Чем отличается турбореактивный двигатель от реактивного

История создания первого авто с турбиной

Трудно себе представить, но начало исследований в области создания газотурбинного двигателя датируется далеким 1948 годом. Именно тогда компания Fiat задалась целью создать принципиально новый движок, способный разогнать автомобиль до рекордных по тем временам 250 км/час.

Спустя шесть лет, а именно в 1954 году на Туринском автосалоне и была представлена первая модель такого авто & Fiat Turbina. Мощность его двигателя составляла 300 лошадиных сил при 22000 об/мин. При этом конструкция кузова имела самый низкий коэффициент аэродинамического сопротивления, который являлся рекордным на протяжении 30 лет.

Как ни прискорбно, но газотурбинный Fiat Turbina не нашел своих поклонников среди любителей быстрой езды. Автомобиль был признан нерентабельным и бесперспективным и отправлен в заводской музей компании Fiat в Турине, где находится и по сегодняшний день. Так весьма интересный прототип альтернативного двигателя, раскритикованный за большой расход топлива и постоянный перегрев, стал достоянием любопытных и праздных туристов.

Современные разработки и преимущества конструкции авто с таким движком

Автомобиль с газотурбинным двигателем в современном понимании  это гигант большой грузоподъемности или современный автопоезд. Именно для таких агрегатов необходимы мощные, легкие и простые в конструкции установки турбинного типа.

Основным отличием газотурбинного механизма от двигателя внутреннего сгорания является отсутствие возвратно поступательных движущихся деталей, которые подвержены сильному истиранию и износу. Такое отличие позволяет свести к минимуму процесс трения, он присутствует лишь в редукторе и при движении валов. Эта конструкция существенно снижает расход масла, а заодно и вес двигателя.

Ведь теперь нет необходимости в сложной системе подачи масла и омыванию им трущихся деталей мотора.

Следующей отличительной чертой такого движка будут его высокие пусковые качества. Даже маломощный стартер способен обеспечить его пуск при любых температурных показателях. Такое свойство жизненно & необходимо в арктических условиях.

К тому же малая токсичность отработанных газов газотурбинного мотора позволяет агрегату, оснащенному им, проводить работы в узком карьере на любой глубине даже при недостаточной вентиляции.

И это далеко не все преимущества таких моторов.

Почему же не внедряют такие двигатели в массовое производство?

При всей своей простоте и мощности газотурбинный двигатель имеет и ряд недостатков:

  • большой расход топлива;
  • высокие требования к чистоте всасываемого воздуха;
  • большое потребление воздуха;
  • резкое ухудшение экономичности при частичных нагрузках;
  • отсутствие возможности торможения авто двигателем.

Поэтому почти идеальный автомобиль с газотурбинным двигателем в серийное производство пока запускать не будут. 

Турбореактивный двигатель своими руками

Любителям-моделистам, которые хотят собрать мотор самостоятельно, сегодня предлагается полный ассортимент всех запчастей. В продаже имеются специальные наборы для сборки (например, Kit). Турбину можно приобрести как готовую, так и сделать самим. Последний вариант довольно хлопотный и может также обойтись в копеечку. Это самая сложная часть для тех, кто собирает турбореактивный двигатель своими руками, так как здесь потребуются и токарно-фрезерная установка, и сварочный прибор.

Перед изготовлением стоит изучить теорию по микро-ТРД. Для этого существуют специальные руководства, где приводятся расчеты и чертежи.

А затем, можно начинать путь в авиамоделирование.

С какими недостатками ведут борьбу конструкторы

Нет механизмов, совершенных во всем . Возможно, это является причиной, почему человек до сих пор не посетил соседние планеты. Древние ученые мечтали о создании вечного двигателя, современные конструкторы пытаются избавить силовые агрегаты от недостатков. К ним принадлежат:

  • Шумы, переносимые с трудом человеческим ухом . Когда реактивный самолет взлетает, то создается грохот, приравненный к 120 дБ . Возле космических аппаратов не стоят даже испытатели, чтобы не подвергать организм контузии. Инженеры работают, но пока безуспешно над подобной проблемой.
  • Расход горючего . Двигатели много потребляют топлива. Для вывода ракеты на орбиту массой 4000 тонн , необходимо установить не меньше 5 силовых агрегатов. Они создают скорость приблизительно 4 км/сек. Газов за один момент выходит около 10 т. Мгновенно сгорает по цистерне ракетного топлива.
  • Ограничение ресурсов . Во время полета ракет, какой бы вид горючего не использовался, каждое выделяет определенный уровень энергии. Но его мало, чтобы покорять Галактику. Сейчас ведутся ядерные разработки, ученые мечтают с помощью этого перспективного направления, открыть туристические путешествия между планетами.
  • Быстрый расход топлива . На длительные полеты необходим большой запас энергоносителей. Горючее весит больше чем сами самолеты или космические корабли.
  • Летательные аппараты огромные по размерам и массе.

Если конструкторы смогли придумать аппарат, чтобы доставить астронавтов на Луну, возможно, скоро появится движок настолько мощный и компактный, который позволит посетить Марс.

Устройство ПВРД

Конструкция ПВРД, как было отмечено выше, отличается лаконичностью и минимальным количеством составляющих элементов. В упрощенном варианте он состоит из диффузора, камеры сгорания и сопла, а также вспомогательных систем подачи топлива и зажигания, которые в некоторых моделях могут и отсутствовать. На первый взгляд может показаться, что собрать такой двигатель можно и самостоятельно, ведь в нем нет ничего сложного, но на самом деле это не совсем так. Эффективность работы ПВРД зависит от множества мелких нюансов, в том числе и от формы, геометрии и размеров диффузора и сопла. Эти параметры определяют тип ПВРД, его мощность и сферу применения.

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

  • 16,5 МВт — мощность на валу.
  • 37% — КПД, механический привод.
  • 36% — КПД, электрический (простой цикл).
  • 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
  • 200 000 часов — полный жизненный цикл
  • выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем
Десантное судно «Зубр»

Примечания

  1. ↑ .
  2. ↑ Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
  3. Александр Грек. Человек, который купил космодром // Популярная механика. — 2017. — № 11. — С. 54.
  4. Андрей Суворов. Ядерный след // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 88-92.
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка установлена 17 ноября 2011 года.
Эта статья требует оформления и доводки. В этой статье необходимо:

  1. улучшить стиль написания статьи;
  2. проработать структуру (разделы) статьи;
  3. проставить и заполнить карточки, оформить статью в целом с использованием вики-разметки;
  4. аккуратно разместить и подписать изображения;
  5. сделать ссылками ключевые слова и даты в тексте;
  6. подписать сноски и ссылки.

Если вы желаете оформить данную статью, пожалуйста, отредактируйте данный шаблон в тексте статьи, дописав в него

Двигатели
Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)
Возвратно-поступательные
Количество тактов
  • Двухтактный двигатель
  • Четырёхтактный двигатель
  • Пятитактный двигатель
  • Шеститактный двигатель
Расположениецилиндров
  • Рядный двигатель
  • Оппозитный двигатель
  • Н-образный двигатель
  • V-образный двигатель
  • VR-образный двигатель
  • W-образный двигатель
  • Звездообразный двигатель
  • X-образный двигатель
Типы поршней
  • Свободно-поршневые
  • Двигатель со встречным движением поршней
  • Аксиальные
Способвоспламенения
  • Дизельные
  • Компрессионные карбюраторные
  • Калильно-компрессионный
  • Калильные карбюраторные
  • Батарейное зажигание
  • Магнето
  • Дуговые и искровые свечи
Роторные
  • Двигатель Ванкеля
  • Орбитальный двигатель
  • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова
Комбинированные
  • Гибридные
  • Двигатель Хессельмана
Воздушно-реактивные
Основные типы
Бескомпрессорные
  • Прямоточные
  • Пульсирующие
Турбореактивные
  • Турбовентиляторные (двухконтурные)
  • Турбовинтовые
  • Турбовинтовентиляторные
  • Турбовальные
Модификациии гибридные системы
  • Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель
  • Гиперзвуковые прямоточные
См. также: Газотурбинные двигатели
Ракетные двигатели
  • Выбрасывающий
  • Стартовый
  • Разгонный
  • Маршевый
  • Маневровый
Химические
Жидкостные
  • Закрытого цикла
  • Открытого цикла
  • С фазовым переходом
  • Двигатель Вальтера
Другие
  • Твердотопливные
  • Топливно-гибридные
Ядерные
  • Термоядерные
  • Газофазно-ядерные
  • Твёрдофазно-ядерные
  • Солевые
Электрические
  • Плазменные
  • Ионные
  • Электротермические
  • Электростатические
Другие
  • Клиновоздушный
  • Двигатель Бассарда
Двигатели внешнего сгорания
  • Паровая машина
  • Двигатель Стирлинга
  • Пневматический двигатель
Турбины и механизмы с турбинами в составе
По виду рабочего тела
Газовые
  • Газотурбинная установка
  • Газотурбинная электростанция
  • Газотурбинные двигатели
Паровые
  • Парогазовая установка
  • Конденсационная турбина
Гидравлические турбины
  • Пропеллерная турбина
  • Гидротрансформатор
По конструктивным особенностям
  • Осевая (аксиальная) турбина
  • Центробежная турбина
    • радиальная
    • диагональная
  • Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса)
  • Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана)
  • Ковшовая турбина (турбина Пелтона)
  • Турбина Турго
  • Ротор Дарье
  • Турбина Уэльса
  • Турбина Тесла
  • Сегнерово колесо
Электродвигатели
  • Постоянного тока
  • Переменного тока
  • Многофазные
  • Трёхфазные
  • Двухфазные
  • Однофазные
  • Универсальные
Асинхронные
Синхронные
  • Бесколлекторные (Вентильный двигатель)
  • Коллекторные
  • Вентильные реактивные
  • Шаговые
Другие
  • Линейные
  • Гистерезисные
  • Униполярные
  • Ультразвуковые
  • Мендосинский мотор
Биологические двигатели
Моторные белки
  • Актин
  • Динеин
  • Кинезин
  • Миозин
  • Тропомиозин
  • Тропонин
  • Флагеллин
См. также
Вечный двигатель
Мотор-редуктор

Применение

Турбовентиляторные реактивные двигатели успешно используются на современных самолетах отечественного и зарубежного производства. Из «родных» стоит выделить ПС-90А и Д-18Т; из зарубежных — General Electric GE90, CFM56-5А/B, CFM56-5C2.

Сфера применения ТВРД очень широкая. Это наиболее востребованный вид авиационных реактивных двигателей на сегодняшний день, который значительно потеснил свой прототип – классический ТРД. Благодаря своей экономичности, он используется и в гражданской, и в военной авиации. Им оснащаются пассажирские и грузовые самолеты, летающие на дальние и средние расстояния, хотя раньше в целях экономии на них устанавливались ТВД. Сейчас же появилась возможность летать быстро и сравнительно недорого, и все благодаря ТВРД.

ПС-90 под крылом Sukhoi Superjet 100

Д-18Т и он же под крылом АН-124

Виды компоновок турбовинтовентиляторных двигателей

На сегодняшний момент в мире встречаются ТВВД 2 основных компоновок, по расположению винтовентилятора.

а — винтовентилятор впереди; б — винтовентилятор в обтекателе; в — винтовентилятор сзади

В отличие от ТВРД ТВВД не имеет второго контура, как такового, то есть у него нет внешнего корпуса. Винтовентилятор может оснащаться обтекателем, который иногда ошибочно принимается за внешний корпус второго контура, но это совсем не обязательно – он может выполняться и полностью открытым. Сам винтовентилятор – это винт с укороченными лопастями сложной геометрической формы. Их саблевидная форма позволяет не просто пропускать воздух, создавая тягу, но и частично сжимать его и направлять на компрессор, а также уменьшать волновое аэродинамическое сопротивление. Двигатель может иметь один винтовентилятор или два, вращающихся в противоположные стороны. Разное направление вращения – это еще одна причина использования планетарного редуктора.

В сравнении с турбовинтовым двигателем турбовинтовентиляторный менее шумный, при его работе уровень вибраций гораздо ниже. Если же сравнить его с турбовентиляторным реактивным двигателем, то, благодаря высокой степени двухконтурности, он сжигает меньше топлива при одинаковой мощности (экономия составляет порядка 25-30%).

Область применения[править | править код]

ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолётов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день в самолётном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространённым классом ВРД, используемых на самолётах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДД с малой степенью до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолётов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

Минус и плюс мотора

Газотурбинный агрегат способен вырабатывать большой момент, а значит повышенные показатели мощности. Для охлаждения сопутствующих элементов нет каких-либо устройств, поскольку соприкасающихся поверхностей мало. В то же время, подшипников используется не много, а качество деталей свидетельствует о надёжности и безотказности агрегата.

Отрицательный аспект, это дороговизна используемых материалов при изготовлении деталей и, как следствие, немалые вложения в починку механизма. Несмотря на недостатки, конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется.

Газотурбинный двигатель используют в авиации, на автомобилях установку применяют как эксперимент. Это произошло по причине постоянной потребности в охлаждении газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает полезное действие агрегата, увеличивая потребление горючего.

Главные преимущества мотора:

  • Пониженная степень загрязнения выхлопных газов;
  • Починка простая и лёгкая (не содержит расходных материалов);
  • Отсутствие вибрации;
  • Пониженный шум при эксплуатации агрегата;
  • Повышенные характеристики импульса;
  • Включение и отклик на педаль акселератора без задержек;
  • Повышено соотношение мощности и веса.

Танковая установка «ГТД-1500»:

Сфера использования газотурбинных двигателей

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.

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

Источник

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Устройство и принцип работы турбовинтового двигателя

Строение турбовинтового двигателя довольно простое. Он состоит из воздушного винта с редуктором, компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства – сопла. Компрессор нагнетает и сжимает воздух, направляя его в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Горючая смесь, полученная при смешивании воздуха с топливом, воспламеняется, образуя газы с высокой потенциальной энергией, которые, расширяясь, поступают на лопасти турбины, вращая ее, а сама турбина вращает воздушный винт и компрессор. Энергия, не потраченная на вращение турбины, выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу, величина которой не более 10% от общей тяги мотора. Поскольку она незначительна по своей величине, ТВД не считается реактивным. Как видно, по своему строению и принципу работы турбовинтовой двигатель очень напоминает турбореактивный с той лишь разницей, что в первом случае выработанная полезная энергия идет на вращение винта, а во втором она полностью выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу.

Строение турбовинтового двигателя

Рабочий вал

Различают двухвальные и одновальные турбовинтовые двигатели. В одновальных ТВД турбина с компрессором и винт расположены на одном валу, тогда как в двухвальных между ними нет механической связи: турбина и компрессор закреплены на одном валу, а винт через редуктор – на другом. Во втором случае конструкция мотора включает в себя две турбины, связанные между собой не механически, а газодинамически: одна для компрессора, вторая для винта. Это более распространенный и эффективный вариант, который, несмотря на более сложную конструкцию, используется чаще. Такое решение позволяет использовать энергию двигателя без запуска винтов, что удобно в случаях, когда самолет находится на земле и нужно обеспечить выработку электроэнергии и подачу воздуха высокого давления.

Компрессор

Компрессор ТВД имеет ступенчатую конструкцию с числом ступеней в пределах 2-6, что позволяет воспринимать значительные перепады давления и температур при работе, регулировать и снижать обороты

Многоступенчатая конструкция также дает возможность снизить массу и размеры мотора, что немаловажно для авиационных двигателей, где на счету каждый грамм веса. Компрессор состоит из рабочех колес с лопатками и направляющего аппарата

Направляющий аппарат может быть как регулируемым (с поворачивающимися лопатками вокруг своей оси), так и не регулируемым.

Воздушный винт

Воздушный винт создает необходимую тягу, но при этом скорость его вращения ограничена. Наиболее эффективно он работает на скорости 750-1500 об/мин, после чего КПД падает, а сам винт из движителя фактически превращается в тормоз. Это явление носит название «эффект запирания» и связано оно с тем, что отдельные части лопастей винта на высоких оборотах начинают двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, что становится причиной его некорректной работы. Это же происходит, если увеличить диаметр лопастей, ведь чем они длиннее,  тем больше линейная скорость на их концах.

Турбина

Турбина же развивает скорость до 20 000 об/мин, но винт на таких оборотах просто не сможет работать, поэтому он оснащается понижающим редуктором, уменьшающим скорость вращения и повышающим момент. Редукторы по своему строению могут отличаться, но их задача – понижение скорости вращения и увеличение момента – остается неизменной. Ограничение скорости вращения винта во многом ограничивает использование ТВД особенно в военной авиации, где важна скорость, но ученые и конструкторы ведут активную работу по созданию сверхзвукового двигателя, правда, пока их старания не увенчались успехом. Для увеличения тяги на некоторых моделях устанавливаются по два винта, которые в процессе работы вращаются в противоположные стороны, приводимые в движение одним редуктором. Примером такого двигателя является Д-27, который называют турбовинтовентиляторным. Он оснащен двумя винто-вентиляторами, закрепленными через редуктор на оси свободной турбины. Пока это единственный двигатель такого рода, который используется в гражданской авиации на самолетах АН-70, но его появление и успешное использование смогут стать настоящим прорывом в сфере улучшения эксплуатационных показателей ТВД.

Устройство

Рабочее тело двигателя состоит из:

  • компрессора, служащего для сжатия воздуха;
  • камеры сгорания для нагревания;
  • турбины для расширения.

Охлаждающий эффект обеспечивается атмосферой.

В компрессоре имеются диски из металла, а на их венцах расположены лопатки, которые захватывают воздух снаружи и перемещают внутрь.

От компрессора воздух направляется в камеру сгорания, нагреваясь и смешиваясь с керосином, попадающим туда через ротор.

Далее действие переходит в турбину, где газ раскручивается подобно игрушке-пропеллеру. Обычно турбины имеют три-четыре ступени. Именно на этот механизм приходится наибольшая нагрузка. Турбореактивный двигатель вращается со скоростью до тридцати тысяч оборотов в минуту. Факел, выходящий из камеры сгорания, может иметь температуру до полутора тысяч градусов по Цельсию. Воздух, расширяясь здесь, начинает двигать турбину.

После этого в реактивном сопле рабочее тело достигает скорости большей, чем скорость встречного потока. Таким образом и получается реактивная тяга.

Малые ГТД области применения

Микротурбины применяют в промышленности и быту в качестве автономных источников электроэнергии. — Мощность микротурбин составляет 30-1000 кВт; — объем не превышает 4 кубических метра.

Среди преимуществ малых ГТД можно выделить: — широкий диапазон нагрузок; — низкая вибрация и уровень шума; — работа на различных видах топлива; — небольшие габариты; — низкий уровень эмиссии выхлопов.

Отрицательные моменты: — сложность электронной схемы (в стандартном варианте силовая схема выполняется с двойным энергопреобразованием); — силовая турбина с механизмом поддержания оборотов значительно повышает стоимость и усложняет производство всего агрегата.

На сегодняшний день турбогенераторы не получили такого широкого распространения в России и на постсоветском пространстве, как в странах США и Европы в виду высокой стоимости производства. Однако, по проведенным расчетам, одиночная газотурбинная автономная установка мощностью 100 кВт и КПД 30% может быть использована для энергоснабжения стандартных 80 квартир с газовыми плитами.

Коротенькое видео, использования турбовального двигателя для электрогенератора.

За счет установки абсорбционных холодильников, микротурбина может использоваться в качестве системы кондиционирования и для одновременного охлаждения значительного количества помещений.

Автомобильная промышленность

Малые ГТД продемонстрировали удовлетворительные результаты при проведении дорожных испытаний, однако стоимость автомобиля, за счет сложности элементов конструкции многократно возрастает. ГТД с мощностью 100-1200 л.с. имеют характеристики, подобные бензиновым двигателям, однако в ближайшее время не ожидается массовое производство таких авто. Для решения этих задач необходимо усовершенствовать и удешевить все составляющие части двигателя.

По иному дела обстоят в оборонной промышленности

Военные не обращают внимание на стоимость, для них важнее эксплуатационные характеристики. Военным нужна была мощная, компактная, безотказная силовая установка для танков. И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350

КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000

И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350. КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000.

https://youtube.com/watch?v=yjla0e9xTmk

Малая авиация

На сегодняшний день высокая стоимость и низкая надежность поршневых двигателей с мощностью 50-150 кВт не позволяют малой авиации России уверенно расправить крылья. Такие двигатели, как «Rotax» не сертифицированы на территории России, а двигатели «Lycoming», применяемые в сельскохозяйственной авиации имеют заведомо завышенную стоимость. Кроме того, они работают на бензине, который не производится в нашей стране, что дополнительно увеличивает стоимость эксплуатации.

Именно малая авиация, как ни одна другая отрасль нуждается в проектах малых ГТД. Развивая инфраструктуру производства малых турбин, можно с уверенностью говорить о возрождении сельскохозяйственной авиации. За рубежом производством малых ГТД занимается достаточное количество фирм. Сфера применения: частные самолеты и беспилотники. Среди моделей для легких самолетов можно выделить чешские двигателиTJ100A, TP100 и TP180, и американский TPR80.

В России со времен СССР малые и средние ГТД разрабатывались в основном для вертолетов и легких самолетов. Их ресурс составлял от 4 до 8 тыс. часов,

На сегодняшний день для нужд вертолета МИ-2 продолжают выпускаться малые ГТД завода «Климов» такие как: ГТД-350, РД-33,ТВЗ-117ВМА, ТВ-2-117А, ВК-2500ПС-03 и ТВ-7-117В.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector