Tipuri de motoare cu turbine cu gaz. Unități de turbine cu gaz bazate pe motoare de aeronave convertite

„Turbocompresor”, „turboavioane”, „turbopropulsoare” - acești termeni au devenit ferm stabiliți în lexicul inginerilor din secolul XX implicați în proiectarea și întreținerea vehiculelor și a instalațiilor electrice staționare. Sunt folosite chiar și în domenii conexe și în publicitate, atunci când doresc să dea unui nume de produs un indiciu de putere și eficiență deosebită. În aviație, rachete, nave și centrale electrice, cea mai frecvent utilizată turbină cu gaz. Cum functioneazã? Funcționează cu gaz natural (cum ați putea crede din nume) și cum sunt? Cum este o turbină diferită de alte tipuri de motoare cu ardere internă? Care sunt avantajele și dezavantajele sale? În acest articol se încearcă să se răspundă la aceste întrebări cât mai complet posibil.

Liderul ingineriei rus UEC

Rusia, spre deosebire de multe alte state independente care au apărut după prăbușirea URSS, a reușit să păstreze în mare măsură industria construcțiilor de mașini. În special, compania „Saturn” este angajată în producția de centrale electrice pentru scopuri speciale. Turbinele cu gaz ale acestei companii sunt folosite în construcții navale, industria materiilor prime și energie. Produsele sunt de înaltă tehnologie, necesită o abordare specială în timpul instalării, depanării și exploatării, precum și cunoștințe speciale și echipamente costisitoare pentru întreținerea programată. Toate aceste servicii sunt disponibile clienților UEC - Turbine cu gaz, așa cum se numește astăzi. Nu există atât de multe astfel de întreprinderi în lume, deși principiul dispozitivului produselor principale este simplu la prima vedere. Experiența acumulată este de mare importanță, ceea ce face posibilă luarea în considerare a multor subtilități tehnologice, fără de care este imposibil să se realizeze funcționarea durabilă și fiabilă a unității. Iată doar o parte din gama de produse UEC: turbine cu gaz, centrale electrice, unități de pompare cu gaz. Printre clienți se numără Rosatom, Gazprom și alte „balene” din industria chimică și inginerie energetică.

Fabricarea unor astfel de mașini complexe necesită o abordare individuală în fiecare caz. Calculul unei turbine cu gaz este în prezent complet automatizat, dar materialele și caracteristicile schemelor electrice contează în fiecare caz.

Totul a început atât de simplu...

Căutări și abur

Primele experimente de conversie a energiei de translație a fluxului în forță de rotație au fost efectuate de omenire în antichitate, folosind o roată de apă obișnuită. Totul este extrem de simplu, un lichid curge de sus în jos, lamele sunt plasate în curgerea lui. Roata, echipată cu ele în jurul perimetrului, se întoarce. Moara de vânt funcționează la fel. Apoi a venit epoca aburului, iar rotația roții s-a accelerat. Apropo, așa-numitul „eolipil”, inventat de stârcul grec antic cu aproximativ 130 de ani înainte de nașterea lui Hristos, era o mașină cu abur care funcționează exact pe acest principiu. De fapt, a fost prima turbină cu gaz cunoscută științei istorice (la urma urmei, aburul este starea gazoasă de agregare a apei). Astăzi, se obișnuiește să se separe aceste două concepte. Invenția lui Heron a fost apoi reacţionată în Alexandria fără prea mult entuziasm, deși cu curiozitate. Echipamentele industriale de tip turbină au apărut abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, după crearea primei unități de putere activă din lume echipată cu duză de către suedezul Gustaf Laval. Inginerul Parsons a lucrat în aproximativ aceeași direcție, echipând mașina sa cu mai multe etape conectate funcțional.

Nașterea turbinelor cu gaz

Cu un secol mai devreme, un anume John Barber a avut o idee genială. De ce să încălziți mai întâi aburul? Nu este mai ușor să folosiți direct gazele de eșapament generate în timpul arderii combustibilului și, prin urmare, să eliminați medierea inutilă în procesul de conversie a energiei? Așa a apărut prima turbină cu gaz adevărată. Brevetul din 1791 prezintă ideea de bază pentru utilizarea într-o trăsură fără cai, dar elementele sale sunt astăzi folosite în motoarele moderne de rachete, tancuri de avioane și de automobile. Începutul procesului de motor cu reacție a fost dat în 1930 de Frank Whittle. I-a venit ideea să folosească o turbină pentru a propulsa un avion. Mai târziu, ea a găsit dezvoltarea în numeroase proiecte cu turbopropulsoare și turborreactor.

Turbina cu gaz Nikola Tesla

Celebrul om de știință-inventator a abordat întotdeauna problemele studiate într-un mod neconvențional. Pentru toată lumea părea evident că roțile cu lame sau lame „prind” mișcarea mediului mai bine decât obiectele plate. Tesla, în maniera sa obișnuită, a dovedit că, dacă un sistem rotor este asamblat din discuri, situate pe axă în serie, atunci datorită ridicării straturilor limită de către fluxul de gaz, acesta nu se va roti mai rău și, în unele cazuri chiar mai bună decât o elice cu mai multe pale. Adevărat, direcția mediului în mișcare ar trebui să fie tangențială, ceea ce în unitățile moderne nu este întotdeauna posibil sau de dorit, dar designul este simplificat semnificativ - nu are deloc nevoie de lame. O turbină cu gaz conform schemei Tesla nu este încă construită, dar poate că ideea așteaptă doar timpul.

Diagramă schematică

Acum despre structura fundamentală a mașinii. Este o combinație între un sistem rotativ montat pe o axă (rotor) și o parte fixă ​​(stator). Pe arbore este plasat un disc cu palete de rotor care formează o rețea concentrică; acestea sunt expuse gazului furnizat sub presiune prin duze speciale. Apoi gazul expandat intră în rotor, echipat și cu palete, numite pale de lucru. Pentru admisia amestecului aer-combustibil și evacuarea (evacuare) se folosesc conducte speciale. În schema generală este implicat și un compresor. Se poate realiza dupa diferite principii, in functie de presiunea de lucru ceruta. Pentru funcționarea sa, o parte din energie este preluată de pe axă, care merge la comprimarea aerului. O turbină cu gaz funcționează prin arderea unui amestec aer/combustibil, însoțită de o creștere semnificativă a volumului. Arborele se rotește, energia sa poate fi folosită în mod benefic. O astfel de schemă se numește un singur circuit, dar dacă se repetă, atunci este considerată cu mai multe etape.

Avantajele turbinelor de avioane

De la mijlocul anilor cincizeci, a apărut o nouă generație de aeronave, inclusiv avioane de pasageri (în URSS, acestea sunt Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 etc. ), în modelele cărora motoarele cu piston ale aeronavelor au fost înlocuite definitiv și irevocabil cu cele cu turbină. Acest lucru indică eficiența mai mare a acestui tip de centrale electrice. Caracteristicile unei turbine cu gaz depășesc parametrii motoarelor cu carburator în multe privințe, în special în ceea ce privește raportul putere / greutate, care este de o importanță capitală pentru aviație, precum și în indicatorii la fel de importanți ai fiabilității. Consum mai mic de combustibil, mai puține piese în mișcare, performanță mai bună asupra mediului, zgomot și vibrații reduse. Turbinele sunt mai puțin critice pentru calitatea combustibilului (ceea ce nu se poate spune despre sistemele de combustibil), sunt mai ușor de întreținut și nu necesită mult ulei lubrifiant. În general, la prima vedere se pare că nu sunt compuse din metal, ci din merite solide. Din păcate, acesta nu este cazul.

Motoarele cu turbină cu gaz au și dezavantaje

Turbina cu gaz se încălzește în timpul funcționării și transferă căldură elementelor structurale din jur. Acest lucru este deosebit de critic, din nou în aviație, atunci când se utilizează o schemă de aspect redirecționat, care implică spălarea părții inferioare a unității de coadă cu un curent cu jet. Și carcasa motorului în sine necesită izolație termică specială și utilizarea unor materiale refractare speciale care pot rezista la temperaturi ridicate.

Răcirea turbinelor cu gaz este o provocare tehnică. Nu este de glumă, aceștia funcționează în modul unei explozii de fapt permanentă care are loc în carenă. Eficiența în unele moduri este mai mică decât cea a motoarelor cu carburator, totuși, la utilizarea unui circuit cu două circuite, acest dezavantaj este eliminat, deși designul devine mai complicat, ca în cazul includerii compresoarelor „booster” în circuit. Accelerația turbinelor și atingerea modului de funcționare durează ceva timp. Cu cât unitatea pornește și se oprește mai des, cu atât se uzează mai repede.

Aplicare corectă

Ei bine, niciun sistem nu este complet fără defecte. Este important să găsim o astfel de aplicare a fiecăruia dintre ele, în care meritele sale să se manifeste mai viu. De exemplu, tancuri precum American Abrams, care sunt alimentate de o turbină cu gaz. Poate fi alimentat cu orice arde, de la benzină cu octan mare până la whisky, și oferă multă putere. Un exemplu, poate nu prea reușit, din moment ce experiența de utilizare în Irak și Afganistan a demonstrat vulnerabilitatea palelor compresorului la efectele nisipului. Turbinele cu gaz trebuie reparate în SUA, la o fabrică de producție. Luați rezervorul acolo, apoi înapoi și costul serviciului în sine, plus accesorii...

Elicopterele, țările rusești, americane și din alte țări, precum și bărcile cu motor puternice, suferă mai puțin de blocaje. Rachetele lichide sunt indispensabile.

Navele de război moderne și navele civile au, de asemenea, motoare cu turbină cu gaz. Și, de asemenea, energie.

Centrale electrice trigeneratoare

Problemele cu care se confruntă producătorii de avioane sunt de îngrijorare mai mică pentru cei care produc echipamente industriale pentru generarea de energie. Greutatea în acest caz nu mai este atât de importantă și vă puteți concentra pe parametri precum eficiența și eficiența generală. Seturile de generatoare cu turbine cu gaz au un cadru masiv, un cadru de încredere și lame mai groase. Este foarte posibil să se utilizeze căldura generată utilizând-o pentru o mare varietate de nevoi, de la reciclarea secundară în sistemul propriu-zis, până la încălzirea spațiilor casnice și alimentarea cu energie termică a unităților frigorifice de tip absorbție. Această abordare se numește trigenerare, iar eficiența în acest mod este aproape de 90%.

Centrale nucleare

Pentru o turbină cu gaz, nu are nicio diferență fundamentală care este sursa mediului încălzit, care își dă energia palelor sale. Poate fi un amestec aer-combustibil ars, sau doar abur supraîncălzit (nu neapărat apă), atâta timp cât asigură alimentare neîntreruptă. În esență, centralele electrice ale tuturor centralelor nucleare, submarinelor, portavionului, spărgătoarelor de gheață și ale unor nave militare de suprafață (crucișătorul cu rachete Peter the Great, de exemplu) se bazează pe o turbină cu gaz (GTU) rotită cu abur. Problemele de siguranță și de mediu sunt dictate de un circuit primar închis. Aceasta înseamnă că agentul termic primar (în primele probe acest rol a fost jucat de plumb, acum a fost înlocuit cu parafină), nu părăsește zona reactorului, curgând în jurul elementelor de combustibil într-un cerc. Substanța de lucru este încălzită în circuitele ulterioare, iar dioxidul de carbon, heliul sau azotul evaporat rotește roata turbinei.

Aplicație largă

Instalațiile complexe și mari sunt aproape întotdeauna unice, producția lor se realizează în serii mici sau, în general, se fac exemplare unice. Cel mai adesea, unitățile produse în cantități mari sunt folosite în sectoare pașnice ale economiei, de exemplu, pentru pomparea hidrocarburilor prin conducte. Acestea sunt cele produse de compania UEC sub marca Saturn. Turbinele cu gaz ale stațiilor de pompare sunt pe deplin în concordanță cu numele lor. Ei pompează într-adevăr gazul natural folosind propria energie pentru munca lor.

Adăugați la Favorite la Favorite din Favorite 0

Interesant articol vintage care cred că îi va interesa pe colegi.

AVANTAJELE EI

Avionul urlă în albastrul transparent al cerului. Oamenii se opresc, acoperându-și ochii de soare cu palmele, căutându-l între rarele insule de nori. Dar ei nu o pot găsi. Poate un nor îl ascunde sau a zburat atât de sus încât este deja invizibil cu ochiul liber? Nu, cineva l-a văzut deja și își arată vecinul cu mâna - deloc în direcția în care se uită ceilalți. Subțire, cu aripile aruncate înapoi, ca o săgeată, zboară atât de repede încât zgomotul zborului său ajunge la sol dintr-un punct în care avionul a dispărut de mult. Sunetul pare să rămână în urma lui. Și avionul, ca și cum ar fi zbătut în elementul său nativ, brusc brusc, aproape vertical, decolează în sus, se răstoarnă, cade ca o piatră și din nou mătură rapid pe orizontală ... Acesta este un avion cu reacție.

Componenta principală a motorului cu reacție, care conferă aeronavei această viteză extrem de mare, aproape egală cu viteza sunetului, este turbina cu gaz. În ultimii 10-15 ani, a urcat în avion, iar viteza păsărilor artificiale a crescut cu patru până la cinci sute de kilometri. Cele mai bune motoare cu piston nu ar putea oferi astfel de viteze pentru aeronavele de producție. Cum funcționează acest motor uimitor, care a oferit aviației un pas atât de mare înainte, acest cel mai nou motor - o turbină cu gaz?

Și apoi se dovedește brusc că turbina cu gaz nu este în niciun caz cel mai nou motor. Se pare că în secolul trecut au existat proiecte pentru motoare cu turbine cu gaz. Dar până la un timp, determinat de nivelul de dezvoltare tehnologică, o turbină cu gaz nu putea concura cu alte tipuri de motoare. Acest lucru se întâmplă în ciuda faptului că turbina cu gaz are o serie de avantaje față de acestea.

Să comparăm o turbină cu gaz, de exemplu, cu un motor cu abur. Simplitatea structurii sale în această comparație atrage imediat atenția. O turbină cu gaz nu necesită un cazan de abur elaborat și voluminos, un condensator imens și multe alte mecanisme auxiliare.

Dar nici un motor cu ardere internă cu piston convențional nu are boiler sau condensator. Care sunt avantajele unei turbine cu gaz față de un motor cu piston, pe care l-a eliminat atât de rapid din aeronavele de mare viteză?

Faptul că un motor cu turbină cu gaz este un motor extrem de ușor. Greutatea sa pe unitatea de putere este semnificativ mai mică decât cea a altor tipuri de motoare.

În plus, nu are piese în mișcare translațională - pistoane, biele etc., care limitează turația motorului. Acest avantaj, care nu pare atât de important persoanelor care nu sunt deosebit de apropiate de tehnologie, se dovedește adesea a fi decisiv pentru inginer.

Turbina cu gaz are un alt avantaj copleșitor față de alte motoare cu ardere internă. Poate funcționa cu combustibili solizi. În plus, eficiența sa va fi nu mai mică, ci mai mare decât cea a celui mai bun motor cu combustie internă cu piston, care funcționează cu combustibil lichid scump.

Ce fel de eficiență poate oferi o turbină cu gaz?

Se dovedește că deja cea mai simplă instalație de turbină cu gaz, care poate funcționa pe gaz cu o temperatură în fața turbinei de 1250-1300 ° C, va avea o eficiență de aproximativ 40-45%. Dacă complicăm instalarea, folosim regeneratoare (folosesc căldura gazelor reziduale pentru a încălzi aerul), folosim răcirea intercalată și arderea în mai multe etape, puteți obține eficiența unei turbine cu gaz de ordinul 55-60%. Aceste cifre arată că o turbină cu gaz poate depăși cu mult toate tipurile de motoare existente din punct de vedere economic. Prin urmare, victoria turbinei cu gaz în aviație ar trebui privită doar ca prima victorie a acestui motor, urmată de altele: în transportul feroviar - asupra unei mașini cu abur, în inginerie electrică staționară - asupra unei turbine cu abur. Turbina cu gaz ar trebui considerată principalul motor al viitorului apropiat.

DEZAVANTAJELE EI

Structura de bază a unei turbine cu gaz de aviație astăzi nu este complicată (vezi diagrama de mai jos). Un compresor este situat pe același arbore cu turbina cu gaz, care comprimă aerul și îl direcționează în camerele de ardere. De aici, gazul intră în paletele turbinei, unde o parte din energia sa este transformată în lucru mecanic necesar pentru a roti compresorul și dispozitivele auxiliare, în primul rând pompa pentru alimentarea continuă cu combustibil a camerelor de ardere. O altă parte a energiei gazului este transformată deja în duza cu jet, creând împingerea jetului. Uneori sunt realizate turbine care generează mai multă putere decât este necesară pentru a antrena compresorul și a antrena dispozitivele auxiliare; partea în exces din această energie este transferată prin cutia de viteze către elice. Există motoare cu turbină cu gaz pentru avioane echipate atât cu o elice, cât și cu o duză cu reacție.

O turbină cu gaz staționară nu diferă fundamental de una de aviație, doar că în loc de elice, rotorul unui generator electric este atașat de arborele acestuia și gazele de ardere nu sunt emise în duza cu jet, dar la limita maximă posibilă dau. energia conţinută în ele către palele turbinei. În plus, o turbină cu gaz staționară, care nu este legată de cerințe stricte pentru dimensiuni și greutate, are o serie de dispozitive suplimentare care îi măresc eficiența și reduc pierderile.

Turbina cu gaz este o mașină de înaltă performanță. Am menționat deja temperatura dorită a gazelor în fața palelor rotorului său - 1250-1300 °. Acesta este punctul de topire al oțelului. Gazul se mișcă cu o viteză de câteva sute de metri pe secundă, încălzit la o astfel de temperatură în duzele și paletele turbinei. Rotorul său face peste o mie de rotații pe minut. O turbină cu gaz este un flux de gaz incandescent orchestrat în mod deliberat. Traseele fluxurilor de foc care se deplasează în duze și între paletele turbinei sunt precis predeterminate și calculate de către proiectanți.

Turbina cu gaz este o mașină de înaltă precizie. Lagărele unui arbore care face mii de rotații pe minut trebuie să fie realizate la cea mai înaltă clasă de precizie. Nici cel mai mic dezechilibru nu poate fi tolerat în rotorul care se rotește la această viteză, altfel bătăile vor distruge mașina. Cerințele pentru metalul lamelor trebuie să fie extrem de ridicate - forțele centrifuge îl tensionează la limită.

Aceste caracteristici ale turbinei cu gaz au încetinit parțial implementarea acesteia, în ciuda tuturor avantajelor sale mari. Într-adevăr, ce fel de materiale rezistente la căldură și rezistente la căldură ar trebui să fie pentru a rezista mult timp la cea mai grea muncă la temperatura de topire a oțelului? Tehnologia modernă nu cunoaște astfel de materiale.

Creșterea temperaturii datorită progreselor metalurgiei este foarte lentă. În ultimii 10-12 ani, au oferit o creștere a temperaturii cu 100-150 °, adică 10-12 ° pe an. Astfel, astăzi turbinele noastre staționare cu gaz ar putea funcționa (dacă nu ar exista alte modalități de a face față temperaturilor ridicate) la doar aproximativ 700 ° C. Eficiența ridicată a turbinelor cu gaz staționare poate fi asigurată doar la o temperatură mai ridicată a gazelor de lucru. Dacă metalurgiștii cresc rezistența la căldură a materialelor în același ritm (ceea ce este în general îndoielnic), abia peste cincizeci de ani vor asigura funcționarea turbinelor cu gaz staționare.

Inginerii de astăzi merg pe o altă cale. Este necesar să se răcească, spun ei, elementele turbinei cu gaz, care sunt spălate de gaze fierbinți. Acest lucru se aplică în primul rând duzelor și palelor rotorului turbinei cu gaz. Și în acest scop, au fost propuse o serie de soluții diverse.

Așadar, se propune ca paletele să se golească și să le răcească din interior fie cu aer rece, fie cu lichid. Există o altă propunere - de a sufla aer rece în jurul suprafeței lamei, creând o peliculă de protecție rece în jurul acesteia, ca și cum ar fi pus lama într-o cămașă de aer rece. În cele din urmă, puteți face o lamă dintr-un material poros și prin acești pori furnizați din interior un lichid de răcire, astfel încât lama să „transpire”, parcă. Dar toate aceste propuneri sunt foarte complexe în cazul unei soluții constructive directe.

Mai există o problemă tehnică nerezolvată în proiectarea turbinelor cu gaz. La urma urmei, unul dintre principalele avantaje ale unei turbine cu gaz este că poate funcționa cu combustibil solid. În acest caz, cel mai convenabil este să ardeți combustibilul solid atomizat direct în camera de ardere a turbinei. Dar se dovedește că nu știm cum să separăm eficient particulele solide de cenușă și zgură de gazele de ardere. Aceste particule cu o dimensiune mai mare de 10-15 microni, împreună cu un flux de gaze incandescente, cad pe paletele turbinei și le zgârie și le distrug suprafața. Curățarea radicală a gazelor de ardere din particulele de cenușă și zgură sau arderea combustibilului atomizat astfel încât să se formeze particule solide mai mici de 10 microni - aceasta este o altă sarcină care trebuie rezolvată pentru ca o turbină cu gaz să „coboare din cer pe pământ”.

ÎN AVIAȚIE

Dar cum rămâne cu aviația? De ce eficiența unei turbine cu gaz este mai mare pe cer la aceleași temperaturi ale gazelor mai mult decât pe sol? Pentru că principalul criteriu pentru eficiența funcționării sale nu este de fapt temperatura gazelor de ardere, ci raportul dintre această temperatură și temperatura aerului exterior. Și la înălțimile stăpânite de aviația noastră modernă, aceste temperaturi sunt întotdeauna relativ scăzute.

Datorită acestui fapt, turbina cu gaz în aviație a devenit principalul tip de motor în prezent. Acum avioanele de mare viteză au abandonat motorul cu piston. Avioanele cu rază lungă de acțiune folosesc o turbină cu gaz sub forma unei turbine cu gaz cu jet de aer sau a unui motor turbopropulsor. În aviație, avantajele turbinei cu gaz față de alte motoare în ceea ce privește dimensiunea și greutatea au fost deosebit de pronunțate.

Și aceste avantaje, exprimate în limbajul exact al numerelor, sunt aproximativ după cum urmează: un motor cu piston aproape de sol are o greutate de 0,4-0,5 kg la 1 CP, un motor cu turbină cu gaz - 0,08-0,1 kg la 1 CP. -condiții de altitudine, să zicem la o altitudine de 10 km, motorul cu piston devine de zece ori mai greu decât un motor cu reacție aer cu turbină cu gaz.

În prezent, recordul mondial oficial de viteză pentru un avion cu turboreacție este de 1212 km/h. Avioanele sunt, de asemenea, proiectate pentru viteze mult mai mari decât viteza sunetului (reamintim că viteza sunetului la sol este de aproximativ 1220 km/h).

Chiar și din cele spuse, este clar ce motor revoluționar este turbina cu gaz în aviație. Istoria nu a cunoscut încă cazuri când într-o perioadă atât de scurtă (10-15 ani) un nou tip de motor a înlocuit complet un alt tip, perfect de motor în tot domeniul tehnologiei.

CU LOCOMOTIVA

De la însăși apariția căilor ferate și până la sfârșitul secolului trecut, mașina cu abur - locomotiva cu abur - a fost singurul tip de locomotivă de cale ferată. La începutul secolului nostru a apărut o locomotivă nouă, mai economică și perfectă - locomotiva electrică. În urmă cu aproximativ treizeci de ani, pe căile ferate au apărut și alte tipuri noi de locomotive - locomotive diesel și locomotive cu turbină cu abur.

Desigur, locomotiva cu abur a suferit multe modificări semnificative pe parcursul existenței sale. S-a schimbat și designul său, iar parametrii principali - viteza, greutatea, puterea - s-au schimbat și ei. Caracteristicile de tracțiune și inginerie termică ale locomotivelor cu abur s-au îmbunătățit constant, ceea ce a fost facilitat de introducerea unei temperaturi crescute a aburului supraîncălzit, încălzirea apei de alimentare, încălzirea aerului furnizat cuptorului, utilizarea încălzirii cu cărbune pulverizat etc. , randamentul locomotivelor cu abur este inca foarte scazut si ajunge doar la 6-8%.

Se știe că transportul feroviar, în principal locomotive cu abur, consumă aproximativ 30-35 ° / cam tot cărbunele extras în țară. O creștere a eficienței locomotivelor cu abur cu doar câteva procente ar însemna o economie uriașă, în valoare de zeci de milioane de tone de cărbune extras din pământ prin munca grea a minerilor.

Eficiența scăzută este principalul și cel mai semnificativ dezavantaj al unei locomotive cu abur, dar nu singurul. După cum știți, un motor cu abur este folosit ca motor pe o locomotivă cu abur, una dintre unitățile principale ale cărei unități este un mecanism biela-manivelă. Acest mecanism este o sursă de forțe dăunătoare și periculoase care acționează pe calea ferată, ceea ce limitează puternic puterea locomotivelor cu abur.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că motorul cu abur este prost potrivit pentru a lucra cu parametri mari de abur. La urma urmei, lubrifierea cilindrului unui motor cu abur este de obicei efectuată prin stropirea uleiului în abur proaspăt, iar uleiul are o rezistență la temperatură relativ scăzută.

Ce se poate obține dacă o turbină cu gaz este folosită ca motor de locomotivă?

Ca motor de tracțiune, o turbină cu gaz are o serie de avantaje față de mașinile cu piston - abur și combustie internă. Turbina cu gaz nu necesită alimentare cu apă și răcire cu apă și consumă o cantitate absolut nesemnificativă de lubrifiant. Turbina cu gaz funcționează cu succes cu combustibil lichid de calitate scăzută și poate funcționa cu combustibil solid - cărbune. Combustibilul solid dintr-o turbină cu gaz poate fi ars, în primul rând, sub formă de gaz, după ce a fost gazeificat în prealabil în așa-numitele generatoare de gaz. Combustibilul solid poate fi ars sub formă de praf și direct în camera de ardere.

O singură dezvoltare a arderii combustibilului solid în turbinele cu gaz fără o creștere semnificativă a temperaturii gazului și chiar fără instalarea de schimbătoare de căldură va face posibilă construirea unei locomotive cu turbină cu gaz cu o eficiență operațională de aproximativ 13-15% în loc de randamentul celor mai bune locomotive cu abur de 6-8%.

Vom obține un efect economic uriaș: în primul rând, o locomotivă cu turbină cu gaz va putea folosi orice combustibil, inclusiv amenzi (o locomotivă cu abur convențională funcționează mult mai rău pentru amenzi mici, deoarece antrenarea în conductă în acest caz poate ajunge la 30-40% ), iar în al doilea rând, și cel mai important, consumul de combustibil va fi redus de 2-2,5 ori, ceea ce înseamnă că 15-18% din toată producția de cărbune din Uniune, care este cheltuită pe locomotive cu abur, va fi eliberată de la 30-35% . După cum se poate observa din cifrele de mai sus, înlocuirea locomotivelor cu abur cu locomotive cu turbină cu gaz va da un efect economic colosal.

LA CENTRALE ELECTRICE

Centralele termocentrale mari sunt al doilea cel mai important consumator de cărbune. Aceștia consumă aproximativ 18-20% din cantitatea totală de cărbune extrasă în țara noastră. La centralele regionale moderne, doar turbinele cu abur funcționează ca motor, a căror putere într-o unitate ajunge la 150 mii kW.

Într-o instalație staționară cu turbine cu gaz, aplicând toate metodele posibile de creștere a eficienței funcționării acesteia, s-ar putea obține o eficiență de ordinul 55-60%, adică de 1,5-1,6 ori mai mare decât cea a celui mai bun abur. centrale cu turbine, astfel incat din punct de vedere al economiei avem aici din nou superioritatea turbinei cu gaz.

Există multe îndoieli cu privire la posibilitatea creării de turbine cu gaz de capacități mari de ordinul 100-200 mii kW, mai ales că în prezent cea mai puternică turbină cu gaz are o capacitate de doar 27 mii kW. Principala dificultate în crearea unei turbine de mare capacitate apare în proiectarea ultimei etape a turbinei.

Turbina cu gaz reală poate fi în instalațiile cu turbine cu gaz ca o singură treaptă (duză și un disc cu palete de rotor) și în mai multe trepte - ca și cum ar fi mai multe trepte separate conectate secvenţial. Pe parcursul fluxului de gaz în turbină de la prima treaptă până la ultima, dimensiunile discurilor și lungimea palelor rotorului cresc datorită creșterii volumului specific de gaz și ating valorile maxime la ultima etapă. Cu toate acestea, în funcție de condițiile de rezistență, lungimile palelor, care trebuie să reziste la solicitările forțelor centrifuge, nu pot depăși total anumite valori pentru un anumit număr de rotații ale turbinei și un anumit material al palelor. Aceasta înseamnă că la proiectarea ultimei etape
dimensiunile turbinei nu trebuie să depășească anumite valori limită. Aceasta este principala dificultate.

Calculele arată că turbinele cu gaz de mare și ultra-înaltă putere (aproximativ 100 mii kW) pot fi construite numai în condițiile unei creșteri brusce a temperaturii gazelor din fața turbinei. Inginerii au un fel de raport al densității puterii turbinei cu gaz, calculat în kW pe 1 mp. metru pătrat al ultimei trepte a turbinei. Pentru instalațiile cu turbine cu abur puternice cu o eficiență de aproximativ 35%, aceasta este egală cu 16,5 mii kW pe metru pătrat. m. Pentru turbinele cu gaz cu o temperatură a gazului de ardere de 600 °, este de numai 4 mii pe mp. m. În consecință, eficiența unor astfel de instalații cu turbine cu gaz din cea mai simplă schemă nu depășește 22%. Este necesar să se ridice temperatura cutiilor de la turbină la 1150 °, deoarece factorul de putere specific crește la 18 mii kW pe mp. m., iar eficiența, respectiv, până la 35%. Pentru o turbină cu gaz mai avansată, care funcționează cu o temperatură a gazului în anii 1300, aceasta crește deja la 42,5 mii pe metru pătrat. m, iar eficiența, respectiv, până la 53,5%!

CU MAȘINA

După cum știți, motorul principal al tuturor mașinilor este motorul cu ardere internă. Cu toate acestea, în ultimii cinci până la opt ani, au apărut prototipuri atât de camioane, cât și de mașini cu o turbină cu gaz. Acest lucru confirmă încă o dată că turbina cu gaz va fi motorul viitorului apropiat în multe domenii ale economiei naționale.

Care sunt beneficiile unei turbine cu gaz ca motor de automobile?

Prima este lipsa unei cutii de viteze. Turbina pe gaz cu două arbori are caracteristici excelente de tracțiune, dezvoltând efort maxim la pornire. Ca rezultat, obținem un răspuns excelent la accelerația mașinii.

O turbină de automobile funcționează cu combustibil ieftin și are dimensiuni mici. Dar, din moment ce turbina cu gaz auto este încă un tip de motor foarte tânăr, designerii care încearcă să creeze un motor care să concureze cu un motor cu piston se confruntă în mod constant cu multe probleme care trebuie abordate.

Un dezavantaj major al tuturor turbinelor cu gaz auto existente în comparație cu motoarele cu combustie internă alternativă este eficiența lor scăzută. Mașinile necesită motoare de putere relativ scăzută, chiar și un camion de 25 de tone are un motor de aproximativ 300 CP. sec., iar această putere este foarte mică pentru o turbină cu gaz. Pentru o astfel de putere, turbina se dovedește a fi de dimensiuni foarte mici, drept urmare eficiența instalației va fi scăzută (12-15%), în plus, scade brusc odată cu scăderea sarcinii.

Pentru a aprecia dimensiunile pe care le poate avea o turbină cu gaz a unei mașini, prezentăm următoarele date: volumul ocupat de o astfel de turbină cu gaz este de aproximativ de zece ori mai mic decât volumul unui motor cu piston de aceeași putere. Turbina trebuie realizată cu un număr mare de rotații (aproximativ 30-40 mii rpm) și în unele cazuri chiar mai mare (până la 50 mii rpm). Până acum, viteze atât de mari sunt greu de stăpânit.

Astfel, eficiența scăzută și dificultățile de proiectare cauzate de viteza mare și dimensiunea redusă a turbinei cu gaz sunt principala frână la instalarea turbinei cu gaz pe mașină.

Perioada de timp actuală este o perioadă de naștere pentru o turbină cu gaz de automobile, dar timpul nu este departe când va fi creată o unitate de turbină cu gaz de putere redusă extrem de economică. Se vor deschide perspective uriașe pentru o turbină cu gaz de automobile care funcționează pe combustibil solid, deoarece transportul cu motor este unul dintre cei mai încapați consumatori de combustibil lichid, iar conversia transportului auto în cărbune va avea un efect economic național uriaș.

Ne-am familiarizat pe scurt cu acele domenii ale economiei naționale în care turbina cu gaz ca motor a luat deja sau poate să-și ia locul cuvenit în curând. Există o serie de alte industrii în care turbina cu gaz are asemenea avantaje față de alte motoare încât utilizarea sa este cu siguranță avantajoasă. Deci, de exemplu, există toate posibilitățile de utilizare pe scară largă a unei turbine cu gaz și pe nave, unde dimensiunile mici și parametrii de greutate sunt de mare importanță.

Oamenii de știință și inginerii sovietici lucrează cu încredere la îmbunătățirea turbinelor cu gaz și la eliminarea dificultăților structurale care împiedică utilizarea lor pe scară largă. Aceste dificultăți vor fi, fără îndoială, eliminate, iar atunci va începe introducerea decisivă a turbinei cu gaz în transportul feroviar și în energia staționară.

Va trece puțin timp, iar turbina cu gaz va înceta să mai fie motorul viitorului, dar va deveni motorul principal în diverse sectoare ale economiei naționale.

Unul dintre cele mai simple modele ale unui motor cu turbină cu gaz, pentru conceptul funcționării acestuia, poate fi reprezentat ca un arbore pe care se află două discuri cu pale, primul disc este un compresor, al doilea este o turbină, în intervalul dintre ei există o cameră de ardere.

Principiul de funcționare al unui motor cu turbină cu gaz:

O creștere a cantității de combustibil furnizat (adăugarea de „gaz”) determină generarea mai multor gaze de înaltă presiune, ceea ce, la rândul său, duce la o creștere a numărului de rotații ale turbinei și discului(lor) compresorului și, ca urmare, o creștere a cantității de aer pompat și a presiunii acestuia, ceea ce vă permite să introduceți în camera de ardere și să ardeți mai mult combustibil. Cantitatea de amestec aer-combustibil depinde direct de cantitatea de aer furnizată în camera de ardere. O creștere a numărului de ansambluri combustibile (amestec combustibil-aer) va duce la creșterea presiunii în camera de ardere și a temperaturii gazelor la ieșirea din camera de ardere și, ca urmare, permite crearea a mai multor energia gazelor emise direcționată spre rotirea turbinei și creșterea forței reactive.

Cu cât motorul este mai mic, cu atât viteza de rotație a arborelui (arborilor) trebuie să fie mai mare pentru a menține viteza liniară maximă a palelor, deoarece circumferința (traseul parcurs de palete într-o singură rotație) depinde direct de raza rotor. Viteza maximă a palelor turbinei determină presiunea maximă care poate fi atinsă, rezultând putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Arborele unui motor cu reacție se rotește la o frecvență de aproximativ 10.000 rpm și o microturbină - la o frecvență de aproximativ 100.000 rpm.

Pentru dezvoltarea în continuare a aeronavelor și a motoarelor cu turbine cu gaz, este rațional să se aplice noi dezvoltări în domeniul materialelor de înaltă rezistență și rezistente la căldură pentru a crește temperatura și presiunea. Utilizarea de noi tipuri de camere de ardere, sisteme de răcire, reducerea numărului și greutății pieselor și a motorului în ansamblu este posibilă în curs, utilizarea combustibililor alternativi, o schimbare în însăși prezentarea designului motorului.

Unitate de turbină cu gaz cu ciclu închis (GTU)

Într-un GTU cu ciclu închis, gazul de lucru circulă fără contact cu mediul. Încălzirea (în fața turbinei) și răcirea (în fața compresorului) a gazului se realizează în schimbătoare de căldură. Un astfel de sistem permite utilizarea oricărei surse de căldură (de exemplu, un reactor nuclear răcit cu gaz). Dacă arderea combustibilului este folosită ca sursă de căldură, atunci un astfel de dispozitiv se numește motor cu ardere externă. În practică, turbinele cu gaz cu ciclu închis sunt rareori utilizate.

Unitate de turbină cu gaz (GTU) cu ardere externă

IDEEA de a folosi motoare cu turbine cu gaz în automobile a apărut cu mult timp în urmă. Dar numai în ultimii ani designul lor a atins nivelul de perfecțiune care le dă dreptul de a exista.
Nivelul înalt de dezvoltare al teoriei motoarelor cu pale, al metalurgiei și al tehnologiei de producție oferă acum o oportunitate reală de a crea motoare de încredere cu turbină cu gaz, care pot înlocui cu succes motoarele cu piston cu ardere internă pe o mașină.
Ce este un motor cu turbină cu gaz?
În fig. este prezentată o diagramă schematică a unui astfel de motor. Un compresor rotativ, situat pe același arbore cu turbina cu gaz, atrage aer din atmosferă, îl comprimă și îl pompează în camera de ardere. Pompa de combustibil, antrenată de asemenea de arborele turbinei, pompează combustibil într-un injector situat în camera de ardere. Produșii gazoși de ardere intră prin paleta de ghidare pe paletele rotorului roții turbinei cu gaz și o forțează să se rotească într-o direcție definită. Gazele de evacuare din turbină sunt evacuate în atmosferă printr-o conductă de ramificație. Arborele turbinei cu gaz se rotește în rulmenți.
În comparație cu motoarele cu combustie internă alternativă, motorul cu turbină cu gaz are avantaje foarte semnificative. Adevărat, nici el nu este încă scutit de deficiențe, dar acestea sunt eliminate treptat pe măsură ce designul se dezvoltă.
Când se caracterizează o turbină cu gaz, în primul rând, trebuie remarcat faptul că aceasta, la fel ca o turbină cu abur, poate dezvolta viteze mari. Acest lucru face posibilă obținerea unei puteri semnificative de la motoare mult mai mici (comparativ cu piston) și de aproape 10 ori mai ușoare la motoarele cu greutate.
Mișcarea de rotație a arborelui este în esență singura mișcare într-o turbină cu gaz, în timp ce într-un motor cu ardere internă, pe lângă mișcarea de rotație a arborelui cotit, există o mișcare alternativă a pistonului, precum și o mișcare complexă a conexiunii. tijă. Motoarele cu turbină cu gaz nu necesită dispozitive speciale de răcire. Absența pieselor de frecare cu un număr minim de rulmenți asigură performanțe pe termen lung și fiabilitate ridicată a motorului cu turbină cu gaz.
Pentru a alimenta motorul cu turbină cu gaz, se folosește kerosen sau motorină.
Principalul motiv care împiedică dezvoltarea motoarelor cu turbine cu gaz pentru automobile este necesitatea de a limita artificial temperatura gazelor care intră în paletele turbinei. Aceasta reduce randamentul motorului si duce la un consum specific de combustibil crescut (cu 1 CP). Temperatura gazului trebuie să fie limitată pentru motoarele cu turbine cu gaz ale vehiculelor de pasageri și comerciale în intervalul 600-700 ° C, iar în turbinele aeronavelor până la 800-900 ° C, deoarece aliajele cu rezistență ridicată la căldură sunt încă foarte scumpe.
În prezent, există deja câteva modalități de a crește eficiența motoarelor cu turbine cu gaz prin răcirea palelor, folosind căldura gazelor de eșapament pentru a încălzi aerul care intră în camerele de ardere, producând gaze în generatoare cu piston liber extrem de eficiente care funcționează pe un compresor diesel. ciclu cu un raport de compresie ridicat și etc. Soluția la problema creării unui motor cu turbină cu gaz de automobile foarte eficient depinde în mare măsură de succesul lucrărilor în acest domeniu.

Schema schematică a unui motor cu turbină cu gaz cu doi arbori cu un schimbător de căldură

Majoritatea motoarelor de automobile existente cu turbine cu gaz sunt construite pe așa-numita schemă cu două arbori cu schimbătoare de căldură. Aici, o turbină specială 8 servește la antrenarea compresorului 1, iar o turbină de tracțiune 7 servește la antrenarea roților mașinii.Arborii turbinelor nu sunt interconectați. Gazele din camera de ardere 2 sunt mai întâi furnizate la paletele turbinei de antrenare a compresorului, iar apoi la paletele turbinei de tracțiune. Aerul forțat de compresor, înainte de a pătrunde în camerele de ardere, este încălzit în schimbătoarele de căldură 3 datorită căldurii degajate de gazele de evacuare. Utilizarea unei scheme cu doi arbori creează o caracteristică de tracțiune avantajoasă a motoarelor cu turbină cu gaz, ceea ce face posibilă reducerea numărului de trepte într-o cutie de viteze auto convențională și îmbunătățirea calităților dinamice ale acesteia.

Datorită faptului că arborele turbinei de tracțiune nu este conectat mecanic la arborele turbinei compresorului, viteza acestuia poate varia în funcție de sarcină fără a afecta semnificativ turația arborelui compresorului. Ca rezultat, caracteristica cuplului motorului cu turbină cu gaz are forma prezentată în fig., unde caracteristica motorului de automobile cu piston este de asemenea reprezentată pentru comparație (linie punctată).
Din diagramă se poate observa că pentru un motor cu piston, pe măsură ce numărul de rotații scade, ceea ce are loc sub influența unei sarcini în creștere, cuplul crește inițial ușor, apoi scade. În același timp, într-un motor cu turbină cu gaz cu doi arbori, cuplul crește automat pe măsură ce sarcina crește. Ca urmare, nevoia de a schimba cutia de viteze este eliminată sau apare mult mai târziu decât la un motor cu piston. Pe de altă parte, accelerația în timpul accelerării într-un motor cu turbină cu gaz cu doi arbori va fi mult mai mare.
Caracteristica unui motor cu turbină cu gaz cu un singur arbore diferă de cea prezentată în Fig. și, de regulă, inferioare, în ceea ce privește cerințele dinamicii mașinii, caracteristicile motorului cu piston (cu putere egală).

Motorul cu turbină cu gaz are perspective mari. În acest motor, gazul pentru turbină este generat într-un așa-numit generator cu piston liber, care este un motor diesel în doi timpi și un compresor alternativ combinate într-o unitate comună. Energia de la pistoanele diesel este transferată direct la pistoanele compresorului. Datorită faptului că mișcarea grupurilor de pistoane se efectuează exclusiv sub influența presiunii gazului și modul de mișcare depinde numai de cursul proceselor termodinamice în cilindrii diesel și compresor, o astfel de unitate se numește piston liber. În partea sa din mijloc se află un cilindru 4, deschis pe ambele părți, având o purjare cu fante cu flux direct, în care are loc un proces de lucru în doi timpi cu aprindere prin compresie. În cilindru, două pistoane se mișcă opus, dintre care unul 9 se deschide în timpul cursei de lucru, iar în timpul cursei de retur închide orificiile de evacuare tăiate în pereții cilindrului. Un alt piston 3 deschide și închide orificiile de purjare. Pistoanele sunt conectate între ele printr-un mecanism de sincronizare cu cremalieră sau pinion, care nu este prezentat în diagramă. Când se apropie, aerul prins între ele este comprimat; până la atingerea punctului mort, temperatura aerului comprimat devine suficientă pentru a aprinde combustibilul, care este injectat prin duza 5. În urma arderii combustibilului se formează gaze cu temperatură și presiune ridicată; ele forțează pistoanele să se despartă, în timp ce pistonul 9 deschide orificiile de evacuare prin care gazele se precipită în colectorul de gaz 7. Apoi se deschid orificiile de purjare prin care aerul comprimat pătrunde în cilindrul 4, deplasează gazele de evacuare din cilindru, amestecă. cu ele și intră și în colectorul de gaz. În timp ce porturile de evacuare rămân deschise, aerul comprimat are timp să elimine gazele de evacuare din cilindru și să-l umple, pregătind astfel motorul pentru următoarea cursă de putere.
Pistoanele 2 ale compresorului sunt conectate la pistoanele 3 și 9 și se deplasează în cilindrii lor. Odată cu cursa divergentă a pistoanelor, aerul este aspirat din atmosferă în cilindrii compresorului, în timp ce supapele de admisie cu acțiune automată 10 sunt deschise, iar orificiul de evacuare 11 este închis. Cu cursa opusă a pistoanelor, supapele de admisie sunt închise, iar supapele de evacuare sunt deschise, iar prin ele aerul este pompat în recipientul 6, care înconjoară cilindrul diesel. Pistoanele se deplasează unul către celălalt datorită energiei aerului acumulată în cavitățile tampon 1 în timpul cursei de lucru anterioare. Gazele din colectorul 7 intră în turbina de tracțiune 8, al cărei arbore este conectat la transmisie. Următoarea comparație a factorilor de eficiență arată că motorul cu turbină cu gaz descris este deja la fel de eficient ca motoarele cu ardere internă în ceea ce privește eficiența sa:
Diesel 0,26-0,35
Motor pe benzină 0,22-0,26
Turbină cu gaz cu camere de ardere cu volum constant fără schimbător de căldură 0,12-0,18
Turbină cu gaz cu camere de ardere de volum constant cu schimbător de căldură 0,15-0,25
Turbină cu gaz cu generator de gaz cu piston liber 0,25-0,35

Astfel, eficiența celor mai bune mostre de turbine nu este inferioară eficienței motoarelor diesel. Prin urmare, nu este o coincidență că numărul vehiculelor experimentale cu turbină cu gaz de diferite tipuri crește în fiecare an. Toate firmele noi din diferite țări își anunță munca în acest domeniu.

Acest motor cu două camere, fără schimbător de căldură, are o putere efectivă de 370 CP. cu. Este alimentat cu kerosen. Viteza de rotație a arborelui compresorului atinge 26.000 rpm, iar viteza de rotație a arborelui turbinei de tracțiune variază de la 0 la 13.000 rpm. Temperatura gazelor care intră în paletele turbinei este de 815 ° C, presiunea aerului la ieșirea compresorului este de 3,5 atm. Greutatea totală a centralei destinate unei mașini de curse este de 351 kg, partea producătoare de gaz cântărind 154 kg, iar partea de tracțiune cu cutie de viteze și transmisie la roțile motoare - 197 kg.

Conform metodei de comprimare preliminară a aerului înainte de intrarea în camera de ardere, motoarele cu jet de aer sunt împărțite în compresoare și necompresoare. Motoarele cu reacție cu aer comprimat folosesc un flux de aer de mare viteză. La motoarele cu compresor, aerul este comprimat de compresor. Un motor cu reacție cu compresor este un motor cu turboreacție (TJE). Grupul, numit motoare mixte sau combinate, include motoarele cu turbopropulsor (TVD) și motoarele cu turboreacție bypass (DTRD). Cu toate acestea, designul și funcționarea acestor motoare sunt în multe privințe similare cu motoarele cu turboreacție. Adesea, toate tipurile de aceste motoare sunt combinate sub denumirea generală de motoare cu turbină cu gaz (GTE). Motoarele cu turbine cu gaz folosesc kerosenul drept combustibil.

Motoare turboreactor

Scheme constructive. Un motor cu turboreacție (Fig. 100) constă dintr-un dispozitiv de admisie, un compresor, o cameră de ardere, o turbină cu gaz și un dispozitiv de evacuare.

Dispozitivul de admisie este proiectat pentru a furniza aer compresorului motorului. În funcție de locația motorului pe aeronavă, acesta poate fi încorporat în proiectarea aeronavei sau în proiectarea motorului. Dispozitivul de admisie ajută la creșterea presiunii aerului în fața compresorului.

O creștere suplimentară a presiunii aerului are loc în compresor. La motoarele cu turboreacție se folosesc compresoare centrifugale (Fig. 101) și axiale (vezi Fig. 100).

Într-un compresor axial, atunci când rotorul se rotește, paletele rotorului, acționând asupra aerului, îl răsucesc și îl forțează să se deplaseze de-a lungul axei spre ieșirea compresorului.

Într-un compresor centrifugal, atunci când rotorul se rotește, aerul este antrenat de pale și, sub acțiunea forțelor centrifuge, se deplasează spre periferie. Motoarele cu compresor axial sunt cele mai utilizate pe scară largă în aviația modernă.

Un compresor axial include un rotor (partea rotativă) și un stator (partea staționară), la care este atașat un dispozitiv de admisie. Uneori sunt instalate ecrane de protecție în dispozitivele de admisie pentru a preveni intrarea obiectelor străine în compresor, care ar putea deteriora lamele.

Rotorul compresorului este format din mai multe rânduri de pale profilate de rotor situate de-a lungul circumferinței și alternând secvențial de-a lungul axei de rotație. Rotoarele sunt împărțite în tambur (Fig. 102, a), disc (Fig. 102, b) și tambur-disc (Fig. 102, c).

Statorul compresorului este format dintr-un set inelar de lame profilate fixate în carcasă. O serie de pale fixe, numită îndreptător, împreună cu o serie de pale de rotor se numește treaptă de compresor.

Motoarele moderne cu turboreacție de avioane folosesc compresoare cu mai multe etape pentru a crește eficiența procesului de compresie a aerului. Etapele compresorului sunt coordonate între ele în așa fel încât aerul care părăsește o treaptă curge lin în jurul palelor etapei următoare.

Direcția necesară a aerului către etapa următoare este asigurată de dispozitivul de îndreptare. Paletele de ghidare instalate în fața compresorului servesc aceluiași scop. În unele modele de motoare, paletele de ghidare pot fi absente.

Unul dintre elementele principale ale unui turboreactor este camera de ardere din spatele compresorului. Din punct de vedere structural, camerele de ardere sunt tubulare (Fig. 103), inelare (Fig. 104), tubular-inelare (Fig. 105).

Camera de ardere tubulară (individuală) constă dintr-un tub de flacără și o carcasă exterioară, interconectate prin cupe de suspensie. În fața camerei de ardere sunt instalate injectoare de combustibil și un turbion pentru a stabiliza flacăra. Tubul de flacără are deschideri pentru intrarea aerului pentru a preveni supraîncălzirea tubului de flacără. Aprinderea amestecului combustibil-aer din tuburile de flacără se realizează prin dispozitive speciale de aprindere instalate pe camere separate. Tuburile de flacără sunt conectate între ele prin nipluri, care asigură aprinderea amestecului în toate camerele.

Camera de ardere inelară este realizată sub forma unei cavități inelare formată din carcasele exterioare și interioare ale camerei. Un tub de flacără inelar este instalat în partea din față a canalului inelar, iar turbulențele și duzele sunt instalate în arcul tubului de flacără.

Camera de ardere tubular-inelară este formată dintr-o carcasă exterioară și una interioară, care formează un spațiu inelar, în interiorul căruia sunt plasate tuburi de flacără individuale.

O turbină cu gaz este utilizată pentru a antrena compresorul cu turboreacție. La motoarele moderne, turbinele cu gaz sunt cu flux axial. Turbinele cu gaz pot fi cu o singură treaptă sau cu mai multe trepte (până la șase trepte). Unitățile principale ale turbinei sunt aparatele de duză (ghid) și rotoarele, constând din discuri și palete de rotor situate pe jantele lor. Rotoarele sunt atașate de arborele turbinei și împreună cu acesta formează un rotor (Fig. 106). Duzele sunt situate în fața palelor rotorului fiecărui disc. Combinația dintre un aparat cu duză staționară și un disc cu palete de rotor se numește treaptă de turbină. Paletele rotorului sunt atașate la discul turbinei cu ajutorul unui blocaj în schelet (Fig. 107).

Orificiul de evacuare (fig. 108) este alcătuit dintr-o țeavă de evacuare, un con interior, o bară și o duză cu jet. În unele cazuri, din cauza condițiilor de aranjare a motorului de pe aeronavă, este instalată o țeavă de prelungire între țeava de eșapament și duza cu jet. Duzele cu jet pot fi cu secțiune de evacuare reglabilă sau nereglabilă.

Principiul de funcționare. Spre deosebire de un motor cu piston, procesul de lucru în motoarele cu turbină cu gaz nu este împărțit în curse separate, ci decurge continuu.

Principiul de funcționare al unui turboreactor este următorul. În zbor, fluxul de aer de pe motor trece prin admisia către compresor. În dispozitivul de admisie are loc o comprimare preliminară a aerului și o transformare parțială a energiei cinetice a fluxului de aer în mișcare în energie potențială de presiune. Aerul este comprimat mai semnificativ în compresor. La motoarele cu turboreacție cu compresor axial, când rotorul se rotește rapid, paletele compresorului, la fel ca palele ventilatorului, împing aerul spre camera de ardere. În îndreptatoarele instalate în spatele rotoarelor fiecărei trepte de compresor, datorită formei difuzorului canalelor interscapulare, energia cinetică a fluxului dobândit în roată este convertită în energie potențială de presiune.

La motoarele cu compresor centrifugal, aerul este comprimat prin forța centrifugă. Aerul care intră în compresor este preluat de paletele rotorului care se rotește rapid și, sub acțiunea forței centrifuge, este aruncat din centru spre circumferința roții compresorului. Cu cât rotorul se rotește mai repede, cu atât compresorul generează mai multă presiune.

Datorită compresorului, motoarele turboreactor pot crea tracțiune atunci când lucrează pe șantier. Eficiența procesului de compresie a aerului în compresor

caracterizat prin valoarea gradului de creștere a presiunii π to, care este raportul dintre presiunea aerului la ieșirea din compresor p 2 și presiunea aerului atmosferic p H

Aerul, comprimat în dispozitivul de admisie și în compresor, intră apoi în camera de ardere, împărțindu-se în două fluxuri. O parte a aerului (aerul primar), reprezentând 25-35% din consumul total de aer, este direcționată direct către tubul de flacără, unde are loc procesul principal de ardere. O altă parte a aerului (aerul secundar) curge în jurul cavităților exterioare ale camerei de ardere, răcind pe aceasta din urmă, iar la ieșirea din cameră se amestecă cu produsele de ardere, reducând temperatura debitului gaz-aer la o valoare determinată de rezistența la căldură a palelor turbinei. O mică parte din aerul secundar intră în zona de ardere prin deschiderile laterale ale tubului de flacără.

Astfel, în camera de ardere se formează un amestec combustibil-aer prin pulverizarea combustibilului prin duze și amestecarea acestuia cu aerul primar, arderea amestecului și amestecarea produselor de ardere cu aerul secundar. Când motorul este pornit, amestecul este aprins de un dispozitiv special de aprindere, iar în timpul funcționării ulterioare a motorului, amestecul combustibil-aer este aprins de torța cu flacără deja existentă.

Fluxul de gaz format în camera de ardere, având o temperatură și o presiune ridicată, se precipită către turbină printr-un aparat de duză convergentă. În canalele aparatului duzei, viteza gazului crește brusc la 450-500 m / s și are loc o transformare parțială a energiei termice (potențiale) în energie cinetică. Gazele din aparatul duzei cad pe paletele turbinei, unde energia cinetică a gazului este transformată în lucru mecanic al rotației turbinei. Paletele turbinei, rotindu-se împreună cu discurile, rotesc arborele motorului și astfel asigură funcționarea compresorului.

În paletele rotorului turbinei poate avea loc fie numai procesul de transformare a energiei cinetice a gazului în lucru mecanic de rotire a turbinei, fie chiar o extindere suplimentară a gazului cu creșterea vitezei sale. În primul caz, turbina cu gaz este numită activă, în al doilea - reactivă. În al doilea caz, paletele turbinei, pe lângă efectul activ al jetului de gaz care se apropie, experimentează și un efect reactiv datorită accelerării fluxului de gaz.

Expansiunea finală a gazului are loc la ieșirea motorului (duză cu jet). Aici presiunea debitului de gaz scade, iar viteza crește la 550-650 m/sec (în condiții terestre).

Astfel, energia potențială a produselor de ardere din motor este convertită în energie cinetică în timpul procesului de expansiune (în turbină și duza de evacuare). O parte din energia cinetică, în acest caz, merge la rotația turbinei, care la rândul său rotește compresorul, cealaltă parte - pentru a accelera fluxul de gaz (pentru a crea tracțiunea jetului).

Motoare cu turbopropulsoare

Dispozitiv și principiu de funcționare. Pentru aeronavele moderne,

cu o capacitate de transport mare și o rază de zbor mare, sunt necesare motoare care ar putea dezvolta tracțiunea necesară cu o greutate specifică minimă. Aceste cerințe sunt îndeplinite de motoarele cu turboreacție. Cu toate acestea, ele sunt neeconomice în comparație cu instalațiile cu elice la viteze reduse de zbor. În acest sens, unele tipuri de aeronave concepute pentru zboruri la viteze relativ scăzute și cu distanțe mari necesită motoare care să combine avantajele unui turborreactor cu avantajele unei instalații cu elice la viteze reduse de zbor. Aceste motoare includ motoare turbopropulsoare (TVD).

Un turbopropulsor este un motor de avion cu turbină cu gaz în care turbina dezvoltă mai multă putere necesară pentru a roti compresorul, iar această putere în exces este folosită pentru a roti elicea. Schema schematică a HPT este prezentată în Fig. 109.

După cum se poate vedea din diagramă, motorul turbopropulsor este format din aceleași componente și ansambluri ca și turboreactorul. Cu toate acestea, spre deosebire de un motor turboreactor, o elice și o cutie de viteze sunt montate suplimentar pe un motor turbopropulsor. Pentru a obține puterea maximă a motorului, turbina trebuie să se dezvolte la turații mari (până la 20.000 rpm). Dacă elicea se rotește cu aceeași viteză, atunci eficiența acesteia din urmă va fi extrem de scăzută, deoarece randamentul maxim al elicei în condițiile de zbor proiectate ajunge la 750-1.500 rpm.

Pentru a reduce viteza elicei în comparație cu viteza turbinei cu gaz, în motorul cu turbopropulsor este instalat un reductor. La motoarele de mare putere se folosesc uneori două elice, care se rotesc în direcții opuse, iar funcționarea ambelor elice este asigurată de o singură cutie de viteze.

La unele motoare cu turbopropulsor, compresorul este antrenat de o turbină, iar elicea de cealaltă. Acest lucru creează condiții favorabile pentru reglarea motorului.

Impingerea la teatru este creată în principal de elice (până la 90%) și doar ușor datorită reacției jetului de gaz.

La motoarele cu turbopropulsoare se folosesc turbine cu mai multe trepte (numărul de trepte este de la 2 la 6), ceea ce este dictat de necesitatea de a funcționa pe o turbină HP cu scăderi mari de căldură decât pe un motor cu turboreacție. În plus, utilizarea unei turbine cu mai multe trepte face posibilă reducerea vitezei acesteia și, în consecință, a dimensiunilor și greutății cutiei de viteze.

Desemnarea elementelor principale ale teatrului nu este diferită de desemnarea acelorași elemente ale motorului cu turboreacție. Fluxul de lucru al operațiunii de teatru este, de asemenea, similar fluxului de lucru al motorului cu turboreacție. La fel ca la motorul cu turboreacție, fluxul de aer, precomprimat în dispozitivul de admisie, este supus comprimării principale în compresor și apoi intră în camera de ardere, în care combustibilul este injectat simultan prin duze. Gazele formate în urma arderii amestecului aer-combustibil au o energie potențială mare. Ei se repezi în turbina cu gaz, unde, extinzându-se aproape complet, efectuează lucru, care este apoi transferat la compresor, elice și unități de antrenare. Presiunea gazului din spatele turbinei este practic egală cu presiunea atmosferică.

La motoarele moderne cu turbopropulsor, forța de împingere obținută numai datorită reacției jetului de gaz care iese din motor este de 10-20% din forța totală de împingere.

Motoare cu turboreacție by-pass

Dorința de a crește eficiența de tracțiune a motorului turboreactor la viteze mari de zbor subsonice a condus la crearea motoarelor turborreactor bypass (DTRE).

Spre deosebire de motorul turboreactor convențional, turbina cu gaz din motorul turboreactor rotește (pe lângă compresor și un număr de unități auxiliare) un compresor de joasă presiune, denumit altfel ventilatorul circuitului secundar. Ventilatorul celui de-al doilea circuit al DTRD poate fi antrenat și de la o turbină separată situată în spatele turbinei compresorului. Cea mai simplă schemă DTRD este prezentată în Fig. 110.

Primul circuit (interior) al motorului diesel este un turboreactor convențional. Al doilea circuit (exterior) este un canal inelar cu un ventilator situat în el. Prin urmare, motoarele cu turboreacție bypass sunt uneori numite turbofan.

Activitatea DTRD este următoarea. Fluxul de aer care se apropie de motor intră în admisia de aer și apoi o parte din aer trece prin compresorul de înaltă presiune al primului circuit, cealaltă prin paletele ventilatorului (compresorul de joasă presiune) al celui de-al doilea circuit. Deoarece circuitul primului circuit este un motor cu turboreacție convențional, fluxul de lucru din acest circuit este similar cu fluxul de lucru din motorul cu turboreacție. Acțiunea ventilatorului secundar este similară cu acțiunea unei elice cu palete multiple care se rotește într-un canal inelar.

DTRD-urile pot fi folosite și pe aeronave supersonice, dar în acest caz, pentru a le crește tracțiunea, este necesar să se prevadă arderea combustibilului în al doilea circuit. Pentru a crește (a spori) rapid tracțiunea DTRE, uneori combustibil suplimentar este ars fie în fluxul de aer al circuitului secundar, fie în spatele turbinei circuitului primar.

Când ardeți combustibil suplimentar în a doua buclă, este necesar să creșteți aria duzei sale de jet pentru a menține modurile de funcționare ale ambelor bucle neschimbate. Dacă această condiție nu este îndeplinită, fluxul de aer prin ventilatorul celei de-a doua bucle va scădea din cauza creșterii temperaturii gazului dintre ventilator și duza cu jet a celei de-a doua bucle. Acest lucru va presupune o reducere a puterii necesare pentru a roti ventilatorul. Apoi, pentru a menține aceeași turație a motorului, va fi necesară reducerea temperaturii gazului în fața turbinei din circuitul primar, iar acest lucru va duce la o scădere a forței în circuitul primar. Creșterea tracțiunii totale va fi insuficientă și, în unele cazuri, tracțiunea totală a motorului forțat poate fi mai mică decât tracțiunea totală a unui DTRD convențional. În plus, forțarea tracțiunii este asociată cu un consum specific ridicat de combustibil. Toate aceste circumstanțe limitează aplicarea acestei metode de creștere a forței. Cu toate acestea, forțarea împingerii DTRE poate găsi o aplicație largă la viteze de zbor supersonice.

Literatură folosită: „Fundamentals of Aviation” autori: G.А. Nikitin, E.A. Bakanov

Descărcați rezumatul: Nu aveți acces pentru a descărca fișiere de pe serverul nostru.