Принцип Действия Турбины Самолета



принцип действия турбины самолета

История создания и принцип работы турбореактивного двигателя

Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы, пишет Ростех .

Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал свой труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором он разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.

Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки

Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.

В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.

Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).

Принцип работы

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает на принципе обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.

При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.

Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.

После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.

Поколения турбореактивных двигателей

Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.

К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15, а также на самолеты ИЛ-28 и ТУ-14.

Истребитель МИГ-15

ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.

Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.

Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.

Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.

Устрой­ство реак­тив­ного двигателя

Реак­тив­ный дви­га­тель был изоб­ре­тен Ган­сом фон Охай­ном (Dr. Hans von Ohain). выда­ю­щимся немец­ким инженером-конструкторм и Фрэн­ком Уитт­лом (Sir Frank Whittle). Пер­вый патент на рабо­та­ю­щий газо­тур­бин­ный дви­га­тель, был полу­чен в 1930 году Фрэнк Уитт­лом. Однако первую рабо­чую модель собрал именно Охайн.

2 авгу­ста 1939 года в небо под­нялся пер­вый реак­тив­ный само­лет — He 178 (Хейн­кель 178), сна­ря­жен­ный дви­га­те­лем HeS 3, раз­ра­бо­тан­ный Охайном.

Устрой­ство реак­тив­ного дви­га­теля доста­точно про­сто и одно­вре­менно крайне сложно. Про­сто по прин­ципу дей­ствия: заборт­ный воз­дух (в ракет­ных дви­га­те­лях — жид­кий кис­ло­род) заса­сы­ва­ется в тур­бину, там сме­ши­ва­ется с топ­ли­вом и сго­рая, в конце тур­бины обра­зует т.н. “рабо­чее тело” (реак­тив­ная струя), кото­рое и дви­гает машину.

Так все про­сто, но на деле — это целая область науки, ибо в таких дви­га­те­лях рабо­чая тем­пе­ра­тура дости­гает тысяч гра­ду­сов по Цель­сию. Одна из самых глав­ных про­блем тур­бо­ре­ак­тив­ного дви­га­те­ле­стро­е­ния — созда­ние не пла­вя­щихся дета­лей, из пла­вя­щихся метал­лов. Но для того, что бы понять про­блемы кон­струк­то­ров и изоб­ре­та­те­лей нужно сна­чала более детально изу­чить прин­ци­пи­аль­ное устрой­ство двигателя.

Устрой­ство реак­тив­ного двигателя

основ­ные детали реак­тив­ного двигателя

В начале тур­бины все­гда стоит вен­ти­ля­тор. кото­рый заса­сы­вает воз­дух из внеш­ней среды в тур­бины. Вен­ти­ля­тор обла­дает боль­шой пло­ща­дью и огром­ным коли­че­ством  лопа­стей спе­ци­аль­ной формы, сде­лан­ных из титана. Основ­ных задач две — пер­вич­ный забор воз­духа и охла­жде­ние всего дви­га­теля в целом, путем про­ка­чи­ва­ние воз­духа между внеш­ней обо­лоч­кой дви­га­теля и внут­рен­ними дета­лями. Это охла­ждает камеры сме­ши­ва­ния и сго­ра­ния и не дает им разрушится.

Сразу за вен­ти­ля­то­ром стоит мощ­ный ком­прес­сор. кото­рый нагне­тает воз­дух под боль­шим дав­ле­нием в камеру сгорания.

Камера сго­ра­ния выпол­няет еще и роль кар­бю­ра­тора, сме­ши­вая топ­ливо с воз­ду­хом. После обра­зо­ва­ния топ­ливо воз­душ­ной смеси она под­жи­га­ется. В про­цессе воз­го­ра­ния про­ис­хо­дит зна­чи­тель­ный разо­грев смеси и окру­жа­ю­щих дета­лей, а также объ­ем­ное рас­ши­ре­ние. Фак­ти­че­ски реак­тив­ный дви­га­тель исполь­зует для дви­же­ния управ­ля­е­мый взрыв.

Камера сго­ра­ния реак­тив­ного дви­га­теля одна из самых горя­чих его частей  — её необ­хо­димо посто­янно интен­сив­ное охла­жде­ние. Но и этого недо­ста­точно. Тем­пе­ра­тура  в ней дости­гает 2700 гра­ду­сов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сго­ра­ния горя­щая топливо-воздушная смесь направ­ля­ется непо­сред­ственно в турбину.

Тур­бина состоит из сотен лопа­ток, на кото­рые давит реак­тив­ный поток, при­водя тур­бину во вра­ще­ние. Тур­бина в свою оче­редь вра­щает вал, на кото­ром “сидят” вен­тил­ля­тор и ком­прес­сор. Таким обра­зом система замы­ка­ется и тре­бует лишь под­вода топ­лива и воз­духа для сво­его функционироваия.

После тур­бины поток направ­ля­ется в сопло. Сопло реак­тив­ного дви­га­теля — послед­няя, но далеко не по зна­че­нию часть реак­тив­ного дви­га­теля. Оно фор­ми­рует непо­сред­ственно реак­тив­ную струю. В сопло направ­ля­ется холод­ный воз­дух, нагне­та­е­мый вен­тил­ля­то­ром для охла­жде­ния внут­рен­них дета­лей дви­га­теля. Этот поток огра­ни­чи­вает ман­жету сопла от сверх­го­ря­чего реак­тив­ного потока и ее дает ей расплавится.

Откло­ня­е­мый век­тор тяги

Сопла у реак­тив­ных дви­га­те­лей бывают самые раз­ные. Самым пере­до­вым счи­тает подвиж­ное сопло, сто­я­щее на дви­га­те­лях с откло­ня­е­мым век­то­ром тяги. Оно может сжи­маться и рас­ши­рятся, а также откло­нятся на зна­чи­тель­ные углы, регу­ли­руя и направ­ляя непо­сред­ственно реак­тив­ный поток. Это делает само­леты с дви­га­те­лями с откло­ня­е­мым век­то­ром тяги очень манев­рен­ными, т.к. манев­ри­ро­ва­ние про­ис­хо­дит не только бла­го­даря меха­низ­мам крыла, но и непо­сред­ственно двигателем.

Типы реак­тив­ных двигателей

Клас­си­че­ский реак­тив­ный дви­га­тель само­лета F-15

Клас­си­че­ский реак­тив­ный дви­га­тель — прин­ци­пи­аль­ное устрой­ство кото­рого мы опи­сы­али выше. Исполь­зу­ется в основ­ном на истре­би­те­лях в раз­лич­ных модификациях.

Тур­бо­вин­то­вой дви­га­тель. В этом типе дви­га­теля мощ­ность тур­бины через пони­жа­ю­щий редук­тор направ­ля­ется на вра­ще­ние клас­си­че­ского винта. Такие дви­га­тели поз­во­лят боль­шим само­ле­там летать на при­ем­ле­мых ско­ро­стях и тра­тить меньше горю­чего. Нор­маль­ной крей­сер­ской ско­ро­стью тур­бо­вин­то­вого само­лета счи­та­ется  600—800 км/ч.

Пря­мо­точ­ный воздушно-реактивный дви­га­тель (Ramjet)

Пря­мо­точ­ный воздушно-реактивный двигатель

Рабо­тает без подвиж­ных дета­лей. Воз­дух нагне­та­ется в камеру сго­ра­ния есте­ствен­ным спо­со­бом, за счет тор­мо­же­ния потока об обте­ка­тель вход­ного отверстия.

Далее все про­ис­хо­дит так же как в обыч­ном реак­тив­ном дви­га­теле — воз­дух сме­ши­ва­ется с горю­чим и выхо­дит в виде реак­тив­ной струи из сопла.

Исполь­зо­вался на поез­дах, само­ле­тах, БЛА, и в бое­вых раке­тах, а также на вело­си­пе­дах и скутерах.

И напо­сле­док — видео работы реак­тив­ного дви­га­теля:

Кар­тинки взяты из раз­лич­ных источ­ни­ков. Руси­фи­ка­ция кар­ти­нок — Лабо­ра­тори 37.

Источники: http://military-industry.ru/missilery/1425, http://lab-37.com/science_world/turbojet/






Комментариев пока нет!

Поделитесь своим мнением