Классификация газотурбинных и реактивных двигателей

Классификация газотурбинных и реактивных двигателей
Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной
струи и (или) в механическую работу на валу двигателя, основными элементами
которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.
Принцип работы: сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в
камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое
количество продуктов сгорания под высоким давлением. В газовой турбине
энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу
за счёт вращения струёй газа лопаток. Часть энергии расходуется на сжатие
воздуха в компрессоре, остальная часть передаётся на приводимый агрегат.
Конструкция: простейший ГТД имеет только одну турбину, которая приводит во
вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности.
Иногда двигатель выполняется многовальным — имеет несколько
последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал.
Всасывание и сжатие воздуха: на первом этапе атмосферный воздух попадает в
двигатель через воздухозаборник и далее направляется к компрессору.
Компрессор может быть осевым или центробежным типа — его задача увеличить
давление поступившего воздуха. В процессе сжатия энергия двигателя
затрачивается на выполнение работы по уменьшению объема воздуха, что
приводит к повышению его давления и температуры.
Впрыск топлива и сгорание: после компрессии повышенное давление и
температура способствуют эффективному сгоранию топлива. Топливо (обычно это
керосин или природный газ) подается через форсунки непосредственно в камеру
сгорания, где оно автоматически возгорается от высокой температуры сжатого
воздуха. В результате реакции окисления выделяется большое количество
энергии, которая увеличивает скорость и объем образующихся газов.
Расширение газов: образовавшиеся при сгорании газы под высоким давлением
направляются на лопатки турбины, передавая полученную при сгорании энергию.
Турбина начинает вращаться, приводящая в движение связанный с ней
компрессор (они находятся на одном валу), а также выполняющая полезную
работу (например, приводящая генератор электрического тока).
Выброс отработанных газов: после выполнения работы по приведению лопастей
турбины в движение отработанные газы покидают ГТД через выхлопную систему.
В авиационных двигателях этот поток служит также для создания реактивной тяги.
Использование ГТД оправдано благодаря нескольким факторам: они обладают
высокой мощностью при относительно небольшом размере; хорошим
соотношением мощности к массе; могут работать на различных типах жидкого или
газообразного топлива; имеют хороший КПД для больших мощностей.
Существуют определенные недостатки при использовании ГТД: высокий уровень
шума; большие затраты на производство из-за сложности конструкции; требуются
высокоточные материалы для изготовления компонентов из-за экстремальных
условий работы (высокие давление и температура).
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая
приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности.
Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько
последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина
высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор
двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты
вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т.д.), так и дополнительные
компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при
оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала
одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть
способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность
и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность
ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной
схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая
двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для
разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для
разгона при пуске только ротора высокого давления.
Реактивный двигатель (РД) — двигатель, создающий необходимую для
движения силу тяги путём преобразования внутренней энергии топлива в
кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Принцип работы: воздух засасывается через воздухозаборник, далее
многоступенчатый компрессор сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней
сжатый воздух смешивается с топливом, которое воспламеняется. Горячие газы,
образовавшиеся в результате горения, расширяются, заставляя вращаться
турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть
энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного
истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная
тяга. rostec.ruru.wikipedia.org*
Конструкция: ТРД не имеет вентилятора и создаёт тягу воздухом, который
полностью проходит через газовый тракт. Турбореактивные двигатели имеют
малые фронтальные размеры и производят наибольшую тягу на высоких
скоростях, что делает их наиболее подходящими для использования на
истребителях.
Сравнение
2. Классификация газотурбинных двигателей
Газотурбинные двигатели классифицируют по разным признакам: назначению,
конструктивной схеме, количеству валов, виду топлива.
2.1 По назначению
- Авиационные двигатели — предназначены для создания тяги в самолетах. В эту
группу входят турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые двигатели,
которые отличаются схемой работы и конструкцией.
- Промышленные газотурбинные установки — применяются для выработки
электроэнергии, например, на газотурбинных электростанциях. Здесь в основном
используются двигатели, работающие на механическую мощность.
- Морские газотурбинные двигатели — используются на судах и подводных лодках.
Они могут быть как турбовальными, так и турбовальными с различной передачей
мощности.
2.2 По конструкции и принципу работы
- Турбореактивный двигатель (ТРД) — базовая конструкция, где тяга получается за
счёт реактивной струи горячих газов. Эти двигатели имеют высокую скорость
выброса газов, но сравнительно высокий расход топлива.
- Турбовентиляторный двигатель (ТВРД) — модернизированная схема с
вентилятором в передней части, который дополнительно двигает большое
количество воздуха. Это увеличивает КПД и снижает уровень шума, что особенно
важно в гражданской авиации.
- Турбовинтовой двигатель (ТВД) — газовая турбина приводит в движение винт
через редуктор. Подходит для малой и средней авиации с низкими и средними
скоростями.
- Турбошеллерный двигатель (ТШД) — турбина передает мощность через
механическую или гидравлическую передачу, применяемый преимущественно на
морском транспорте.
2.3 По количеству валов
- Одновальные двигатели — компрессор и турбина находятся на одном валу.
Простота конструкции, но ограниченная гибкость.
- Двухвальные и трёхвальные двигатели — вал компрессора и турбины разделён.
Это позволяет увеличить общую эффективность и устойчивость работы двигателя,
снижать вибрации и увеличивать ресурс.
---
2.4 По виду топлива
- Большинство газотурбинных двигателей работают на жидких топливах, таких как
авиационный керосин.
- Некоторые промышленные установки используют природный газ, что позволяет
снизить загрязнение и повысить экономичность.
---
3. Особенности и преимущества разных типов двигателей
- Турбовентиляторные двигатели являются наиболее распространёнными в
гражданской авиации благодаря лучшему сочетанию тяги и топливной
эффективности.
- Турбореактивные двигатели хорошо подходят для военных и сверхзвуковых
самолетов, где важна высокая скорость.
- Турбовинтовые двигатели оптимальны для малой авиации, так как обеспечивают
высокую тягу при низких скоростях.
---
4. Заключение
Таким образом, классификация газотурбинных двигателей помогает гибко
выбирать нужный тип для конкретной задачи в зависимости от требований к
эффективности, мощности и условиям эксплуатации. Новые технологические
решения продолжают совершенствовать ГТД, обеспечивая большую мощность,
экономичность и экологичность.