Газотурбинные двигатели — сердце авиации

Газотурбинные двигатели — сердце авиации: основы

Kalkan Endüstri с 2020 года работает в оборонной промышленности, робототехнике, автоматизации, а также в поставках машин, оборудования и материалов.

В нашей серии статей о газотурбинных двигателях мы расскажем о принципе их работы, основных узлах и происходящих в них процессах. Думаю, чтобы лучше усвоить эту и последующие статьи, полезно начать с азов. Начнём с того, что такое газотурбинные двигатели и где они применяются.

Основу газотурбинных двигателей — одного из важнейших типов авиационных двигателей за всю историю авиации — заложил Фрэнк Уиттл, получивший патент в 1930 году. Однако настоящее развитие началось после Второй мировой войны, когда к работам подключились и немцы. С точки зрения принципа работы двигатель на рис. 1.1 ничем не отличается от двигателя на рис. 1.2. Общий принцип работы двигателя — преобразование тепловой энергии в механическую. Важнейший физический закон, используемый в газотурбинных двигателях, — третий закон Ньютона, принцип действия и противодействия. Газовые турбины работают по циклу Брайтона: воздух сжимается, сжигается вместе с топливом, и цикл завершается преобразованием полученной очень высокой энергии в механическую мощность с помощью турбин. По назначению газотурбинные двигатели можно разделить на 4 основные группы: турбореактивные, турбовинтовые, турбовентиляторные и турбовальные.

1. Турбореактивные двигатели

Турбореактивный двигатель с большой силой выбрасывает назад полученный высокоэнергетический газ. Такие двигатели применяются в основном в военной сфере. Они очень шумные и эффективны на высоких скоростях. Наглядные примеры турбореактивных двигателей — KTJ-3200 производства турецкой компании KALE-ARGE и TJ-90 производства компании TEI.

2. Турбовинтовые двигатели

Все остальные типы являются производными турбореактивного двигателя. Единственное отличие турбовинтового двигателя, если говорить просто, — наличие воздушного винта и редуктора. То есть энергия, полученная от турбины, передаётся на винт через редуктор и вал. Так создаётся необходимая тяга. На изображении показан турбовинтовой двигатель PT6A-68T, применяемый на учебно-тренировочном самолёте первоначальной подготовки Hürkuş .

3. Турбовентиляторные двигатели

В турбовентиляторных двигателях, применяемых в основном на пассажирских самолётах, спереди установлен вентилятор для создания дополнительной тяги. Можно сказать, что турбовентиляторный двигатель получается, если просто поставить вентилятор перед турбореактивным двигателем. Турбовентиляторные двигатели называют также двухконтурными. На рис. 1.3 показан двигатель F-135, которым оснащён истребитель F-35.

4. Турбовальные двигатели

Турбовальный двигатель, используемый главным образом в качестве вертолётного, в отличие от турбореактивного имеет систему передачи мощности наподобие трансмиссии, которая вращает лопасти несущего винта. С помощью трансмиссии он вращает лопасти несущего винта за счёт механической энергии, получаемой от турбины. По сравнению с поршневыми двигателями он обеспечивает очень хорошее отношение тяги к массе. На вертолёте T129 ATAK производства TAI, недавно поступившем на вооружение Вооружённых сил Турции, используется турбовальный двигатель CTS800 компании LHTEC — совместного предприятия Honeywell и Rolls-Royce.

Газотурбинные двигатели в целом состоят из пяти основных частей: воздухозаборник, компрессор, камера сгорания, турбина и выходное устройство (сопло). В следующих статьях я подробно рассмотрю отдельные узлы — конструкцию компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства. Поэтому пока ограничимся простыми определениями, чтобы понять суть.

Воздухозаборник (Air intake):

Это часть, через которую воздух поступает в двигатель. Несмотря на простоту, её конструкция очень важна, чтобы поток воздуха не «запирался» уже на входе в двигатель и чтобы воздуха было достаточно.

Компрессор:

Компрессор сжимает воздух, поступающий из воздухозаборника, направляя его сначала в компрессор низкого давления (LPC), а затем в компрессор высокого давления (HPC). В компрессорах есть ротор и статор. Пара «ротор — статор» называется ступенью. В каждой ступени компрессора воздух сжимается всё сильнее. Лопатки компрессора (blade) уменьшаются по размеру от LPC к HPC.

Камера сгорания:

Воздух, поступающий в камеру сгорания с очень высокой энергией, сжигается вместе с топливом. Продукты сгорания движутся вдоль двигателя и проходят через турбину. Проходя через турбину, они отдают ей часть своей энергии. В турбореактивных двигателях, как правило, используется соотношение 1/40: для сжигания 1 единицы топлива требуется 40 единиц воздуха. В качестве топлива чаще всего используется керосин (JP-8).

Турбина:

Принцип работы турбины, по сути, обратен принципу работы компрессора. Если компрессор затрачивает работу на повышение давления, то турбина преобразует энергию высокоэнергетического газа в работу, то есть в механическую энергию. Конструкция турбины также схожа с конструкцией компрессора: на ней установлены лопатки (blade). Получаемую механическую энергию турбина через центральный вал использует для вращения компрессора.

Выходное устройство (сопло):

Сгоревший высокоэнергетический газ, выходя через сопло, создаёт тягу. Здесь действует третий закон Ньютона, о котором мы говорили в начале. Газ, с огромной силой вырывающийся назад, в качестве реакции создаёт тягу, толкающую самолёт вперёд.

Принципы работы:

Газотурбинный двигатель, по сути, представляет собой тепловой двигатель, использующий в качестве рабочего тела воздух для создания тяги. Для создания этой тяги воздух, проходящий через двигатель, необходимо разогнать (придать ему ускорение). То есть обязательно нужно увеличить скорость, или кинетическую энергию, воздуха. Принцип работы газотурбинных двигателей схож с принципом работы четырёхтактных поршневых двигателей. С точки зрения законов термодинамики в газотурбинных двигателях сгорание происходит при постоянном давлении, а в поршневых — при постоянном объёме. Термодинамический принцип работы газотурбинного двигателя показан на рис. 2.2 (P-V-диаграмма цикла Брайтона).

Если посмотреть на цикл на диаграмме «давление — объём», точка A соответствует атмосфере. Вдоль линии AB давление сжимаемого воздуха возрастает. На участке B–C к воздуху подводится теплота путём сжигания топлива при постоянном давлении. В результате объём воздуха увеличивается. Сгорание в камере сгорания мы называем изобарным потому, что принимаем условия идеальными. Чтобы получить значения температуры, давления и объёма в реальных условиях, необходимо знать их значения для идеальных условий. Поэтому для простоты изложения мы принимаем условия идеальными и считаем, что потерь давления нет. В реальных условиях при сгорании неизбежно возникают некоторые потери давления. Возвращаясь к диаграмме: газы, образовавшиеся в результате сгорания, расширяются на участке C–D, начиная с турбины. При этом в рамках цикла часть энергии газов преобразуется турбиной в механическую мощность. Оставшиеся газы создают реактивную тягу, выходя в атмосферу. Поскольку газотурбинный двигатель является тепловым двигателем, чем выше температура сгорания, тем больше мощность, которую газы вырабатывают, расширяясь в турбине. Однако ограничивающим фактором здесь являются материалы, из которых изготовлены камера сгорания и турбина, и механические свойства системы. Температура сгорания не должна превышать допустимых для них значений.

Соотношение давления, температуры и объёма

При работе турбинного двигателя поток воздуха, или рабочее тело (воздух), получает и отдаёт теплоту. Вследствие этого изменяются температура, объём и давление. Эти изменения тесно связаны с хорошо знакомыми нам по урокам химии законами Бойля — Мариотта и Шарля. Для того чтобы эти изменения происходили в рабочем цикле двигателя, существуют 3 основных условия:

1. Сжатие. По завершении сжатия в компрессорах давление воздуха возрастает, а объём уменьшается. Степень повышения давления и уменьшения объёма соответствует степени повышения температуры.
2. Сгорание. После добавления к воздуху топлива и его сжигания температура повышается. Это повышение соответствует увеличению объёма. Не следует забывать, что давление при этом остаётся практически постоянным.
3. Расширение. Поскольку при расширении турбина отбирает работу у части газового потока, температура и давление снижаются. Это снижение соответствует увеличению объёма.
   Чтобы проследить эти закономерности (давление — объём и температура) на диаграммах, можно обратиться к P-V- и T-S-диаграммам цикла Брайтона.

В турбинных двигателях очень важен и КПД. Очень важно повышать давление в компрессоре при затрате определённой работы и, наоборот, снижать давление в турбине для получения определённой работы. В любой машине мы стремимся получить максимальную мощность при минимальных затратах. Так же работают и турбинные двигатели. Если при сжатии и расширении воздуха мы получаем КПД 100 %, такой процесс называется адиабатным. В адиабатном процессе мы пренебрегаем явлениями, вызывающими потери, — трением, конвекцией, турбулентностью и т. п. — и рассматриваем его как процесс без потерь энергии. Разумеется, известно, что в действительности такого процесса не существует. Однако, чтобы получить максимальный КПД компрессора, камеры сгорания и турбины, необходимо рассматривать идеальный случай. В инженерных компаниях, производящих авиадвигатели, успешным считается КПД 90 % и выше.

Распределение скорости и давления

Скорость и давление воздушного потока вдоль двигателя изменяются в зависимости от аэродинамических и энергетических потребностей. Например, при сжатии в компрессоре давление растёт, и повышать скорость не требуется. После того как воздух нагрет и его внутренняя энергия увеличена за счёт сгорания, газу нужна скорость, поскольку для вращения турбины требуется усилие. На выходе из сопла нам нужна высокая скорость истечения.

Тягу в воздухе создаёт изменение количества движения. В некоторых зонах, напротив, требуется сильно снизить скорость воздуха. Наглядный пример — горение факела в камере сгорания. Зона, которую мы называем первичной (Primary Zone), — это область, где нам нужна низкая скорость. Эту тему мы подробнее рассмотрим в статье о камере сгорания и процессе горения.

Чтобы получить эти изменения скорости, особое внимание уделяется размерам и форме каналов, по которым воздух проходит внутри двигателя. Если нужно преобразовать кинетическую энергию в давление, используется расширяющийся (диффузорный) канал; если же нужно преобразовать энергию, запасённую в продуктах сгорания, в кинетическую энергию, используется сужающийся канал. Конструкция этих переходов и сопел очень важна, поскольку от неё во многом зависит энергетическая эффективность.

Воздушный поток

Прежде чем говорить о воздушном потоке в двигателе, я хотел бы дать определение двухконтурности (by-pass). В следующих статьях мы будем часто к нему обращаться. Для пояснения ниже показан разрез двигателя F119-PW100. В двухконтурных двигателях воздух на выходе из вентилятора разделяется на 2 потока. Одна часть проходит через компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло (это так называемый внутренний контур, или core engine), а другая — между корпусом компрессора и наружным кожухом. Отношение расхода воздуха, проходящего по наружному контуру, к расходу воздуха через внутренний контур (core engine) называется степенью двухконтурности. Их также можно обозначить как dry thrust и wet thrust. Если степень двухконтурности составляет 0,2–1, двигатель считается двигателем с малой степенью двухконтурности, если 5 и выше — с большой.

Огуз Кылыч (Oğuz Kılıç)

Источник: The Jet Engine | Rolls-Royce