306]

С развитием электрификации и химизации в СССР роль теплотехники с каждым годом возрастает.

Мощные паротурбинные установки на электростанциях с применением пара высоких параметров, внедрение комбинированных установок с одновременным использованием в качестве рабочих тел как водяного пара, так и продуктов сгорания, теплофикация городов, развитие реактивных двигателей и газотурбинных установок, отвод огромных тепловых потоков в ядерных реакторах для получения электроэнергии, переход к промышленному использованию магнитогидродинамического метода для непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию, широкое использование в народном хозяйстве холода и многие другие проблемы современной науки и техники необычайно расширили область теплотехники и все время ставят перед ней новые исключительно важные физические задачи.  
[c.3]

В первой части учебного пособия кратко изложены исторические данные, показана роль, которую играли русские и советские ученые в развитии основных положений теоретической теплотехники. Подробно рассмотрены основные законы термодинамики, термодинамические процессы, дифференциальные уравнения термодинамики и истечение газов и паров. В прикладной части рассмотрены циклы двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и паротурбинных установок, а также циклы атомных электростанций,  

[c.3]

ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ  [c.278]

Достаточно эффективно закрутку потока используют и при организации рабочего процесса камер сгорания газотурбинных двигателей, которые должны удовлетворять следующим требова-  [c.30]

Явление ползучести металлов при высокой температуре порядка 500 °С наблюдается в деталях паровых турбин — трубопроводах, дисках, лопатках. Паровые турбины до сих пор производят значительную долю электрической энергии. Другим примером могут служить газотурбинные самолетные двигатели, температура газа в которых достигает 1300°С Основной причиной выхода из строя турбин является ползучесть рабочих лопаток. Высокие рабочие температуры применяются также в различных высокотемпературных технологических процессах, например нефтехимических и при переработке нефти.

С проблемой учета ползучести металлических панелей мы встречаемся в системе термической защиты космических аппаратов, атомной энергетике и др. К конструкциям, работающим в условиях высоких температур, должны быть предъявлены следующие требования деформация не должна превышать допустимую в соответствии с выполняемыми конструктивными функциями изделия не должно произойти разрушения конструкции вследствие ползучести.  
[c.304]


Моторесурсы современных газотурбинных двигателей (ГТД) реактивного действия прежде всего зависят от температурных режимов турбин чем больше рабочая температура в камере сгорания турбины, тем меньше его моторесурс. Для разных отраслей моторесурс ГТД составляет  [c.10]

Система запуска состоит из пускового двигателя (стартера), муфты включения, запального устройства и пускорегулирующей аппаратуры. В качестве пускового двигателя могут служить электростартеры, воздушные турбины или пневматические двигатели, газотурбинные стартеры, паровые турбины, ДВС и др.

наиболее распространены электростартеры. Если запуск ГТД требует большой мощности (65—75 кВт), используют пусковые газотурбинные двигатели или несколько электростартеров. По массогабаритньш показателям преимущества имеют пусковые ГТД, однако их недостатком является сложность конструкции и соответственно меньшая надежность. Вспомогательный газотурбинный двигатель может использоваться также как источник сжатого воздуха для пусковой воздушной турбины  [c.68]

В двухтактных двигателях газотурбинный наддув (по импульсной системе) удается осуществить лишь в малооборотных дизелях, имеющих прямоточно-клапанную продувку при умеренных степенях наддува (фирм Бурмейстер и Вайн , Сторк , Мицубиси ). В двухтактных двигателях с контурной продувкой необходим больший избыток воздуха и повышенный перепад давлений, вследствие чего используется комбинированная схема. При этом обычно применяют импульсный наддув и в отдельных случаях — наддув при постоянном давлении перед турбиной.[c.215]

У атмосферных тепловых двигателей (газотурбинных, реактивных и др.) один из двух сомножителей, определяющих мощность (см. 3.20),— удельная тяга растет с увеличением максидхаль-ной температуры цикла  [c.83]

В связи с этим в ряде случаев при когенерации находит применение подход, при котором теплогенерируюшую установку (например, районную котельную) надстраивают энергетическим тепловым двигателем (газотурбинной установкой, двигателем внутреннего сгорания), и выходные газы этих двигателей сбрасываются в топку котла. Экономический эффект в такой установке определяется вытеснением части топлива, сжигаемого в котле, теплотой выходных газов. Экономия топлива и объясняет снижение себестоимости вырабатываемой электроэнергии (рис. 9.3).  [c.385]

Вторая часть курса носит прикладной характер. В ней подробно рассматриваются цикм поршневых газовых двигателей, газотурбинных установок, реактивных двигателей, паросиловых установок, холодильных машин и основы химической термодинамики.[c.2]

Среднее эффективное давление, в связи с установкой на двигателе газотурбинного наддува, 8,43 кг см . Давление сжатия при наддуве— 42,8 кг1см .  [c.89]

По типу применяемого двигателя автомобили разделяются на автомобили с дигателями с воспламенением от сжатия — дизельные, на автомобили с бензиновыми двигателями — бензиновые и на автомобили с газотурбинными двигателями — газотурбинные.  [c.10]

При газотурбинном наддуве количество воздуха, подаваемого в цилиндры, будет тем больше, чем больше внешняя нагрузка на дизель, так как в этом случае через турбину пройдет большее количество отработавших газов ее частота вращения увеличится, а следовательно, увеличится и производительность нагнетателя. Это свойство дизеля с газотурбинным наддувом для тепловозов особенно ценно, так как оно обеспечивает саморегулирование дизеля кроме того, при газотурбинном наддуве благодаря дополнительному использованию тепла отработавших газов повышается коэффициент полезного действия двигателя. Газотурбинный наддув используется в дизелях типов Д50, М756, Д70, Д49.  [c.50]

На некоторых опытных автомобилях устанавливают двигатели газотурбинные, паровые, а также с внешним подводод теплоты, работающие по циклу Стирлинга.  [c.9]

По мере развития и совершенствования многообразной техники и оборудования аналогичные вопросы стали возникать при создании и эксплуатации других двигателей (газотурбинных, паротурбинных, ракетных), а также различных механизмов и машин. Оказалось, что конструкция двигателей и механизмов, качество применяемых в них горюче-смазочных материалов и эксплуатация техники — это звенья единой химмотологической системы (рисунок 1), в которой каждое звено, имея свои специфические черты и особенности, влияет на соседние звенья и само сильно зависит от них.  [c.11]

Иногда применяют выносные топки, назначением которых является только получение сорячих продуктов сгорания, используемых для технологических целей вне топки. Выносными топками, по существу, являются и к а м е р ы сгорания газотурбинных установок, реактивных двигателей и т, д. Однако чаще всего топка используется не только для сжигания топлива, но и для пере,дачи части теплоты воде и пару (в котлах) или нагреваемому материалу (в мечах). Это существенно усложняет создание общей методики расчета.  [c.131]

В тепловых двигателях преобразование теплоты в работу осуществляется при помощи так называемого рабочего тела. Например, в двигателях внутреннего сгорания, а также в газотурбинных установках рассматриваются процессы, в которых рабочим телом является газ. В паровых двигателях рассматриваются процесссы, где рабочим телом является пар, легко переходящий из парообразного состояния в жидкое и, наоборот, — из жидкого в парообразное.  [c.12]

Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания ЯВЛЯЮТСЯ ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного даЕления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газооб )азного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и данлеиие, из камеры сгорания направляется в комбинированное сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.  [c.278]


Идеальные циклы для воздушно-реактивных двигателей те же, что и для газотурбинных установок с подводом теплоты при о = == onst и р = onst.  [c.289]
Рис. 1.10. Трубчатая камера сгорания газотурбинного двигателя [62] а — схема (/— перфорированный выравнивающий корпус 2— закручивающие лопатки 3 — жаровая тру а 4 — корпус 5 — отверстия для подачи разбавляющего воздуха б— кольцо уплотнителя 7— гофри[юванные соединители 8— пла-мявыбрасываюший патрубок 9— первичная зона 10 — форсунка горелки II — входной патрубок) б — распределение потоков воздуха в — стабилизация ата-мени и характер течения в камере
Назначение — рабочие лопатки газотурбинных и других двигателей, рабо- ающие при температуре до 700—800 °С, компрессорные лопатки, работающие до 700—800°С, диски, дефлекторы, кольца, работающие при температуре до 750 С. Жаропрочный сплав на железоннкелевой основе.  [c.542]

Задача 6.34. Вал газотурбинного двигателя делает 25 000 об1лшн. Зубчатое колесо 1 с внутренним зацеплением имеет a i=120 зубцов и вращается как одно твердое тело с валом /. Спаренные между собой передаточные шестерни 2 и [c.460]

Литье жаропрочных сплавов широко применяется н литейных цехах моторостроительных заводов для производства отливок двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных реактивных двигателей. В 1970 — 1980 гг. вопросы технологии литья и др. в определенной степени отраж шись в научно-технической и специальной литературе, однако их изложение было не систематизировано. С 1990 г. публикации в научно-технической литературе по вопросам этой отрасли стали заметно снижаться.  [c.8]

Освоение производства популярного в мире российского газотурбинного двигателя четаертпго поколения АЛ-31Ф, конструктивно созданного в МНПО «Люлька-Сатурн , впервые началось на ОАО УМПО в 1981 г. (рис. 2). Самолет под индексом «Су-27 на испытаниях 20 апреля 1981 г. продемонстрировал лучшие характеристики, чем аналог США Ф-15 .  [c.14]

Хорошо известные жаропрочные и жаростойкие сплавы, применяемые при изготовлении двигателей внутреннего сгорания, литейной оснастки (пресс-форм), кузнечных штампов, турбовинтовых и газотурбинных двигателей, работающих при средних (300 — 500°С) и высокотемпературных режимах (700 — 1000°С), подразделяют на четыре группы жапропрочные сплавы па основе железа (элементы четвертого периода никеля, кобальта) и жаропрочные сплавы на основе тугоплавких металлов (элементы пятого и шестого периодов).  [c.32]


Газотурбинный двигатель — 3D CAD Models & 2D Drawings

Газотурбинный двигатель (ГТД) — в которой 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, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, и считается полезной работой двигателя. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

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

Основные принципы работы

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.

Принцип работы газотурбинного двигателя:

  • всасывание и сжатие воздуха в лопаточном 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. Реактивный двигатель 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

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

Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 2685 дней]

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

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

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]

Типы газотурбинных двигателей

Турбореактивный двигатель

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

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
Температура 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, F-4, МиГ-21
3 поколение
1960-1970 гг.
1030-1180 16-20 TF 30, J 58, АЛ-21Ф-3 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-41Ф1
F-22, F-35,
ПАК ФА,Су-35С

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

Двухконтурный турбореактивный двигатель

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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 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

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.

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 388 дней].

Автостроение

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]

История создания ГТД

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, т.е. 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]

Контроль параметров работы ГТД

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

См. также

Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы, виды


Люди постоянно пытаются построить экономичный и надёжный мотор. До сих пор идея об изобретении вечного двигателя не даёт покоя многим изобретателям. Неудачные разработки исчезли в веках. Но в результате проб и ошибок появилось несколько типов двигательных установок. Эти механизмы успешно нами эксплуатируются.

Все известные двигатели используют разные виды энергии, которую затем преобразуют в движение. В качестве приводной тяги может служить электроэнергия, вода и тепло. Поэтому они разделяются на следующие типы:

  • электродвигатели;
  • гидравлические машины;
  • тепловые агрегаты.

Тепловые моторы основаны на преобразовании тепловой энергии в работу. В таких машинах применён один из двух способов сгорания топлива: внешний и внутренний.

В школе наверняка всем рассказывали о машинах, работающих на пару. Они как раз и представляют вид тепловых двигателей с внешней камерой сгорания. Первые паровые механизмы были построены ещё в середине XIX века. Сейчас паровые машины практически исчезли из нашей жизни. Они уступили место двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Принципиально ДВС отличаются от паровых машин местом размещения камеры сгорания. В механизмах с внутренним сгоранием эти камеры расположены в самих агрегатах. Такие моторы работают практически во всех транспортных средствах.

В этой статье приведена основная информация о принципе работы различных видов ДВС: газотурбинного, роторного, поршневого. Рассказано, как работает двигательный агрегат с внешней камерой сгорания — двигатель Стирлинга. Описана классификация и устройство двигателей внутреннего сгорания поршневого типа. Объяснено отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного.

Принцип работы ДВС
Самым главным механизмом, установленным в каждом автомобиле, является двигатель внутреннего сгорания. Механики любят называть его сердцем автомобиля. Именно он отвечает за преобразование энергии сгорания углеводородного топлива в механическое движение. Работают ДВС на жидком или газообразном топливе.

Принцип работы ДВС прост. Небольшие порции топлива, смешанного с воздухом в нужной пропорции, поступают в камеру сгорания. В ней топливная смесь воспламеняется. Выделяемая при этом энергия приводит в движение поршни, которые вращают вал.

Все остальные узлы автомобиля предназначены либо для повышения производительности силового агрегата, либо для контроля и управления. Вспомогательные системы создают также комфорт пассажирам и водителям, при этом обеспечивая им безопасную езду.

Более чем за полуторавековую историю своего развития появились ДВС, различающиеся конструкцией, мощностью и используемым топливом.


Видео: Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

  • поршневые;
  • роторные;
  • газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель
При воспламенении топлива образуются газы, которые при нагреве расширяются. Этот факт всем известен из школьного курса физики. Указанный принцип положен в основу газотурбинной установки. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться. Чем больше температура газа, тем быстрее он увеличивается в объёмах. Эта зависимость определяет коэффициент полезного действия этого вида ДВС: чем выше температура газов, тем больше КПД.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС


В моторах этого вида реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротором является треугольный поршень, который вращается в овальной камере – статоре. Ротор закреплён на валу с эксцентриситетом. При таком расположении во время вращения ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 такта работы.

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых.  Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель


Это – самый распространённый тип двигателя. Рассмотрим его принципиальную схему работы.

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

Двигатель Стирлинга


В качестве примера разновидности двигательного агрегата с внешней камерой сгорания можно привести так называемый двигатель Стирлинга. Своё название он получил по фамилии изобретателя – шотландского священника Роберта Стирлинга. Этот оригинальный мотор работает на основе неоднократного нагрева рабочего тела – порции воздуха.

Принцип работы внешне похож на схему ДВС. В моторе Стирлинга тоже имеется цилиндр с поршнем, который двигается по возвратно-поступательной траектории и приводит в движение кривошипно-шатунный механизм. Мало того, цилиндр имеет радиатор охлаждения как в двигателе внутреннего сгорания.

Но главным отличием двигателя Стирлинга от ДВС является отсутствие топливной смеси. Её роль в данном случае выполняет воздух, который нагревается внешним источником тепла.

Дело в том, что уже находящийся в цилиндре воздух, нагреваясь, расширяется и толкает вытеснитель, который в свою очередь двигает рабочий поршень вверх. Поршень проворачивает кривошип. Проходя через зону охлаждения, воздух сжимается, давление в цилиндре уменьшается, образуя разрежение. В это время кривошип, двигаясь дальше, возвращает поршень в нижнее положение. Так периодически чередуя циклы нагрева и остывания рабочего тела (воздуха), извлекают энергию из процесса изменения давления.

Примечательно, что такой агрегат легко превратить в тепловой насос, изменив координацию работы рабочего поршня и вытеснителя.

Двигатель Стирлинга может работать практически на любом топливе, от дров до ядерной энергии. При этом конструкция этого агрегата очень проста и надёжна. Инженеры разработали 3 типа моторов подобного рода и назвали их буквами греческого алфавита. Выше описан принцип самого простого из них: бета-типа.

Двигатель конструкции Стирлинга незаменим в тех случаях, когда появляется необходимость преобразования очень маленького перепада температур. В таких условиях ни одна газовая турбина функционировать не может. Проще говоря, установки Стирлинга могут эффективно работать от обычной переносной газовой горелки или даже спиртовки. Туристы уже оценили такие устройства. Учёные предсказывают, что двигатели Стирлинга сделают революцию в солнечной энергетике.

Видео: Принцип работы двигателя Стирлинга

Виды поршневых ДВС


Поршневые моторы классифицируются по типу используемого топлива:

  • бензиновые;
  • газовые;
  • дизельные.

Кроме того, двигатели отличаются системой зажигания. В установках, использующих принудительное зажигание, воспламенение топливной смеси производится устройствами, генерирующими искру. Их ещё называют свечами зажигания. В них периодически образуется электрическая дуга, которая и поджигает топливо в камере сгорания цилиндра. Работают свечи от электрического аккумулятора. Сложность представляет регулировка свечей. Необходимо отрегулировать свечи так, чтобы искра образовывалась точно в тот момент, когда смесь достигнет расчётного уровня сжатия.

Принудительное зажигание характерно только для бензиновых двигателей. Реже такая система применяется в двигателях, работающих на газе.

Топливная смесь может подаваться в цилиндры двумя способами: с помощью карбюратора или инжектора.

Поршневые агрегаты, использующие в качестве топлива солярку, называются дизельными и имеют другую систему воспламенения топлива в цилиндре. В дизельных установках смесь самопроизвольно воспламеняется в результате её сжатия поршнем. Отличительной особенностью дизельных двигателей является их «всеядность». Они способны работать на нескольких видах топлива. Дизели прекрасно функционируют, будучи заправлены другими горючими веществами. Например, керосином, мазутом или даже растительным маслом.

В зависимости от количества тактов рабочего цикла, различают двухтактные и четырёхтактные ДВС. Двухтактные двигатели обычно ставят на мотоциклы, мопеды или газонокосилки. Четырёхтактные моторы устанавливаются в современных автомобилях.

По пространственному расположению цилиндров ДВС тоже имеют свою классификацию.

Если цилиндры расположены на одной оси, то такие двигатели называются рядными. Обозначаются рядные моторы английским символом «R» с цифрой, указывающей на количество цилиндров.

Если цилиндры размещены под углом друг к другу, то такие агрегаты называют V-образными. Они гораздо компактнее других типов двигателей. Обычно угол между осями цилиндров составляет 120 градусов. Имеются модели V-образных моторов с другим углом между осями цилиндров.

Агрегаты, обозначаемые символом «Vr», имеют переходную конструкцию. Они обладают признаками и рядных, и V-образных двигателей.

При расположении цилиндров напротив друг друга, то есть под углом 180 градусов, двигатели называются оппозитными.

Устройство двигателя внутреннего сгорания: описание основных узлов ДВС


В этом разделе рассмотрено назначение и конструктивное исполнение отдельных узлов поршневых двигателей.

Кривошипно-шатунный механизм

Поршни в цилиндрах движутся возвратно-поступательно. Кривошип вместе с шатунами преобразуют это движение во вращение вала. Механизм называется кривошипно-шатунным (КШМ). Состоит из П-образного вала, называемого коленчатым, узла цилиндров, головки блока цилиндров (ГБЦ) и креплений.

Газораспределительная система

ГБЦ регулирует подачу обогащённой смеси в цилиндры. Процесс происходит за счёт скоординированных во времени циклов открытия и закрытия группы клапанов, осуществляющих подачу смеси и выпуск отработанных газов. Кроме этого, газораспределительная система отводит наружу выхлопные газы. Управляет клапанами распределительный вал, который связан с коленвалом зубчатой или ремённой передачей. Вращаясь, распределительный вал заставляет открываться и закрываться нужные клапана в строго определённое время.

Вся система состоит из распредвала и клапанных групп. Ремонт головки часто вызывает затруднения, так как требует тщательной установки уплотнений. При неправильно установленных прокладках произойдёт подсос воздуха, возможна также утечка топлива. Это нарушает баланс топливной смеси.

Система питания


Внутрь цилиндров подаётся не чистое горючее, а порция смеси, состоящей из обогащённого воздухом топлива. Карбюратор смешивает бензин с воздухом, то есть обогащает топливо. Затем приготовленная смесь через коллектор, называющийся впускным, попадает в камеру.

Если ДВС оборудован инжектором, то бензин под высоким давлением подается сразу во впускной коллектор. Впрыск происходит через форсунки. Бензин и воздух смешиваются не в карбюраторе, а непосредственно во впускном коллекторе.

Топливо циркулирует в системе питания за счёт работы насоса. В карбюраторных двигателях установлены механические насосы. В инжекторных — электрические.

Инжекторные двигатели обычно оснащаются электронным зажиганием. Такое зажигание эффективнее свечного, так как воспламенением топливно-воздушной смеси управляет бортовой компьютер. Для его эффективной работы в автомобиле установлены специальные датчики, собирающие все необходимые данные для компьютера.

Зажигание


В двигателях с карбюратором всегда имеются так называемые свечи зажигания. Они генерируют вольтову дугу, поджигающую топливную смесь. В народе такую дугу обычно называют искрой. В таких автомобилях система зажигания состоит из свечей и аккумулятора.

В двигателях на дизельном топливе процесс возгорания смеси принципиально отличается. Она самовоспламеняется. Это стало возможным благодаря уникальным свойствам дизельного топлива. Дизтопливо через форсунки под высоким давлением подаётся в цилиндр. Предварительно воздух в камере цилиндра тоже сжимается и нагревается до 700 градусов. В таких условиях солярка мгновенно самовоспламеняется.

Выхлопная система

Вывод газов наружу осуществляется системой выпуска продуктов сгорания — выхлопной системой. Токсичные газы направляются сначала в выпускной коллектор, в котором осуществляется сбор выхлопных газов от всех цилиндров. Из коллектора газ, содержащий большое количество вредных веществ, выбрасывается наружу через глушитель.

Последние модели всех автомобилей теперь выпускаются только с каталитическими нейтрализаторами. Они сильно снижают токсичность выхлопных газов, приводя их в соответствие с экологическими нормами.

Система смазки


В автомобиле есть много деталей вращения. Во время работы двигателя трущиеся между собой детали активно изнашиваются. Чтобы уменьшить износ и увеличить КПД двигателя, в каждом автомобиле предусмотрена замкнутая система, созданная для циркуляции смазки. Подача масла в систему осуществляет масляный насос. Перед тем, как попасть в двигатель, масло проходит через фильтр, где очищается от накопившихся загрязнений. Через систему распределения масло подаётся в подшипники коленчатого вала и в газораспределительный механизм для смазки деталей распределительного вала. Затем отработанное масло поступает в картер — специально сконструированную ёмкость в виде поддона. Из картера масло опять забирается насосом и направляется на следующий цикл смазки.

В результате работы системы смазки фильтры засоряются, что снижает степень очистки. Недостаточный уровень очистки ухудшает характеристики масла. По мере засорения фильтров давление масла начинает повышаться. Для сброса давления и безопасной работы узлов автомобиля устанавливают предохранительные, или так называемые редукционные клапаны, срабатывающие при превышении давления масла. Эти клапаны срабатывают вследствие засорения фильтров. Своевременная замена масла и фильтров является непременным условием эффективной работы ДВС.

Во время работы мотора масло нагревается, что тоже плохо отражается на работе мотора. Все мощные двигатели работают со своей системой охлаждения масла. Обычно их называют масляными радиаторами.

Системы охлаждения


Во время продолжительной работы двигатели могут нагреться до достаточно высоких температур. Температура внешней поверхности цилиндров достигает нескольких сотен градусов. Никакие механизмы не могут эффективно работать при таких высоких температурах. Поэтому конструкторы разработали системы для охлаждения узлов автомобиля. Принцип работы таких систем заключается в передаче тепла от нагретых частей к охлаждающей жидкости. Заметим, что состав таких жидкостей и их свойства постоянно улучшаются производителями.

Самым узнаваемым элементом системы охлаждения стал радиатор, который обычно находится в начале моторного отсека, непосредственно перед двигателем. Такое расположение позволяет радиатору дополнительно охлаждаться встречным потоком воздуха. Для повышения эффективности работы радиатора впереди него установлен мощный вентилятор.

Радиатор понижает температуру самого охлаждающего агента после того, как тот отберёт тепло от цилиндров. Вся система охлаждения состоит из термостата, помпы, небольшой расширительной ёмкости и устройства обогрева салона.

Работа системы охлаждения регулируется термостатом. Если двигатель ещё не нагрелся до критических величин, то помпа прогоняет охлаждающую жидкость по так называемому «малому» кругу, то есть только в пределах самого двигателя. Когда термостат включается, то жидкость пропускается через радиатор, охлаждаясь при этом гораздо эффективнее.

Порог срабатывания термостата обычно составляет 90 градусов. В некоторых моделях автомобилей температура срабатывания термостата может быть установлена больше или меньше этой величины.

Долговременная работа любого автомобиля невозможна без эффективной системы охлаждения.

Четырехтактный ДВС


Число тактов работы — одна из важнейших характеристик любого ДВС. Далее приведено описание взаимодействия поршня с клапанами поочерёдно в каждом такте. Напомним, 1 цикл — это 4 такта.

В первом такте выполняется впуск смеси. Топливо смешивается с воздухом. Поршень двигается к наивысшей точке. В камере сгорания создаётся область низкого давления — разрежение. Впускной клапан открывает отверстие в камере для подачи смеси. Коленвал начинает первый оборот.

Во втором такте смесь сжимается. Впускной клапан закрывается. Поршень, достигнув наивысшей точки, сжимает обогащённую топливную смесь. Коленвал завершает первый оборот.

Рабочий ход выполняется в третьем такте. Обогащённая смесь поджигается. В бензиновых двигателях поджигание производится электрической дугой от свечи. В дизельных — топливо воспламеняется самостоятельно в процессе сжатия. Облако расширяющихся газов заставляет поршень двигаться вниз. Начало второго оборота коленвала.

В четвёртом такте происходит выпуск. Открывается выпускной клапан. Газы выводятся в коллектор, а затем выбрасываются наружу. Поршень начинает двигаться вверх. Вал завершает второй оборот.

Таким образом, за 1 рабочий цикл этот двигатель совершает 4 такта, во время которых вал проворачивается дважды.

Видео: Принцип работы четырёхтактного двигателя

Двухтактный мотор


В этих двигателях сжатие и рабочий ход совершаются также как в четырёхтактных. Но очистка и заполнение цилиндров топливной смесью происходит за очень короткое время в момент нахождения поршня в самом нижнем положении. Если в четырёхтактном двигателе смесь попадает в камеру сгорания через открытые отверстия клапанов, то в этом моторе очередная порция смеси поступает в цилиндр через специальные отверстия, называемыми окнами. Они открываются и закрываются телом поршня. Процессы наполнения полостей цилиндра новой смесью и удаления продуктов сгорания называются продувкой.

Для осуществления продувки внутренняя полость цилиндра напрямую связана с КШМ. По сути, поршень двигается в одном пространстве с кривошипом. Под ним образуется полость, которую называют кривошипной камерой или картером. Эта камера тоже участвует в процессах газообмена. В ней периодически создаётся разрежение. Это позволяет поступать новой порции смеси через впускное отверстие.

Такая конструкция позволяет двигателю развивать в 1,5 раза большую мощность по сравнению с другими моторами аналогичного объёма при тех же оборотах двигателя. Но есть и ряд недостатков.

  • Детали в таком двигателе работают с большей интенсивностью, то есть быстрее изнашиваются.
  • Особое значение придаётся герметизации всех механизмов, работающих практически в одном пространстве: поршня, цилиндра и кривошипа.
  • Так как в картере нельзя устроить масляную ванну, то смазку поршня и других деталей осуществляют добавлением масла в топливо.
  • Перепады давления смеси в цилиндре не так велики, поэтому для повышения производительности двигателя часто используют принудительную продувку.

Рабочий цикл осуществляется в течение одного оборота коленвала.

Видео: Принцип работы двухтактного двигателя


Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель (ГТД) — это воздушный двигатель, в котором воздух сжимается нагнетателем перед сжиганием в нём топлива, а нагнетатель приводится в движение 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.

Основные принципы работы

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 Газотурбинный ДВС

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

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

Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 3648 дней]

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

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

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]

Типы газотурбинных двигателей

Турбореактивный двигатель

Принципиальная схема одноконтурного ТРД:
1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло

ГТД, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.[7] Тягу в любом ТРД создаёт только сила реакции вытекающих из сопла газов со скоростью, всегда превышающей скорость полёта. Турбореактивный двигатель объединяет в себе и двигатель и движитель.[8]

Турбореактивные двигатели (далее — ТРД) классифицируются по числу контуров, которых может быть один, два или три. Число контуров важно в контексте технического описания того или иного конкретного ТРД, но в случае обобщённого упоминания число контуров значения не имеет, и любой ТРД любой контурности в таком случае может быть назван просто турбореактивным. ТРД могут иметь более одного вала, но классификация по числу валов является узкоспециальной и в широком обиходе не используется.

Турбореактивный одноконтурный двигатель

ТРД с единственным контуром, в котором вся энергия сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла. Область применения — любые самолёты от дозвуковых гражданских до сверхзвуковых боевых.

Турбореактивный двухконтурный двигатель
Принципиальная схема двухконтурного ТРД:
1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура

ТРД с внутренним и наружным контурами, в котором часть энергии сгорания топлива, подводимого во внутренний контур, преобразуется в механическую работу для привода вентилятора наружного контура.[9] Важной характеристикой двухконтурных ТРД является степень двухконтурности, предполагающая соотношение объёмов воздуха, проходящих через наружный и внутренний контуры. В любом случае смешение потоков каждого контура происходит до сопла. Двухконтурность позволяет ТРД быть более экономичным на дозвуковых и трансзвуковых скоростях полёта. Область применения — любые самолёты от дозвуковых гражданских до сверхзвуковых боевых.[8] Аббревиатура — ТРДД.

Турбореактивный трёхконтурный двигатель

ТРД с внутренним, промежуточным и наружным контурами, в котором часть энергии сгорания топлива, подводимого во внутренний контур, преобразуется в механическую работу для привода вентиляторов промежуточного и наружного контуров.[9] Аббревиатура — ТРТД.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

ТРД, в котором помимо основной камеры сгорания имеется дополнительная форсажная камера сгорания, расположенная перед реактивным соплом.[10] Функция форсажной камеры — кратковременное увеличение силы тяги. Может комбинироваться с двигателем любой контурности. Область применения — боевые сверхзвуковые самолёты. Аббревиатура — ТРДФ, ТРДДФ.

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. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях.

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, 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

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.[11] 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)

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[12], Ту-95МС, Ту-204, Ан-74 и других.

Турбовальный двигатель

Схема турбовального двигателя.   — вал отбора мощности

В отличие от всех остальных типов ГТД, турбовальный двигатель не создаёт реактивной тяги, его выхлопное устройство не является соплом, а вся полезная мощность снимается в виде вращения выходного вала. Чаще всего, у такого двигателя турбина состоит из двух механически не связанных частей, связь между которыми газодинамическая. Газовый поток после выхода из камеры сгорания вращает первую турбину, отдаёт часть своей мощности для вращения компрессора, далее направляется во вторую, вал которой выходит за пределы корпуса двигателя и приводит в движение полезную нагрузку.

Выходной вал ТВаД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперёд, 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 — на вертолётах, а так же в турбостартерах для других ГТД; в судостроении — на газотурбоходах; в электроэнергетике на газотурбинных ТЭЦ, парогазовых установках, в виде микротурбины в составе микротурбогенераторов; на насосных станциях для перекачки природного газа. Изредка применяется на железнодорожном транспорте — на газотурбовозах, а так же на автотранспорте и военной технике в качестве силовой установки. На вертолёте полезной нагрузкой является несущий винт. Наиболее известными примерами могут служить широко распространённые вертолёты Ми-8 и Ми-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117. Двигатели современных турбовинтовых самолётов также являются турбовальными, где привод воздушного винта производится от свободной турбины, а реактивная тяга отработавших газов не используется. Преимущества такой схемы: унификация с вертолётными двигателями, гораздо лучшие условия для запуска и выхода в рабочий режим (нет необходимости проворачивать воздушный винт), гораздо лучшая газодинамическая устойчивость, более простая и компактная конструкция, так как газогенератор может работать на больших оборотах, а свободная турбина — на сравнительно малых, возможность использования мощности газогенератора запущенного двигателя (при заторможенном воздушном винте) для нужд самолетных систем на земле.

Турбостартёр

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[13], 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.[14]

Судовые установки

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

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
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)[15], НК-32 (НК-36СТ), так как на них можно использовать детали авиадвигателей, выработавшие свой лётный ресурс.

Электростанции

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, термодинамический КПД газотурбинного двигателя в чистом виде достаточно мал для эффективного применения в энергетике. Значительная часть энергии уносится в виде тепла выхлопных газов, имеющих высокую температуру. Поэтому ГТД чаще всего применяется в составе парогазовых установок, в которой выхлопной газ подаётся в котёл-утилизатор, вырабатывающий пар высокого давления, который используется для дополнительной выработки электроэнергии. Термодинамический КПД такой установки совместной выработки может достигать 55..60 %, по этой причине ГТД в составе ПГУ широко применяются на электростанциях. Помимо этого, тепло выхлопных газов ГТД может применяться для нужд теплоснабжения, в этом случае станция называется газотурбинной ТЭЦ.

Танкостроение

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 1351 день].

Автостроение
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[16].[17]

История создания ГТД

В 1791 году английский изобретатель Джон Барбер получил патент за номером 1833, в котором описал первую газовую турбину.[18]

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.[19] Турбина должна была работать на парогазовой смеси, которая получалась в созданной им же камере сгорания — «газопаророде».[20]

В 1906—1908 году русский инженер В. В. Кароводин сконструировал газовую турбину взрывного типа (турбину постоянного объёма).[21] 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.).[22]

В 1909 году русский инженер Н. Герасимов запатентовал ГТД, использующийся для реактивного движения, то есть по сути — первый турбореактивный двигатель (привилегия № 21021, 1909 г.).[23][24][25]

В 1913 г., М. Н. Никольский спроектировал газотурбинный двигатель мощностью 120 кВт (160 л. с.), у которого было три ступени газовой турбины.[26][27]

Дальнейшие усовершенствования в конструкцию газотурбинных двигателей внесли В. И. Базаров (1923 г.), В. В. Уваров и Н. Р. Брилинг (1930—1936 гг.).[27][28]

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.[29][30][31][32]

Контроль параметров работы ГТД

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[33], 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

См. также

Источники

  1. 1 2 Двигатель ТА-6В. Руководство по технической эксплуатации. ТА-6В.00.000-01РЭ
  2. ↑ Принцип работы -Микротурбины Capstone -Оборудование (неопр.) (недоступная ссылка). www.bpcenergy.ru. Дата обращения: 1 сентября 2016. Архивировано 1 октября 2016 года.
  3. ↑ Большая тайна маленьких турбин (неопр.). www.rcdesign.ru. Дата обращения: 1 сентября 2016.
  4. ↑ Авиационный турбовальный двигатель ТВ2-117 и редуктор ВР-8А
  5. 1 2 Двигатель НК-8-2У. Руководство по технической эксплуатации (в трёх частях)
  6. ↑ Авиационный турбовинтовой двигатель НК-12МВ серии 4. Книга I. Техническое описание. Москва, «Машиностроение», 1966
  7. ↑ ГОСТ 23851-79. — С. 3. термин 10.
  8. 1 2 Боевая авиационная техника . — С. 149. раздел III «Авиационные двигатели», глава 1 «Классификация и области применения».
  9. 1 2 ГОСТ 23851-79. — С. 3. термин 13.
  10. ↑ ГОСТ 23851-79. — С. 23. термин 136.
  11. ↑ Авиационный турбовинтовой двигатель АИ-20М (серия 6). ИЭиТО (редакция 4)
  12. ↑ Самолёт Ан-124-100. Руководство по технической эксплуатации. Книга 17. 1.4001.0000.000.000 РЭ17
  13. Юрий. Турбовальный двигатель (неопр.). АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ (28 февраля 2012).
  14. ↑ Авиационный турбореактивный двигатель РД-3М-500. Фельдман Л. Е. М., «Транспорт», 1968
  15. ↑ Двигатель НК-12СТ серии 02. Техническое описание турбовального двигателя со свободной турбиной. Куйбышев, 1985 г. (недоступная ссылка)
  16. Lehto, Steve. Chrysler’s turbine car: the rise and fall of Detroit’s coolest creation. — Chicago, IL: Chicago Review press, 2010. — 228 p. — ISBN 9781569765494.
  17. Jay Leno’s Garage. 1963 Chrysler Turbine: Ultimate Edition — Jay Leno’s Garage (неопр.) (7 ноября 2012). Дата обращения: 26 сентября 2018.
  18. ↑ Джон Барбер — английский изобретатель — биография, фото, видео (рус.). biozvezd.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  19. ↑ Кузьминский Павел Дмитриевич (неопр.). cadethistory.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  20. ↑ Создание и развитие парогазовых и газопаровых установок (неопр.). poisk-ru.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  21. Б. Бидуля. Огненная турбина // Юный техник. — 1960. — № 11. — С. 13—17.
  22. ↑ Изобретения России // Газотурбинный двигатель (неопр.). rus-eng.org. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  23. Гильзин К. А. Воздушно-реактивные двигатели. — Москва: Военное Издательство Министерства Обороны Союза ССР, 1956.
  24. ↑ [История Реактивный двигатель] (рус.). warthunder.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  25. В. М. Корнеев. Особенности конструкции газотурбинных двигателей. — 2018. — ISBN 978-5-4485-9499-1.
  26. ↑ Гражданская авиация СССР в 50-70-х гг. (неопр.). Vuzlit. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  27. 1 2 ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ПГД) (неопр.). enciklopediya-tehniki.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  28. ↑ Изобретения России // Газотурбинный двигатель (неопр.). www.rus-eng.org. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  29. ↑ [История Двигатели Архипа Люльки] (рус.). warthunder.ru. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  30. Кудрявцев В.Ф. Авиационные двигатели А.М.Люльки // Авиация и космонавтика. — 1993. — № 11—12.
  31. ↑ Отечественный турбореактивный двигатель с центробежным компрессором РД-500. — Путешествие к далеким мирам (неопр.). www.e-reading.club. Дата обращения: 16 февраля 2019.
  32. ↑ Турбореактивный двигатель с центробежным компрессором | Техника и человек (рус.). Дата обращения: 16 февраля 2019.
  33. ↑ Самолёт Як-42. Руководство по технической эксплуатации. Раздел 77

Ссылки

Литература

  • ГОСТ 23851-79. Двигатели газотурбинные авиационные; термины и определения. — Москва: ИПК Издательство стандартов, 1979. — 99 с.
  • ГОСТ 51852-2001. Установки газотурбинные; термины и определения. — Москва: ИПК Издательство стандартов, 2001. — 9 с.
  • Павленко В. Ф. Боевая авиационная техника; летательные аппараты, силовые установки, их эксплуатация. — Москва: Воениздат, 1984. — 319 с.
  • Elliot, Simon. Power Progress: World Turbine Engine Directory (англ.). // Flight International. — 13-19 October 1993. — Vol. 144 — No. 4391 — P. 29-40 — ISSN 0015-3710. (справочник с техническими данными и сравнительной характеристикой 34 турбовальных газотурбинных двигателей (turboshafts) ведущих мировых производителей-предприятий зарубежного двигателестроения)

Большая тайна маленьких турбин

Автор — Виталий Дукин (Wit)

Из полученного е-mail (копия оригинала):

«Уважаемый Виталий!Ни магли бы Вы нимного больше рассказать

о модельных ТРД, что это ваабще такое и с чем их едят?»

Начнём с гастрономии, турбины ни с чем не едят, ими восхищаются! Или, перефразируя Гоголя на современный лад: «Ну какой же авиамоделист не мечтает построить реактивный истребитель?!».

Мечтают многие, но не решаются. Много нового, еще больше  непонятного, много вопросов. Часто читаешь в различных форумах, как представители солидных ЛИИ и НИИ с умным видом нагоняют страха и пытаются доказать, как это всё сложно! Сложно? Да, может быть, но не невозможно! И доказательство тому — сотни самодельных и тысячи промышленных образцов микротурбин для моделизма! Надо только подойти к этому вопросу  философски: всё гениальное — просто. Поэтому и написана эта статья, в надежде поубавить страхов, приподнять вуаль неизвестности и придать вам больше оптимизма!

Что такое турбореактивный двигатель?

Турбореактивный двигатель (ТРД) или газотурбинный привод основан на работе расширения газа. В середине тридцатых годов одному умному английскому инженеру пришла в голову идея создания авиационного двигателя без пропеллера. По тем временам — просто признак сумасшествия, но по этому принципу работают все современные ТРД до сих пор.

На одном конце вращающегося вала расположен компрессор, который нагнетает и сжимает воздух. Высвобождаясь из статора компрессора, воздух расширяется, а затем, попадая в камеру сгорания, разогревается там сгорающим топливом и расширяется ещё сильней. Так как деваться этому воздуху больше некуда, он с огромной скоростью стремится покинуть замкнутое пространство, протискиваясь при этом сквозь крыльчатку турбины, находящейся на другом конце вала и приводя её во вращение. Так как энергии этой разогретой воздушной струи намного больше, чем требуется компрессору для его работы, то ее остаток высвобождается в сопле двигателя в виде мощного импульса, направленного назад. И чем больше воздуха разогревается в камере сгорания, тем он быстрее стремится её покинуть, ещё сильнее разгоняя турбину, а значит и находящийся на другом конце вала компрессор.

На этом же принципе основаны все турбонагнетатели воздуха для бензиновых и дизельных моторов, как двух, так и четырёхтактных. Выхлопными газами разгоняется крыльчатка турбины, вращая вал, на другом конце которого расположена крыльчатка компрессора, снабжающего двигатель свежим воздухом.

Принцип работы — проще не придумаешь. Но если бы всё было так просто!

ТРД можно четко разделить на три части.

  • А. Ступень компрессора
  • Б. Камера сгорания
  • В. Ступень турбины

Мощность турбины во многом зависит от надёжности и работоспособности её компрессора. В принципе бывают три вида компрессоров:

  • А. Аксиальный или линейный
  • Б. Радиальный или центробежный
  • В. Диагональный

А. Многоступенчатые линейные компрессоры получили большое распространение только в современных авиационных и промышленных турбинах. Дело в том, что достичь приемлемых результатов линейным компрессором можно, только если поставить последовательно несколько ступеней сжатия одну за другой, а это сильно усложняет конструкцию. К тому же, должен быть выполнен ряд требований по устройству  диффузора и стенок воздушного канала, чтобы избежать срыва потока и помпажа. Были попытки создания модельных турбин на этом принципе, но из-за сложности изготовления, всё так и осталось на стадии опытов и проб.

Б. Радиальные, или центробежные компрессоры. В них воздух разгоняется крыльчаткой и под действием центробежных сил компримируется — сжимается в спрямительной системе-статоре. Именно с них начиналось развитие первых действующих ТРД.

Простота конструкции, меньшая подверженность к срывам воздушного потока и сравнительно большая отдача всего одной ступени были преимуществами, которые раньше толкали инженеров начинать свои разработки именно с этим типом компрессоров. В настоящее время это основной тип компрессора в микротурбинах, но об этом позже.

В. Диагональный, или смешанный тип компрессора, обычно одноступенчатый, по принципу работы похож на радиальный, но встречается довольно редко, обычно в устройствах турбонаддувов поршневых ДВС.

Развитие ТРД в авиамоделизме

Среди авиамоделистов идёт много споров, какая же турбина в авиамоделизме была первой. Для меня первая авиамодельная турбина, это американская TJD-76. В первый раз я увидел этот аппарат в 1973 году, когда два полупьяных мичмана пытались подключить газовый баллон к круглой штуковине, примерно 150 мм в диаметре и 400 мм длинной, привязанной обыкновенной вязальной проволокой к радиоуправляемому катеру, постановщику целей для морской пехоты. На вопрос: «Что это такое?» они ответили: «Это мини мама! Американская… мать её так, не запускается…».

Намного позже я узнал, что это Мини Мамба, весом 6,5 кг и с тягой примерно 240 N при 96000 об/мин. Разработана она была ещё в 50-х годах как вспомогательный двигатель для лёгких планеров и военных дронов. Особенность этой турбины в том, что в ней использовался диагональный компрессор. Но в авиамоделизме она широкого применения так и не нашла.

Первый «народный» летающий двигатель разработал праотец всех микротурбин Курт Шреклинг в Германии. Начав больше двадцати лет назад работать над созданием простого, технологичного и дешевого в производстве ТРД, он создал несколько образцов, которые постоянно совершенствовались. Повторяя, дополняя и улучшая его наработки, мелкосерийные производители сформировали современный вид и конструкцию модельного ТРД.

Но вернёмся к турбине Курта Шреклинга. Выдающаяся конструкция с деревянной крыльчаткой компрессора, усиленной углеволокном. Кольцевая камера сгорания с испарительной системой впрыска, где по змеевику длинной примерно в 1 м подавалось топливо. Самодельное колесо турбины из 2,5 миллиметровой жести! При длине всего в 260 мм и диаметре 110 мм, двигатель весил 700 грамм и выдавал тягу в 30 Ньютон! Это до сих пор самый тихий ТРД в мире. Потому как скорость покидания газа в сопле двигателя составляла всего 200 м/с.

На основе этого двигателя было создано несколько вариантов наборов для самостоятельной сборки. Самым известным стал FD-3 австрийской фирмы Шнайдер-Санчес.

Ещё 10 лет назад авиамоделист стоял перед серьёзным выбором — импеллер или турбина?

Тяговые и разгонные характеристики первых авиамодельных турбин оставляли желать лучшего, но имели несравненное превосходство перед импеллером — они не теряли тягу с нарастанием скорости модели. Да и звук такого привода был уже настоящим «турбинным», что сразу очень оценили копиисты, а больше всего публика, непременно присутствующая на всех полётах. Первые Шреклингские турбины спокойно поднимали в воздух 5-6 кг веса модели. Старт был самым критическим моментом, но в воздухе все остальные модели отходили на второй план!

Авиамодель с микротурбиной тогда можно было сравнить с автомобилем, постоянно двигающимся на четвёртой передаче: ее было тяжело разогнать, но зато потом такой модели не было уже равных ни среди импеллеров, ни среди пропеллеров.

Надо сказать, что теория и разработки Курта Шреклинга способствовали  к тому, что развитие промышленных образцов, после издания его книг, пошло по пути упрощения конструкции и технологии двигателей. Что, в общем то, и привело к тому, что этот тип двигателя стал доступным для большого круга авиамоделистов со средним размером кошелька и семейного бюджета!

Первые образцы серийных авиамодельных турбин были JPX-Т240 французской фирмы Vibraye и японская J-450 Sophia Precision. Они были очень похожи как  по конструкции, так и по внешнему виду, имели центробежную ступень компрессора, кольцевую камеру сгорания и радиальную ступень турбины. Французская JPX-Т240 работала на газе и имела встроенный регулятор подачи газа. Она развивала тягу до 50 N, при 120.000 оборотах в минуту, а вес аппарата составлял 1700 гр. Последующие образцы, Т250 и Т260 имели тягу до 60 N. Японская София работала в отличие от француженки на жидком топливе. В торце ее камеры сгорания стояло кольцо с распылительными форсунками, это была первая промышленная турбина, которая нашла место в моих моделях.

Турбины эти были очень надёжными и несложными в эксплуатации. Единственным недостатком были их разгонные характеристики. Дело в том, что радиальный компрессор и радиальная турбина  относительно тяжелы, то есть имеют в сравнении с аксиальными крыльчатками большую массу и, следовательно, больший момент инерции. Поэтому разгонялись они с малого газа на полный медленно, примерно 3-4 секунды. Модель реагировала на газ соответственно ещё дольше, и это надо было учитывать при полётах.

Удовольствие было не дешевым, одна София стоила в 1995 году 6.600 немецких марок или 5.800 «вечно зелёных президентов». И надо было обладать очень хорошими аргументами, что бы доказать супруге, что турбина для модели намного важнее, чем новая кухня, и что старое семейное авто может протянуть ещё пару лет, а вот с турбиной ждать ну никак нельзя.

Дальнейшим развитием этих турбин является турбина Р-15, продаваемая фирмой Thunder Tiger.

Отличие её в том, что крыльчатка турбины у неё теперь вместо радиальной — аксиальная. Но тяга так и осталась в пределах 60 N, так как вся конструкция, ступень компрессора и камера сгорания, остались на уровне позавчерашнего дня.  Хотя по своей цене она является настоящей альтернативой многим другим образцам.

В 1991 году два голландца, Бенни ван де Гур и Хан Еннискенс, основали фирму AMT и в 1994 г  выпустили первую турбину 70N класса — Pegasus. Турбина имела радиальную ступень компрессора с крыльчаткой от турбонагнетателя фирмы Garret,  76 мм в диаметре, а также очень хорошо продуманную кольцевую камеру сгорания и аксиальную ступень турбины.

После двух лет тщательного изучения работ Курта Шреклинга и многочисленных экспериментов они добились оптимальной работы двигателя, установили пробным путём размеры и форму камеры сгорания, и оптимальную конструкцию колеса турбины. В конце 1994 года на одной из дружеских встреч, после полётов, вечером в палатке за бокалом пива, Бенни в разговоре хитро подмигнул и доверительно сообщил, что следующий серийный образец Pegasus Mk-3 «дует» уже 10 кг, имеет максимальные обороты 105.000 и степень сжатия 3,5 при расходе воздуха 0,28 кг/с и скорости выхода газа в 360 м/с. Масса двигателя со всеми агрегатами составляла 2300 г, турбина была 120 мм в диаметре и 270 мм длиной. Тогда эти показатели казались фантастическими. 

По существу, все сегодняшние образцы копируют и повторяют в той или иной степени, заложенные в этой турбине агрегаты.

В 1995 году, вышла в свет книга Томаса Кампса «Modellstrahltriebwerk» (Модельный реактивный двигатель), с расчётами (больше заимствованными в сокращённой форме из книг К. Шреклинга) и подробными чертежами турбины для самостоятельного изготовления. С этого момента монополия фирм-производителей на технологию изготовления модельных ТРД закончилась окончательно. Хотя многие мелкие производители просто бездумно копируют агрегаты турбины Кампса.

Томас Кампс путём экспериментов и проб, начав с турбины Шреклинга, создал микротурбину, в которой объединил все достижения в этой области  на тот период времени и вольно или невольно ввёл для этих двигателей стандарт. Его турбина, больше известная как KJ-66 (KampsJetеngine-66mm). 66 мм – диаметр крыльчатки компрессора. Сегодня можно увидеть различные названия турбин, в которых почти всегда указан либо размер крыльчатки компрессора 66, 76, 88, 90 и т.д., либо тяга — 70, 80, 90, 100, 120, 160 N.

Где-то я прочитал очень хорошее толкование величины одного Ньютона: 1 Ньютон – это плитка шоколада 100 грамм плюс упаковка к ней. На практике часто показатель в Ньютонах округляют до 100 грамм и условно определяют тягу двигателя в килограммах.

Конструкция  модельного ТРД

  1. Крыльчатка Компрессора (радиальная)
  2. Спрямительная система Компрессора (статор)
  3. Камера сгорания
  4. Спрямительная система турбины
  5. Колесо турбины (аксиальная)
  6. Подшипники
  7. Вал
  8. Туннель вала
  9. Сопло
  10. Конус сопла
  11. Передняя крышка Компрессора (диффузор)

С чего начать?

Естественно у моделиста сразу возникают вопросы: С чего начать? Где взять? Сколько стоит?

  1. Начать можно с наборов (Kit-ов). Практически все производители на сегодняшний день предлагают полный ассортимент запасных частей и наборов для постройки турбин. Самыми распространёнными являются наборы повторяющие KJ-66. Цены наборов, в зависимости от комплектации и качества изготовления колеблются в пределах от 450 до 1800 Евро.
  2. Можно купить готовую турбину, если по карману, и вы умудритесь убедить в важности такой покупки супругу, не доводя дело до развода. Цены на готовые двигатели начинаются от 1500 Евро для турбин без автостарта.
  3. Можно сделать самому. Не скажу что это самый идеальный способ, он же не всегда самый быстрый и самый дешёвый, как на первый взгляд может показаться. Но для самодельщиков самый интересный, при условии, что есть мастерская, хорошая токарно-фрезерная база и прибор для контактной сварки также имеется в наличии. Самым трудным в кустарных условиях изготовления является центровка вала с колесом компрессора и турбиной.

Я начинал с самостоятельной постройки, но в начале 90-х просто не было такого выбора турбин и наборов для их постройки как сегодня, да и понять работу и тонкости такого агрегата удобней при его самостоятельном изготовлении.

Вот фотографии самостоятельно изготовленных частей для авиамодельной турбины:

Кто желает поближе ознакомится с устройством и теорией Микро-ТРД, тому я могу только посоветовать следующие книги, с чертежами и расчётами:

  • Kurt Schreckling. Strahlturbine fur Flugmodelle im Selbstbau. ISDN 3-88180-120-0
  • Kurt Schreckling. Modellturbinen im Eigenbau. ISDN 3-88180-131-6
  • Kurt Schreckling. Turboprop-Triebwerk. ISDN 3-88180-127-8
  • Thomas Kamps Modellstrahltriebwerk ISDN 3-88180-071-9

Заказать книги можно напрямую здесь:  http://www.vth.de

На сегодняшний день мне известны следующие фирмы, выпускающие авиамодельные турбины, но их становится всё больше и больше: AMT, Artes Jet, Behotec, Digitech Turbines, Funsonic, FrankTurbinen, Jakadofsky, JetCat, Jet-Central, A.Kittelberger, K.Koch, PST- Jets, RAM, Raketeturbine, Trefz , SimJet, Simon Packham, F.Walluschnig, Wren-Turbines. Все их адреса можно найти в Интернете.

Практика использования в авиамоделизме

Начнём с того, что турбина у вас уже есть, самая простая, как ей теперь управлять?

Есть несколько способов заставить работать ваш газотурбинный двигатель в модели, но лучше всего сначала построить небольшой испытательный стенд наподобие этого:

Ручной старт (Manual start) — cамый простой способ управления турбиной.

  1. Турбина сжатым воздухом, феном, электрическим  стартером разгоняется до минимальных рабочих 3000 об/мин.
  2. В камеру сгорания подаётся газ, а на свечу накаливания — напряжение, происходит воспламенение газа и турбина выходит на режим в пределах 5000-6000 об/мин. Раньше мы просто поджигали воздушно-газовую смесь у сопла и пламя «простреливало» в камеру сгорания.
  3. На рабочих оборотах включается регулятор хода, управляющий оборотами топливного насоса, который в свою очередь подаёт в камеру сгорания горючее — керосин, дизельное топливо или отопительное  масло.
  4. При наступлении стабильной работы подача газа прекращается, и турбина работает только на жидком топливе!

Смазка подшипников ведётся обычно с помощью топлива, в которое добавлено турбинное масло, примерно 5%. Если смазочная система подшипников раздельная (с масляным насосом), то питание насоса лучше включать перед подачей газа. Отключать его лучше в последнюю очередь, но НЕ ЗАБЫВАТЬ выключить! Если вы считаете, что женщины это слабый пол, то посмотрите, во что они превращаются при виде струи масла, вытекающей на обивку заднего сиденья семейного автомобиля  из сопла модели.

Недостаток этого самого простого способа управления — практически полное отсутствие информации о работе двигателя. Для измерения температуры и оборотов нужны отдельные приборы, как минимум электронный термометр и тахометр. Чисто визуально можно только приблизительно определить температуру, по цвету каления крыльчатки турбины. Центровку, как у всех крутящихся механизмов, проверяют по поверхности кожуха монетой или ногтем. Прикладывая ноготь к поверхности турбины, можно почувствовать даже мельчайшие вибрации.

В паспортных данных двигателей всегда даются их предельные обороты, например 120.000 об/мин. Это предельно допустимая величина при эксплуатации, пренебрегать которой не следует! После того как в 1996 году у меня разлетелся самодельный агрегат прямо на стенде и колесо турбины, разорвав обшивку двигателя, пробило насквозь 15-ти миллиметровую фанерную стенку контейнера, стоящего в трёх метрах от стенда, я сделал для себя вывод, что без приборов контроля разгонять самопальные турбины опасно для жизни! Расчёты по прочности показали потом, что частота вращения вала должна была лежать в пределах 150.000. Так что лучше было ограничить рабочие обороты на полном газу до 110.000 – 115.000 об/мин.

Ещё один важный момент. В схему управления топливом ОБЯЗАТЕЛЬНО должен быть включен аварийный закрывающий вентиль, управляемый через отдельный канал! Делается это для того, что бы в случае вынужденной посадки, морковно-внепланового приземления и прочих неприятностей прекратить подачу топлива в двигатель во избежание пожара.

Start control (Полуавтоматический старт).

Что бы неприятностей, описанных выше, не произошло на поле, где (ни дай бог!) ещё и зрители вокруг, применяют довольно хорошо зарекомендовавший себя Start control. Здесь управление стартом — открытие газа и подачу керосина, слежение за температурой двигателя и оборотами ведёт электронный блок ECU ( Electronic- Unit- Control) . Ёмкость для газа, для удобства, уже можно расположить внутри модели.

К ECU для этого подключены температурный датчик и датчик оборотов, обычно оптический или магнитный.  Кроме этого ECU может давать показания о расходе топлива, сохранять параметры последнего старта, показания напряжения питания топливного насоса, напряжение аккумуляторов и т.д. Всё это можно потом просмотреть на компьютере. Для программирования ECU и снятия накопленных данных служит Manual Тerminal (терминал управления).

На сегодняшний день самое большое распространение получили два конкурирующих продукта в этой области Jet-tronics и ProJet. Какому из них отдать предпочтение —  решает каждый сам, так как тяжело спорить на тему что лучше: Мерседес или БМВ?

Работает все это следующим образом:

  1. При раскручивании вала турбины (сжатый воздух/фен/электростартер) до рабочих оборотов ECU автоматически управляет подачей газа в камеру сгорания, зажиганием и подачей керосина.
  2. При движении ручки газа на вашем пульте сначала происходит автоматический вывод турбины на рабочий режим с последующим слежением за самыми важными параметрами работы всей системы, начиная от напряжения аккумуляторов до температуры двигателя и величины оборотов.

Автоматическийстарт (Automatic start)

Для особо ленивых процедура запуска упрощена до предела. Запуск турбины происходит с пульта управления тоже через ECU одним переключателем. Здесь уже не нужен ни сжатый воздух, ни стартер, ни фен!

  1. Вы щёлкаете тумблером на вашем пульте радиоуправления.
  2. Электростартер раскручивает вал турбины до рабочих оборотов.
  3. ECU контролирует старт, зажигание и вывод турбины на рабочий режим с последующим контролем всех показателей.
  4. После выключения турбины ECU ещё несколько раз автоматически прокручивает вал турбины электростартером для снижения температуры двигателя!

Самым последним достижением в области автоматического запуска стал Керостарт. Старт на керосине, без предварительного прогрева на газе. Поставив свечу накаливания другого типа (более крупную и мощную) и минимально изменив подачу топлива в системе, удалось полностью отказаться от газа! Работает такая система по принципу автомобильного обогревателя, как на «Запорожцах». В Европе пока только одна фирма переделывает турбины с газового на керосиновый старт, не зависимо от фирмы производителя.

Как вы уже заметили, на моих рисунках в схему включены ещё два агрегата, это клапан управления тормозами и клапан управления уборкой шасси. Это не обязательные опции, но очень полезные. Дело в том, что у «обычных» моделей при посадке, пропеллер на маленьких оборотах является своего рода тормозом, а у реактивных моделей такого тормоза нет. К тому же, у турбины всегда есть остаточная тяга даже на «холостых» оборотах и скорость посадки у реактивных моделей может быть намного выше, чем у «пропеллерных». Поэтому сократить пробежку модели, особенно на коротких площадках, очень помогают тормоза основных колёс.

Топливная система

Второй странный атрибут на рисунках, это топливный бак. Напоминает бутылку кока-колы, не правда ли? Так оно и есть!

Это самый дешевый и надёжный бак, при условии, что используются многоразовые, толстые бутылки, а не мнущиеся одноразовые. Второй важный пункт, это фильтр на конце всасывающего патрубка. Обязательный элемент! Фильтр служит не для того, чтобы фильтровать топливо, а для того, чтобы избежать попадания воздуха в топливную систему! Не одна модель была уже потеряна из-за самопроизвольного выключения турбины в воздухе! Лучше всего зарекомендовали себя здесь фильтры от мотопил марки Stihl или им подобные из пористой бронзы. Но подойдут и обычные войлочные.

Раз уж заговорили о топливе, можно сразу добавить, что жажда у турбин большая, и потребление топлива находится в среднем на уровне 150-250 грамм в минуту. Самый большой расход  конечно же приходится на старт, зато потом рычаг газа редко уходит за 1/3 своего положения вперёд. Из опыта можно сказать, что при умеренном стиле полёта трёх литров топлива вполне хватает на 15 мин. полётного времени, при этом в баках остаётся  ещё запас для пары заходов на посадку.

Само топливо — обычно авиационный керосин, на западе известный под названием Jet A-1.

Можно, конечно, использовать дизельное топливо или ламповое масло, но некоторые турбины, такие как из семейства JetCat, переносят его плохо. Также ТРД не любят плохо очищенное топливо. Недостатком заменителей керосина является большое образование копоти. Двигатели приходится чаще разбирать для чистки и контроля. Есть случаи эксплуатации турбин на метаноле, но таких энтузиастов я знаю только двоих, они выпускают метанол сами, поэтому могут позволить себе такую роскошь. От применения бензина, в любой форме, следует категорически отказаться, какими  бы привлекательными ни казались цена и доступность этого топлива! Это в прямом смысле игра с огнём!

Обслуживание и моторесурс

Вот и следующий вопрос назрел сам собой — обслуживание и ресурс.

Обслуживание в большей степени заключается в содержании двигателя в чистоте, визуальном контроле и проверке на вибрацию при старте. Большинство авиамоделистов оснащают турбины своего рода воздушным фильтром. Обыкновенное металическое сито перед всасывающим диффузором. На мой взгляд — неотъемлемая часть турбины.

Двигатели, содержащиеся в чистоте, с исправной системой смазки подшипников служат безотказно по 100 и более рабочих часов. Хотя многие производители советуют после 50 рабочих часов присылать турбины на контрольное техническое обслуживание, но это больше для очистки совести.

Первая реактивная модель

Ещё коротко о первой модели. Лучше всего, чтобы это был «тренер»! Сегодня на рынке множество турбинных тренеров, большинство из них это модели с дельтовидным крылом.

Почему именно дельта? Потому, что это очень устойчивые модели сами по себе, а если в крыле использован так называемый S-образный профиль, то и посадочная скорость и скорость сваливания минимальные. Тренер должен, так сказать, летать сам. А вы должны концентрировать внимание на новом для вас типе двигателя и особенностях управления.

Тренер должен иметь приличные габариты. Так как скорости на реактивных моделях в 180-200 км/ч — само собой разумеющиеся, то ваша модель будет очень быстро удаляться на приличные расстояния. Поэтому за моделью должен быть обеспечен хороший визуальный контроль. Лучше, если турбина на тренере крепится открыто и сидит не очень высоко по отношению к крылу.

Хорошим примером, какой тренер НЕ ДОЛЖЕН быть, является самый распространённый тренер – «Kangaroo». Когда Фирма FiberClassics (сегодня Composite-ARF) заказывала эту модель, то в основе концепта была заложена в первую очередь продажа турбин «София», и как важный аргумент для моделистов, что сняв крылья с модели, её можно использовать в качестве испытательного стенда. Так, в общем, оно и есть, но производителю хотелось показать турбину, как на витрине, поэтому и крепится турбина на своеобразном «подиуме». Но так как вектор тяги оказался приложен намного выше ЦТ модели, то и сопло турбины пришлось задирать кверху. Несущие качества фюзеляжа были этим почти полностью съедены, плюс малый размах крыльев, что дало большую нагрузку на крыло. От других предложенных тогда решений компоновки заказчик отказался. Только использование Профиля ЦАГИ-8, ужатого до 5% дало более-менее приемлемые результаты.  Кто уже летал на Кенгуру, тот знает, что эта модель для очень опытных пилотов.

Учитывая недостатки Кенгуру, был создан спортивный тренер для более динамичных полётов «HotSpot». Эту модель отличает более продуманная аэродинамика, и летает «Огонёк» намного лучше.

Дальнейшим развитием этих моделей стал «BlackShark». Он рассчитывался на спокойные полёты, с большим радиусом разворотов. С возможностью широкого спектра пилотажа, и в то же время, с хорошими парительными качествами. При выходе из строя турбины, эту модель можно посадить как планер, без нервов.

Как видите, развитие тренеров пошло по пути увеличения размеров (в разумных пределах) и уменьшении нагрузки на крыло!

Так же отличным тренером может служить австрийский набор из бальзы и пенопласта, Super Reaper. Стоит  он 398 Евро. В воздухе модель выглядит очень хорошо. Вот мой самый любимый видеоролик из серии Супер Рипер: http://www.paf-flugmodelle.de/spunki.wmv

Но чемпионом по низкой цене на сегодняшний день является «Spunkaroo». 249 Евро! Очень простая конструкция из бальзы, покрытой стеклотканью. Для управления моделью в воздухе достаточно всего двух сервомашинок!

Раз уж зашла речь о сервомашинках, надо сразу сказать, что стандартным трехкилограммовым сервам в таких моделях делать нечего! Нагрузки на рули у них огромные, поэтому ставить надо машинки с усилием не меньше 8 кг!

Подведём итог

Естественно у каждого свои приоритеты, для кого-то это цена, для кого-то готовый продукт и экономия времени.

Самым быстрым способом завладеть турбиной, это просто её купить! Цены на сегодняшний день для готовых турбин класса 8 кг тяги с электроникой начинаются от 1525 Евро. Если учесть, что такой двигатель можно сразу без проблем брать в эксплуатацию, то это совсем не плохой результат.

Наборы, Kit-ы. В зависимости от комплектации, обычно набор из спрямляющей системы компрессора, крыльчатки компрессора, не просверленного колеса турбины и спрямляющей ступени турбины, в среднем стоит 400-450 Евро. К этому надо добавить, что всё остальное надо либо покупать, либо изготовить самому. Плюс электроника. Конечная цена может быть  даже выше, чем готовая турбина!

На что надо обратить внимание при покупке турбины или kit-ов – лучше, если это будет разновидность  KJ-66. Такие турбины зарекомендовали себя как очень надёжные, да и  возможности поднятия мощности у них ещё не исчерпаны. Так, часто заменив камеру сгорания на более современную, или поменяв подшипники и установив спрямляющие системы другого типа, можно добиться прироста мощности от нескольких сот грамм до 2 кг, да и разгонные характеристики часто намного улучшаются. К тому же, этот тип турбин очень прост в эксплуатации  и ремонте.

Подведём итог, какого размера нужен карман для постройки современной реактивной модели по самым низким европейским ценам:

  • Турбина в сборе с электроникой и мелочами — 1525 Евро
  • Тренер с хорошими полётными качествами — 222 Евро
  • 2 сервомашинки 8/12 кг — 80 Евро
  • Приёмник 6 каналов — 80 Евро

Итого, Ваша мечта: около 1900 Евро или примерно 2500  зелёных президентов!

Удачи!

Обсудить на форуме

Российские конструкторы разработают гибридный двигатель для самолетов и вертолетов — Российская газета

Так называется наиболее оптимальный режим преодоления воздушного пространства с постоянной скоростью, которую летательный аппарат поддерживает большую часть своего пути с минимальным расходом топлива.

Как сделать наиболее экономичным весь полет, включая взлет и посадку, увеличив при этом ресурс силовой установки крылатой машины? Такую задачу ставят перед собой российские конструкторы.

Гибридизация

Понятие гибридной силовой установки (ГСУ) получило активное развитие благодаря автопрому, где уже используется в качестве двигателя некий симбиоз тепловых и электрических машин. Суть явления в том, что автомобиль приводится в движение благодаря их совместной работе.

Пришло время ГСУ и для авиационной отрасли. Как отмечают ее представители, КПД газотурбинных двигателей, которые и отвечают за мощность силовых установок самолетов и вертолетов, обеспечивая привод винтов, близок к своему пределу. В качестве дальнейших перспектив специалисты предлагают новую технологию — гибридную силовую установку на основе газотурбинного привода и электромотора. В этом случае электрический двигатель играет вспомогательную роль.

Как это происходит? Известно, что на взлете самолета все его системы работают с повышенными нагрузками. Затем движение выравнивается и приобретает стабильный характер, комфортный и для пассажиров, которым в это время позволяется вставать с кресел, и, с точки зрения технических расходов, для самой машины, идущей на одной скорости. Такой режим полета называется крейсерским. И он единственный наиболее комфортный для летательного аппарата. Применение гибридного принципа позволит обеспечивать работу газотурбинного двигателя на максимально эффективном для него уровне в течение всего полета. Разработать новую конструкцию планируется в Петербурге на площадке «ОДК-Климов», входящего в госкорпорацию «Ростех».

Повысить экономичность двигателей поможет внедрение искусственного интеллекта

В чем преимущества гибридного самолета или вертолета? В том, что замена классических силовых установок на ГСУ позволит значительно снизить потребление энергии, уровень шумов и количество выбросов в атмосферу. Экономия топлива, увеличение ресурса, когда материальная часть изнашивается меньше, — вот те показатели, к которым стремятся разработчики. Недостаток мощности газотурбинного мотора компенсируется электродвигателем, объясняет заместитель генерального конструктора «ОДК-Климов» Ирина Сморчкова.

Как отмечает проректор Санкт-Петербургского Политехнического университета доктор технических наук Виталий Сергеев, авиационному двигателю важно работать в режиме, близком к «номиналу». И электромотор может позволить приблизить работу газотурбинной установки к оптимальному режиму.

Будущее за теми, кто располагает подобными преимуществами. В частности, забота об экологии — один из важнейших поводов для конкурентной борьбы на авиационном рынке, подчеркивает заместитель директора программы разработки перспективного вертолетного двигателя «ОДК-Климов» Михаил Шемет. Например, на «рулежке» в аэропорту можно использовать чисто электрическую тягу, когда нет никаких выбросов.

Подпитка электроэнергией решает многое, и проектирование электрических машин под авиационные нужды началось. Но когда конструкторы пытаются решить задачу повышения эффективности авиалайнеров с помощью энергии аккумуляторов, вес батарей неизменно сводит все усилия разработчиков на нет. Ведь в авиации жесткие весовые ограничения.

Искусственный интеллект

В реальности существуют лишь небольшие сверхлегкие самолеты с несколькими посадочными местами, работающие исключительно на электрической тяге. Как рассказал директор Центрального института авиационного моторостроения Михаил Гордин, пока в мире нет ни одного электрического коммерческого самолета, способного перевозить пассажиров или грузы. Между тем перед отечественными разработчиками ставится задача сформировать концепт ГСУ для легкой авиации, используемой, скажем, в гражданских целях на местных авиалиниях дальностью до 250 км или для решения военных задач. И здесь уже одной электротягой не обойтись. Слишком тяжелые получатся аккумуляторы. В этом смысле энергетика электричества на порядок уступает энергетике керосина. Бак с керосином и газотурбинный двигатель значительно легче, чем электрический с батареями. Поэтому гибридная технология становится оптимальной комбинацией для легких вертолетов и самолетов. Примечательно, что для каждого конкретного летательного аппарата она определяется отдельно, позволяя найти лучший вариант с увеличением эксплуатационных ресурсов, уменьшением расхода топлива и сокращением выбросов.

Забота об экологии — один из важнейших поводов для конкурентной борьбы на авиационном рынке

Повысить экономичность современных двигателей станет возможным и за счет внедрения искусственного интеллекта, задача которого — управление системами ГСУ, в том числе подачей топлива и перераспределением энергии, считает профессор Виталий Сергеев. Что, безусловно, будет способствовать надежности эксплуатации машины.

Применение искусственного интеллекта выводит гибридную технологию на принципиально новый уровень технического прогресса. И заинтересованность государства в инновационном развитии могла бы стать поддержкой в начинании. Сейчас российские специалисты приступили к научно-исследовательским работам по созданию гибридной силовой установки в инициативном порядке. Включение этой инициативы в одну из госпрограмм стало бы логичным продолжением экономической политики, необходимой для выхода новой отечественной продукции на международный рынок и укрепления обороноспособности страны.

Ближайшая задача — объединить все научно-производственные силы для разработки конкурентоспособного продукта, собрав вместе не только представителей авиапрома, но и всех смежников, включая электронную и энергетическую промышленность, с участием министерства обороны. Интегратором и локомотивом в этой работе станет «ОДК-Климов». Для подготовки технических решений предстоит определить конкретный объект применения установки нового поколения, что особенно важно для создания ее конструкции.

Зачем нужен такой летательный аппарат, сверхнасыщенный суперсистемами? Прежде всего, для совершенствования способов диагностики воздушного судна, возможности получать онлайн-информацию прямо во время полета по всем необходимым характеристикам. Экспресс-анализ позволит, не дожидаясь авиационного происшествия, оперативно устранять проблему, проведя локальный ремонт. Предсказательная диагностика станет гарантией безопасности полета.

По мнению экспертов, ГСУ будет востребована в различных отраслях. Ее производственная платформа может быть разной, начиная с беспилотников, заканчивая бронетехникой и аэротакси. Гибридизация, считают разработчики, дает возможность по-другому подойти к конструированию самого летательного аппарата, открывая широкие и порой неожиданные перспективы.

Газовая турбина

| Принцип работы, основные компоненты и типы:

Газовая турбина — самый распространенный и известный тип турбины. Газовые турбины и Газовые двигатели наиболее широко используются во всем мире для различных целей. В настоящее время эти турбины представляют собой наиболее широко используемые технологии производства электроэнергии. Эти типы турбин в основном используются для производства дешевой электроэнергии с использованием газа в качестве рабочего тела. В предыдущих статьях мы обсуждали паровые, ветряные и водяные турбины.Поэтому в этой статье мы в основном рассмотрим различные аспекты газовой турбины.

Что такое газовая турбина?

Газовая турбина — это тип двигателя I.C , который преобразует кинетическую энергию газа в энергию вращения (механическую энергию). Эта механическая энергия далее приводит в действие газогенератор , который преобразует эту механическую энергию в электричество .

Она известна как «газовая турбина », потому что в ней в качестве рабочего тела используется газ .По сути, эту турбину можно рассматривать как преобразователь энергии, который может преобразовывать накопленную в газе энергию в мощность вращения. Эта мощность вращения запускает генератор, вырабатывающий электричество. После выработки электроэнергии эта электроэнергия по кабелям доставляется в различные предприятия и домашние хозяйства.

В 1791 первый газотурбинный двигатель был изобретен Джоном Барбером . В его конструкцию вошло большинство деталей новейших газовых турбин.Планировалось ездить на безлошадных машинах.

Новейшие газовые турбины работают при значительно более высоких температурах по сравнению с паровыми турбинами. Максимальный КПД газовой турбины до 60%.

Принцип работы газовой турбины

Газовые турбины работают на основе цикла Брайтона . Во время этого цикла топливовоздушная смесь сжимается, сгорает, проходит через газовую турбину и выпускается.

В рабочем цикле газовой турбины в качестве рабочего тела используется воздух .Газовая турбина работает в следующих стадиях:

  1. Процесс всасывания
  2. Процесс сжатия
  3. Процесс горения
  4. Турбинная секция
  5. Производство электроэнергии

1) Процесс всасывания

Прежде всего, турбина всасывает воздух в камеру сжатия из атмосферы в турбину и направляет этот воздух в компрессор.

2) Процесс сжатия

Когда воздух входит в компрессор, он сжимает воздух и преобразует кинетическую энергию воздуха в энергию давления. После этого он преобразует воздух в воздух высокого давления.

3) Процесс горения

После процесса сжатия сжатый воздух поступает в камеру сгорания. В камере сгорания инжектор впрыскивает топливо в камеру, которое смешивается с воздухом. После перемешивания в камере сгорания воспламеняется топливовоздушная смесь.В процессе воспламенения топливно-воздушная смесь превращается в газы высокого давления и высокой температуры.

4) Турбинная секция

Когда сгоревший газ попадает в секцию турбины, часть энергии этого газа преобразуется в механическую энергию, а часть энергии расходуется. Когда дымовой газ расширяется через турбину, он вращает лопатки турбины. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они запускают компрессор, чтобы втянуть больше воздуха для работы, а также приводят в действие газогенератор, связанный с турбиной.

5) Процесс производства электроэнергии

Генератор связан с валом турбины. Генератор получает механическую энергию от турбины и преобразует эту энергию в электрическую.

Из выхлопных газов выходит бесполезная энергия. Выхлопной газ можно использовать для внешних задач, например, для создания тяги непосредственно в турбореактивном двигателе или для вращения второй независимой турбины (называемой силовой турбиной), которая может быть подключена к электрическому генератору, гребному винту или вентилятору.

Читайте также: Работа паровой турбины

Цикл газовой турбины

Газовая турбина работает по циклу Брайтона (или Джоуля). Рабочий цикл газовой турбины поясняется ниже с помощью диаграммы P-V:

Рис. Рабочий цикл газовой турбины

Сжатие (от A до B): —

Когда окружающий воздух попадает в компрессор, компрессор сжимает его и увеличивает давление.После сжатия воздух попадает в камеру сгорания (точка B на приведенной выше диаграмме).

Сгорание (от B до C): —

Когда сжатый воздух попадает в камеру сгорания (линия от B до C), инжектор впрыскивает топливо, которое смешивается с воздухом. Воспламенитель воспламеняется от этой топливовоздушной смеси и увеличивает ее давление и температуру.

Расширение (от C до D): —

После прохождения процесса сгорания воздух попадает в секцию турбины (линия C – D представляет этот процесс), где он расширяется.По мере расширения воздух вращает лопатки турбины, которые дополнительно вращают вал турбины и компрессор. Некоторая мощность этого расширенного воздуха используется для приведения в действие компрессора, в то время как оставшаяся мощность используется для приведения в действие подключенного генератора. Генератор преобразует эту мощность в электричество.

Типы газотурбинных двигателей

Есть несколько типов газовых турбин. Наиболее распространенные типы газовых турбин приведены ниже:

  • Весы турбовинтовых
  • реактивный двигатель
  • Турбореактивный
  • Турбореактивный двухконтурный двигатель
  • Турбовал
  • Турбина авиационная газовая
  • Микротурбины

1) Турбовинтовой газовый двигатель

Первый тип газового двигателя — турбовинтовой.Турбовинтовой двигатель имеет маршевое сопло, турбину, камеру сгорания, компрессор, впускной и понижающий редукторы.

В этом газовом двигателе используется редуктор для привода воздушного винта. Турбовинтовой двигатель используется в небольших самолетах, таких как военный учебно-тренировочный самолет Embraer EMB312 Tucano и караван General Aviation Cessna 208. Турбовинтовой двигатель также используется в больших самолетах, таких как транспортный Airbus A400M. Кроме того, он используется в средних пригородных самолетах, таких как Bombardier Dash 8.

Выхлопные газы управляют силовой турбиной, которая соединяется через вал, который далее вращает редуктор. Для турбовинтовых двигателей требуется понижающая коробка передач, потому что лучшие характеристики воздушного винта достигаются на скоростях, намного меньших, чем рабочая скорость двигателя.

Рис. Турбовинтовой двигатель

Эти типы газовых турбин обладают исключительной эффективностью при скорости 250-400 миль в час и высоте от 18 000 до 30 000 футов. Самый низкий расход топлива для турбовинтовых турбин обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы.Эта турбина использует приблизительно от 80% до 85% произведенной мощности для работы гребного винта. Напротив, оставшаяся доступная энергия используется в качестве тяги для удаления выхлопных газов.

Преимущества и недостатки турбовинтового двигателя: —

Преимущества Недостатки
Эти двигатели имеют небольшие размеры. У них низкая крейсерская скорость.
Они легкие. Воздушный винт этого двигателя теряет эффективность на большей высоте.
Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на коротких дистанциях. Это не лучший вариант для долгого путешествия.
Эти двигатели потребляют меньше топлива в час, чем реактивные двигатели. Турбовинтовые двигатели производят более высокий уровень шума, чем реактивные двигатели.

Подробнее: Работа турбовинтового двигателя

2) Турбореактивный двигатель

Газовая турбина второго типа — реактивный двигатель.Это оптимизированная газовая турбина. Он генерирует энергию с помощью выхлопного газа или вытяжного вентилятора , подключенного к турбине. Двигатели, вырабатывающие энергию из прямых импульсов выхлопных газов, называются турбореактивными двигателями .

Турбореактивный газовый двигатель, используемый в самолетах. Эти двигатели были впервые разработаны в Великобритании и Германии до Второй мировой войны и были самыми простыми двигателями, чем другие реактивные двигатели.

Турбореактивный двигатель имеет недостаток в том, что он имеет высокий уровень шума и потребляет большое количество энергии. Эти типы двигателей имеют ограниченный диапазон и долговечность. В настоящее время они используются в основном в военной авиации.

Рис. Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель состоит из следующих четырех частей:

  1. Компрессор
  2. Камера сгорания
  3. турбина
  4. Выхлоп

Компрессор всасывает воздух, сжимает его и подает сжатый воздух в камеру сгорания на высокой скорости.В камере сгорания имеется топливная форсунка и воспламенитель для воспламенения топливовоздушной смеси. Расширенный газ запускает турбину. Эта турбина соединена с компрессором и двигателем через вал и поддерживает работу двигателя.

Преимущества и недостатки турбореактивного двигателя: —

Преимущества Недостатки
Эти двигатели имеют простую конструкцию. Они потребляют много топлива.
Они могут работать с высокой скоростью. Они производят высокий нос.
Турбореактивные двигатели имеют малые габариты. Они плохо работают на низкой скорости.
Они имеют небольшой вес. Эти газовые двигатели нельзя использовать для дальних путешествий.

Читайте также: Различные типы реактивных двигателей

3) Турбореактивный двухконтурный двигатель

Реактивный двигатель , который вырабатывает мощность с помощью вытяжного вентилятора, обычно называют турбовентиляторным двигателем .Слово «турбовентиляторный» представляет собой комбинацию « турбина » и « вентилятор »: слово турбина обозначает газовую турбину, которая получает механическую энергию от камеры сгорания, а «вентилятор » представляет канальный вентилятор. , который получает механическую энергию от турбины, чтобы направить воздух назад.

В этом двигателе используется вытяжной вентилятор и выхлоп для создания пульсации. Турбореактивные двухконтурные двигатели также наиболее широко используются в самолетах.

Рис. Турбовентиляторный газотурбинный двигатель

Развитие турбовентиляторных двигателей представляет собой сочетание некоторых из лучших характеристик турбовинтовых и турбореактивных двигателей.Эти газовые двигатели разработаны для создания дополнительной тяги за счет перенаправления вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания.

Турбореактивный газовый двигатель имеет низкий уровень шума и потребляет мало топлива по сравнению с другими реактивными двигателями. Внутри двигателя имеется два или более вала.

Достоинства и недостатки ТРДД: —

Преимущества Недостатки
Эта турбина потребляет меньше топлива, чем другие реактивные двигатели. Они имеют большие размеры, чем турбореактивные двигатели.
Имеет низкий уровень шума. Турбореактивные двухконтурные двигатели не могут контролировать резкие колебания нагрузки.
Лучше всего подходит для дальних путешествий. Для выработки энергии требуется вентилятор в канале.

4) Масштабный реактивный двигатель

Масштабный реактивный двигатель пятого типа. Эти двигатели также называются микро-форсунками . Помня об этом, пионер новейшего микроструйного двигателя Курт Шреклинг разработал первые в мире микротурбины (FD3 / 67).Эти двигатели могут создавать силу 22 Н. Кроме того, это может сделать большинство профессионалов с опытом работы в машиностроении с использованием необходимых технических инструментов.

5) Турбовальный двигатель

Газотурбинный двигатель , который оптимизирован для выработки мощности на валу вместо реактивного движения, называется турбовальным двигателем. Принцип работы турбовального двигателя очень похож на турбореактивный двигатель, но с дополнительным турбонаддувом, расширением для удаления тепловой энергии из выхлопных газов и преобразования ее в выходную мощность вала.В 1949 году французская компания Turbomeca построила первый газотурбинный двигатель с турбонаддувом.

Рис: Газовый двигатель с турбонаддувом

Главный вал двигателя оснащен компрессором и его турбиной, и оба вместе с системой сгорания называются газогенератором. Отдельно вращающаяся силовая турбина используется для приведения в действие роторов вертолетов. Вы можете повысить гибкость конструкции, вращая силовую турбину и газогенератор с соответствующими скоростями.

Основное различие между турбовальным двигателем и турбореактивным двигателем состоит в том, что в турбовальном двигателе максимальная часть энергии, генерируемой расширяющимся газом, используется для питания турбины вместо создания тяги.

Эти газовые двигатели лучше всего подходят для применений, требующих небольшого веса, небольших размеров, высокой надежности и постоянной высокой производительности. Большинство вертолетов имеют турбовальные двигатели. Газотурбинный двигатель с турбонаддувом также используется в качестве вспомогательного двигателя для больших самолетов. Эти двигатели также используются на станциях сжижения природного газа.

Преимущества и недостатки турбовального двигателя: —

Преимущества Недостатки
Эти двигатели обладают высокой надежностью. Издают сильный шум.
Турбореактивные двухконтурные двигатели обладают неизменно высокой производительностью. Эти газовые двигатели имеют высокую стоимость производства.
Они имеют небольшие размеры. Им требуется большая мощность для первоначального запуска.

6) Авиационная газовая турбина

Прежде всего, они часто устанавливаются на газотурбинных двигателях существующих самолетов. Промышленная газовая турбина более обширна, чем авиационная турбина.

Во-вторых, они используются для производства электроэнергии. Поскольку эти турбины выключаются быстрее, чем промышленные двигатели, и могут быстро реагировать на изменение нагрузки, они также используются в морской промышленности для снижения веса.

Рис .: Авиационная газовая турбина

7) Микротурбины

Микротурбина — это газовая турбина, вырабатывающая относительно небольшое количество электроэнергии и тепла. Этот газотурбинный двигатель разработан на базе турбонагнетателей с поршневыми двигателями, малых реактивных двигателей или ВСУ самолетов.Их размер соответствует холодильнику мощностью 25-500 кВт.

КПД микротурбин без теплообменника составляет около 15%. И от 20% до 30% с теплообменником. При комбинированном производстве тепла и электроэнергии комбинированный термоэлектрический КПД может достигать 85%

По сравнению с другими маломасштабными технологиями производства электроэнергии микротурбины имеют множество преимуществ: низкие затраты на энергию, низкий уровень выбросов, легкий вес, высокий КПД, компактный дизайн, небольшое количество подвижных частей и возможность использования отработанного топлива.В этих турбинах также можно использовать утилизацию отработанного тепла для достижения КПД более 80%.

Ожидается, что микротурбины

займут значительную часть рынка распределенной генерации из-за их низких затрат на обслуживание и эксплуатацию, низких капитальных затрат, небольших размеров и автоматического электронного управления. Кроме того, эти газовые турбины представляют собой эффективное и экологически чистое решение для рынков с прямым приводом, например, для компрессоров и кондиционеров.

Читайте также: Работа ветряной турбины

КПД газовой турбины

Рабочая температура (температура воспламенения) газовой турбины влияет на ее КПД.Если температура выше, эффективность турбины также будет выше. Однако температура на входе турбины фиксируется с помощью тепловых условий, которые могут выдерживать лопатки турбины.

В максимальных случаях температура газа на входе в турбину составляет от 1200 ° C до 1400 ° C. Тем не менее, некоторые конструкторы повышают температуру на входе до 1600 ° C, разрабатывая покрытия для лопаток и системы охлаждения, предотвращающие термическое повреждение металлургических деталей.

Из-за мощности, необходимой для работы компрессора, эффективность преобразования энергии одноцикловой газотурбинной электростанции составляет примерно 30%, и даже наиболее эффективная конструкция имеет КПД до 40%.

В выхлопных газах, которые имеют температуру до 600 ° C на выходе из турбины, остается много тепла. Газотурбинная силовая установка может достичь КПД от 55% до 60% за счет рекуперации отработанного тепла в конфигурации с комбинированным циклом для создания более ценной работы.

35-37
Тип газовой турбины Выходная мощность (МВт эл.) КПД, Комбинированный цикл (%), LHV КПД, Простой цикл
Большой тяжелый режим 200-500 54-60 37-40
Малый тяжелый режим 70-200 53-55
Двигатель 30-60 51-54 39-43

Компоненты газотурбинного двигателя

Газовая турбина состоит из следующих основных частей:

  1. Турбина
  2. Компрессор
  3. Вал
  4. Камера сгорания
  5. Коробка передач
  6. Выхлоп

1) Компрессор: —

Компрессор включает в себя основные газовые турбины.Сначала компрессор всасывает воздух в турбину. После этого он сжимает воздух и увеличивает давление этого воздуха в соответствии с требованиями турбины. Наконец, компрессор направляет воздух в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.

Читайте также: Различные типы компрессоров

2) Вал: —

Вращающийся вал позволяет компрессору непрерывно всасывать воздух и повышать давление воздуха для регулирования непрерывного горения.Он имеет несколько лопаток турбины. Вал вращается с вращением лопаток турбины. Избыточная мощность вала используется для запуска генератора для выработки электроэнергии.

3) Камера сгорания: —

Он состоит из ряда форсунок, которые направляют постоянный поток топлива в систему сгорания и смешивают его с воздухом камеры сгорания. Смесь горит при температуре выше 2000 градусов по Фаренгейту .

Камера сгорания также включает основные компоненты газовой турбины.Он создает поток газа высокого и высокого давления, который входит в турбину и частично расширяется.

4) Турбинная секция : —

Состоит из сложного набора неподвижных и вращающихся лопаток. Когда горячий дымовой газ расширяется через турбину, вращаются лопатки. Поворотные лопатки выполняют две функции. Во-первых, это заставляет компрессор втягивать больше сжатого воздуха в зону сгорания. А во-вторых, он вращает генератор для выработки электроэнергии.

5) Коробка передач: —

Редуктор турбины передает крутящий момент на приводимое оборудование.

6) Выхлоп: —

Эта деталь имеет низкий уровень выбросов из турбинной части.

Преимущества и недостатки газовых турбин

Преимущества и недостатки газовой турбины приведены ниже:

Преимущества газовых турбин
  • Эти турбины легко транспортировать и быстро запускать.
  • Глобальная поддержка и услуги.
  • Низкие затраты и небольшой расход смазочных материалов.
  • Могут использоваться разные виды топлива.
  • Из-за избытка воздуха он полностью сжигает воздух, а пламя на холодной поверхности не « гасит », что приводит к очень низким выбросам токсичных CO и HC.
  • Имеет высокую доступность.
  • Высокая надежность.
  • Операционная стоимость невысока.
  • Используйте другие чистые возобновляемые виды топлива.
  • Газовые турбины имеют высокую удельную мощность.
  • Выделяет малотоксичные газы.
  • Имеет низкие затраты на строительство.
  • Комплексный модуль производительности.
Недостатки газовых турбин
  • Требуется высокая стоимость обслуживания .
  • Меньшее соотношение мощности и веса.
  • Использование экзотических материалов может увеличить стоимость основного двигателя.
  • КПД газовых турбин на холостом ходу ниже, чем у поршневого двигателя.
  • Более продолжительное время пуска, чем у поршневого двигателя.
  • Типичные жалобы сложно контролировать.

Применения газовой турбины
  • Эти турбины используются для привода самолетов.
  • Используется в поездах.
  • Эти турбины используются для привода судов.
  • Газотурбинный двигатель также используется для привода электрогенераторов.
  • Они используются для питания насосов.
  • Газовая турбина используется в различных применениях газовых компрессоров.

Раздел часто задаваемых вопросов

Кто изобрел газовую турбину?

В 1791 первый газотурбинный двигатель был изобретен Джоном Барбером .

На каком цикле работает газовая турбина?

Газовая турбина работает на основе цикла Брайтона (или Джоуля).

Для чего используются газовые турбины?

Газовые турбины используют для привода:

  • Поезда
  • Цистерны
  • Насосы
  • Промышленное оборудование
  • Суда
  • Газовые компрессоры

Какое топливо использует газовая турбина?

Газовая турбина использует такие виды топлива, как парообразное топливо нефть газ, уголь с низким содержанием британских тепловых единиц газ , технологический газ и природный газ.Но 90% газовых турбин в мире используют сжиженного природного газа или природного газа в качестве рабочего топлива.

Почему газовая турбина называется газовой турбиной?

Эта турбина известна как газовая турбина, потому что в этой турбине используется газ.

Какой тип компрессора используется в газотурбинной установке?

Многоступенчатый осевой компрессор используется в газотурбинной установке для твердых частиц.

Сколько времени требуется для запуска газовой турбины?

Газовая турбина двигателя внутреннего сгорания может запускаться менее чем за 5 минут до достижения полной нагрузки, в то время как газовые турбины с комбинированным циклом могут запускаться через 30 минут или более.

Стоимость газовых турбин очень низкая по сравнению с другими типами турбин. Благодаря этому эти турбины наиболее широко используются во всем мире. Эти турбины обладают высокой удельной мощностью. Эти турбины слишком полезны в наших отраслях. И он имеет низкую стоимость эксплуатации и хорошую надежность.

Я надеюсь, что вам будут понятны все концепции, связанные с этой темой. Если у вас есть вопросы, вы можете без колебаний ответить мне.

Узнать больше
  1. Различные типы турбин
  2. Как работает шовная турбина?
  3. Как работает ветряная турбина?
  4. Различные типы компрессоров

Источник изображения:

www.aircraftsystemstech.com/

Газотурбинные электростанции

Принцип работы газовой турбины

Газотурбинные двигатели получают свою мощность от сжигания топлива в камере сгорания и использования быстро протекающих газов сгорания для привода турбины во многом так же, как пар высокого давления приводит в движение паровую турбину.

Однако одним из основных отличий является то, что газовая турбина имеет вторую турбину, действующую как воздушный компрессор, установленную на том же валу. Воздушная турбина (компрессор) всасывает воздух, сжимает его и под высоким давлением подает в камеру сгорания, увеличивая интенсивность горящего пламени.

Это механизм положительной обратной связи. По мере того, как газовая турбина ускоряется, это также заставляет компрессор ускоряться, нагнетая больше воздуха через камеру сгорания, что, в свою очередь, увеличивает скорость горения топлива, отправляя больше горячих газов под высоким давлением в газовую турбину, еще больше увеличивая ее скорость.Неконтролируемый разгон предотвращается с помощью средств управления на линии подачи топлива, которые ограничивают количество топлива, подаваемого в турбину, тем самым ограничивая ее скорость.

Термодинамический процесс, используемый газовой турбиной, известен как цикл Брайтона. Аналогично циклу Карно, в котором эффективность максимизируется за счет увеличения разницы температур рабочей жидкости между входом и выходом машины, эффективность цикла Брайтона максимизируется за счет увеличения разницы давлений в машине.Газовая турбина состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Рабочее тело, воздух, сжимается в компрессоре (адиабатическое сжатие — без притока или потерь тепла), затем смешивается с топливом и сжигается в камере сгорания в условиях постоянного давления в камере сгорания (добавление тепла при постоянном давлении). Образующийся горячий газ расширяется через турбину для выполнения работы (адиабатическое расширение). Большая часть энергии, производимой в турбине, используется для работы компрессора, а остальная часть используется для работы вспомогательного оборудования и выполнения полезной работы.Система является открытой системой, поскольку воздух не используется повторно, поэтому четвертый этап цикла, охлаждение рабочей жидкости, не выполняется.

Газотурбинный авиационный двигатель (Немецкий музей)

Газовые турбины имеют очень высокое отношение мощности к массе, они легче и меньше двигателей внутреннего сгорания той же мощности.Хотя они механически проще поршневых двигателей, их характеристики — высокая скорость и работа при высоких температурах — требуют высокоточных компонентов и экзотических материалов, что делает их более дорогими в производстве.

История

Производство электроэнергии

В приложениях для выработки электроэнергии турбина используется для привода синхронного генератора, который обеспечивает выходную электрическую мощность, но поскольку турбина обычно работает с очень высокими частотами вращения, составляющими 12 000 об. / Мин.вечера или более он должен быть подключен к генератору через редуктор с большим передаточным числом, поскольку генераторы работают со скоростью 1000 или 1200 об / мин. в зависимости от частоты переменного тока в электросети.

Конфигурации турбины

Газотурбинные электрогенераторы используются в двух основных конфигурациях

  • Простые системы , состоящие из газовой турбины, приводящей в действие генератор электроэнергии.
  • Системы комбинированного цикла , которые разработаны для максимальной эффективности, в которых горячие выхлопные газы из газовой турбины используются для подъема пара для питания паровой турбины, причем обе турбины подключены к генераторам электроэнергии.

Производительность турбины

  • Выходная мощность турбины
  • Чтобы минимизировать размер и вес турбины при заданной выходной мощности, выход на фунт воздушного потока должен быть максимальным.Это достигается за счет увеличения потока воздуха через турбину, который, в свою очередь, зависит от максимизации отношения давлений между входом воздуха и выходом выхлопа. Основным фактором, определяющим это, является перепад давлений в компрессоре, который в современных газовых турбинах может достигать 40: 1. В приложениях с простым циклом увеличение степени сжатия приводит к повышению эффективности при заданной температуре горения, но есть предел, поскольку увеличение степени сжатия означает, что компрессор будет потреблять больше энергии.

  • Эффективность системы
  • Тепловой КПД важен, потому что он напрямую влияет на расход топлива и эксплуатационные расходы.

    • Турбины простого цикла
    • Газовая турбина потребляет значительное количество энергии только для того, чтобы приводить в действие свой компрессор. Как и во всех циклических тепловых двигателях, более высокая максимальная рабочая температура в машине означает большую эффективность (закон Карно), но в турбине это также означает, что больше энергии теряется в виде отработанного тепла через горячие выхлопные газы, температура которых обычно значительно превышает 1000 ° C.Следовательно, КПД турбины простого цикла довольно низок. Для тяжелой установки расчетная эффективность составляет от 30% до 40%. (КПД авиационных двигателей находится в диапазоне от 38% до 42%, в то время как микротурбины малой мощности (<100 кВт) достигают лишь 18% -22%). Хотя увеличение температуры горения увеличивает выходную мощность при заданном перепаде давлений, также происходит потеря эффективности из-за увеличения потерь из-за охлаждающего воздуха, необходимого для поддержания компонентов турбины при разумных рабочих температурах.

    • Турбины с комбинированным циклом
    • Тем не менее, можно рекуперировать энергию из отходящего тепла систем простого цикла, используя выхлопные газы в гибридной системе для подъема пара для приведения в действие паровой турбины, генерирующей электричество. В таких случаях температура выхлопных газов может быть снижена до 140 ° C, что позволяет достичь эффективности до 60% в системах с комбинированным циклом.

      В приложениях с комбинированным циклом увеличение степени сжатия оказывает менее выраженное влияние на КПД, поскольку большая часть улучшения происходит за счет увеличения теплового КПД Карно в результате повышения температуры обжига.

      Таким образом, эффективность простого цикла достигается при высоких степенях давления. Эффективность комбинированного цикла достигается за счет более скромных соотношений давлений и более высоких температур обжига.

См. Также Тепловые двигатели

Топливо

Еще одно преимущество газовых турбин — их топливная гибкость.Они могут быть адаптированы для использования практически любого горючего газа или легких дистиллятных нефтепродуктов, таких как бензин (бензин), дизельное топливо и керосин (парафин), которые оказываются доступными на местном уровне, хотя природный газ является наиболее часто используемым топливом. Сырая и другая тяжелая нефть, а также может использоваться в качестве топлива для газовых турбин, если они впервые нагревают, чтобы снизить их вязкость до приемлемого уровня для сжигания в камерах сгорания турбин.

Приложения

Газовые турбины могут использоваться для производства электроэнергии в больших масштабах.Примерами являются приложения мощностью 600 МВт или более от газовой турбины мощностью 400 МВт, соединенной с паровой турбиной мощностью 200 МВт в когенерационной установке. Такие установки обычно не используются для выработки электроэнергии при базовой нагрузке, а для подачи энергии на удаленные объекты, такие как нефтяные и газовые месторождения. Тем не менее, они находят применение в основных электрических сетях в приложениях для снятия пиковых нагрузок, чтобы обеспечить аварийную пиковую мощность.

Маломощные газотурбинные электростанции мощностью до 5 МВт могут быть размещены в транспортных контейнерах для обеспечения мобильных аварийных источников электроэнергии, которые могут быть доставлены грузовым автотранспортом к месту необходимости.

Проблемы окружающей среды

Почти все газотурбинные установки используют ископаемое топливо.

См. Также паровые турбины и генераторы

См. Также Импульсный реактивный двигатель

Вернуться к Обзор электроснабжения

Что нужно знать о газовой турбине

Газовая турбина используется с 1939 года для выработки электроэнергии.Сегодня это одна из наиболее широко используемых технологий производства электроэнергии. Газовые турбины, как известно, представляют собой двигатели внутреннего сгорания (ВС), которые позволяют воздушно-топливным смесям производить горячие газы, которые вращают турбину для выработки энергии. Этот процесс характерен для реактивных двигателей, автомобильных двигателей внутреннего сгорания, кораблей, локомотивов и т. Д.

Сегодня вы познакомитесь с определением, применением, функциями, компонентами, схемами, типами и принципами работы газовой турбины. Вы также узнаете преимущества и недостатки этой газовой турбины.

Подробнее: Что нужно знать о турбине

Что такое газовая турбина?

Газовая турбина — это механическое устройство, преобразующее химическую энергию топлива, то есть природного газа или аналогичного топлива, в механическую энергию. Механическая энергия, генерируемая валом турбины, затем передается через редуктор на вал генератора. Таким образом вырабатывается электроэнергия. Газовые турбины названы так не из-за топлива, а из-за образования горячего газа при сгорании топлива.Могут использоваться различные виды топлива, включая жидкое топливо, природный газ и синтетическое топливо. В его процессе горение происходит с перерывами, то есть это непрерывный процесс.

Газовая турбина также называется турбиной внутреннего сгорания и представляет собой двигатель непрерывного действия и двигателя внутреннего сгорания. Его основные функциональные элементы включают в себя вращающийся газовый компрессор на входе, камеру сгорания и турбину на том же валу, что и компрессор. Компонент часто используется в газовых турбинах для повышения их эффективности и преобразования энергии в механическую или электрическую форму.Это также помогает достичь большего отношения тяги к массе в двигателе с форсажным двигателем.

Подробнее: Разница между импульсной турбиной и реактивной турбиной

Кроме того, газовая турбина может быть названа двигателем внутреннего сгорания, который использует газ в качестве рабочего тела для вращения турбины. Конечная мощность может использоваться для привода насоса генератора, воздушного винта или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя.

Применение газовой турбины

Газовая турбина может использоваться для питания самолетов, поездов, кораблей, электрических генераторов, насосов, газовых компрессоров, резервуаров и т. Д.Теперь давайте углубимся в различные применения газовой турбины.

  • Производство электроэнергии — Помимо авиации, в электроэнергетике широко используются газовые турбины. Хотя паровые турбины тоже можно использовать.
  • Промышленное использование
  • Морская силовая установка
  • Двигательная установка тепловоза
  • Автомобильная силовая установка

Газотурбинные двигатели используются в качестве электростанций средней мощности с «пиковой нагрузкой» для прерывистой работы в течение коротких периодов времени, когда электрическая система требует большой мощности.

Газовые турбины используются для перекачки природного газа по трубопроводам, при этом небольшая часть перекачиваемого газа используется в качестве турбинного топлива.

Подробнее: Различные типы турбин

Эта система также используется в процессе нефтепереработки. Для работы насосов используются небольшие переносные газовые турбины с центробежными компрессорами.

Примечание : основная функция газовой турбины — вырабатывать механическую и электрическую энергию.

Детали газовой турбины

Ниже представлены компоненты газовой турбины:

Компрессор:

Компрессоры, используемые в составе газовых турбин, бывают разных типов, в более ранних применялись центробежные компрессоры.Его конструкция относительно проста и недорога. Они ограничены коэффициентами низкого давления и не могут сравниться с современными осевыми компрессорами, когда дело касается эффективности. центробежные компрессоры до сих пор используются на небольших промышленных предприятиях.

Камера сгорания:

В этой системе из компрессора идут два потока воздуха. Меньший поток подается по центру в область, где распыленное топливо впрыскивается и сжигается с пламенем, удерживаемым на месте препятствием, создающим турбулентность.Другой поток, известный как более холодный поток, затем подается в камеру через отверстия вместе с «вкладышем сгорания» (своего рода оболочкой). Это помогает снизить общую температуру до уровня, подходящего для входа в турбину.

Подробнее: Что нужно знать о турбине Каплана

Турбина:

Эти компоненты газовой турбины обычно основаны на принципе реакции с расширением горячих газов до восьми ступеней. В нем используются одно- или двухмоторные турбины.В этой турбине действует внешняя нагрузка, часть расширения происходит в турбине высокого давления. Эта турбина высокого давления приводит в движение только компрессор, а остальное расширение происходит в отдельной свободной турбине, подключенной к нагрузке.

Управление и запуск:

Газотурбинный двигатель, приводящий в движение электрогенератор, скорость вращения должна контролироваться и быть постоянной независимо от электрической нагрузки. Уменьшение расхода топлива в этой системе приведет к снижению температуры на выходе из камеры сгорания.Из-за этого у турбины может быть падение энтальпии даже при небольшом снижении КПД турбины. Управление в авиационных газотурбинных двигателях контролировать сложнее.

Другие конструктивные особенности:

В конструкции современных газотурбинных двигателей могут быть добавлены дополнительные функциональные детали для повышения их эффективности.

Подробнее: Общие сведения о ветряной турбине

Схема газотурбинного двигателя:

Типы газовых турбин

Ниже представлены различные типы газовых турбин:

Турбореактивный:

Эти типы газовых турбин менее сложны, чем все авиационные газотурбинные двигатели.В его работе достигнута четырехсекционная: компрессор, камера сгорания, турбинная, выхлопная. Турбореактивные двигатели были доступны уже несколько десятилетий, они были разработаны в Германии и Англии перед Второй мировой войной. В газовых турбинах турбореактивного типа воздух с высокой скоростью проходит в камеру сгорания. Эта камера пропускает топливо в нее и содержит воспламенитель. Турбина приводится в движение расширяющимся воздухом, который создается ускоренными выхлопными газами.

Турбовинтовой:

В турбовинтовых газотурбинных двигателях гребные винты приводятся в движение через редуктор, который обеспечивает оптимальную производительность гребного винта на более низких оборотах.Это помогает достичь большей топливной эффективности и производительности при более низких скоростях полета, что делает турбовинтовые двигатели лучшим выбором для двигателей самолетов, в том числе малых, пригородных самолетов, грузовых самолетов и для использования в сельском хозяйстве. Обратите внимание, что пропеллеры становятся менее эффективными по мере увеличения скорости самолета, что делает их подходящими для самолетов, которые не летают на более высоких скоростях.

Подробнее: Все, что вам нужно знать о системе передачи и распределения электроэнергии

ТРДД:

Турбореактивный двухконтурный двигатель — это авиационный газотурбинный двигатель, который отклоняет вторичный поток воздуха вокруг камеры сгорания, создавая дополнительное доверие.Турбореактивные двухконтурные газотурбинные двигатели — это современные версии, которые используются на высокоскоростных транспортных самолетах и ​​истребителях.

Турбовальный (ТРД):

Газотурбинные двигатели этих типов используются преимущественно в истребителях. Он включает форсажную камеру в турбореактивном двигателе с сердечником, так что часть энергии выхлопных газов может использоваться для вращения турбины. Дополнительное топливо впрыскивается в поток выхлопных газов всякий раз, когда работает форсажная камера, создавая дополнительную тягу. Это не создает дополнительной скорости для самолета и сжигает больше топлива, чем традиционный турбореактивный самолет.

Подробнее: Типы ВЭУ

Принцип работы газовой турбины

Работа газовой турбины менее сложна и понятна. Он работает с циклами впуска, сжатия, расширения и выпуска. Обычно в любой газовой турбине воздух сжимается компрессором и затем проходит через камеру сгорания. Топливо непрерывно сжигается для переработки высокотемпературного газа и газа высокого давления. Воздух / топливный газ сгорает (воспламеняется) и происходит расширение, поэтому генерируется энергия вращения, которая используется компрессором на предыдущей ступени.Оставшаяся энергия используется выходным валом.

Посмотрите ниже, чтобы узнать больше о работе газовой турбины:

Подробнее: Понимание системы впрыска топлива в автомобильных двигателях

Позвольте мне в несколько шагов объяснить, как газовые турбины производят электричество. Что ж, он проходит тот же процесс, о котором говорилось выше, но все же необходимо уточнить, как создается электричество. Для выработки электроэнергии газовая турбина нагревает топливно-воздушную смесь до очень высоких температур, вызывая вращение лопаток турбины.Вращающаяся турбина приводит в действие генератор, преобразующий энергию в электричество. Газовые турбины могут быть объединены с паровыми турбинами в электростанции с комбинированным циклом для выработки чрезвычайно эффективной энергии. Легко, правда! Вот шаги:

  • Возгорание топливовоздушной смеси.
  • Лопатки турбины вращаются горячим газом.
  • Карданный вал вращается вместе с лопастями.
  • Вращение турбины приводит в действие генератор.
  • Магнит генератора заставляет электроны двигаться и вырабатывает электричество.

Преимущества и недостатки газовой турбины

Преимущества:

Ниже приведены преимущества газотурбинных двигателей в различных областях применения:

  • Удельная мощность очень высока по сравнению с поршневыми двигателями.
  • Меньше, чем большинство поршневых двигателей той же номинальной мощности.
  • Меньше движущихся частей
  • Плавное вращение главного вала
  • Меньше вибрации, чем у поршневых двигателей.
  • Отработанное тепло почти полностью рассеивается в выхлопных газах.
  • Низкое пиковое давление сгорания в поршневых двигателях.
  • Низкая стоимость и расход смазочного масла.
  • Для работы можно использовать самые разные виды топлива.
  • После запуска прогрев не требуется.
  • Начальная стоимость меньше.
  • Требуется меньше места.

Подробнее: Что нужно знать о двигателях с турбонаддувом

Недостатки:

Несмотря на хорошие преимущества газотурбинных двигателей, все же существуют некоторые ограничения.Ниже приведены недостатки газовой турбины в различных областях ее применения.

  • Стоимость двигателя высока из-за экзотических материалов.
  • Более длительный запуск
  • Менее реагирует на изменения в потребляемой мощности.
  • Собственная эффективность ниже.

Заключение

Газотурбинные двигатели широко известны в авиации. Фактически, в авиации используются различные типы турбин, перечисленные выше. Газовая турбина дает хорошие преимущества в большинстве ситуаций, и для ее работы используется химическая энергия.Это все для этой статьи, где мы объяснили определение, применение, функции, компоненты, схему, типы и работу газовой турбины. Мы также обсудили его достоинства и недостатки.

Надеюсь, вам понравилось чтение, если да, поделитесь с другими студентами. Спасибо за чтение, увидимся в следующий раз!

Газовая турбина

в рабочем состоянии и тип

Газовая турбина работает и типы

Газовая турбина работает и типы

Работа газовой турбины и типы

Газовая турбина, говоря непрофессиональным языком, — это тип двигателя внутреннего сгорания, который преобразует химическую энергию в механическую.Основными элементами типовой газовой турбины являются: 1. Газовый компрессор 2. Камера сгорания 3. Турбина. Компрессор, камера сгорания и турбина называются ядром двигателя. Обычно они монтируются как единое целое и работают как законченный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу.

Газовая турбина в рабочем состоянии

Термодинамический процесс, используемый в газовой турбине, представляет собой цикл Брайтона (за исключением четвертой стадии).Воздух и топливо — два основных компонента, которые необходимы для работы газовой турбины. Топливом обычно является природный газ, но также используются и другие виды жидкого топлива. Сначала воздух всасывается с одного конца турбины и проходит через компрессорную секцию.

Работа газовой турбины и типы

По мере сжатия температура воздуха повышается, а также повышается давление. Далее в турбину впрыскивается топливо. Здесь он смешивается со сжатым воздухом и начинает гореть. Это химическая энергия.Соотношение воздуха и газа зависит от различных факторов, таких как удельная теплотворная способность газа, содержание влаги и качество воздуха. Горячий газ, образующийся из воспламененной смеси, входит в контакт с лопатками турбины, заставляя ее вращаться с очень высокой скоростью (около 3200 об / мин). Таким образом, химическая энергия была преобразована в механическую. Обычно это происходит в реактивном двигателе.

Газовые турбины также широко используются для производства электроэнергии. Они являются неотъемлемой частью электростанции с комбинированным циклом, в которой химическая энергия преобразуется в механическую энергию, а затем эта механическая энергия преобразуется в электрическую.Как объяснялось ранее, горячий сжатый газ заставляет лопасти вращаться с высокой скоростью. Это заставляет приводной вал вращаться. Эта энергия вращения затем передается на вал генератора (электрической машины) через редуктор.

Генератор имеет большой магнит, окруженный витками медной проволоки. Когда этот магнит начинает вращаться с большой скоростью, создается мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, вызывает движение электронов и, таким образом, вырабатывается электричество.Избыточная энергия, производимая в турбине, может использоваться для производства пара, который, в свою очередь, может использоваться для запуска паровой турбины. Таким образом, совместное использование паровой и газовой турбин помогло бы более эффективно вырабатывать электроэнергию.

Типы газовых турбин

  • Турбореактивный
  • Турбовинтовой
  • Турбореактивный двухконтактный двигатель
  • Турбореактивный форсажный двигатель

Турбореактивный двигатель:

Турбореактивный двигатель — самый простой из всех газотурбинных двигателей. Турбореактивный двигатель был впервые разработан в Германии и Англии до Второй мировой войны.Эти двигатели обладают ограниченным запасом хода и выносливостью, а также имеют высокий расход топлива. В этом типе двигателя воздух проходит с высокой скоростью в камеру сгорания, где расположены впускное отверстие для топлива и воспламенители. Турбина, приводимая в движение расширяющимся воздухом, вызывает тягу от ускоренных выхлопных газов.

Турбовинтовой:

Турбовинтовые турбины — наиболее часто используемые двигатели в небольших самолетах, грузовых самолетах и ​​в сельскохозяйственных целях, отчасти из-за их превосходной топливной экономичности.Они также обладают оптимальными характеристиками гребного винта при более низких оборотах, поскольку эти двигатели приводят в движение свои гребные винты через редуктор.

ТРДД:

Турбореактивный двухконтурный двигатель

сочетает в себе лучшие характеристики как турбореактивного, так и турбовинтового двигателя. В этом двигателе вторичный поток воздуха отклоняется от камеры сгорания, обеспечивая дополнительную тягу. Они тяжелее турбореактивных двигателей и также весьма неэффективны на больших высотах. Большинство авиакомпаний, работающих сегодня, используют турбовентиляторные двигатели.

Турбореактивный дожигатель

Как следует из названия, в обычном турбореактивном двигателе размещается дожигатель, чтобы использовать часть энергии выхлопного потока для вращения турбины, создавая таким образом дополнительную тягу.

Ссылка / Изображение: — aircraftsystemstech, britannica 3dprintingindustry, nasa

Принцип работы турбины «Пример: газовая турбина GE Frame 9E»

Nihed K et al. Влияние рабочих параметров на тепловой КПД сложного парогазового цикла: основы; 2018.

Nihed K et al. Энергетическая и эксергетическая оптимизация электростанции комбинированного цикла с ПГРТ с двойным давлением, системами охлаждения сжатым воздухом, нагнетания пара и отвода пара; 2018.

Seetharama-yadiyal V et al. Усовершенствованное моделирование характеристик газовых турбин с использованием метода поверхности отклика; 2018.

Bahman Zohuri. Производство электроэнергии и возобновляемые источники энергии, Экономика; 2019.

Bahman Zohuri. Принцип работы газовой турбины; 2015.

Патрик Мчаниэль, Бахман Зохури.Принцип работы газовой турбины; 2018.

Оболо О.Е. Отчет ИТ, Принцип работы турбины. Пример использования: газовая турбина GE Frame 9E; 2016.

API 614, второе издание, январь 1984 г., Смазка, уплотнения вала и системы контрольного масла для специального применения.

Элементы управления: старое против нового, энергетика; 1996.

Сандей Арибо. Коррозия и эрозионно-коррозионное поведение бедной дуплексной нержавеющей стали в морской и нефтяной среде; 2014.

Джон Дэй.Двигатели — поиск власти; 1980.

Jennings and Rogers, McGraw-Hill. Анализ и практика газовых турбин; 1953.

Луи Урбан и Гамильтон Стандард, Взаимосвязь параметров газотурбинных двигателей; 1969.

Jennigs BH, Rogers WL. Анализ и практика газовых турбин; 1953.

Общие электроэнергетические системы.
Доступно: [email protected]

Brooks FJ. Технические характеристики газовой турбины GE, Артикул GER-3567C. GE Industrial & Power Systems, Скенектади, Нью-Йорк; 1992 г.

Энтони Дж. Джампаоло. Как сравнить легкую и тяжелую газовые турбины. нефтегазовый журнал; 1980.

Судья W. Современная газовая турбина; 1950.

Sawyer Gas Turbine Engineering Handbook, vol. 3, издание третье; 1985.

Максвелл DH, TA. Кристаллография литых профилей турбины.

Мбах до н.э. Октябрь (62016 г.). Принцип работы турбины. (Газотурбинная машина).

Норман Дэви, (61914). Газовая турбина.

Доступно: www.gtps-inc.com последний раз посещали 26 августа 2016 г.

Доступно: www.google.com/patents/us7377117.

Доступно: www.google.siwes.com

Цикл Брайтона Экспериментальный реактивный двигатель | Функциональность турбинного двигателя

1. Понять основные операции цикла Брайтона.

2. Продемонстрировать применение основных уравнений для анализа цикла Брайтона.

ИСТОРИЯ

Цикл Брайтона представляет собой стандартную для воздуха модель энергетического цикла газовой турбины.Простой газотурбинный двигатель — это состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Согласно Принцип цикла Брайтона, воздух сжимается в компрессоре турбины. Затем воздух смешивается с топливом, и сгорает в условиях постоянного давления в камере сгорания. Образовавшийся горячий газ пропускают расширяться через турбину для выполнения работы. Большая часть работы, производимой в турбине, используется для работы компрессор и остальное оборудование доступны для работы вспомогательного оборудования и выработки электроэнергии.Газ турбина используется в широком спектре приложений. Обычное использование включает в себя стационарную выработку электроэнергии. установки (электроэнергетика) и мобильные двигатели для выработки энергии (корабли и самолеты). В силовой установке В приложениях выходная мощность турбины используется для обеспечения мощности на валу для привода генератора, винт вертолета и т. д. Самолет с реактивным двигателем приводится в движение реактивной тягой выходящего газа. транслировать. Турбина обеспечивает мощность, достаточную для привода компрессора и производства вспомогательной энергии. власть.Газовый поток приобретает в цикле больше энергии, чем необходимо для приведения в действие компрессора. В оставшаяся доступная энергия используется для продвижения самолета вперед.

Схема цикла Брайтона (простая газовая турбина) приведена на рисунке 1. Воздух низкого давления всасывается. в компрессор (состояние 1), где он сжимается до более высокого давления (состояние 2). Топливо добавляется в сжатый воздух и смесь сжигается в камере сгорания. Образующиеся горячие газы попадают в турбина (состояние 3) и расшириться до состояния 4.Цикл Брайтона состоит из четырех основных процессов:

АНАЛИЗ ЦИКЛА

Термодинамика и Первый закон термодинамики определяют общий перенос энергии. К Чтобы проанализировать цикл, нам нужно максимально полно оценить все состояния. Стандартные модели Air очень полезен для этой цели и обеспечивает приемлемые количественные результаты для газотурбинных циклов. В этих модели сделаны следующие предположения.

1.Рабочая жидкость — воздух и рассматривается как идеальный газ на протяжении всего цикла;

2. Процесс горения моделируется как добавление тепла при постоянном давлении;

3. Выхлоп моделируется как процесс отвода тепла при постоянном давлении.

В моделях стандарта холодного воздуха (CAS) удельная теплоемкость воздуха считается постоянной (модель идеального газа) при самая низкая температура в цикле. Влияние температуры на удельную теплоемкость можно включить в анализ при небольшом увеличении усилия.Однако решения в закрытой форме больше не будут возможный.

Чтобы выполнить термодинамический анализ цикла, мы рассматриваем контрольный объем, содержащий каждый компонент цикла, показанного на рисунке 1. Этот шаг кратко описан ниже.

Компрессор

Рассмотрим следующий контрольный объем для компрессора,

Обратите внимание, что в идеале теплоотвод от контрольного объема (C.V.) к окружающему пространству отсутствует. В установившихся условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы можем записать более конкретную форму первого закона как

Или, переупорядочивая, группируя термины, связанные с каждым потоком

Это общая форма Первого Закона для компрессора.Однако, если предполагается, что поток жидкости представляет собой идеальные газы, мы можем представить энтальпии в терминах температуры (гораздо более измеримая величина), используя соответствующее уравнение состояния (dh = c p dT), которое будет вводить конкретное предположение постоянная удельная теплоемкость, разница энтальпий легко выражается как разность температур как

Обратите внимание, что в идеале передача работы от контрольного объема (C.V.) к окружающей среде. В установившихся условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы можем записать более конкретную форму первого закона как

Или, переупорядочивая, группируя термины, связанные с каждым потоком

Предполагая идеальные газы с постоянной удельной теплоемкостью, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

Опять же, чтобы быть более точным, удельную теплоемкость каждой жидкости следует оценивать как линейное среднее значение между ее входной и выходной температурой.

Турбина

Рассмотрим следующий контрольный объем для турбины,

Предполагая идеальные газы с постоянной удельной теплоемкостью, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

Как и раньше, для получения более точных результатов удельную теплоемкость каждой жидкости следует оценивать как линейное среднее значение между ее входной и выходной температурой.

Необратимость, присутствующая в реальном процессе, может быть смоделирована путем введения изоэнтропической эффективности турбины,

, где индекс s относится к идеальному (изэнтропическому) процессу, а индекс a относится к фактическому процессу.Для идеального газа приведенное выше уравнение сокращается до

.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Лабораторная установка представляет собой автономную переносную двигательную лабораторию под ключ производства компании ООО «Турбинные технологии» называется «Мини-лаборатория ТТЛ». Мини-лаборатория представляет собой настоящий реактивный двигатель. Следовательно, существуют те же проблемы безопасности, что и при работе реактивного двигателя. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы следовать все процедуры безопасности точно такие, как изложено в лаборатории и заявлено вашими инструкторами.В Следующее описание настройки предоставляется производителем.

«Турбореактивный двигатель модели SR-30 Turbine Technologies является основной системой. составная часть. Рабочий звук и запах трудно отличить от холостого хода, малый бизнес-джет. Осевое турбинное колесо и направляющее кольцо лопасти двигателя вакуумные. литье по выплавляемым моделям. Они производятся из современных, высококобальтовых и никелевых сплавов. содержание суперсплавов (МАР-М-247 и Инконнель 718). Камера сгорания состоит из кольцевой противоточной системы, включающей полосы внутреннего пленочного охлаждения.

Топливные и масляные баки, фильтры, маслоохладитель, вся необходимая сантехника и электропроводка находятся в нижняя часть конструкции мини-лаборатории. С правой стороны расположен рычаг дроссельной заслонки. оператора и над наклонной приборной панелью. Дроссельная заслонка включает 7 оператор для плавного переключения мощности между холостым ходом и максимальным N1. Цифровой обороты двигателя и E.G.T. манометры, механические E.P.R., масло, топливо, давление воздуха при запуске датчики также являются частью стандартной панели. Сигнальные лампы указывают на низкий уровень масла давление, зажигание включено и состояние воздушного пуска.Главный выключатель с ключом управляет магистральный электрический автобус. Другие переключатели, монтируемые на панели, управляют воспламенителем, воздушным пуском и активировать подачу топлива. Топливная система двигателя СР-30 очень похожа на крупногабаритную. двигатели — распыление топлива через 6 форсунок высокого давления обратного потока, что позволяет работа с широким спектром жидких видов топлива на основе керосина (например, дизельное топливо, Jet A, JP-4 через 8) ».

Компоненты двигателя.

Реактивный двигатель состоит из одноступенчатого радиального компрессора, противоточной кольцевой камеры сгорания и одиночного ступенчатая осевая турбина, которая направляет продукты сгорания в сужающееся сопло для дальнейшего расширение.Детали двигателя можно увидеть в «разрезе» на рис. 6.

Приборы.

Датчики выведены на центральную панель доступа и связаны с оборудованием для сбора данных и программное обеспечение от National Instruments. Производитель предоставляет следующее описание датчики и их расположение.

“Опция интегрированной сенсорной системы (мини-лаборатория) включает следующие зонды: Статическое давление на входе компрессора (P 1 ), Давление торможения на выходе ступени компрессора (П. 02 ), Давление в камере сгорания (P 3 ), Давление торможения на выходе из турбины (P 04 ), Давление торможения на выходе из упорного сопла (P 05 ), Статическая температура на входе компрессора (Т 1 ), Температура торможения на выходе ступени компрессора (T 02 ), Вход ступени турбины температура застоя (Т 03 ), Температура торможения на выходе из ступени турбины (Т 04 ), а также температура торможения на выходе из упорного сопла (T 05 ).Дополнительно в систему входит датчик расхода топлива и цифровой индикатор тяги, измеряющий силу тяги в реальном времени. на тензодатчике системы осей тяги ».

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

ЗАМЕЧАНИЯ ПО БЕЗОПАСНОСТИ:

1. Убедитесь, что вы носите средства защиты органов слуха. Если вы не уверены, как затычки для ушей используются правильно, попросите инструктора лаборатории провести демонстрацию. Никогда не оставайтесь в лаборатории без средств защиты органов слуха, пока двигатель работает. операция.

2. Двигатель СР-30 работает на высоких оборотах. Хотя есть защитное стекло, отделяющее двигатель от оператора, убедитесь, что чтобы вы не наклонялись слишком близко к этой панели.

3. Убедитесь, что индикатор низкого давления масла погас сразу после запуск двигателя. Если он остается включенным или загорается в любой момент во время работы двигателя работа немедленно перекрывает подачу топлива.

4. Есть датчик вибрации, индикатор которого находится справа от панель оператора.Если этот индикатор показывает какую-либо активность (повышение напряжения) немедленно выключите двигатель.

5. Если вы подозреваете, что что-то не так, отключите подачу топлива. немедленно и уведомить инструктора лаборатории.

6. Если двигатель завис (запускается, но не разгоняется до холостого хода примерно 40000 об / мин) снова включите воздушный пуск на короткое время, пока двигатель не скорость до 30 000 оборотов в минуту. Затем выключите переключатель воздушного пуска. ã УБЕДИТЕСЬ, ЧТО НИ ВЫ, НИ В ВАШЕЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ РАЗМЕЩАЕТСЯ ПЕРЕД ВПУСКОМ ИЛИ ВЫХЛОПОМ ОТВОДА ДВИГАТЕЛЬ, КОГДА ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ.

1. Попросите вашего ТА загрузить программу сбора данных и запустить предварительно запрограммированный ВП LabView для эта лаборатория. На экране должны отображаться показания всех датчиков. Просмотрите показания, чтобы убедиться они работают правильно.

2. Убедитесь, что давление воздуха в пусковой линии сжатого воздуха составляет не менее 100 фунтов на кв. Дюйм (не более 120 фунтов на квадратный дюйм). Попросите инструктора лаборатории проверить уровень масла.

3. Произведите необходимые измерения длины и запишите требуемые размеры, чтобы вы могли рассчитать площадь входа (где находятся датчики).

4. Обратитесь за помощью к своему лабораторному инструктору, включите систему и запустите двигатель. После того, как двигатель успешно запущен, вы должны сначала дать двигателю достичь оборотов холостого хода, прежде чем производить какие-либо измерения. Убедитесь, что дроссельная заслонка находится в самой нижней точке. Положение холостого хода почти вертикальное, и находится близко к оператору (вдали от двигателя).

5. Медленно откройте дроссельную заслонку. Начните снимать данные примерно со скоростью 65 000 об / мин. Убедитесь, что вы разрешили время выхода двигателя на устойчивое состояние, отслеживая цифровой индикатор оборотов двигателя на панели.В чтение несколько колеблется, так что используйте свое суждение.

6. Снимайте данные при трех различных оборотах двигателя. Вы будете использовать эти данные, чтобы изучить, как цикл и КПД компонентов меняется со скоростью.

7. После того, как вы закончите сбор данных, сначала выключите переключатель расхода топлива. 8. Данные будут храниться в формате таблицы Excel

.

АНАЛИЗ ДАННЫХ

По собранным данным определить изоэнтропический КПД турбины, изоэнтропический КПД компрессора, тепловой КПД цикла и соответствующий КПД Карно.

ОТЧЕТ

В своем отчете определите производительность идеального цикла, работающего с таким же максимальным циклом температура, массовый расход и степень сжатия. Сравните эффективность идеального цикла с размеренной производительностью. Обсудите различия.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Как эффективность цикла соотносится с идеальным циклом Брайтона? с циклом Карно?

2. Как эффективность компонентов влияет на эффективность цикла?

3.Как эффективность компонентов, рассчитанная на основе данных испытаний, сравнивается с эффективностью компонентов типично для этих газотурбинных двигателей?

4. Как работает турбинный компрессор?

62B-104 БАЗОВАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

62B-104 БАЗОВАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
Инженерное обучение

ЛИСТ НАЗНАЧЕНИЯ

ДВИГАТЕЛИ С БАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

Распределительный лист 60B-104

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимать основы конструкции и работы завода по производству газовых турбин.Офицер наземных войск должен также понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

ТЕМА УРОКА ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Терминал Цель:

7.0 ОПИСАТЬ принципы, конструкцию, функции, компоненты, системы управления и контроля, а также работу газотурбинной двигательной установки и связанных вспомогательных систем поддержки. (JTI: A)

Обеспечивающие цели:

7.1 ОПИСАТЬ следующие применения газовых турбин и указать тип газовых турбин, связанных с каждым из них:

а.Двигательная установка

г. Электроэнергетика

7.2 Дан график, представляющий соотношение давления и объема идеального цикла Брайтона, НАМЕРИТЕ пять фаз и объясните процесс преобразования энергии, происходящий в каждой.

а. 2 копейки

г. Компрессия

г. Горение

г. Расширение

e. Выхлоп

7.3 ОПРЕДЕЛИТЬ следующее применительно к газотурбинным двигателям, включая их преимущества и недостатки, если это применимо.

а. Двигатель с разъемным валом

г. Одновальный двигатель

г. Кольцевая камера сгорания

г. Канально-кольцевая камера сгорания

e. Осевой поток

ф. Коробка отбора мощности

7.4 ОПИСАТЬ и указать их функции:

а. Компрессор

г. Камера сгорания

г. Турбина высокого давления / турбина газогенератора

г. Турбина низкого давления / силовая турбина

e.Подшипник газовой турбины / рама в сборе

ф. Дополнительный привод в сборе

г. Входные направляющие лопатки

ч. Лопатки регулируемого статора компрессора

и. Коллекторы для удаления воздуха из двигателя

Дж. Коллектор для удаления воздуха заказчика

к. Быстроходная эластичная муфта

л. Впуск / выпуск

7.5 ОБСУДИТЕ источник и использование отбираемого клиентом воздуха.

7.6 СОСТОЯНИЕ Функция системы впуска и выпуска воздуха газовой турбины.

7.7 ОПИСАТЬ путь воздуха от влагоотделителей к эжекторам выхлопных газов.

7.8 ОПИСАТЬ влияние следующих факторов на газотурбинные двигатели и меры предосторожности, принимаемые из-за воздействия на окружающую среду, включая:

а. Солевой спрей

г. Льдообразование / температура наружного воздуха

г. Повреждение посторонним предметом

г. Чистота компрессора

e. Киоски / скачки

ф.Пусков / остановок

7.9 ОПИСАТЬ следующие системы двигателя:

а. Система обнаружения льда

г. Система обнаружения и пожаротушения

г. Система зажигания

г. Система водяной мойки

7.10 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

7.11 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

7.12 НЕ НАЗНАЧЕН; зарезервировано для использования в будущем

НАЗНАЧЕНИЕ НА ИЗУЧЕНИЕ

  1. Прочтите информационный лист 60B-104.
  2. Краткий информационный лист 60B-104, используя вспомогательные цели урока 60B-104 в качестве руководства.
  3. Сценарии изучения ответов.

СЦЕНАРИИ ИЗУЧЕНИЯ:

Изучая для вас предстоящую доску SWO, вы изучаете другие типы морских силовых установок. Вы задаете себе несколько вопросов по газотурбинным двигателям.

1. Зная, что газотурбинный двигатель представляет собой открытый термодинамический цикл, как двигатель преобразует энергию, запасенную в топливе и воздухе, в полезную работу в виде вращающегося пропеллера?

После изучения вы явитесь на мостик для промежуточной стражи как JOOD.Здесь тихо, поэтому вы просматриваете доску чтения сообщений OOD. Вы видите, что в этом районе происходит несколько небольших песчаных бурь (в настоящее время вы находитесь в Персидском заливе) и что в сообщении всем судам с газотурбинными двигателями рекомендуется внимательно следить за состоянием своих воздушных фильтров / демистеров.

2. В чем важность этого компонента? Если не удается, не работает ли двигатель?

Просмотрев трафик сообщений, вы замечаете, что одного из FFG в вашей боевой группе нет поблизости.Любопытно, вы спрашиваете ООД, знает ли она, куда они пошли, и она говорит вам, что им пришлось выехать в Бахрейн для замены и двигателя из-за плохой камеры сгорания.

3. Почему замена камеры сгорания LM2500 настолько сложна, что требует захода корабля в порт?

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТ

ДВИГАТЕЛИ С БАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

Информационный лист 64B-104I

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением количества судов с газотурбинными двигателями становится важным понимать основы конструкции и работы газотурбинного завода.Офицер наземных войск должен также понимать последствия эксплуатации этих двигателей в морской среде.

ССЫЛКИ

(а) Руководство по силовой установке ДД-963

(б) Морские газотурбинные операции (НАВЕДТРА-10097)

ИНФОРМАЦИЯ

  1. Обзор урока:
  2. Газотурбинный завод представляет собой инновационную концепцию судовых электростанций.Военно-морские суда США используют авиационные газотурбинные двигатели как для главных силовых установок, так и для служебной электроэнергии. Высокая степень автоматизации предприятия достигается за счет интегрированной системы пультов управления и мониторинга.
  3. Преимущества:
  4. Преимущества газотурбинной установки по сравнению с паровой установкой сопоставимой мощности включают:
    1. Снижение веса на 70%
    2. Простота (меньшее количество вспомогательных силовых установок)
    3. Уменьшение численности персонала за счет автоматизированного управления силовой установкой
    4. Более быстрое время отклика
    5. Более быстрое ускорение / замедление
  5. Принципы газовой турбины:
    1. Компоненты базового газотурбинного двигателя включают:
      1. Компрессор
      2. Камера сгорания
      3. Турбина
    2. Рабочий цикл:
    3. В газотурбинном двигателе сжатие, сгорание и расширение происходят непрерывно в разных камерах.Газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона (цикл открытого двигателя).

      Рис.1: Цикл Брайтона

      1. Фаза всасывания:
      2. Наружный воздух втягивается в двигатель под действием компрессора. Давление, температура и объем остаются неизменными в течение фазы всасывания.
      3. Фаза сжатия:
      4. Всасываемый воздух сжимается механически. Давление и температура увеличиваются с соответствующим уменьшением объема.Механическая энергия, приводящая в движение компрессор, преобразуется в кинетическую энергию в виде сжатого воздуха.
      5. Фаза сгорания:
      6. Топливо распыляется в камеру сгорания и сжигается, преобразовывая химическую энергию в тепловую в виде горячего расширяющегося газа. Объем и температура значительно увеличиваются, в то время как давление в камере сгорания остается постоянным.
      7. Фаза расширения:
      8. Тепловая энергия преобразуется в механическую, когда горячие расширяющиеся газы из камеры сгорания вращают ротор турбины.Давление и температура уменьшаются, а объем увеличивается в фазе расширения.
      9. Выхлопная фаза:
      10. Горячие выхлопные газы проходят через корабли и попадают в атмосферу. Давление, температура и объем остаются неизменными на всем протяжении фазы выпуска.
  6. Компоненты газовой турбины:
    1. Компрессоры: существует два основных типа газотурбинных компрессоров.
      1. Центробежный компрессор:
      2. В этом компрессоре используется вращающееся рабочее колесо для всасывания всасываемого воздуха и его ускорения наружу за счет центробежной силы в диффузор.Он используется в небольших газовых турбинах и лучше всего подходит для низких отношений давления, когда общий диаметр двигателя не важен.

        Рис. 2: Центробежный компрессор

      3. Осевой компрессор:
      4. Состоит из вращающихся лопаток и неподвижных лопаток. Воздух сжимается, поскольку он течет вдоль вала в осевом направлении. Это обеспечивает большую эффективность и более высокие отношения давления за счет многоступенчатой ​​конструкции. Стадия сжатия состоит из одного ряда вращающихся лопаток, за которым следует ряд неподвижных лопаток.Это наиболее распространенный тип компрессора, используемый в судовых газотурбинных двигателях.

        Рис. 3. Компрессор с осевым потоком

      5. Остановка компрессора:
      6. Остановка или помпаж определяется как прерывание потока воздуха через компрессор. Заглох на работающем двигателе может вызвать серьезное повреждение двигателя из-за чрезмерных вибраций и перегрева секции камеры сгорания. Чтобы предотвратить остановку компрессора, двигатели оснащены выпускными клапанами компрессора или лопатками компрессора с изменяемой геометрией.Выпускные клапаны выпускают воздух из компрессора во время запуска, а регулируемые лопатки компрессора регулируют воздушный поток, чтобы избежать турбулентности, что предотвращает остановку компрессора.
    2. Камеры сгорания:
    3. В камере сгорания сжатый воздух смешивается с топливом и смесь сжигается, образуя горячий расширяющийся газ. Есть три основных типа камер сгорания.
      1. Емкость:
      2. Отдельные баллончики горелок установлены по периферии двигателя. Каждая канистра представляет собой отдельную камеру сгорания и футеровку, получающую собственное топливо.
        1. Преимущество: простая замена
        2. Недостатки — неэффективно, конструктивно слабее

        Рис. 4: Камера сгорания консервного типа

      3. Кольцевой:
      4. Одна большая камера сгорания в картере двигателя. Множественные топливные форсунки образуют сплошное «огненное кольцо». Этот тип используется на LM2500.
        1. Преимущества: Самая эффективная, самая прочная рама двигателя.
        2. Недостаток: для ремонта или замены требуется полная разборка двигателя.

        Рис. 5: Кольцевая камера сгорания

      5. Кольцевой баллончик:
      6. В этом гибридном типе используется несколько отдельных баллонов с отдельными топливными форсунками, через которые воздух поступает из общего кольцевого корпуса (Allison 501-K17).
        1. Достоинства: Прочность, простота замены.
        2. Недостаток: менее эффективен, чем кольцевая камера сгорания.

      Рис. 6: Консольная кольцевая камера сгорания

    4. Турбина:

      1. Энергия:
      2. Тепловая энергия горячих расширяющихся газов камеры сгорания преобразуется в механическую энергию путем вращения колеса турбины.
      3. Конструкция:
      4. Состоит из неподвижных лопаток (сопел) и вращающихся лопаток. Ступень турбины — это один ряд сопел и один ряд лопаток.
    5. Узел привода вспомогательных агрегатов:
    6. Узел привода вспомогательных агрегатов приводится в движение компрессором через конические шестерни. Вспомогательный привод используется для привода компонентов, чтобы сделать двигатель самодостаточным. Общие аксессуары включают такие компоненты, как насосы для смазочного масла двигателя и топливного масла.
    7. Двигатели:
      1. Два основных типа, используемых в ВМС США:
        1. Одновальный двигатель:
        2. Одновальный двигатель имеет один вал, который проходит по всему двигателю.На этом валу установлены все вращающиеся части двигателя. Продолжение того же вала, коробка отбора мощности, приводит в движение нагрузку. В основном этот тип двигателя используется там, где требуется постоянная скорость, например, для выработки электроэнергии. Для этого используется двигатель Allison 501-K17.

          Рис.7: Ротор турбины

        3. Двигатель с разъемным валом:
        4. Двигатель разделен на две основные секции: газогенератор и секцию силовой турбины. Секция газогенератора состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины высокого давления (ВД).Назначение газогенератора — производить горячий расширяющийся газ для использования в силовой турбине. Силовая турбина аэродинамически связана с газогенератором, но два вала механически не связаны. Силовая турбина преобразует тепловую энергию газогенератора в механическую энергию для привода нагрузки.
          1. Выходная скорость изменяется путем управления скоростью газогенератора, который определяет количество выхлопных газов, отправляемых в силовую турбину.
          2. Газотурбинные двигатели с разъемным валом, такие как LM2500, подходят для главных силовых установок.Преимущества в этом приложении:
            1. Газогенератор более чувствителен к требованиям нагрузки, поскольку работа компрессора не ограничивается нагрузкой на силовую турбину.
            2. Секция газогенератора и секция силовой турбины работают почти со своими наиболее эффективными скоростями во всем диапазоне нагрузок.
      2. Система воздухозаборника газовой турбины:

        1. Сборка хай-хэта:

          1. Конструкция:
          2. Внешняя конструкция, которая поддерживает сепараторы влаги и вмещает в себя задвижные двери .
          3. Влагоотделители (жалюзи и сетчатые экраны):
          4. Влагоотделители удаляют капли воды и грязь из всасываемого воздуха, чтобы предотвратить эрозию компонентов компрессора. Электрические ленточные нагреватели предотвращают образование льда на жалюзи.
          5. Двери продувки:
          6. Двери продувки установлены для предотвращения недостатка воздуха в двигателе при загрязнении влагоотделителей.
            1. Эти двери открываются автоматически при увеличении перепада давления воздуха на влагоотделителях.
            2. В открытом состоянии всасываемый воздух обходит забитые сепараторы влаги и подает нефильтрованный воздух в двигатель, чтобы предотвратить воздушное голодание двигателя.

          Рис.8: Сборка High Hat

        2. Впускной канал:

          1. Назначение:
          2. Впускной канал подает воздух для горения для двигателя и охлаждающий воздух для модуля.
          3. Система охлаждения модуля:
          4. Система охлаждения модуля направляет часть всасываемого воздуха в кожух двигателя для вентиляции модуля и внешнего охлаждения двигателя.Охлаждающий воздух модуля кружится вокруг двигателя, отводя тепло и вентилируя модуль, прежде чем выйти через небольшой воздушный зазор вокруг заднего конца силовой турбины. Выхлоп работающего двигателя вызывает эффект эдуктора, втягивающий охлаждающий воздух модуля в выхлопной канал.

          Рис.9: Впускной канал GTM

        3. Коллектор для защиты от обледенения:

          1. Назначение:
          2. Коллектор для защиты от обледенения предназначен для нагнетания горячего отбираемого воздуха во впускной ствол под воздуховодом охлаждения модуля для предотвращения образования льда.
          3. Обледенение:
          4. Обледенение во впускном канале может возникнуть, когда температура наружного воздуха упадет до 38 o F. Сигнализация обледенения загорится при температуре 41 o F и влажности 70%, чтобы предупредить оператора об образовании льда. во впуске.
          5. Последствия:
          6. Обледенение на входе компрессора может ограничить воздушный поток, вызывая остановку двигателя, а также представляет опасность серьезного повреждения двигателя посторонними предметами (FOD).
          7. Датчики:
          8. Датчик обледенения, расположенный во впускной камере, генерирует аварийный сигнал, предупреждающий оператора о возможности образования льда в воздухозаборнике.
          9. Контроль:
          10. Воздушная система защиты от обледенения активируется вручную с помощью часовых стоек и контролируется для предотвращения образования льда.
        4. Глушители:

          1. Местоположение:
          2. Впускные глушители расположены посередине впускного канала, чтобы уменьшить воздушный шум.
          3. Конструкция:
          4. Глушители состоят из вертикальных лопаток из звукопоглощающего материала, заключенных в перфорированные листы из нержавеющей стали.
          5. Канал охлаждающего воздуха модуля:
          6. Канал охлаждающего воздуха модуля содержит один глушитель в форме пули, чтобы заглушить шум, создаваемый охлаждающим воздухом.
        5. Компенсатор
        6. : Компенсатор представляет собой резиновый чехол, соединяющий впускной канал с впускной камерой модуля. Это предотвращает передачу шума модуля на корпус корабля.
      3. Узел (модуль) базового корпуса газовой турбины LM2500:

        1. Описание:
        2. Узел основного корпуса состоит из модуля корпуса (26’x8’x9 ‘) на противоударном основании.
          1. Основание модуля:
          2. Основание представляет собой сварную стальную раму с двутавровой балкой с креплениями для крепления двигателя.
          3. Проникновения:
          4. Сервисные соединения проникают в основание для всех сервисов двигателя, таких как электричество, воздух, масло, топливо, CO 2 или Галон .
          5. Защита:
          6. Кожух термически и акустически изолирован, чтобы обеспечить двигателю контролируемую среду.
            1. Впускная камера: передняя часть модуля отделена от кожуха двигателя перегородкой.Впускная камера считается чистой секцией модуля. Экран FOD на входе газовой турбины устанавливается в этой области в передней части двигателя, чтобы предотвратить попадание крупных посторонних предметов в компрессор.
            2. Рис.10: Узел модуля GTM

            3. Кожух двигателя: кожух содержит собственно двигатель и выпускной патрубок и принимает воздух из охлаждающего канала модуля. Доступ к двигателю осуществляется через боковую дверь и верхний люк.
        3. Система обнаружения и тушения пожара:
        4. Система обнаружения и тушения пожара обеспечивает автоматическую противопожарную защиту газотурбинного двигателя и модуля.

          Рис.11: Узел основания модуля

          1. Компоненты системы обнаружения пожара включают:

            1. Ультрафиолетовые датчики пламени, которые ищут пламя в зоне камеры сгорания.
            2. Датчики температуры, которые установлены на 400 o F для обнаружения возгораний за пределами зоны обзора УФ-детекторов.
            3. Ручная кнопка «ПОЖАР», которая может использоваться дежурным для активации пожарной системы.
          2. Компоненты системы пожаротушения включают:

            1. Банк первичного CO 2 баллон для быстрого затопления модуля.
            2. Банк вторичного CO 2 для поддержания инертной атмосферы в модуле, если это необходимо.
            3. A CO 2 Переключатель блокировки разблокировки, расположенный на пультах управления.Этот переключатель позволяет оператору остановить автоматический ввод первичного CO 2 в модуль в случае ложной тревоги или присутствия персонала в модуле.
            4. Электронный сигнал пожарной остановки, используемый для остановки двигателя при обнаружении пожара ультрафиолетовыми датчиками пламени, переключателями температуры или ручной кнопкой пожарной сигнализации. Этот сигнал активирует последовательность остановки огня. Остановка огня инициирует следующие действия:
              1. «ПОЖАРНАЯ» сигнализация на пультах управления.
              2. Обеспечивает подачу топлива к двигателю.
              3. Останавливает вентилятор охлаждения модуля и закрывает вентиляционную заслонку.
              4. Отключает CO 2 после 20-секундной задержки.

        Примечание по безопасности: входя в модуль, убедитесь, что система пожаротушения отключена, а на модуле и пультах управления размещены знаки, предупреждающие о том, что в модуле находится персонал.

        Примечание: FFG, оборудованные системами галона.

      4. Система выхлопных каналов:

        1. Функция:
        2. Отводит выхлопные газы двигателя в атмосферу, снижая при этом тепло и шум выхлопа.
        3. Выхлопной коллектор:
        4. Выхлопной патрубок направляет выхлопные газы в воздухозаборник. Зазор между выпускным коленом и воздухозаборником корабля вызывает эффект эдуктора, втягивающий охлаждающий воздух модуля в воздухозаборник.
        5. Воздухозаборный канал:
        6. Воздухозаборный канал для выхлопных газов изолирован для контроля тепла и шума при выходе выхлопных газов в атмосферу.
        7. Глушитель:
        8. Глушитель пластинчатого типа расположен в центре воздуховода. Эти глушители такие же, как и во впускном воздуховоде, но стационарно смонтированы.
        9. Выхлопные патрубки:
        10. Вытяжные патрубки расположены на самом верхнем конце вытяжного канала. Выхлопные эжекторы охлаждают выхлопные газы, смешиваясь с холодным окружающим воздухом, чтобы уменьшить инфракрасную сигнатуру корабля.
        11. Система подавления инфракрасного излучения пограничного слоя (BLISS):
        12. Колпачки Bliss устанавливаются в верхней части каждой смесительной трубы для дальнейшего охлаждения отработанного воздуха путем смешивания его со слоями окружающего воздуха.Это достигается за счет использования нескольких жалюзи, расположенных под углом для создания эдукторного эффекта. Это позволяет холодному окружающему воздуху смешиваться с горячими выхлопными газами.

        Рис.12: Выхлопная система GTM

      5. Система промывки водой:

        1. Назначение:
        2. Используется для удаления отложений грязи и соли с лопастей компрессора.
        3. Компоненты:
        4. Состоит из резервуара емкостью 40 галлонов и стационарного трубопровода для направления водного промывочного раствора на вход компрессора.
        5. Порядок действий:
        6. В соответствии с PMS компрессор необходимо промыть для поддержания эффективности и предотвращения остановок компрессора.

        Рис.13: Система промывки водой

      6. Отводимый воздух:

        1. Источники:
        2. Отборный воздух потребителя отбирается из последней ступени компрессора на газотурбинных генераторах (ГТГ) и магистрали газовой турбины (ГТМ)
        3. Пользователи отбираемого воздуха: (СПАМ):
          1. Пуск или приведение в действие других газовых турбин.
          2. Воздух прерий для маскировки шума гребного винта.
          3. Воздух для защиты от обледенения для предотвращения обледенения воздухозаборника.
          4. Маскирующий воздух для маскировки шума корпуса главной силовой установки.

        Рис.14: Основные вращающиеся детали LM2500

      7. Газотурбинный двигатель LM2500 в сборе:

        1. Компоненты газогенератора:

          1. Секция компрессора:
          2. LM2500 имеет 16-ступенчатый компрессор осевого потока, состоящий из следующих компонентов:
            1. Ротор компрессора: 16 ступеней подвижных лопаток, приводимых в движение турбиной высокого давления.
            2. Статор компрессора: корпус компрессора, содержащий одну ступень входных направляющих лопаток (IGV), шесть ступеней регулируемых лопаток статора (VSV) и 10 ступеней неподвижных лопаток статора.
              1. IGV и лопатки статора 1-6 являются переменными, то есть имеют изменяемую геометрию. Угол атаки лопастей можно изменить, чтобы предотвратить остановку компрессора.
              2. Отборный воздух отбирается из компрессора для использования в судовой системе отбираемого воздуха и для внутреннего использования в двигателе.
          3. Камера сгорания:

            1. Камера сгорания кольцевого типа с 30 топливными форсунками и 2 искровыми воспламенителями.
            2. Около 30% воздуха из компрессора смешивается с топливом для поддержания горения. Остальные 70% используются для охлаждения и центрирования пламени внутри гильзы сгорания.
            3. Система зажигания вырабатывает искру высокой интенсивности для воспламенения топливно-воздушной смеси во время запуска. После запуска двигателя воспламенители больше не нужны и будут обесточены.
          4. Секция турбины высокого давления:

            1. Турбина высокого давления извлекает достаточно энергии из горячих расширяющихся газов для привода компрессора и вспомогательного привода.
            2. Турбина высокого давления представляет собой двухступенчатую турбину с осевым потоком, которая механически связана с ротором компрессора.
            3. Турбина ВД использует приблизительно 65% тепловой энергии камеры сгорания для привода компрессора и дополнительных устройств, установленных на двигателе.
          5. Узел привода вспомогательных агрегатов:

            1. Приводится через вал ротора компрессора через впускной редуктор, радиальный приводной вал и раздаточную коробку.
            2. Дополнительный редуктор предназначен для крепления топливного насоса, насоса смазочного масла, воздушно-масляного сепаратора и пневматического стартера.
        2. Силовая турбина:

          1. Конструкция:
          2. Силовая турбина представляет собой шестиступенчатую турбину осевого типа. Силовая турбина забирает оставшиеся 35% полезной энергии и использует ее для привода главного редуктора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *