محركات التوربينات الغازية للطائرات

مرحبا بالجميع! في هذه المقالة ، أود أن أتحدث عن كيفية عمل محركات توربينات غاز الطائرات. سأحاول جعل هذه اللغة أكثر بساطة ومفهومة.

الطيران GTE يمكن تقسيمها إلى:

• المحركات التوربينية (المحركات التوربينية)
• محركات نفاثة مزدوجة الدائرة (محركات نفاثة)
• المحركات التوربينية
• المحركات التوربينية (TVAD)

علاوة على ذلك ، قد تحتوي محركات توربوفان ومحركات توربوفان على محرك احتراق ، وفي هذه الحالة ستكون محركات توربوفان ومحركات توربوفان على التوالي. في هذه المقالة لن نفكر فيها.

لنبدأ بمحركات نفاثة.

المحركات التوربينية

تم إنشاء هذا النوع من المحركات في النصف الأول من القرن العشرين وبدأ في العثور على استخدام واسع النطاق بحلول نهاية الحرب العالمية الثانية. أول طائرة إنتاج نفاثة في العالم كانت Me.262 الألمانية. كانت محركات Turbojet شائعة حتى الستينيات ، وبعد ذلك بدأت تحل محلها محركات Turbojet.


الصورة الحديثة Me-262 التي التقطت في عام 2016

يتضمن أبسط محرك نفاث العناصر التالية:

• جهاز الإدخال
• ضاغط
• غرفة الاحتراق
• التوربينات
• فوهة طائرة (فيما يلي فوهة ببساطة)

يمكننا القول أن هذا هو الحد الأدنى المحدد لتشغيل المحرك العادي.

الآن النظر في ما تحتاجه ولماذا.

جهاز الإدخال عبارة عن قناة موسعة * يتم فيها تزويد الهواء بالضاغط وضغطه مسبقًا. في ذلك ، يتم تحويل الطاقة الحركية للهواء واردة جزئيا إلى الضغط.

* فيما يلي سنتحدث عن سرعات دون سرعة الصوت. في سرعة تفوق سرعة الصوت ، تتغير الفيزياء ، وكل شيء مختلف تمامًا هناك.

الضاغط هو جهاز يرتفع فيه ضغط الهواء. يمكن أن يتميز الضاغط بقيمة مثل زيادة درجة الضغط. في المحركات الحديثة ، بدأت بالفعل في تجاوز 40 وحدة. بالإضافة إلى ذلك ، ترتفع درجة الحرارة فيه (ربما في مكان ما يصل إلى 400 درجة مئوية).

غرفة الاحتراق - جهاز يتم فيه توفير الحرارة للهواء المضغوط (بعد الضاغط) بسبب احتراق الوقود. درجة الحرارة في غرفة الاحتراق عالية جدا ، يمكن أن تصل إلى 2000 درجة مئوية. قد يبدو لك أن ضغط الغاز في الغرفة يزيد أيضًا بشكل كبير ، لكن هذا ليس كذلك. من المفترض نظريًا أن الحرارة يتم توفيرها عند ضغط ثابت. في الواقع ، إنه يقع قليلاً بسبب الخسائر (مشكلة البناء غير الكامل).

التوربين هو جهاز يحول جزءًا من طاقة الغاز بعد حجرة الاحتراق إلى طاقة محرك الضاغط. نظرًا لأن التوربينات لا تستخدم فقط في الطيران ، فيمكن إعطاء تعريف أكثر عمومية: هذا هو الجهاز الذي يحول الطاقة الداخلية لسائل العمل (في حالتنا ، سائل العمل هو غاز) إلى عمل ميكانيكي على العمود. كما يمكنك أن تفهم ، التوربينات والضواغط على نفس العمود ومتصلة بشكل صارم. في حالة حدوث زيادة في ضغط الغاز في ضاغط ، ثم في التوربينات ، على العكس من ذلك ، يتم تقليل نقص الغاز.

الفوهة هي قناة ضيقة يتم فيها تحويل الطاقة المحتملة للغاز إلى حركية (احتياطي الطاقة المتبقي من الغاز بعد التوربين). كما هو الحال في التوربينات ، يحدث تمدد الغاز في الفوهة. تتشكل طائرة ، والتي تنطلق من الفوهة ، تنقل الطائرة.

مع العناصر الأساسية فرزها. ولكن ما زال من غير الواضح كيف يعمل؟ ثم مرة أخرى ، لفترة وجيزة.

يدخل الهواء من الغلاف الجوي إلى المدخل ، حيث يتم ضغطه قليلاً ويدخل الضاغط. في الضاغط ، يرتفع ضغط الهواء بقوة ، وترتفع درجة الحرارة. بعد الضاغط ، يدخل الهواء إلى غرفة الاحتراق ، ويخلط الوقود ، ويشتعل ، مما يؤدي إلى زيادة قوية في درجة الحرارة ، كما يمكنك القول ، الضغط المستمر. بعد غرفة الاحتراق ، يدخل الغاز المضغوط الساخن في التوربينات. يتم إنفاق جزء من طاقة الغاز على دوران الضاغط بواسطة التوربين (حتى يتمكن من أداء وظيفته الموصوفة أعلاه) ، ويتم إنفاق جزء آخر من الطاقة على حركة الطائرة التي نحتاج إليها ، نظرًا لأن الغاز الذي يمر عبر التوربين يتحول إلى تيار نفاث في الفوهة و يهرب منه (فوهة) في الغلاف الجوي. هذا يكمل الدورة. بالطبع ، في الواقع ، كل عمليات الدورة مستمرة.

وتسمى هذه الدورة دورة برايتون ، أو دورة ديناميكية حرارية ذات طبيعة مستمرة لعملية التشغيل وتزويد الحرارة بضغط ثابت. في هذه الدورة ، تعمل جميع محركات التوربينات الغازية.


دورة برايتون في الإحداثيات الكهروضوئية

HB - عملية الضغط في جهاز الإدخال
VK - عملية الضغط في الضاغط
كغ - مدخلات الحرارة متساوية
GT - عملية توسيع الغاز في التوربينات
GS - عملية توسيع الغاز في فوهة
CH - إزالة الحرارة isobaric في الغلاف الجوي


التصميم التخطيطي لمحرك نفاث ، حيث 0-0 هو محور المحرك

محرك Turbojet يمكن أن يكون اثنين من مهاوي. في هذه الحالة ، يتكون الضاغط من ضاغط منخفض الضغط (LPC) وضاغط عالي الضغط (HPC) ، وسيوفر التوربينات منخفضة الضغط (HPH) وتوربينات الضغط العالي (HPD) العمل ، على التوالي. مثل هذا المخطط هو أكثر فائدة gasdynamically.


محرك حقيقي قطاعي من هذا النوع

درسنا مبدأ تشغيل أبسط مخطط لمحرك توربين غازي للطائرة. وبطبيعة الحال ، يتم تثبيت المحركات التوربينية على محركات إيرباص وبوينج الحديثة ، التي يعد تصميمها أكثر تعقيدًا ، لكنه يعمل وفقًا لنفس القوانين. دعنا ننظر إليهم.

تجاوز محرك نفاث

محرك turbofan ، أولاً وقبل كل شيء ، يختلف عن محرك turbofan لأنه يحتوي على دائرتين: خارجي وداخلي. تحتوي الدائرة الداخلية على نفس المحرك التوربيني: ضاغط (مقسم إلى مضخات ذات ضغط منخفض وعالي الضغط) ، وغرفة احتراق ، وتوربين (مقسم إلى مضخات ذات ضغط عالي وعالي الضغط) وفوهة. الدائرة الخارجية هي قناة ، مع فوهة في النهاية. لا يوجد لديه غرفة الاحتراق ولا التوربينات. أمام كلتا الدائرتين (مباشرة بعد جهاز إدخال المحرك) توجد مرحلة ضاغط تعمل على كلتا الدائرتين.

صورة غير واضحة للغاية ، أليس كذلك؟ دعونا نرى كيف يعمل.


تصميم تخطيطي لمحرك نفاث ثنائي الدارة يعمل بنظام الدارة المزدوجة

ينقسم الهواء الذي يدخل المحرك ، ويمر عبر المرحلة الأولى من الضاغط المنخفض الضغط ، إلى تدفقين. يمتد جزء من الهواء على طول الدائرة الداخلية ، حيث تحدث نفس العمليات التي تم وصفها عندما فككنا محرك المحرك النفاث. يدخل الجزء الثاني من الهواء الدائرة الخارجية ، ويستقبل الطاقة من المرحلة الأولى من مفتاح الضغط المنخفض (الذي يعمل على دائرتين). في الدائرة الخارجية ، يتم إنفاق طاقة الهواء فقط على التغلب على الخسائر الهيدروليكية (بسبب الاحتكاك). في النهاية ، يدخل هذا الهواء فوهة الدائرة الخارجية ، مما يخلق قوة دفع هائلة. يمكن أن يمثل الدفع الناتج عن الدائرة الخارجية 80٪ من قوة المحرك بالكامل.

واحدة من أهم الخصائص للمحرك التربيني هي نسبة الالتفافية. نسبة الالتفافية هي نسبة تدفق الهواء في الدائرة الخارجية إلى تدفق الهواء في الدائرة الداخلية. يمكن أن يكون هذا الرقم أكبر أو أقل من واحد. في المحركات الحديثة ، يتجاوز هذا الرقم قيمة 12 وحدة.
عادة ما تسمى المحركات ، التي تكون درجة الدائرة المزدوجة فيها أكثر من اثنين ، بـ turbofan ، والمروحة الأولى من الضاغط (تلك التي تعمل على كلتا الدائرتين) هي مروحة.


طائرة Turbojet Boeing 757-200. في المقدمة ، يمكنك رؤية جهاز الإدخال والمروحة

في بعض المحركات ، يتم تشغيل المروحة بواسطة التوربينات المنفصلة ، والتي يتم وضعها بالقرب من فوهة الدائرة الداخلية. ثم يتحول المحرك إلى ثلاثة أعمدة. على سبيل المثال ، يتم تصنيع محركات Rolls Royce RB211 (المثبتة على L1011 و B747 و B757 و B767) و D-18T (An-124) و D-36 (Yak-42) وفقًا لمثل هذا المخطط


مد 18T في سياق الداخل

الميزة الرئيسية للمحرك التوربيني هي القدرة على خلق قوة جر رائعة وكفاءة جيدة ، مقارنة بمحرك التوربين.

في هذا الصدد ، أود أن أنهي محرك turbofan والانتقال إلى النوع التالي من المحرك - محرك نفاث.

المحركات التوربينية

محرك تربيني ، مثل المحرك التوربيني ، ينتمي إلى محركات التوربينات الغازية. ويعمل تقريبا مثل نفاثة. يتكون المحرك التوربيني الأولي من عناصر مألوفة لدينا بالفعل: ضاغط ، وغرفة احتراق ، وتوربينات وفوهة. يضاف لهم علبة التروس والمسمار.



مبدأ التشغيل هو نفس مبدأ المحرك التوربيني ، مع اختلاف أن كل طاقة الغاز تقضي تقريبًا على التوربينات لتدوير الضاغط ولتدوير المسمار عبر صندوق التروس (هنا يكون المسمار وصندوق التروس على نفس عمود الضاغط). المسمار يخلق الجزء الأكبر من التوجه. الجزء المتبقي ، بعد التوربينات ، يتم توجيه جزء من الطاقة إلى الفوهة ، مكونًا قوة دفع نفاثة ، لكنها صغيرة ، يمكن أن تكون عُشر الإجمالي. هناك حاجة إلى صندوق التروس في هذه الدائرة من أجل خفض الثورات ونقل اللحظة ، حيث يمكن أن تدور التوربينات بتردد عالٍ للغاية ، على سبيل المثال ، 10000 دورة في الدقيقة ، والمسمار يحتاج فقط إلى 1500. والمسمار ثقيل للغاية.


التصميم التخطيطي للمسرح

ولكن هناك مخططًا آخر للمحركات التوربينية: مع التوربينات المجانية.
جوهرها هو أن التوربين المنفصل يوضع خلف التوربينات الضاغطة التقليدية ، وهو غير مرتبط ميكانيكيا بالتوربين الضاغط. وتسمى هذه التوربينات مجانا. العلاقة بين التوربينات ضاغط والتوربينات الحرة فقط الغاز الحيوي. ينطلق عمود منفصل من التوربينات المجانية التي يتم تثبيت صندوق التروس بها بمسمار. كل شيء آخر يعمل بنفس الطريقة كما في الحالة الأولى. معظم المحركات الحديثة تؤدي بالضبط بهذه الطريقة. تتمثل إحدى مزايا هذا المخطط في القدرة على استخدام المحرك على الأرض كوحدة طاقة مساعدة (APU) دون تحريك المروحة.


التصميم التخطيطي لمحرك التوربينات مع التوربينات الحرة

أريد أن أشير إلى أنه ليس من الضروري أن ننظر إلى المحركات التوربينية كأثر غير فعال للماضي. لقد سمعت هذه التصريحات عدة مرات ، لكنها غير صحيحة.
يتمتع المحرك التوربيني في بعض الحالات بأعلى كفاءة ، كقاعدة عامة ، على الطائرات ذات السرعات العالية جدًا (على سبيل المثال ، على بعد 500 كم / ساعة) ، علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون الطائرة ذات حجم مثير للإعجاب. في هذه الحالة ، يمكن أن يكون محرك الدفع التوربيني أكثر ربحية عدة مرات من محرك التوربيني الذي تم اعتباره سابقًا.

حول هذا الموضوع حول محركات التوربينية يمكنك الانتهاء. لقد اقتربنا ببطء من مفهوم محرك التوربيني.

محرك توربو

يجب على معظم القراء هنا سماع هذا الاسم أولاً. يتم تثبيت هذا النوع من المحركات على طائرات الهليكوبتر.

يشبه محرك عمود الإدارة التوربيني تمامًا محرك تيربو ذو توربين حر. كما أنه يتكون من ضاغط ، وغرفة احتراق ، وتوربين ضاغط ، ثم يأتي التوربينات المجانية ، المتصلة بكل شيء سابق فقط الديناميكي. لكن مثل هذا المحرك لا يخلق قوة دفع نفاثة ، وليس لديه فوهة نفاثة ، بل العادم فقط. يحتوي التوربين الحر على عمود خاص به ، وهو متصل بصندوق التروس الرئيسي للمروحية (الدوار). نعم ، كل طائرات الهليكوبتر التي أعرفها لديها علبة تروس ، وكقاعدة عامة ، فهي ذات حجم مثير للإعجاب. والحقيقة هي أن سرعة الدوار للمروحية منخفضة جدا. إذا كانت الطائرة ، كما كتبت أعلاه ، فيمكنها الوصول إلى 1500 دورة في الدقيقة ، ثم في طائرة هليكوبتر ، على سبيل المثال ، في الطائرة Mi-8 ، فقط 193 دورة في الدقيقة.
غالبًا ما تكون سرعة محرك طائرات الهليكوبتر عالية جدًا (نظرًا لصغر حجمها) ، ويجب تقليل مائة مرة أو أكثر. يحدث أن يكون صندوق التروس على المحرك وعلى المروحية نفسها ، على سبيل المثال ، Mi-2 ومحركها GTD-350.


التصميم التخطيطي للمحرك التوربيني


محرك TV3-117 من طائرة هليكوبتر Mi-8. أنبوب العادم ورمح محرك الأقراص مرئية على اليمين.

لذلك ، قمنا بفحص أربعة أنواع من محركات التوربينات الغازية. آمل أن يكون النص واضح ومفيد لك. يمكن كتابة جميع الأسئلة والتعليقات في التعليقات.

شكرا لاهتمامكم