Mesin Turbin Gas Pesawat

Halo semuanya! Dalam artikel ini saya ingin berbicara tentang cara kerja mesin turbin gas pesawat terbang (GTE). Saya akan mencoba menjadikan ini bahasa yang paling sederhana dan mudah dimengerti.

Aviation GTE dapat dibagi menjadi:

• mesin turbojet (mesin turbojet)
• mesin turbojet sirkuit ganda (mesin turbojet)
• Mesin Turboprop
• Mesin Turbojet (TVAD)

Selain itu, mesin turbofan dan mesin turbofan dapat mengandung afterburner, dalam hal ini mereka akan menjadi mesin turbofan dan mesin turbofan masing-masing. Dalam artikel ini kami tidak akan mempertimbangkannya.

Mari kita mulai dengan mesin turbojet.

Mesin turbo

Jenis mesin ini dibuat pada paruh pertama abad ke-20 dan mulai digunakan secara luas pada akhir Perang Dunia II. Pesawat turbojet produksi pertama di dunia adalah German Me.262. Mesin Turbojet populer hingga tahun 60an, setelah itu mereka mulai digantikan oleh mesin turbojet.


Foto Modern Me-262 diambil pada tahun 2016

Mesin turbojet paling sederhana mencakup elemen-elemen berikut:

• Perangkat input
• Kompresor
• Ruang pembakaran
• Turbin
• Jet nozzle (selanjutnya hanya nozzle)

Kita dapat mengatakan bahwa ini adalah set minimum untuk operasi engine normal.

Sekarang pertimbangkan apa yang Anda butuhkan dan mengapa.

Perangkat input adalah saluran * yang meluas di mana udara disuplai ke kompresor dan dipadatkan. Di dalamnya, energi kinetik dari udara yang masuk sebagian dikonversi menjadi tekanan.

* selanjutnya kita akan berbicara tentang kecepatan subsonik. Pada kecepatan supersonik, fisika berubah, dan semuanya benar-benar berbeda di sana.

Kompresor adalah alat di mana tekanan udara naik. Kompresor dapat dikarakterisasi dengan nilai seperti tingkat kenaikan tekanan. Pada mesin modern, sudah mulai melangkah melampaui 40 unit. Selain itu, suhu di dalamnya meningkat (mungkin di suatu tempat hingga 400 derajat Celcius).

Ruang pembakaran - alat di mana panas disuplai ke udara terkompresi (setelah kompresor) karena pembakaran bahan bakar. Suhu di ruang bakar sangat tinggi, bisa mencapai 2000 derajat Celcius. Tampaknya bagi Anda bahwa tekanan gas di dalam ruangan juga meningkat sangat, tetapi tidak demikian halnya. Secara teoritis diasumsikan bahwa panas disuplai pada tekanan konstan. Pada kenyataannya, itu jatuh sedikit karena kerugian (masalah konstruksi tidak sempurna).

Turbin adalah alat yang mengubah sebagian energi gas setelah ruang bakar menjadi energi penggerak kompresor. Karena turbin digunakan tidak hanya dalam penerbangan, definisi yang lebih umum dapat diberikan: ini adalah perangkat yang mengubah energi internal fluida kerja (dalam kasus kami, fluida kerja adalah gas) menjadi kerja mekanis pada poros. Seperti yang dapat Anda pahami, turbin dan kompresor berada pada poros yang sama dan saling berhubungan secara kaku. Jika di kompresor ada peningkatan tekanan gas, maka di turbin, sebaliknya, penurunan, yaitu, gas mengembang.

Nozzle adalah saluran penyempitan di mana energi potensial gas diubah menjadi kinetik (sisa cadangan energi gas setelah turbin). Seperti dalam turbin, ekspansi gas terjadi di nozzle. Bentuk jet, yang muncul dari nozzle, menggerakkan pesawat.

Dengan elemen dasar beres. Tapi tetap tidak jelas bagaimana cara kerjanya? Kemudian lagi, sebentar.

Udara dari atmosfir memasuki inlet, di mana sedikit terkompresi dan memasuki kompresor. Di kompresor, tekanan udara naik lebih kuat, dan suhunya naik. Setelah kompresor, udara memasuki ruang bakar dan, dicampur di sana dengan bahan bakar, menyala, yang menyebabkan peningkatan suhu yang kuat, pada, Anda bisa mengatakan, tekanan konstan. Setelah ruang pembakaran, gas panas terkompresi memasuki turbin. Bagian dari energi gas dihabiskan untuk rotasi kompresor oleh turbin (sehingga dapat melakukan fungsinya seperti dijelaskan di atas), bagian lain dari energi dihabiskan untuk pergerakan pesawat yang kita butuhkan, karena kenyataan bahwa gas yang melewati turbin berubah menjadi aliran jet di nozzle dan lolos dari itu (nozzle) ke atmosfer. Ini melengkapi siklus. Tentu saja, dalam kenyataannya, semua proses dari siklus ini berkelanjutan.

Siklus seperti itu disebut siklus Brighton, atau siklus termodinamika dengan sifat berkelanjutan dari proses kerja dan pasokan panas pada tekanan konstan. Dalam siklus ini, semua mesin turbin gas bekerja.


Siklus Brighton dalam koordinat PV

HB - proses kompresi pada perangkat input
VK - proses kompresi di kompresor
KG - input panas isobarik
GT - proses ekspansi gas dalam turbin
GS - proses ekspansi gas di nozzle
CH - penghapusan panas isobarik ke atmosfer


Desain skematis mesin turbojet, di mana 0-0 adalah sumbu mesin

Mesin Turbojet dapat memiliki dua poros. Dalam hal ini, kompresor terdiri dari kompresor tekanan rendah (KND) dan kompresor tekanan tinggi (KVD), dan pasokan pekerjaan akan dilakukan oleh turbin tekanan rendah (HPH) dan turbin tekanan tinggi (HPT), masing-masing. Skema seperti itu lebih menguntungkan secara gas.


Mesin nyata sectional semacam ini

Kami memeriksa prinsip operasi skema paling sederhana dari mesin turbin gas pesawat. Secara alami, mesin turbofan dipasang pada mesin Airbus dan Boeing modern, yang desainnya jauh lebih rumit, tetapi bekerja sesuai dengan hukum yang sama. Mari lihat mereka.

Abaikan mesin turbojet

Mesin turbofan, pertama-tama, berbeda dari mesin turbofan karena memiliki dua sirkuit: eksternal dan internal. Sirkuit internal mengandung sama dengan mesin turbojet: kompresor (dibagi menjadi pompa tekanan rendah dan tekanan tinggi), ruang bakar, turbin (dibagi menjadi pompa tekanan tinggi dan tekanan tinggi) dan nosel. Sirkuit eksternal adalah saluran, dengan nozzle di ujungnya. Ia tidak memiliki ruang bakar atau turbin. Di depan kedua sirkuit (segera setelah perangkat input mesin) adalah tahap kompresor yang beroperasi di kedua sirkuit.

Gambar yang tidak terlalu jelas keluar, kan? Mari kita lihat cara kerjanya.


Desain skematis dari mesin twin-poros twin-turbojet

Udara memasuki mesin, melewati tahap pertama kompresor tekanan rendah, dibagi menjadi dua aliran. Salah satu bagian dari udara mengalir di sepanjang sirkuit internal, di mana proses yang sama terjadi yang dijelaskan ketika kita membongkar mesin turbojet. Bagian kedua dari udara memasuki sirkuit eksternal, menerima energi dari tahap pertama dari saklar tekanan rendah (yang bekerja pada dua sirkuit). Di sirkuit eksternal, energi udara dihabiskan hanya untuk mengatasi kerugian hidraulik (karena gesekan). Pada akhirnya, udara ini memasuki nozzle dari sirkuit eksternal, menciptakan traksi yang luar biasa. Daya dorong yang diciptakan oleh sirkuit eksternal dapat mencapai 80% dari daya dorong seluruh mesin.

Salah satu karakteristik terpenting dari mesin turbofan adalah rasio bypass. Rasio bypass adalah rasio aliran udara di sirkuit eksternal dengan aliran udara di sirkuit internal. Jumlah ini bisa lebih besar atau kurang dari satu. Pada mesin modern, angka ini melampaui nilai 12 unit.
Mesin, rasio bypass yang lebih dari dua, biasanya disebut turbofan, dan tahap pertama kompresor (yang bekerja di kedua sirkuit) adalah kipas.


Pesawat Turbojet Boeing 757-200. Di latar depan Anda dapat melihat perangkat input dan kipas

Pada beberapa mesin, kipas digerakkan oleh turbin terpisah, yang ditempatkan paling dekat dengan nosel sirkuit internal. Kemudian mesin itu berubah menjadi tiga poros. Misalnya, sesuai dengan skema seperti itu, mesin Rolls Royce RB211 dipasang (diinstal pada L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42)


D-18T dalam konteks bagian dalam

Keuntungan utama dari mesin turbofan adalah kemampuan untuk membuat traksi yang hebat dan efisiensi yang baik, dibandingkan dengan mesin turbofan.

Mengenai hal ini, saya ingin menyelesaikan tentang mesin turbofan dan beralih ke jenis mesin berikutnya - mesin turboprop.

Mesin Turboprop

Mesin turboprop, seperti turbojet, milik mesin turbin gas. Dan itu bekerja hampir seperti turbojet. Mesin turboprop dasar terdiri dari unsur-unsur yang sudah akrab bagi kita: kompresor, ruang bakar, turbin dan nosel. Untuk mereka ditambahkan gearbox dan sekrup.



Prinsip operasi adalah sama dengan turbojet, dengan perbedaan bahwa hampir semua energi gas dihabiskan untuk turbin untuk memutar kompresor dan memutar sekrup melalui gearbox (di sini sekrup dan gearbox berada pada poros yang sama dengan kompresor). Sekrup menciptakan sebagian besar dorong. Sisanya, setelah turbin, bagian dari energi diarahkan ke nozzle, membentuk dorongan jet, tetapi kecil, itu bisa sepersepuluh dari total. Gearbox di sirkuit ini diperlukan untuk menurunkan putaran dan mentransmisikan momen, karena turbin dapat berputar pada frekuensi yang sangat tinggi, misalnya, 10.000 putaran per menit, dan sekrup hanya membutuhkan 1.500, dan sekrup cukup berat.


Desain skematis teater

Tetapi ada skema lain dari mesin turboprop: dengan turbin gratis.
Esensinya adalah bahwa turbin terpisah ditempatkan di belakang turbin kompresor konvensional, yang tidak terhubung secara mekanis ke turbin kompresor. Turbin seperti itu disebut gratis. Koneksi antara turbin kompresor dan turbin bebas hanya gas-dinamis. Poros terpisah berangkat dari turbin bebas ke mana gearbox dengan sekrup dipasang. Segala sesuatu yang lain bekerja dengan cara yang sama seperti pada kasus pertama. Sebagian besar mesin modern melakukan persis seperti ini. Salah satu keuntungan dari skema tersebut adalah kemampuan untuk menggunakan mesin di darat sebagai unit daya tambahan (APU) tanpa menggerakkan baling-baling.


Desain skematik mesin turbin dengan turbin gratis

Saya ingin mencatat bahwa tidak perlu melihat mesin turboprop sebagai peninggalan masa lalu yang tidak efektif. Saya telah mendengar pernyataan seperti itu beberapa kali, tetapi itu salah.
Mesin turboprop dalam beberapa kasus memiliki efisiensi tertinggi, sebagai aturan, pada pesawat terbang dengan kecepatan yang tidak terlalu tinggi (misalnya, pada kecepatan 500 km / jam), apalagi, pesawat dapat memiliki ukuran yang mengesankan. Dalam hal ini, mesin turboprop dapat beberapa kali lebih menguntungkan daripada mesin turbojet yang dipertimbangkan sebelumnya.

Tentang ini tentang mesin turboprop yang bisa Anda selesaikan. Kami perlahan mendekati konsep mesin turboshaft.

Mesin turbo

Sebagian besar pembaca di sini harus terlebih dahulu mendengar nama seperti itu. Mesin jenis ini dipasang di helikopter.

Mesin turboshaft sangat mirip dengan mesin turbo-prop dengan turbin gratis. Ini juga terdiri dari kompresor, ruang bakar, turbin kompresor, kemudian datang turbin gratis, yang terhubung dengan semua yang sebelumnya hanya gas secara dinamis. Tetapi mesin seperti itu tidak menciptakan dorongan jet, tidak memiliki nozzle jet, hanya knalpot. Turbin gratis memiliki porosnya sendiri, yang terhubung ke gearbox utama helikopter (rotor). Ya, semua helikopter yang saya kenal memiliki gearbox seperti itu, dan, pada umumnya, ukurannya sangat mengesankan. Faktanya adalah bahwa kecepatan rotor helikopter sangat rendah. Jika di pesawat terbang, seperti yang saya tulis di atas, mereka dapat mencapai 1.500 rpm, kemudian di helikopter, misalnya, di Mi-8, hanya 193 rpm.
Kecepatan mesin helikopter seringkali sangat tinggi (karena ukurannya yang kecil), dan harus dikurangi seratus kali atau lebih. Kebetulan gearbox ada di mesin dan di helikopter itu sendiri, misalnya, Mi-2 dan mesinnya GTD-350.


Desain skematis mesin turboshaft


Mesin TV3-117 dari helikopter Mi-8. Pipa knalpot dan poros penggerak terlihat di sebelah kanan.

Jadi, kami memeriksa empat jenis mesin turbin gas. Saya harap teks saya jelas dan bermanfaat bagi Anda. Semua pertanyaan dan komentar dapat ditulis dalam komentar.

Terima kasih atas perhatian anda