Flugzeuggasturbinentriebwerke

Hallo allerseits! In diesem Artikel möchte ich darüber sprechen, wie Flugzeuggasturbinentriebwerke (GTEs) funktionieren. Ich werde versuchen, dies zur einfachsten und verständlichsten Sprache zu machen.

Aviation GTE kann unterteilt werden in:

• Turbostrahltriebwerke (Turbostrahltriebwerke)
• Zweikreis-Turbostrahltriebwerke (Turbostrahltriebwerke)
• Turboprop-Motoren
• Turbojet-Triebwerke (TVAD)

Darüber hinaus können Turbofan-Motoren und Turbofan-Motoren einen Nachbrenner enthalten. In diesem Fall handelt es sich um Turbofan-Motoren bzw. Turbofan-Motoren. In diesem Artikel werden wir sie nicht berücksichtigen.

Beginnen wir mit Turbostrahltriebwerken.

Turbojet-Triebwerke

Dieser Motortyp wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und fand ab dem Ende des Zweiten Weltkriegs breite Anwendung. Das weltweit erste Serien-Turbostrahlflugzeug war das deutsche Me.262. Turbojet-Triebwerke waren bis in die 60er Jahre beliebt, danach wurden sie durch Turbojet-Triebwerke ersetzt.


Modernes Me-262 Foto aufgenommen im Jahr 2016

Das einfachste Turbostrahltriebwerk enthält die folgenden Elemente:

• Eingabegerät
• Kompressor
• Brennkammer
• Turbine
• Strahldüse (im Folgenden einfach Düse)

Wir können sagen, dass dies das Minimum für den normalen Motorbetrieb ist.

Überlegen Sie nun, was Sie brauchen und warum.

Das Eingabegerät ist ein expandierender * Kanal, in dem dem Kompressor Luft zugeführt und vorkomprimiert wird. Darin wird die kinetische Energie der einströmenden Luft teilweise in Druck umgewandelt.

* Im Folgenden werden wir über Unterschallgeschwindigkeiten sprechen. Mit Überschallgeschwindigkeit verändert sich die Physik und dort ist alles völlig anders.

Ein Kompressor ist ein Gerät, bei dem der Luftdruck ansteigt. Der Kompressor kann durch einen Wert wie den Grad des Druckanstiegs charakterisiert werden. Bei modernen Motoren geht es bereits über 40 Einheiten hinaus. Außerdem steigt die Temperatur darin (möglicherweise bis zu 400 Grad Celsius).

Brennkammer - eine Vorrichtung, bei der Druckluft (nach dem Kompressor) aufgrund der Kraftstoffverbrennung Wärme zugeführt wird. Die Temperatur in der Brennkammer ist sehr hoch und kann 2000 Grad Celsius erreichen. Es mag Ihnen scheinen, dass der Gasdruck in der Kammer ebenfalls stark ansteigt, aber das ist nicht so. Es wird theoretisch angenommen, dass Wärme mit konstantem Druck zugeführt wird. In der Realität fällt es aufgrund von Verlusten ein wenig ab (das Problem der unvollständigen Konstruktion).

Eine Turbine ist eine Vorrichtung, die einen Teil der Energie des Gases nach der Brennkammer in die Energie des Kompressorantriebs umwandelt. Da Turbinen nicht nur in der Luftfahrt eingesetzt werden, kann eine allgemeinere Definition gegeben werden: Dies ist eine Vorrichtung, die die innere Energie des Arbeitsmediums (in unserem Fall das Arbeitsmedium ist Gas) in mechanische Arbeit an der Welle umwandelt. Wie Sie verstehen können, befinden sich Turbine und Kompressor auf derselben Welle und sind fest miteinander verbunden. Wenn im Kompressor ein Anstieg des Gasdrucks auftritt, dann in der Turbine dagegen eine Abnahme, dh das Gas expandiert.

Eine Düse ist ein sich verengender Kanal, in dem die potentielle Energie des Gases in kinetische umgewandelt wird (die verbleibende Energiereserve des Gases nach der Turbine). Wie bei einer Turbine tritt eine Gasexpansion in der Düse auf. Es bildet sich ein Strahl, der aus der Düse austritt und das Flugzeug bewegt.

Mit den Grundelementen aussortiert. Aber es ist immer noch nicht ganz klar, wie es funktioniert? Andererseits noch einmal kurz.

Luft aus der Atmosphäre tritt in den Einlass ein, wo sie leicht komprimiert wird und in den Kompressor eintritt. Im Kompressor steigt der Luftdruck noch stärker an und die Temperatur steigt. Nach dem Kompressor tritt Luft in die Brennkammer ein und entzündet sich dort, wenn sie dort mit Kraftstoff gemischt wird, was zu einem starken Temperaturanstieg bei beispielsweise konstantem Druck führt. Nach der Brennkammer tritt heißes Druckgas in die Turbine ein. Ein Teil der Energie des Gases wird von der Turbine für die Rotation des Kompressors aufgewendet (damit er seine oben beschriebene Funktion erfüllen kann), ein anderer Teil der Energie wird für die Bewegung des Flugzeugs aufgewendet, das wir benötigen, da sich das durch die Turbine strömende Gas in der Düse in einen Strahl verwandelt entweicht daraus (Düse) in die Atmosphäre. Damit ist der Zyklus abgeschlossen. In der Realität sind natürlich alle Prozesse des Zyklus kontinuierlich.

Ein solcher Zyklus wird als Brighton-Zyklus oder als thermodynamischer Zyklus mit einer kontinuierlichen Natur des Arbeitsprozesses und der Wärmezufuhr bei konstantem Druck bezeichnet. In diesem Zyklus arbeiten alle Gasturbinentriebwerke.


Brighton-Zyklus in PV-Koordinaten

HB - Komprimierungsprozess im Eingabegerät
VK - der Kompressionsprozess im Kompressor
KG - isobarer Wärmeeintrag
GT - Gasexpansionsprozess in einer Turbine
GS - Gasexpansionsprozess in der Düse
CH - isobare Wärmeabfuhr in die Atmosphäre


Schematischer Aufbau eines Turbostrahltriebwerks, wobei 0-0 die Achse des Triebwerks ist

Turbojet-Triebwerk kann zwei Wellen haben. In diesem Fall besteht der Kompressor aus einem Niederdruckkompressor (LPC) und einem Hochdruckkompressor (HPC), und die Niederdruckturbine (HPH) und die Hochdruckturbine (HPD) liefern die Arbeit. Ein solches Schema ist gasdynamisch vorteilhafter.


Ein echter Schnittmotor dieser Art

Wir haben das Funktionsprinzip des einfachsten Schemas eines Flugzeuggasturbinentriebwerks untersucht. Natürlich sind Turbofan-Triebwerke in modernen Airbus- und Boeing-Triebwerken eingebaut, deren Design viel komplizierter ist, aber nach denselben Gesetzen funktioniert. Schauen wir sie uns an.

Turbostrahltriebwerk umgehen

Das Turbofan-Triebwerk unterscheidet sich vom Turbofan-Triebwerk zunächst dadurch, dass es zwei Schaltkreise hat: extern und intern. Der interne Kreislauf enthält das gleiche wie das Turbostrahltriebwerk: Kompressor (unterteilt in Niederdruck- und Hochdruckpumpen), Brennkammer, Turbine (unterteilt in Hochdruck- und Hochdruckpumpen) und Düse. Der externe Stromkreis ist ein Kanal mit einer Düse am Ende. Es hat weder eine Brennkammer noch eine Turbine. Vor beiden Kreisläufen (unmittelbar nach dem Eingabegerät des Motors) befindet sich eine Kompressorstufe, die auf beiden Kreisläufen arbeitet.

Es kommt ein nicht sehr klares Bild heraus, oder? Mal sehen, wie es funktioniert.


Schematischer Aufbau eines Doppelwellen-Zweikreis-Turbostrahltriebwerks

Die in den Motor eintretende Luft, die durch die erste Stufe des Niederdruckkompressors strömt, wird in zwei Ströme aufgeteilt. Ein Teil der Luft fließt entlang des internen Kreislaufs, wo dieselben Prozesse ablaufen, die beim Zerlegen des Turbostrahltriebwerks beschrieben wurden. Der zweite Teil der Luft tritt in den externen Stromkreis ein und erhält Energie von der ersten Stufe des Niederdruckschalters (der in zwei Kreisläufen arbeitet). Im externen Kreislauf wird Luftenergie nur zur Überwindung von Hydraulikverlusten (aufgrund von Reibung) verwendet. Am Ende tritt diese Luft in die Düse des externen Kreislaufs ein und erzeugt eine enorme Traktion. Der vom externen Stromkreis erzeugte Schub kann 80% des Schubes des gesamten Motors ausmachen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Turbofan-Motors ist das Bypass-Verhältnis. Das Bypass-Verhältnis ist das Verhältnis des Luftstroms im externen Kreislauf zum Luftstrom im internen Kreislauf. Diese Zahl kann entweder größer oder kleiner als eins sein. Bei modernen Motoren geht diese Zahl über den Wert von 12 Einheiten hinaus.
Motoren, deren Doppelkreis mehr als zwei beträgt, werden üblicherweise als Turbofan bezeichnet, und die erste Stufe des Kompressors (die in beiden Kreisen arbeitet) ist ein Lüfter.


Turbojet-Flugzeuge Boeing 757-200. Im Vordergrund sehen Sie das Eingabegerät und den Lüfter

Bei einigen Motoren wird der Lüfter von einer separaten Turbine angetrieben, die der Düse des internen Stromkreises am nächsten liegt. Dann stellt sich heraus, dass der Motor drei Wellen hat. Beispielsweise werden die Rolls-Royce-RB211-Motoren (installiert auf L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) nach einem solchen Schema hergestellt


D-18T im Kontext des Inneren

Der Hauptvorteil eines Turbofan-Motors ist die Fähigkeit, im Vergleich zu einem Turbofan-Motor eine hohe Traktion und einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.

In diesem Zusammenhang möchte ich auf das Turbofan-Triebwerk eingehen und zum nächsten Triebwerkstyp übergehen - einem Turbostrahltriebwerk.

Turboprop-Motoren

Ein Turboprop-Triebwerk gehört wie ein Turbojet zu Gasturbinentriebwerken. Und es funktioniert fast wie ein Turbojet. Ein elementares Turboprop-Triebwerk besteht aus uns bereits bekannten Elementen: einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Düse. Dazu kommen ein Getriebe und eine Schraube.



Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei einem Turbostrahl, mit dem Unterschied, dass fast die gesamte Gasenergie für die Turbine aufgewendet wird, um den Kompressor zu drehen und die Schraube durch das Getriebe zu drehen (hier befinden sich die Schraube und das Getriebe auf derselben Welle wie der Kompressor). Die Schraube erzeugt den größten Teil des Schubes. Der verbleibende Teil der Energie nach der Turbine wird in die Düse geleitet und bildet einen Strahlschub. Er ist jedoch klein und kann ein Zehntel der Gesamtmenge ausmachen. Das Getriebe in dieser Schaltung wird benötigt, um die Umdrehungen zu verringern und das Moment zu übertragen, da sich die Turbine mit einer sehr hohen Frequenz drehen kann, beispielsweise 10.000 Umdrehungen pro Minute, und die Schraube nur 1.500 benötigt. Und die Schraube ist ziemlich schwer.


Schematische Gestaltung des Theaters

Es gibt aber noch ein anderes Schema von Turboprop-Motoren: mit einer freien Turbine.
Das Wesentliche ist, dass eine separate Turbine hinter einer herkömmlichen Kompressorturbine angeordnet ist, die nicht mechanisch mit der Kompressorturbine verbunden ist. Eine solche Turbine heißt frei. Die Verbindung zwischen der Kompressorturbine und der freien Turbine ist nur gasdynamisch. Eine separate Welle geht von einer freien Turbine aus, auf der ein Getriebe mit einer Schraube montiert ist. Alles andere funktioniert genauso wie im ersten Fall. Die meisten modernen Motoren arbeiten genau so. Einer der Vorteile eines solchen Schemas ist die Fähigkeit, den Motor am Boden als Hilfsaggregat (APU) zu verwenden, ohne den Propeller zu bewegen.


Schematischer Aufbau eines Turbinentriebwerks mit freier Turbine

Ich möchte darauf hinweisen, dass es nicht notwendig ist, Turboprop-Motoren als ineffektives Relikt der Vergangenheit zu betrachten. Ich habe solche Aussagen mehrmals gehört, aber sie sind falsch.
Ein Turboprop-Triebwerk hat in einigen Fällen den höchsten Wirkungsgrad in der Regel bei Flugzeugen mit nicht sehr hohen Geschwindigkeiten (z. B. bei 500 km / h). Darüber hinaus kann das Flugzeug eine beeindruckende Größe haben. In diesem Fall kann ein Turboprop-Triebwerk um ein Vielfaches rentabler sein als das zuvor betrachtete Turbostrahltriebwerk.

Auf diesem über Turboprop-Motoren können Sie beenden. Wir näherten uns langsam dem Konzept eines Turbowellenmotors.

Turbomotor

Die meisten Leser hier müssen zuerst einen solchen Namen hören. Dieser Motortyp ist an Hubschraubern montiert.

Der Turbowellenmotor ist einem Turboprop-Motor mit freier Turbine sehr ähnlich. Es besteht auch aus einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Kompressorturbine, dann kommt eine freie Turbine, die mit allem bisher nur gasdynamisch verbunden ist. Ein solches Triebwerk erzeugt jedoch keinen Strahlschub, es hat keine Strahldüse, nur den Auspuff. Eine freie Turbine hat eine eigene Welle, die mit dem Hauptgetriebe des Hubschraubers (Rotors) verbunden ist. Ja, alle mir bekannten Hubschrauber haben ein solches Getriebe, und in der Regel ist es von beeindruckender Größe. Tatsache ist, dass die Rotordrehzahl des Hubschraubers sehr niedrig ist. Wenn sie in einem Flugzeug, wie ich oben geschrieben habe, 1.500 U / min erreichen können, dann in einem Hubschrauber, zum Beispiel in der Mi-8, nur 193 U / min.
Die Motordrehzahl eines Hubschraubers ist oft sehr hoch (aufgrund der geringen Größe) und muss hundert- oder mehrmals reduziert werden. Es kommt vor, dass sich das Getriebe am Motor und am Hubschrauber selbst befindet, zum Beispiel am Mi-2 und seinem Motor GTD-350.


Schematischer Aufbau eines Turbowellenmotors


Der TV3-117-Motor des Mi-8-Hubschraubers. Das Auspuffrohr und die Antriebswelle sind rechts sichtbar.

Daher haben wir vier Arten von Gasturbinentriebwerken untersucht. Ich hoffe, mein Text war klar und nützlich für Sie. Alle Fragen und Kommentare können in die Kommentare geschrieben werden.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.