Tema "turbine" je složena koliko i opsežna. Stoga, naravno, nije potrebno govoriti o njenom potpunom otkrivanju. Pozabavimo se, kao i uvijek, "opštim poznanstvom" i "odvojenim zanimljivim trenucima" ...

Istovremeno, istorija avijacione turbine je veoma kratka u poređenju sa istorijom turbine uopšte. To znači da se ne može bez neke teorijske i istorijske digresije, čiji sadržaj se uglavnom ne odnosi na avijaciju, već je osnova za priču o upotrebi gasne turbine u motorima aviona.

O brujanju i tutnjavi...

Počnimo pomalo nekonvencionalno i sjetimo se "". Ovo je prilično česta fraza koju obično neiskusni autori koriste u medijima kada opisuju rad moćnih aviona. Ovdje možete dodati i "urlanje, zvižduk" i druge glasne definicije za sve iste "turbine aviona".

Mnogima prilično poznate riječi. Međutim, ljudi koji razumiju dobro znaju da zapravo svi ovi „zvučni“ epiteti najčešće karakteriziraju rad mlaznih motora u cjelini ili njegovih dijelova, koji imaju vrlo malo veze s turbinama kao takvim (s izuzetkom, naravno, međusobni uticaj tokom njihovog zajedničkog rada).u opštem ciklusu turbomlaznog motora).

Štaviše, kod turbomlaznog motora (upravo takvi su predmet oduševljenih kritika), kao motor direktne reakcije koji reakcijom gasnog mlaza stvara potisak, turbina je samo njegov dio i prilično je posredno povezana sa “ urlajući urlik”.

I na onim motorima gdje on, kao čvor, igra, na neki način, dominantnu ulogu (to su motori indirektne reakcije, a tzv. gasna turbina), više nema tako impresivnog zvuka ili ga stvaraju potpuno drugi dijelovi elektrana aviona, kao što je propeler.

Odnosno, ni tutnjava ni rika, kao takva, da avijaciona turbina ne primjenjuju se stvarno. Međutim, uprkos takvoj zvučnoj neefikasnosti, on je složena i vrlo važna jedinica modernog turbomlaznog motora (GTE), često određujući njegovu glavnu karakteristike performansi. Ni jedan gasnoturbinski motor, jednostavno po definiciji, ne može bez turbine.

Dakle, razgovor, naravno, nije o impresivnim zvukovima i pogrešnoj upotrebi definicija ruskog jezika, već o zanimljivoj jedinici i njenom odnosu prema avijaciji, iako je to daleko od jedinog područja. aplikacija. Kako tehnički uređaj turbina se pojavila mnogo prije nego što je nastao koncept samog "zrakoplovnika" (ili aviona), a još više plinskoturbinskog motora za nju.

Istorija + malo teorije...

Pa čak i veoma dugo. Još od pronalaska mehanizama koji pretvaraju energiju prirodnih sila u korisnu akciju. Najjednostavniji u tom pogledu i stoga jedni od prvih koji su se pojavili bili su tzv rotacioni motori.

Sama ova definicija se, naravno, pojavila tek u našim danima. Međutim, njegovo značenje samo određuje jednostavnost motora. Prirodna energija se direktno, bez ikakvih međuuređaja, pretvara u mehaničku snagu rotacionog kretanja glavnog elementa snage takvog motora - osovine.

Turbina- tipičan predstavnik rotacionog motora. Gledajući unaprijed, možemo reći da je, na primjer, u klipnom motoru s unutrašnjim sagorijevanjem (ICE) glavni element klip. Vrši povratno kretanje, a da bi se postigla rotacija izlaznog vratila, potrebno je imati dodatni kolenasti mehanizam, što prirodno komplikuje i otežava konstrukciju. Turbina je u tom pogledu mnogo isplativija.

Za motor sa unutrašnjim sagorevanjem rotacionog tipa, kao toplotni motor, koji je, inače, turbomlazni motor, obično se koristi naziv "rotacioni".

Turbinski točak vodenog mlina

Jedna od najpoznatijih i najstarijih upotreba turbine su veliki mehanički mlinovi koje je čovjek od pamtivijeka koristio za razne kućne potrebe (ne samo za mljevenje žita). Oni se tretiraju kao vode, i vjetrenjače mehanizama.

Kroz dugi period antičke istorije (prvi pomen je otprilike iz 2. veka pre nove ere) i istorije srednjeg veka, to su zapravo bili jedini mehanizmi koje je čovek koristio u praktične svrhe. Mogućnost njihove primjene, uprkos primitivnosti tehničkih okolnosti, sastojala se u jednostavnosti transformacije energije korištenog radnog fluida (vode, zraka).

Vjetrenjača je primjer turbinskog točka.

U ovim, zapravo, pravim rotacionim motorima, energija protoka vode ili vazduha se pretvara u snagu osovine i, na kraju, koristan rad. To se događa kada tok stupi u interakciju s radnim površinama, koje su lopatice vodenog točka ili krila vjetrenjače. Oboje su, u stvari, prototip oštrice moderne mašine sa oštricama, koje se trenutno koriste turbine (i kompresori, inače, također).

Poznata je još jedna vrsta turbine, koju je prvi dokumentirao (očigledno izumio) starogrčki naučnik, mehaničar, matematičar i prirodnjak Heron iz Aleksandrije ( Heron ho Alexandreus,1 -th vek nove ere) u svojoj raspravi Pneumatika. Izum koji je opisao zvao se aeolipil , što na grčkom znači "lopta od Eola" (bog vjetra, Αἴολος - Eol (grčki), pila- lopta (lat.)).

Aeolipil Heron.

U njemu je lopta bila opremljena s dvije suprotno usmjerene cijevi-mlaznice. Iz mlaznica je izlazila para, koja je ušla u kuglicu kroz cijevi iz kotla koji se nalazi ispod i na taj način natjerala loptu da se okreće. Radnja je jasna iz slike. Bila je to takozvana obrnuta turbina, koja se okretala u smjeru suprotnom od izlaza pare. Turbine ovog tipa imaju poseban naziv - reaktivni (više detalja - u nastavku).

Zanimljivo je da ni sam Heron nije zamišljao šta je to radno tijelo u njegovom automobilu. U to doba para se poistovjećivala sa zrakom, o tome svjedoči i ime, jer Eol zapovijeda vjetrom, odnosno zrakom.

Eolipil je, općenito, bio punopravni toplinski motor koji je pretvarao energiju sagorjelog goriva u mehaničku energiju rotacije na osovini. Možda je to bio jedan od prvih toplotnih motora u istoriji. Istina, njegova korisnost još uvijek "nije potpuna", budući da izum nije obavljao koristan rad.

Eolipil je, između ostalih mehanizama poznatih u to vrijeme, bio dio takozvanog „automatskog teatra“, koji je bio veoma popularan u narednim vekovima, a zapravo je bio samo zanimljiva igračka sa neshvatljivom budućnošću.

Od trenutka nastanka i općenito od ere kada su ljudi u svojim prvim mehanizmima koristili samo „jasno ispoljavajuće“ sile prirode (sila vjetra ili gravitacija padajuće vode) do početka pouzdanog korištenja toplinske energije goriva u novostvorenih toplotnih motora, prošlo je više od sto godina.

Prve takve jedinice bile su parne mašine. Pravi primjeri rada su izmišljeni i izgrađeni u Engleskoj tek krajem 17. stoljeća i korišteni su za crpljenje vode iz rudnika uglja. Kasnije su se pojavili parni strojevi s klipnim mehanizmom.

U budućnosti, sa razvojem tehničkog znanja, „u scenu“ su „ušli“ klipni motori sa unutrašnjim sagorevanjem različitih konstrukcija, naprednijih i efikasnijih mehanizama. Već su koristili gas (proizvode sagorevanja) kao radni fluid i nisu im bili potrebni glomazni parni kotlovi za njegovo zagrevanje.

Turbine kao glavne komponente termičkih motora, takođe su prošli sličan put u svom razvoju. I iako postoje odvojeni spomeni nekih slučajeva u povijesti, ali zaslužuju pažnju i, osim toga, dokumentirane, uključujući i patentirane, jedinice pojavile su se tek u drugoj polovini 19. stoljeća.

Sve je počelo sa parom...

Uz korištenje ovog radnog fluida razrađeni su gotovo svi osnovni principi konstrukcije turbine (kasnije plinske turbine) kao važnog dijela toplinske mašine.

Mlazna turbina patentirana od strane Laval-a.

Prilično karakteristični u tom pogledu bili su razvoji talentovanog švedskog inženjera i pronalazača Gustave de Laval(Karl Gustaf Patrik de Laval). Njegovo istraživanje u to vrijeme bilo je povezano s idejom razvoja novog separatora mlijeka sa povećanom brzinom pogona, što je omogućilo značajno povećanje produktivnosti.

Ostvarite veću brzinu rotacije (obrtaje) koristeći već tradicionalni tada (međutim, jedini postojeći) klip parna mašina To nije bilo moguće zbog velike inercije najvažnijeg elementa - klipa. Shvativši to, Laval je odlučio pokušati napustiti korištenje klipa.

Priča se da mu je sama ideja pala na pamet dok je posmatrao rad pjeskara. Godine 1883. dobio je svoj prvi patent (engleski patent br. 1622) u ovoj oblasti. Patentirani uređaj se zvao " Turbina pogonjena parom i vodom».

Bila je to cijev u obliku slova S, na čijim su krajevima napravljene sužene mlaznice. Cijev je bila postavljena na šuplju osovinu kroz koju je para dovođena do mlaznica. U principu, sve se to ni po čemu nije razlikovalo od eolipila Herona Aleksandrijskog.

Proizvedeni uređaj je radio prilično pouzdano s visokim okretajima za tadašnju tehnologiju - 42.000 o/min. Brzina rotacije dostigla je 200 m/s. Ali sa tako dobrim parametrima turbina imao izuzetno nisku efikasnost. A pokušaji da se to poveća uz postojeće stanje tehnike nisu doveli do ničega. Zašto se to dogodilo?

——————-

Malo teorije...Još malo o karakteristikama....

Pomenuti faktor efikasnosti (za savremene avionske turbine to je tzv. faktor snage ili efektivne efikasnosti) karakteriše efikasnost korišćenja utrošene (dostupne) energije za pogon vratila turbine. Odnosno, koji je dio ove energije utrošen korisno na rotaciju osovine, a koji " otišao niz cijev».

Upravo je poletelo. Za opisanu vrstu turbine, koja se zove reaktivna, ovaj izraz je tačan. Takav uređaj prima rotacijski pokret na osovini pod djelovanjem sile reakcije izlaznog plinskog mlaza (ili u ovom slučaju pare).

Turbina kao mašina za dinamičku ekspanziju, za razliku od rasute mašine(klipni) za svoj rad zahtijeva ne samo kompresiju i zagrijavanje radnog fluida (plina, pare), već i njegovo ubrzanje. Ovdje dolazi do ekspanzije (povećanje specifične zapremine) i pada pritiska zbog ubrzanja, posebno u mlaznici. Kod klipnog motora to je zbog povećanja volumena komore cilindra.

Kao rezultat toga, ta velika potencijalna energija radnog fluida, koja je nastala kao rezultat dovoda toplotne energije sagorelog goriva u njega, pretvara se u kinetičku energiju (minus raznih gubitaka, naravno). I kinetički (u mlaznoj turbini) kroz reakcione sile - u mehanički rad na osovini.

A to je otprilike koliko u potpunosti kinetička energija prelazi u mehaničku u ovoj situaciji i govori nam o efikasnosti. Što je veći, to manje kinetičke energije ima protok koji izlazi iz mlaznice u okolinu. Ova preostala energija se zove " gubitak sa izlaznom brzinom“, a direktno je proporcionalan kvadratu brzine odlaznog toka (svi se vjerovatno sjećaju mS 2 /2).

Princip rada mlazne turbine.

Ovdje je riječ o takozvanoj apsolutnoj brzini C. Uostalom, izlazni tok, tačnije, svaka njegova čestica, učestvuje u složenom kretanju: pravolinijskom plus rotaciono. Dakle, apsolutna brzina C (u odnosu na fiksni koordinatni sistem) jednaka je zbiru brzine rotacije turbine U i relativne brzine protoka W (brzine u odnosu na mlaznicu). Zbir je naravno vektor, prikazan na slici.

Segner wheel.

Minimalni gubici (i maksimalna efikasnost) odgovaraju minimalnoj brzini C, idealno bi trebala biti jednaka nuli. A to je moguće samo ako su W i U jednaki (vidi se na slici). Periferna brzina (U) u ovom slučaju se naziva optimalno.

Takvu jednakost bilo bi lako osigurati na hidrauličnim turbinama (kao npr segner wheel), budući da je brzina istjecanja tekućine iz mlaznica za njih (slično brzini W) relativno niska.

Ali ista brzina W za gas ili paru je mnogo veća zbog velike razlike u gustoći tečnosti i gasa. Dakle, pri relativno niskom pritisku od samo 5 atm. hidraulična turbina može dati brzinu izbacivanja od samo 31 m/s, a parna turbina 455 m/s. Odnosno, pokazalo se da bi čak i pri dovoljno niskim pritiscima (samo 5 atm.), Lavalova mlazna turbina trebala imati, iz razloga visoke efikasnosti, perifernu brzinu iznad 450 m/s.

Za tadašnji nivo razvoja tehnologije to je bilo jednostavno nemoguće. Bilo je nemoguće napraviti pouzdan dizajn s takvim parametrima. Smanjivanje optimalne obimne brzine smanjenjem relativne (W) takođe nije imalo smisla, jer se to može učiniti samo smanjenjem temperature i pritiska, a time i ukupne efikasnosti.

Laval aktivna turbina...

Lavalova mlazna turbina nije podlegla daljem poboljšanju. Uprkos učinjenim pokušajima, stvari su zastale. Tada je inženjer krenuo drugim putem. Godine 1889. patentirao je drugu vrstu turbine, koja je kasnije dobila naziv aktivna. U inostranstvu (na engleskom) sada nosi ime impulsna turbina, odnosno impulsivan.

Uređaj za koji se traži u patentu sastojao se od jedne ili više fiksnih mlaznica koje dovode paru do lopatica u obliku kante postavljene na obodu pokretnog radnog turbinskog točka (ili diska).

Aktivna jednostepena parna turbina patentirana od strane Laval-a.

Proces rada u takvoj turbini je sljedeći. Para se ubrzava u mlaznicama s povećanjem kinetičke energije i padom pritiska i pada na lopatice rotora, na njihov konkavni dio. Kao rezultat udara na lopatice radnog kola, počinje se okretati. Ili možete reći da do rotacije dolazi zbog impulsivnog djelovanja mlaza. Stoga i engleski naslov impulsturbina.

Istovremeno, u međulopatskim kanalima, koji imaju praktično konstantan poprečni presjek, tok ne mijenja svoju brzinu (W) i pritisak, već mijenja smjer, odnosno okreće se pod velikim uglovima (do 180°). Odnosno, na izlazu iz mlaznice i na ulazu u međulopatski kanal imamo: apsolutnu brzinu C 1 , relativnu W 1 , obodnu brzinu U.

Na izlazu, respektivno, C 2, W 2 i isti U. U ovom slučaju, W 1 = W 2, C 2< С 1 – из-за того, что часть кинетической энергии входящего потока превращается в механическую на валу турбины (импульсное воздействие) и абсолютная скорость падает.

U principu, ovaj proces je prikazan na pojednostavljenoj slici. Također, da bi se pojednostavilo objašnjenje procesa, ovdje se pretpostavlja da su apsolutni i obodni vektori brzine praktično paralelni, protok mijenja smjer u rotoru za 180°.

Protok pare (gasa) u fazi aktivne turbine.

Ako uzmemo u obzir brzine u apsolutnim terminima, onda se može vidjeti da je W 1 = C 1 - U, i C 2 = W 2 - U. Dakle, na osnovu prethodnog, za optimalni način rada, kada je efikasnost potrebno maksimalne vrijednosti, a gubici od izlazne brzine teže minimalnim (tj. C 2 =0) imamo C 1 =2U ili U=C 1 /2.

Dobijamo to za aktivnu turbinu optimalna obodna brzina upola manja brzina istjecanja iz mlaznice, odnosno takva turbina je upola opterećena od mlazne turbine, a zadatak postizanja veće efikasnosti je olakšan.

Stoga je u budućnosti Laval nastavio razvijati upravo ovu vrstu turbine. Međutim, unatoč smanjenju potrebne obodne brzine, ona je i dalje ostala dovoljno velika, što je podrazumijevalo jednako velika centrifugalna i vibracijska opterećenja.

Princip rada aktivne turbine.

To je rezultiralo strukturalnim problemima i problemima čvrstoće, kao i problemima otklanjanja neravnoteža, koji su se često rješavali s velikim poteškoćama. Osim toga, postojali su i drugi nerazjašnjeni i nerešivi faktori u tadašnjim uslovima, koji su na kraju smanjili efikasnost ove turbine.

To uključuje, na primjer, nesavršenost aerodinamike lopatica, što uzrokuje povećanu hidraulički gubici, kao i pulsirajući efekat pojedinačnih parnih mlaznica. U stvari, samo nekoliko ili čak jedna oštrica mogla bi biti aktivna lopatica koja istovremeno opaža djelovanje ovih mlaznica (ili mlaznica). Ostali su se u isto vrijeme kretali u praznom hodu, stvarajući dodatni otpor (u atmosferi pare).

Takve turbine nije bilo načina da se poveća snaga zbog povećanja temperature i pritiska pare, jer bi to dovelo do povećanja periferne brzine, što je bilo apsolutno neprihvatljivo zbog svih istih problema u dizajnu.

Osim toga, povećanje snage (sa povećanjem periferne brzine) bilo je neprikladno iz još jednog razloga. Potrošači energije turbine bili su uređaji male brzine u odnosu na nju (za to su planirani električni generatori). Stoga je Laval morao razviti posebne mjenjače za kinematičku vezu osovine turbine sa vratilom potrošača.

Odnos masa i dimenzija aktivne Lavalove turbine i mjenjača prema njoj.

Zbog velike razlike u brzini ovih osovina, mjenjači su bili izuzetno glomazni i često su po veličini i težini značajno nadmašili samu turbinu. Povećanje njegove snage dovelo bi do još većeg povećanja veličine takvih uređaja.

Na kraju Laval aktivna turbina Bio je to agregat relativno male snage (radni primjerci do 350 KS), štoviše, skup (zbog velikog skupa poboljšanja), a zajedno s mjenjačem bio je i prilično glomazan. Sve to ga je učinilo nekonkurentnim i isključilo masovnu primjenu.

Zanimljiva je činjenica da konstruktivni princip Lavalove aktivne turbine zapravo nije on izmislio. Čak 250 godina prije pojave njegovih istraživanja u Rimu 1629. godine, objavljena je knjiga italijanskog inženjera i arhitekte Giovannija Branca pod naslovom "Le Machine" ("Mašine").

U njemu je, između ostalih mehanizama, stavljen opis "parnog točka", koji sadrži sve glavne komponente koje je napravio Laval: parni kotao, cijev za dovod pare (mlaznicu), aktivni turbinski impeler, pa čak i mjenjač. Tako su, mnogo prije Lavala, svi ovi elementi već bili poznati, a njegova zasluga je bila u tome što ih je natjerao da zaista rade zajedno i bio angažovan na izuzetno teška pitanja poboljšanje mehanizma u cjelini.

Parna aktivna turbina Giovanni Branca.

Zanimljivo je da je jedna od najpoznatijih karakteristika njegove turbine bila dizajn mlaznice (navedena je posebno u istom patentu), koja dovodi paru do lopatica rotora. Ovdje je postala mlaznica od obične sužene, kakva je bila u mlaznoj turbini sužavanje-proširivanje. Kasnije je ova vrsta mlaznica nazvana Laval mlaznice. Oni omogućavaju ubrzanje protoka plina (pare) do nadzvučne brzine uz dovoljno male gubitke. O njima .

Dakle, glavni problem s kojim se Laval borio pri razvoju svojih turbina, a s kojim se nije mogao nositi, bila je velika periferna brzina. Međutim, prilično efikasno rješenje za ovaj problem već je predložio i čak, koliko je čudno, sam Laval.

Višestepeni….

Iste godine (1889), kada je patentirana gore opisana aktivna turbina, inženjer je razvio aktivnu turbinu sa dva paralelna reda lopatica rotora postavljenih na jedno radno kolo (disk). Ovo je bio tzv dvostepena turbina.

Para je dovođena do radnih lopatica, kao i kod jednostepene, kroz mlaznicu. Između dva reda lopatica rotora postavljen je red fiksnih lopatica, koji su preusmjeravali tok ostavljajući lopatice prvog stupnja na lopatice rotora drugog.

Ako koristimo pojednostavljeni princip koji je gore predložen za određivanje obimne brzine za jednostepenu mlaznu turbinu (Laval), onda se ispostavi da je za dvostepenu turbinu brzina rotacije manja od brzine izlivanja iz mlaznice ne dva, već četiri puta.

Princip Curtis točka i promjena parametara u njemu.

Ovo je najefikasnije rješenje problema niske optimalne obodne brzine, koje je predložio, ali nije koristio Laval, a koje se aktivno koristi u modernim turbinama, kako parnim tako i plinskim. Višestepeni…

To znači da se velika raspoloživa energija za cijelu turbinu može na neki način podijeliti na dijelove prema broju stupnjeva, a svaki takav dio se razrađuje u posebnoj fazi. Što je ta energija niža, to je manja brzina radnog fluida (para, gas) koji ulazi u lopatice rotora i, posljedično, niža je optimalna obodna brzina.

Odnosno, promjenom broja stupnjeva turbine možete promijeniti frekvenciju rotacije njene osovine i, shodno tome, promijeniti opterećenje na njoj. Osim toga, višestepeni vam omogućava da radite na turbini velikih razlika u energiji, odnosno da povećate njenu snagu, a istovremeno održite visoke stope efikasnosti.

Laval nije patentirao svoju dvostepenu turbinu, iako je napravljen prototip, pa nosi ime američkog inženjera C. Curtisa (točak (ili disk) Curtis), koji je 1896. godine dobio patent za sličan uređaj.

Međutim, mnogo ranije, 1884. godine, engleski inženjer Charles Algernon Parsons razvio je i patentirao prvi pravi višestepena parna turbina. Prije njega bilo je mnogo izjava raznih naučnika i inženjera o korisnosti podjele raspoložive energije na korake, ali on je prvi pretočio tu ideju u "gvožđe".

Parsons višestepena turbina sa aktivnim mlazom (rastavljena).

Istovremeno, njegov turbina imao funkciju koja ga je približila modernim uređajima. U njemu se para širila i ubrzavala ne samo u mlaznicama formiranim od fiksnih lopatica, već i djelomično u kanalima formiranim od posebno oblikovanih lopatica rotora.

Uobičajeno je da se ova vrsta turbine naziva reaktivnom, iako je naziv prilično proizvoljan. U stvari, zauzima srednju poziciju između čisto reaktivne Heron-Laval turbine i čisto aktivne Laval-Branca. Lopatice rotora, zbog svog dizajna, kombinuju aktivne i reaktivne principe u celokupnom procesu. Stoga bi bilo ispravnije nazvati takvu turbinu aktivno-reaktivnošto se često radi.

Dijagram višestepene Parsonsove turbine.

Parsons je radio na različitim tipovima višestepenih turbina. Među njegovim dizajnom nisu bili samo gore opisani aksijalni (radni fluid se kreće duž osi rotacije), već i radijalni (para se kreće u radijalnom smjeru). Prilično poznata je njegova trostepena čisto aktivna turbina "Heron" u kojoj se koriste tzv. Heronovi točkovi (suština je ista kao i kod eolipila).

Mlazna turbina "Heron".

Kasnije, od ranih 1900-ih, izgradnja parnih turbina je brzo dobila zamah i Parsons je bio na čelu toga. Njegove višestepene turbine bile su opremljene morskim brodovima, prvo eksperimentalnim (brod Turbinia, 1896, deplasman 44 tone, brzina 60 km/h - nezapamćeno za to vrijeme), zatim vojnim brodovima (na primjer, bojni brod Dreadnought, 18000 tona , brzina 40 km/h).h, snaga turbine 24.700 KS) i putnički (primjer - isti tip "Mauritanija" i "Luzitanija", 40.000 tona, brzina 48 km/h, snaga turbine 70.000 KS). Istovremeno je počela izgradnja stacionarnih turbina, na primjer, ugradnjom turbina kao pogona u elektrane (Edison Company u Chicagu).

O gasnim turbinama...

No, vratimo se našoj glavnoj temi - avijaciji i napomenimo jednu prilično očiglednu stvar: ovako jasno izražen uspjeh u radu parnih turbina mogao bi imati samo konstruktivni i temeljni značaj za avijaciju, koja je upravo u isto vrijeme ubrzano napredovala u svom razvoju. .

Upotreba parne turbine kao elektrane u avionima, iz očiglednih razloga, bila je krajnje sumnjiva. Avijacijska turbina mogla bi postati samo fundamentalno slična, ali mnogo isplativija plinska turbina. Međutim, nije sve bilo tako lako...

Prema Levu Gumilevskom, autoru popularne 60-ih godina prošlog veka knjige „Kreatori motora“, jednom, 1902. godine, u vreme početka naglog razvoja izgradnje parnih turbina, Charles Parsons, zapravo, jedan od tada glavnih ideologa ovog posla, postavljeno je, općenito, šaljivo pitanje: Da li je moguće "parsonizirati" auto na gas? ” (podrazumjevana turbina).

Odgovor je izražen u apsolutno odlučnoj formi: “ Mislim da gasna turbina nikada neće biti stvorena. Nema dva načina." Inženjer nije uspio da postane prorok, ali je svakako imao razloga da to kaže.

Upotreba gasne turbine, pogotovo ako se misli na njenu upotrebu u vazduhoplovstvu umesto parne, bila je naravno primamljiva, jer pozitivne strane njena očigledna. Uz sve svoje energetske mogućnosti, za rad mu nisu potrebni ogromni, glomazni uređaji za stvaranje pare – kotlovi, kao ni ništa manje veliki uređaji i sistemi za njegovo hlađenje – kondenzatori, rashladni tornjevi, rashladni bazeni itd.

Grijač za plinskoturbinski motor je mali, kompaktan, smješten unutar motora i sagorijeva gorivo direktno u struji zraka. On čak nema ni frižider. Tačnije, postoji, ali postoji kao virtuelno, jer se izduvni gas ispušta u atmosferu, a to je frižider. Odnosno, postoji sve što vam je potrebno za toplinski motor, ali u isto vrijeme sve je kompaktno i jednostavno.

Istina, parna turbina može i bez „pravog frižidera“ (bez kondenzatora) i ispuštati paru direktno u atmosferu, ali onda možete zaboraviti na efikasnost. Primjer za to je parna lokomotiva - stvarna efikasnost je oko 6%, 90% njene energije leti u cijev.

Ali uz takve opipljive prednosti, postoje i značajni nedostaci, koji su, općenito, postali osnova za Parsonsov kategoričan odgovor.

Kompresija radnog fluida za naknadnu implementaciju radnog ciklusa, uklj. i u turbini...

U radnom ciklusu parnoturbinskog postrojenja (Rankineov ciklus) rad kompresije vode je mali, pa su stoga i zahtjevi za pumpu koja obavlja ovu funkciju i njenu efikasnost mali. U GTE ciklusu, gdje je zrak komprimiran, ovaj rad je, naprotiv, vrlo impresivan, a većina raspoložive energije turbine se troši na njega.

Ovo smanjuje količinu korisnog rada za koji se turbina može koristiti. Stoga su zahtjevi za jedinicom za kompresiju zraka u smislu njene efikasnosti i ekonomičnosti vrlo visoki. Kompresori u savremenim avionskim gasnoturbinskim motorima (uglavnom aksijalnim), kao i u stacionarnim jedinicama, zajedno sa turbinama, su složeni i skupi uređaji. O njima .

Temperatura…

To je glavni problem za gasne turbine, uključujući i one u vazduhoplovstvu. Činjenica je da ako je u postrojenju s parnom turbinom temperatura radnog fluida nakon procesa ekspanzije blizu temperaturi rashladne vode, onda u plinskoj turbini dostiže vrijednost od nekoliko stotina stupnjeva.

To znači da se velika količina energije emituje u atmosferu (poput frižidera), što, naravno, negativno utiče na efikasnost čitavog radnog ciklusa, koji karakteriše toplotna efikasnost: η t \u003d Q 1 - Q 2 / Q 1. Ovdje je Q2 ista energija ispuštena u atmosferu. Q 1 - energija koja se dovodi u proces iz grijača (u komori za sagorijevanje).

Da bi se povećala ova efikasnost, potrebno je povećati Q 1, što je ekvivalentno povećanju temperature ispred turbine (odnosno u komori za sagorevanje). Ali činjenica je da je daleko od uvijek moguće podići ovu temperaturu. Njegova maksimalna vrijednost je ograničena samom turbinom i snaga ovdje postaje glavni uvjet. Turbina radi u veoma teškim uslovima, kada su visoke temperature kombinovane sa visokim centrifugalnim opterećenjem.

Upravo je ovaj faktor oduvijek ograničavao snagu i potisak gasnoturbinskih motora (u velikoj mjeri ovisi o temperaturi) i često je postao razlogom složenosti i cijene turbina. Ovakva situacija se nastavila iu našem vremenu.

A u Parsonsovo vrijeme, ni metalurška industrija ni nauka o aerodinamici još nisu mogle pružiti rješenje za probleme stvaranja efikasnog i ekonomičnog kompresora i visokotemperaturne turbine. Nije postojala ni odgovarajuća teorija ni potrebni materijali otporni na toplotu i toplotu.

A ipak je bilo pokušaja...

Ipak, kako to obično biva, bilo je ljudi koji se ne boje (ili možda ne razumiju :-)) mogućih poteškoća. Pokušaji stvaranja plinske turbine nisu prestali.

Štaviše, zanimljivo je da je sam Parsons, u zoru svoje "turbinske" aktivnosti, u svom prvom patentu za višestepenu turbinu, naveo mogućnost njenog rada, osim na paru, i na produkte sagorevanja goriva. Takođe je razmatrano moguća varijanta gasnoturbinski motor koji radi na tečno gorivo sa kompresorom, komorom za sagorevanje i turbinom.

Dimna pljuvačka.

Primjeri korištenja plinskih turbina bez poduzimanja bilo kakve teorije poznati su dugo vremena. Očigledno je čak i Heron u "pozorištu automata" koristio princip zračne mlazne turbine. Takozvani "dimni ražnjići" su nadaleko poznati.

A u već spomenutoj knjizi Italijana (inženjer, arhitekta, Giovanni Branca, Le Machine) Giovanni Branca nalazi se crtež “ vatreni točak". U njemu se turbinski kotač rotira produktima izgaranja iz vatre (ili ognjišta). Zanimljivo je da sam Branca nije napravio većinu svojih mašina, već je samo iznosio ideje za njihovo stvaranje.

Vatreni točak Đovanija Branke.

U svim tim "dimnim i vatrenim kotačima" nije bilo stepena kompresije zraka (gasa), a nije bilo ni kompresora kao takvog. Transformacija potencijalne energije, odnosno dovedene toplotne energije sagorevanja goriva, u kinetičku (ubrzanje) za rotaciju gasne turbine dogodila se samo zbog dejstva gravitacije kada se tople mase dižu. Odnosno, korišten je fenomen konvekcije.

Naravno, takvi "agregati" za prave mašine, na primjer, za vožnju Vozilo ne može se koristiti. Međutim, 1791. godine Englez John Barber patentirao je "mašinu za transport bez konja", čija je jedna od najvažnijih komponenti bila gasna turbina. Bio je to prvi zvanično registrovani patent za gasnu turbinu u istoriji.

John Barber plinski turbinski motor.

Mašina je koristila gas dobijen od drveta, uglja ili nafte, zagrevan u posebnim gasnim generatorima (retortama), koji je nakon hlađenja ulazio u klipni kompresor, gde se sabijao zajedno sa vazduhom. Zatim se smjesa dovodi u komoru za sagorijevanje, a nakon toga se proizvodi izgaranja rotiraju turbina. Voda je korištena za hlađenje komora za sagorijevanje, a nastala para je također poslana u turbinu.

Nivo razvoja tadašnjih tehnologija nije dozvolio da se ideja oživi. Radni model mašine Barber sa gasnom turbinom napravljen je tek 1972. godine od strane Kraftwerk-Union AG za industrijsku izložbu u Hanoveru.

Tokom 19. stoljeća, razvoj koncepta plinske turbine bio je izuzetno spor iz gore opisanih razloga. Bilo je nekoliko uzoraka vrijednih pažnje. Kompresor i toplina ostali su nepremostivi kamen spoticanja. Bilo je pokušaja upotrebe ventilatora za kompresiju zraka, kao i korištenja vode i zraka za hlađenje konstrukcijskih elemenata.

Motor F. Stolze. 1 - aksijalni kompresor, 2 - aksijalna turbina, 3 - izmjenjivač topline.

Poznat je primjer plinskoturbinskog motora njemačkog inženjera Franza Stolzea, patentiranog 1872. godine i vrlo sličnog dizajnu modernim gasnoturbinskim motorima. U njemu su na istoj osovini bili smješteni višestepeni aksijalni kompresor i višestepena aksijalna turbina.

Vazduh nakon prolaska kroz regenerativni izmenjivač toplote podeljen je na dva dela. Jedan je ušao u komoru za sagorevanje, drugi je pomešan sa produktima sagorevanja pre nego što su ušli u turbinu, smanjujući njihovu temperaturu. Ova tzv sekundarnog vazduha, a njegova upotreba je tehnika koja se široko koristi u modernim gasnoturbinskim motorima.

Stolzeov motor je testiran 1900-1904, ali se pokazalo da je bio izuzetno neefikasan zbog niske kvalitete kompresora i niske temperature ispred turbine.

Većim dijelom prve polovine 20. stoljeća, plinska turbina nije bila u stanju da se aktivno takmiči sa parnom turbinom niti da postane dio gasnoturbinskog motora, koji bi mogao adekvatno zamijeniti klipni motor s unutrašnjim sagorijevanjem. Njegova upotreba na motorima bila je uglavnom pomoćna. Na primjer, kao jedinice za pritisak u klipnim motorima, uključujući i one u avijaciji.

Ali od početka 1940-ih situacija se počela brzo mijenjati. Konačno su stvorene nove legure otporne na toplinu, koje su omogućile radikalno podizanje temperature plina ispred turbine (do 800 ° C i više), a pojavile su se i prilično ekonomične s visokom efikasnošću.

Ovo ne samo da je omogućilo izgradnju efikasnih gasnoturbinskih motora, već je, zbog kombinacije njihove snage sa relativnom lakoćom i kompaktnošću, njihovo korišćenje u avionima. Počela je era mlaznih aviona i avionskih gasnoturbinskih motora.

Turbine u avionskim gasnoturbinskim motorima...

Dakle... Glavno područje primjene turbina u zrakoplovstvu su plinskoturbinski motori. Turbina ovdje radi težak posao - rotira kompresor. Istovremeno, u GTD-u, kao iu bilo kojem toplotni motor, rad ekspanzije je veći od rada kompresije.

A turbina je samo ekspanziona mašina i troši samo dio raspoložive energije protoka plina za kompresor. Ostatak (ponekad se naziva slobodna energija) može se koristiti u korisne svrhe ovisno o vrsti i dizajnu motora.

Shema TVAD Makila 1a1 sa besplatnom turbinom.

Turboosovinski motor AMAKILA 1A1.

Kod motora s indirektnom reakcijom, kao što su (helikopter GTE), troši se na rotaciju propelera. U ovom slučaju turbina se najčešće dijeli na dva dijela. Prvi je kompresorska turbina. Drugi, koji pokreće vijak, je tzv besplatna turbina. Rotira se nezavisno i samo je gasnodinamički povezan sa turbinom kompresora.

U motorima s direktnom reakcijom (mlazni motori ili VRE), turbina se koristi samo za pogon kompresora. Preostala slobodna energija, koja rotira slobodnu turbinu u TVAD-u, troši se u mlaznici, pretvarajući se u kinetičku energiju za postizanje mlaznog potiska.

U sredini između ovih ekstrema nalaze se. Dio njihove slobodne energije koristi se za pogon propelera, a dio formira mlazni potisak u izlaznom uređaju (mlaznici). Istina, njegov udio u ukupnom potisku motora je mali.

Shema jednooknog teatra DART RDa6. Turbina na zajedničkom vratilu motora.

Turboelisni jednoosovinski motor Rolls-Royce DART RDa6.

Po dizajnu, HPT mogu biti jednoosovinski, u kojima slobodna turbina nije strukturno raspoređena i, kao jedna jedinica, istovremeno pokreće i kompresor i propeler. Primjer Rolls-Royce DART RDa6 TVD, kao i našeg dobro poznatog AI-20 TVD.

Može postojati i TVD sa zasebnom slobodnom turbinom koja pokreće propeler i nije mehanički povezana sa ostalim komponentama motora (gas-dinamička veza). Primjer je motor PW127 različitih modifikacija (zrakoplov), ili Pratt & Whitney Canada PT6A teatar.

Šema pozorišta Pratt & Whitney Canada PT6A sa besplatnom turbinom.

Pratt & Whitney Canada PT6A motor.

Shema PW127 TVD sa slobodnom turbinom.

Naravno, u svim vrstama gasnoturbinskih motora nosivost uključuje i jedinice koje osiguravaju rad motora i sistema aviona. Obično su to pumpe, goriva i hidro-, električni generatori itd. Svi ovi uređaji najčešće se pogone sa osovine turbopunjača.

O tipovima turbina.

Zapravo ima dosta vrsta. Na primjer, neki nazivi: aksijalni, radijalni, dijagonalni, radijalno-aksijalni, rotacijski-lopatica, itd. U avijaciji se koriste samo prva dva, a radijalni je prilično rijedak. Obje ove turbine dobile su naziv u skladu s prirodom kretanja toka plina u njima.

Radijalno.

Radijalno teče duž radijusa. Štaviše, u radijalnom avijaciona turbina koristi se centripetalni smjer strujanja koji obezbjeđuje veću efikasnost (u vanvazduhoplovnoj praksi postoji i centrifugalni).

Stupanj radijalne turbine sastoji se od radnog kola i fiksnih lopatica koje formiraju tok na njenom ulazu. Lopatice su profilisane tako da međulopatski kanali imaju suženu konfiguraciju, odnosno mlaznice. Sve ove oštrice, zajedno sa elementima karoserije na koje su montirane, nazivaju se aparat za mlaznice.

Shema radijalne centripetalne turbine (sa objašnjenjima).

Radno kolo je propeler sa posebno profilisanim lopaticama. Okretanje impelera nastaje kada plin prolazi kroz sužene kanale između lopatica i djeluje na lopatice.

Radno kolo radijalne centripetalne turbine.

Radijalne turbine su prilično jednostavni, njihovi impeleri imaju mali broj lopatica. Moguće obimne brzine radijalne turbine pri istim naponima u rotoru veće su od onih aksijalne turbine, pa se na njoj mogu generirati veće količine energije (toplinske kapi).

Međutim, ove turbine imaju malu površinu protoka i ne pružaju dovoljan protok gasa za istu veličinu u poređenju sa aksijalnim turbinama. Drugim riječima, imaju prevelike relativne dijametralne dimenzije, što komplicira njihov raspored u jednom motoru.

Osim toga, teško je stvoriti višestepene radijalne turbine zbog velikih hidrauličnih gubitaka, što ograničava stupanj ekspanzije plina u njima. Takođe je teško hladiti takve turbine, što smanjuje moguće maksimalne temperature gasa.

Stoga je upotreba radijalnih turbina u avijaciji ograničena. Uglavnom se koriste u jedinicama male snage sa malom potrošnjom gasa, najčešće u pomoćnim mehanizmima i sistemima ili u motorima avionskih modela i malih bespilotnih letelica.

Prvi mlazni avion Heinkel He 178.

TRD Heinkel HeS3 sa radijalnom turbinom.

Jedan od rijetkih primjera upotrebe radijalne turbine kao glavnog zračnog mlaznog motora je motor prvog pravog mlaznog aviona, Heinkel He 178 turbomlazni Heinkel HeS 3. Fotografija jasno pokazuje elemente stepena takve turbine. Parametri ovog motora su bili sasvim u skladu sa mogućnošću njegove upotrebe.

Aksijalni avijaciona turbina.

Ovo je jedini tip turbine koji se trenutno koristi u gasnoturbinskim motorima za zračnu liniju. Glavni izvor mehaničkog rada na vratilu dobivenom od takve turbine u motoru su impeleri ili, preciznije, lopatice rotora (RL) postavljene na ove kotače i u interakciji sa energetski nabijenim protokom plina (komprimiranim i zagrijanim).

Organiziraju se rubovi fiksnih noževa postavljenih ispred radnika pravi pravac teče i učestvuju u transformaciji potencijalne energije gasa u kinetičku energiju, odnosno ubrzavaju je u procesu širenja sa smanjenjem pritiska.

Ove oštrice, zajedno s elementima tijela na koje su montirane, nazivaju se aparat za mlaznice(CA). Aparat mlaznice u kompletu sa radnim noževima je stepen turbine.

Suština procesa ... Generalizacija rečenog ...

U procesu navedene interakcije sa lopaticama rotora, kinetička energija strujanja se pretvara u mehaničku energiju koja rotira osovinu motora.Takva transformacija u aksijalnoj turbini može se dogoditi na dva načina:

Primjer jednostepene aktivne turbine. Prikazana je promjena parametara duž putanje.

1. Bez promene pritiska, a samim tim i veličine relativnog protoka (primetno se menja samo njegov smer - obrt protoka) u stepenu turbine; 2. Sa padom pritiska, povećanje relativne brzine protoka i neke promene njegovog smera u stepenu.

Turbine koje rade prema prvoj metodi nazivaju se aktivnim. Protok plina aktivno (impulzivno) djeluje na lopatice zbog promjene smjera dok struji oko njih. Na drugi način - mlazne turbine. Ovdje, osim impulsnog djelovanja, strujanje djeluje i na lopatice rotora posredno (jednostavno rečeno), uz pomoć reaktivne sile, koja povećava snagu turbine. Dodatno reaktivno djelovanje postiže se posebnom profilacijom lopatica rotora.

Koncepti aktivnosti i reaktivnosti općenito, za sve turbine (ne samo za zrakoplovne) su gore navedeni. Međutim, moderni avionski gasnoturbinski motori koriste samo aksijalne mlazne turbine.

Promjena parametara u stupnju aksijalne plinske turbine.

Budući da je učinak sile na radar dvostruk, takve aksijalne turbine se još nazivaju aktivno-reaktivnošto je možda tačnije. Ova vrsta turbine je povoljnija u pogledu aerodinamike.

Stacionarne lopatice aparata za mlaznice uključene u stepen takve turbine imaju veliku zakrivljenost, zbog čega se poprečni presjek međulopatičnog kanala smanjuje od ulaza do izlaza, odnosno presjek f 1 je manji od presjeka f 0 . Ispada profil sužene mlaznice.

Radne oštrice koje slijede također imaju veliku zakrivljenost. Osim toga, s obzirom na nadolazeći tok (vektor W 1), smješteni su na način da se izbjegne njegovo zastoj i osigura ispravan tok oko lopatice. Na određenim radijusima, RL takođe formiraju sužene interskapularne kanale.

Korak rad avijaciona turbina.

Plin se približava aparatu mlaznice sa smjerom kretanja blizu aksijalnog i brzinom C 0 (podzvučni). Pritisak u protoku R 0 , temperatura T 0 . Prolazeći međulopatski kanal, tok se ubrzava do brzine C 1 sa zaokretom za ugao α 1 = 20°-30°. U tom slučaju tlak i temperatura padaju na vrijednosti P 1 i T 1, respektivno. Dio potencijalne energije strujanja pretvara se u kinetičku energiju.

Obrazac kretanja strujanja gasa u stepenu aksijalne turbine.

Budući da se radne lopatice kreću obodnom brzinom U, tok ulazi u međulopatski kanal RL već relativnom brzinom W 1 , koja je određena razlikom između C 1 i U (vektor). Prolazeći kroz kanal, tok stupa u interakciju s lopaticama, stvarajući na njih aerodinamičke sile P, čija obodna komponenta P u tjera turbinu da se okreće.

Zbog suženja kanala između lopatica, tok se ubrzava do brzine W 2 (reaktivni princip), a istovremeno se okreće (aktivni princip). Apsolutni protok C 1 opada na C 2 - kinetička energija strujanja se pretvara u mehaničku energiju na osovini turbine. Pritisak i temperatura padaju na P 2 i T 2 , respektivno.

Apsolutni protok tokom prolaska stepena blago raste od C 0 do aksijalne projekcije brzine C 2 . U modernim turbinama ova projekcija ima vrijednost od 200-360 m/s za stepen.

Stepen je profilisan tako da je ugao α 2 blizu 90°. Razlika je obično 5-10°. To se radi tako da vrijednost C 2 bude minimalna. Ovo je posebno važno za posljednji stupanj turbine (na prvom ili srednjem stepenu dozvoljeno je odstupanje od pravog ugla do 25°). Razlog tome je gubitak sa izlaznom brzinom, koje samo zavise od veličine brzine C 2 .

To su isti gubici koji Lavalu svojevremeno nisu dali priliku da poveća efikasnost svoje prve turbine. Ako je motor reaktivan, tada se preostala energija može generirati u mlaznici. Ali, na primjer, za helikopterski motor koji ne koristi mlazni pogon, važno je da brzina strujanja iza posljednje faze turbine bude što niža.

Dakle, u fazi aktivno-reaktivne turbine dolazi do ekspanzije plina (smanjenje tlaka i temperature), konverzija energije i rad (toplinski pad) ne samo u SA, već iu rotoru. Raspodjela ovih funkcija između RC i SA karakterizira parametar teorije motora, tzv stepen reaktivnosti ρ.

On je jednak omjeru toplotnog pada u rotoru i toplotnog pada u cijelom stupnju. Ako je ρ = 0, tada je stupanj (ili cijela turbina) aktivan. Ako je ρ > 0, tada je faza reaktivna ili, preciznije, za naš slučaj, aktivno-reaktivna. Kako profil radnih lopatica varira po poluprečniku, ovaj parametar (kao i neki drugi) se izračunava prema srednjem poluprečniku (presek V-V na slici promene parametara u stepenu).

Konfiguracija pera radne lopatice turbine sa aktivnim mlazom.

Promjena tlaka duž dužine radarske olovke turbine s aktivnim mlazom.

Za savremene gasnoturbinske motore stepen reaktivnosti turbina je u rasponu od 0,3-0,4. To znači da se samo 30-40% ukupnog toplotnog pada stepena (ili turbine) iscrpljuje u impeleru. 60-70% se razrađuje u aparatu za mlaznice.

Nešto o gubicima.

Kao što je već spomenuto, bilo koja turbina (ili njen stepen) pretvara energiju protoka koja joj se dovodi u mehanički rad. Međutim, u stvarnoj jedinici, ovaj proces može imati različitu efikasnost. Dio raspoložive energije se nužno gubi, odnosno pretvara u gubitke, o čemu se mora voditi računa i preduzeti mjere za njihovo minimiziranje kako bi se povećala efikasnost turbine, odnosno povećala njena efikasnost.

Gubici se sastoje od hidrauličkih i gubitak sa izlaznom brzinom. Hidraulički gubici uključuju profilne i krajnje gubitke. Profil je, u stvari, gubici trenja, jer plin, koji ima određeni viskozitet, stupa u interakciju s površinama turbine.

Obično su takvi gubici u rotoru oko 2-3%, au aparatu za mlaznice - 3-4%. Mjere za smanjenje gubitaka su "oplemenjivanje" putanje strujanja proračunom i eksperimentom, kao i ispravan proračun trokuta brzina za strujanje u stepenu turbine, tačnije izbor najpovoljnije obodne brzine U pri datoj brzina S 1 . Ove radnje obično karakterizira parametar U/C 1 . Obimna brzina pri srednjem radijusu turbomlaznog motora je 270 - 370 m/s.

Hidrauličko savršenstvo protočnog dijela turbinskog stupnja uzima u obzir parametar kao što je adijabatska efikasnost. Ponekad se naziva i lopatica, jer uzima u obzir gubitke trenja u lopaticama (SA i RL). Postoji još jedan faktor efikasnosti za turbinu, koji je karakteriše upravo kao jedinicu za proizvodnju energije, odnosno stepen korišćenja raspoložive energije za stvaranje rada na vratilu.

Ova tzv energetska (ili efektivna) efikasnost. On je jednak omjeru rada na osovini i raspoloživog toplotnog pada. Ova efikasnost uzima u obzir gubitke sa izlaznom brzinom. Obično čine oko 10-12% za turbomlazne motore (kod modernih turbomlaznih motora C 0 = 100-180 m/s, C 1 = 500-600 m/s, C 2 = 200-360 m/s).

Za turbine savremenih gasnoturbinskih motora vrednost adijabatske efikasnosti je oko 0,9 - 0,92 za nehlađene turbine. Ako se turbina hladi, onda ova efikasnost može biti manja za 3-4%. Energetska efikasnost je obično 0,78 - 0,83. Ona je manja od adijabatskog za količinu gubitaka sa izlaznom brzinom.

Što se tiče krajnjih gubitaka, to su tzv. gubici curenja". Protočni dio ne može biti potpuno izoliran od ostatka motora zbog prisutnosti rotirajućih sklopova u kombinaciji sa fiksnim (kućišta + rotor). Zbog toga gas iz područja visokog pritiska teži da teče u područja niskog pritiska. Konkretno, na primjer, od područja ispred radne lopatice do područja iza nje kroz radijalni razmak između aeroprofila lopatice i kućišta turbine.

Takav plin ne sudjeluje u procesu pretvaranja energije protoka u mehaničku energiju, jer u tom pogledu ne stupa u interakciju s lopaticama, odnosno dolazi do krajnjih gubitaka (odnosno gubitak radijalnog klirensa). Oni čine oko 2-3% i negativno utiču i na adijabatsku i na energetsku efikasnost, smanjuju efikasnost gasnoturbinskog motora, i to prilično primetno.

Poznato je, na primjer, da povećanje radijalnog zazora sa 1 mm na 5 mm u turbini prečnika 1 m može dovesti do povećanja specifične potrošnje goriva u motoru za više od 10%.

Jasno je da je nemoguće potpuno se riješiti radijalnog zazora, ali pokušavaju ga svesti na minimum. Dovoljno je teško jer avijaciona turbina- jedinica je jako opterećena. Precizno razmatranje svih faktora koji utiču na veličinu jaza je prilično teško.

Režimi rada motora se često mijenjaju, što znači da se deformacija lopatica rotora, diskova na kojima su pričvršćene i kućišta turbina mijenjaju kao rezultat promjena temperature, pritiska i centrifugalnih sila.

labirintni pečat.

Ovdje je također potrebno uzeti u obzir vrijednost zaostale deformacije pri dugotrajan rad motor. Osim toga, evolucije koje izvodi avion utječu na deformaciju rotora, što također mijenja veličinu praznina.

Zazor se obično procjenjuje nakon zaustavljanja toplog motora. U ovom slučaju, tanko vanjsko kućište hladi se brže od masivnih diskova i osovine i, smanjujući promjer, dodiruje oštrice. Ponekad se vrijednost radijalnog zazora jednostavno bira u rasponu od 1,5-3% dužine aeroprofila lopatice.

Princip saćastog zaptivanja.

Kako bi se izbjegla oštećenja lopatica, ako dodiruju kućište turbine, u njega se često postavljaju posebni umetci od materijala koji je mekši od materijala lopatica (npr. cermet). Osim toga, koriste se i beskontaktne brtve. To su obično lavirint ili labirintne zaptivke u obliku saća.

U ovom slučaju, radne lopatice su obložene na krajevima aeroprofila, a brtve ili klinovi (za saće) su već postavljeni na police omotača. Kod saćastih zaptivki, zbog tankih stijenki saća, kontaktna površina je vrlo mala (10 puta manja od konvencionalnog lavirinta), tako da se montaža sklopa vrši bez zazora. Nakon uhodavanja, razmak je oko 0,2 mm.

Primjena saćastog pečata. Poređenje gubitaka pri upotrebi saća (1) i glatkog prstena (2).

Slične metode zaptivanja otvora koriste se za smanjenje curenja gasa iz putanje protoka (na primjer, u prostor između diskova).

SAURZ…

To su tzv pasivne metode kontrola radijalnog zazora. Osim toga, na mnogim plinskim turbinskim motorima razvijeni su (i razvijaju se) od kasnih 80-ih, tzv. sistemi za aktivnu regulaciju radijalnih zazora» (SAURZ - aktivna metoda). Radi se o automatskim sistemima, a suština njihovog rada je kontrola toplotne inercije kućišta (statora) turbine aviona.

Rotor i stator (spoljno kućište) turbine razlikuju se jedan od drugog po materijalu i po „masivnosti“. Stoga se u prolaznim režimima šire na različite načine. Na primjer, tokom prijelaza motora sa smanjenog načina rada na povećani, visokotemperaturno kućište tankih stijenki se zagrijava i širi brže (od masivnog rotora s diskovima), povećavajući radijalni zazor između sebe i lopatice. Plus, promene pritiska u traktu i evolucija aviona.

Da biste to izbjegli, automatski sistem(obično glavni regulator tipa FADEC) organizira dovod rashladnog zraka u kućište turbine u potrebnim količinama. Zagrijavanje kućišta se na taj način stabilizira u potrebnim granicama, što znači da se mijenja vrijednost njegovog linearnog širenja i, shodno tome, vrijednost radijalnih zazora.

Sve ovo omogućava uštedu goriva, što je veoma važno za savremeno civilno vazduhoplovstvo. SAURZ sistemi se najefikasnije koriste u turbinama nizak pritisak na turbomlaznim motorima kao što su GE90, Trent 900 i neki drugi.

Mnogo rjeđe, ali prilično efikasno, prisilno puhanje turbinskih diskova (a ne kućišta) se koristi za sinhronizaciju brzina zagrijavanja rotora i statora. Takvi sistemi se koriste na motorima CF6-80 i PW4000.

———————-

U turbini su također regulirani aksijalni zazori. Na primjer, između izlaznih rubova SA i ulaznog RL obično postoji razmak unutar 0,1-0,4 RL tetive na prosječnom radijusu lopatica. Što je ovaj jaz manji, to je manji gubitak energije protoka iza SA (za trenje i izjednačavanje polja brzine iza SA). Ali u isto vrijeme, vibracija RL se povećava zbog naizmjeničnog udara iz područja iza tijela SA lopatica u područja međulopatica.

Malo o dizajnu...

Aksijalni avio turbine Moderni gasnoturbinski motori u konstruktivnom planu mogu imati različite oblik putanje protoka.

Dav = (Din+Dn) /2

1. Forma sa konstantnim prečnikom tela (Dn). Ovdje su unutrašnji i prosječni promjeri duž putanje smanjeni.

Konstantan vanjski prečnik.

Takva shema se dobro uklapa u dimenzije motora (i trupa aviona). Ima dobru distribuciju rada u koracima, posebno za dvoosovinske turbomlazne motore.

Međutim, u ovoj shemi je takozvani ugao zvona veliki, što je ispunjeno odvajanjem protoka od unutrašnjih zidova kućišta i, posljedično, hidrauličkim gubicima.

Konstantan unutrašnji prečnik.

Prilikom projektiranja nastoje ne dozvoliti da kut utičnice bude veći od 20 °.

2. Oblik sa konstantnim unutrašnjim prečnikom (Dv).

Prosječni prečnik i prečnik tijela se povećavaju duž putanje. Takva shema se ne uklapa dobro u dimenzije motora. U turbomlaznom motoru, zbog „naletanja“ protoka iz unutrašnjeg kućišta, potrebno ga je uključiti na SA, što za sobom povlači hidraulične gubitke.

Konstantan prosječni prečnik.

Shema je prikladnija za upotrebu u turboventilatorskim motorima.

3. Forma sa konstantnim srednjim prečnikom (Dav). Promjer tijela se povećava, unutrašnji promjer se smanjuje.

Shema ima nedostatke prethodne dvije. Ali u isto vrijeme, proračun takve turbine je prilično jednostavan.

Moderne avionske turbine su najčešće višestepene. glavni razlog Tome (kao što je već spomenuto) - velika raspoloživa energija turbine u cjelini. Da obezbedi optimalna kombinacija obodna brzina U i brzina C 1 (U/C 1 - optimalna), što znači visoku ukupnu efikasnost i dobru ekonomičnost, potrebno je svu raspoloživu energiju rasporediti u koracima.

Primjer trostepene turbomlazne turbine.

U isto vrijeme, međutim, ona turbina strukturno složeniji i teži. Zbog male temperaturne razlike u svakoj fazi (rasprostranjene po svim fazama), više prvih faza je izloženo visokim temperaturama i često zahtijevaju dodatno hlađenje.

Četverostepena aksijalna turbina TVD.

Ovisno o vrsti motora, broj stupnjeva može biti različit. Za turbomlazne motore obično do tri, za bajpas motore do 5-8 koraka. Obično, ako je motor višeosovinski, tada turbina ima nekoliko (prema broju vratila) kaskada, od kojih svaka pokreće svoju jedinicu i sama može biti višestepena (u zavisnosti od stepena premosnice).

Dvoosovinska aksijalna turbina aviona.

Na primjer, kod troosovinskog motora Rolls-Royce Trent 900 turbina ima tri stupnja: jedan stupanj za pogon kompresora visokog pritiska, jedan stupanj za pogon srednjeg kompresora i pet stupnjeva za pogon ventilatora. Zajednički rad kaskada i određivanje potrebnog broja stupnjeva u kaskadama posebno je opisano u "teoriji motora".

Sebe avijaciona turbina, pojednostavljeno rečeno, je struktura koja se sastoji od rotora, statora i raznih pomoćnih strukturnih elemenata. Stator se sastoji od vanjskog kućišta, kućišta uređaji sa mlaznicama i kućišta ležajeva rotora. Rotor je obično disk struktura u kojoj su diskovi povezani s rotorom i jedan s drugim korištenjem raznih dodatnih elemenata i metoda pričvršćivanja.

Primjer jednostepene turbomlazne turbine. 1 - osovina, 2 - SA lopatice, 3 - disk rotora, 4 - lopatice rotora.

Na svakom disku, kao osnova radnog kola, nalaze se radne lopatice. Prilikom dizajniranja lopatica nastoje se izvesti sa manjim akordom zbog manje širine oboda diska na koji su ugrađeni, što smanjuje njegovu masu. Ali u isto vrijeme, kako bi se održali parametri turbine, potrebno je povećati dužinu pera, što može podrazumijevati pokrivanje lopatica radi povećanja snage.

Mogući tipovi brava za pričvršćivanje radnih lopatica u turbinski disk.

Oštrica je pričvršćena za disk pomoću zaključavanje veze. Takav spoj je jedan od najopterećenijih strukturnih elemenata u plinskoturbinskom motoru. Sva opterećenja koja percipira lopatica prenose se na disk kroz bravu i dostižu veoma velike vrednosti, pogotovo što zbog razlike u materijalima disk i lopatice imaju različite koeficijente linearnog širenja, a osim toga, zbog neravnomernosti temperaturnom polju, različito se zagrijavaju.

Kako bi se procijenila mogućnost smanjenja opterećenja u blokadi i time povećanja pouzdanosti i vijeka trajanja turbine, provode se istraživački radovi, među kojima su eksperimenti na bimetalne oštrice ili primjena u blisk turbinama s impelerom.

Kada se koriste bimetalne oštrice, opterećenja u bravama njihovog pričvršćivanja na disk se smanjuju zbog izrade bloka za zaključavanje oštrice od materijala sličnog materijalu diska (ili bliskog po parametrima). Pero oštrice izrađeno je od drugog metala, nakon čega se spajaju posebnim tehnologijama (dobija se bimetal).

Bliskovi, odnosno impeleri kod kojih su lopatice izrađene u jednom komadu sa diskom, uglavnom isključuju prisustvo brave veze, a samim tim i nepotrebna naprezanja u materijalu radnog kola. Jedinice ovog tipa već se koriste u modernim turbofan kompresorima. Međutim, za njih je pitanje popravka mnogo komplikovanije i mogućnosti upotrebe na visokim temperaturama i hlađenja u avijaciona turbina.

Primjer pričvršćivanja radnih noževa u disk pomoću brava riblje kosti.

Najčešći način pričvršćivanja lopatica kod jako opterećenih turbinskih diskova je takozvana riblja kost. Ako su opterećenja umjerena, tada se mogu koristiti i druge vrste brava koje su strukturno jednostavnije, na primjer, cilindrične ili T-oblike.

Kontrolirajte…

Od uslova rada avijaciona turbina izuzetno teško, a pitanje pouzdanosti, kao najvažnije jedinice aviona, je od najvećeg prioriteta, tada je problem praćenja stanja konstruktivnih elemenata na prvom mestu u zemaljskoj eksploataciji. To se posebno odnosi na kontrolu unutrašnjih šupljina turbine, gdje se nalaze najopterećeniji elementi.

Inspekcija ovih šupljina je naravno nemoguća bez upotrebe savremene opreme. daljinska vizuelna kontrola. Za avionske gasnoturbinske motore, različite vrste endoskopa (boreskopa) djeluju u tom svojstvu. Savremeni uređaji ovog tipa su prilično savršeni i imaju velike mogućnosti.

Pregled gasno-vazdušnog kanala turbomlaznog motora Vucam XO endoskopom.

Živopisan primjer je prijenosni mjerni video endoskop Vucam XO njemačke kompanije ViZaar AG. Unatoč svojoj maloj veličini i težini (manje od 1,5 kg), ovaj uređaj je ipak vrlo funkcionalan i ima impresivne mogućnosti kako za pregled tako i za obradu primljenih informacija.

Vucam XO je potpuno mobilan. Cijeli set je smješten u maloj plastičnoj kutiji. Video sonda sa velikim brojem lako zamjenjivih optičkih adaptera ima punu artikulaciju od 360°, prečnika 6,0 mm i može imati različite dužine (2,2m; 3,3m; 6,6m).

Boroskopski pregled motora helikoptera pomoću Vucam XO endoskopa.

Boroskopske kontrole pomoću ovakvih endoskopa predviđene su propisima za sve savremene motore aviona. U turbinama se obično provjerava put protoka. Endoskopska sonda prodire u unutrašnje šupljine avijaciona turbina kroz specijal kontrolni portovi.

Boreskopski upravljački otvori na kućištu turbomlazne turbine CFM56.

To su rupe u kućištu turbine, zatvorene zatvorenim čepovima (obično s navojem, ponekad oprugom). Ovisno o mogućnostima endoskopa (dužine sonde), možda će biti potrebno rotirati osovinu motora. Lopatice (SA i RL) prvog stepena turbine mogu se videti kroz prozore na kućištu komore za sagorevanje, a lopatice poslednjeg stepena kroz mlaznicu motora.

To će podići temperaturu...

Jedan od opštih pravaca razvoja gasnoturbinskih motora svih šema je povećanje temperature gasa ispred turbine. To omogućava značajno povećanje potiska bez povećanja potrošnje zraka, što može dovesti do smanjenja prednjeg područja motora i povećanja specifičnog frontalnog potiska.

U savremenim motorima temperatura gasa (nakon gorionika) na izlazu iz komore za sagorevanje može da dostigne 1650°C (sa tendencijom povećanja), stoga je za normalan rad turbine pri tako visokim termičkim opterećenjima potrebno poduzeti posebne, često zaštitne mjere.

Prvo (i najjednostavnije u ovoj situaciji)- upotreba materijali otporni na toplinu i toplinu, kako metalne legure, tako i (u budućnosti) specijalne kompozitne i keramičke materijale, koji se koriste za izradu najopterećenijih dijelova turbina - mlaznica i lopatica rotora, kao i diskova. Najopterećenije od njih su, možda, radne oštrice.

Metalne legure su uglavnom legure na bazi nikla (tačka topljenja - 1455°C) sa raznim legirajućim aditivima. Do 16 vrsta raznih legirajućih elemenata dodaje se modernim legurama otpornim na toplinu i toplinu kako bi se postigle maksimalne karakteristike pri visokim temperaturama.

Hemijska egzotika...

Među njima, na primjer, krom, mangan, kobalt, volfram, aluminij, titan, tantal, bizmut pa čak i renijum ili umjesto rutenijuma i drugi. Posebno obećavajući u tom pogledu je renijum (Re-rhenium, koji se koristi u Rusiji), koji se sada koristi umesto karbida, ali je izuzetno skup i njegove rezerve su male. Upotreba niobijum silicida se takođe smatra obećavajućom.

Osim toga, površina oštrice često je prekrivena posebnim premazom koji se nanosi posebnom tehnologijom. sloj za zaštitu od toplote(antitermički premaz - termo-barijerni premaz ili TVS) , što značajno smanjuje količinu protoka topline u tijelo oštrice (funkcije toplinske barijere) i štiti ga od korozije plina (funkcije otporne na toplinu).

Primjer termo zaštitnog premaza. Prikazana je priroda promjene temperature preko poprečnog presjeka lopatice.

Na slici (mikrofotografija) prikazan je sloj za zaštitu od toplote na lopatici turbine visokog pritiska modernog turboventilatorskog motora. Ovdje je TGO (Thermally Grown Oxide) termički rastući oksid; Podloga - glavni materijal oštrice; Bond coat - prelazni sloj. Sastav gorivnih sklopova sada uključuje nikl, hrom, aluminijum, itrijum, itd. Eksperimentalni rad se izvodi i na upotrebi keramičkih premaza na bazi cirkonijum oksida stabilizovanog cirkonijum oksidom (razvoj VIAM).

Na primjer…

Prilično poznate u mašinogradnji, počevši od poslijeratnog perioda i trenutno se koriste su toplotno otporne legure nikla iz Special Metals Corporation - USA, koje sadrže najmanje 50% nikla i 20% hroma, kao i titanijum, aluminijum i mnoge druge komponente koje se dodaju u malim količinama.

Ovisno o namjeni profila (RL, SA, turbinski diskovi, elementi protočne staze, mlaznice, kompresori itd., kao i neaeronautičke primjene), svom sastavu i svojstvima, kombiniraju se u grupe, od kojih svaka uključuje različite vrste legura.

Lopatice turbine Rolls-Royce Nene napravljene od Nimonic 80A legure.

Neke od ovih grupa su Nimonic, Inconel, Incoloy, Udimet/Udimar, Monel i druge. Na primjer, legura Nimonic 90, razvijena još 1945. godine i korištena za izradu elemenata avionske turbine(uglavnom lopatice), mlaznice i delovi aviona, ima sastav: nikl - 54% minimum, hrom - 18-21%, kobalt - 15-21%, titan - 2-3%, aluminijum - 1-2%, mangan - 1%, cirkonijum -0,15% i drugi legirajući elementi (u malim količinama). Ova legura se proizvodi do danas.

U Rusiji (SSSR), VIAM (Sveruski istraživački institut za vazduhoplovne materijale) je razvijao i uspešno razvija ovu vrstu legura i drugih važnih materijala za gasnoturbinske motore. U poslijeratnom periodu Institut je razvio deformabilne legure (tip EI437B), od početka 60-ih godina stvorio čitav niz visokokvalitetnih livenih legura (o tome više u nastavku).

Međutim, gotovo svi metalni materijali otporni na toplinu mogu izdržati temperature do oko ≈ 1050°C bez hlađenja.

Zbog toga:

Druga široko korištena mjera ovu aplikaciju razni rashladni sistemi oštrice i drugi strukturni elementi avionske turbine. Još uvijek je nemoguće bez hlađenja u modernim plinskoturbinskim motorima, unatoč korištenju novih legura otpornih na visoke temperature i posebnih metoda za izradu elemenata.

Među sistemima za hlađenje postoje dva područja: sistemi otvoren I zatvoreno. Zatvoreni sistemi mogu koristiti prinudnu cirkulaciju fluida za prijenos topline u sistemu lopatica-radijator, ili koristiti princip "termosifonskog efekta".

U potonjoj metodi, kretanje rashladne tekućine nastaje pod djelovanjem gravitacijskih sila, kada topliji slojevi istiskuju hladnije. Ovdje se, na primjer, može koristiti natrij ili legura natrijuma i kalija kao nosač topline.

Međutim, zatvoreni sistemi se ne koriste u vazduhoplovnoj praksi zbog velikog broja problema koji se teško rešavaju i koji su u fazi eksperimentalnog istraživanja.

Približna shema hlađenja za višestepenu turbomlaznu turbinu. Prikazane su brtve između SA i rotora. A - rešetka od profila za vrtložni vazduh u cilju njegovog prethodnog hlađenja.

Ali u širokoj praktičnoj primjeni su otvoreni sistemi hlađenja. Rashladno sredstvo ovdje je zrak, koji se obično dovodi pod različitim pritiscima zbog različitih stupnjeva kompresora unutar lopatica turbine. Ovisno o maksimalnoj temperaturi plina na kojoj je preporučljivo koristiti ove sisteme, mogu se podijeliti u tri tipa: konvektivni, konvektivni film(ili baraž) i porozna.

Kod konvektivnog hlađenja, zrak se dovodi unutar lopatice kroz posebne kanale i, perući najzagrijana područja unutar nje, izlazi u mlaz u područjima sa nižim pritiskom. U ovom slučaju mogu se koristiti različite sheme za organiziranje protoka zraka u lopaticama, ovisno o obliku kanala za to: uzdužni, poprečni ili u obliku petlje (mješoviti ili složeni).

Vrste hlađenja: 1 - konvektivno sa deflektorom, 2 - konvektivno-filmsko, 3 - porozno. Blade 4 - premaz za zaštitu od topline.

Najjednostavnija shema s uzdužnim kanalima duž pera. Ovdje je izlaz zraka obično organiziran u gornjem dijelu lopatice kroz policu pokrova. U takvoj shemi postoji prilično velika temperaturna neujednačenost duž aeroprofila lopatice - do 150-250˚, što negativno utječe na svojstva čvrstoće lopatice. Shema se koristi na motorima s temperaturama plina do ≈ 1130ºS.

Drugi način konvektivno hlađenje(1) podrazumeva prisustvo posebnog deflektora unutar pera (u pero je umetnuta ljuska tankih zidova), koji doprinosi dovodu rashladnog vazduha prvo u najgrejanija područja. Deflektor formira neku vrstu mlaznice koja ubacuje zrak u prednji dio oštrice. Ispada mlazno hlađenje najgrijanijeg dijela. Nadalje, zrak, ispirajući ostatak površine, izlazi kroz uzdužne uske rupe u olovci.

Turbinska lopatica motora CFM56.

U takvoj shemi, temperaturna neravnina je mnogo niža, osim toga, sam deflektor, koji je umetnut u oštricu pod zatezanjem duž nekoliko poprečnih pojaseva za centriranje, zbog svoje elastičnosti služi kao prigušivač i prigušuje vibracije lopatica. Ova shema se koristi pri maksimalnoj temperaturi plina od ≈ 1230°C.

Takozvana shema polupetlje omogućava postizanje relativno ujednačenog temperaturnog polja u lopatici. To se postiže eksperimentalnim odabirom lokacije raznih rebara i klinova koji usmjeravaju strujanje zraka unutar tijela oštrice. Ovaj krug omogućava maksimalnu temperaturu plina do 1330°C.

Oštrice mlaznice se konvektivno hlade slično kao kod radnika. Obično se izrađuju duplo šupljine sa dodatnim rebrima i iglama za intenziviranje procesa hlađenja. Zrak većeg pritiska dovodi se u prednju šupljinu na prednjoj nego u stražnju (zbog različitih stupnjeva kompresora) i ispušta se u različite zone kanala kako bi se održala minimalna potrebna razlika tlaka kako bi se osigurala potrebna brzina zraka u kanalima za hlađenje.

Primjeri mogući načini hlađenje oštrice. 1 - konvektivni, 2 - konvektivni film, 3 - konvektivni film sa komplikovanim petljastim kanalima u lopatici.

Konvektivno-filmsko hlađenje (2) koristi se na još višoj temperaturi gasa - do 1380°C. Ovom metodom dio rashladnog zraka kroz posebne otvore na lopatici ispušta se na njegovu vanjsku površinu, stvarajući tako neku vrstu barijerni film, koji štiti oštricu od kontakta sa strujom vrućeg plina. Ova metoda se koristi i za radne i za mlaznice.

Treći način je porozno hlađenje (3). U ovom slučaju, pogonska šipka oštrice s uzdužnim kanalima prekrivena je posebnim poroznim materijalom, što omogućava jednolično i dozirano otpuštanje rashladnog sredstva na cijelu površinu oštrice, isprano strujom plina.

Ovo je još uvijek obećavajuća metoda, koja se ne koristi u masovnoj praksi korištenja plinskih turbinskih motora zbog poteškoća s odabirom poroznog materijala i velike vjerojatnosti prilično brzog začepljenja pora. Međutim, ako se ovi problemi riješe, navodno moguća temperatura plina kod ovog tipa hlađenja može doseći 1650°C.

Diskovi turbine i kućišta CA se također hlade zrakom zbog različitih stupnjeva kompresora koji prolazi kroz unutrašnje šupljine motora uz pranje ohlađenih dijelova i naknadno puštanje u protok.

Zbog prilično visokog omjera tlaka u kompresorima modernih motora, sam zrak za hlađenje može imati prilično visoku temperaturu. Stoga, da bi se poboljšala efikasnost hlađenja, preduzimaju se mjere za smanjenje ove temperature unaprijed.

Da bi se to postiglo, zrak prije nego što se unese u turbinu na lopaticama i diskovima, može se provući kroz posebne profilne rešetke, slično SA turbini, gdje se zrak uvija u smjeru rotacije radnog kola, šireći se i hladeći. u isto vrijeme. Količina hlađenja može biti 90-160°.

Za isto hlađenje mogu se koristiti zračni radijatori hlađeni sekundarnim zrakom. Na motoru AL-31F takav radijator smanjuje temperaturu na 220° u letu i 150° na zemlji.

za potrebe hlađenja avijaciona turbina iz kompresora se uzima dovoljno velika količina vazduha. Na razni motori- do 15-20%. Time se značajno povećavaju gubici koji se uzimaju u obzir u termogasdinamičkom proračunu motora. Neki motori imaju sisteme koji smanjuju dovod vazduha za hlađenje (ili ga potpuno zatvaraju) pri niskim radnim uslovima motora, što pozitivno utiče na efikasnost.

Shema hlađenja 1. stupnja turboventilatorskog motora NK-56. Takođe su prikazane zaptivke u obliku saća i traka za hlađenje pri smanjenim režimima rada motora.

Prilikom procjene efikasnosti rashladnog sistema obično se uzimaju u obzir dodatni hidraulički gubici na lopaticama zbog promjene njihovog oblika prilikom ispuštanja rashladnog zraka. Efikasnost prave hlađene turbine je oko 3-4% manja od one nehlađene.

Nešto o izradi oštrica...

Na mlazni motori lopatice turbina prve generacije su se uglavnom proizvodile metoda štancanja nakon čega slijedi dugotrajna obrada. Međutim, 1950-ih, stručnjaci VIAM-a uvjerljivo su dokazali da su lijevane legure, a ne kovane legure koje otvaraju mogućnost povećanja razine toplinske otpornosti oštrica. Postepeno je napravljen prelazak na ovaj novi pravac (uključujući i Zapad).

Trenutno se u proizvodnji koristi tehnologija preciznog livenja bez otpada, što omogućava proizvodnju lopatica sa posebno profilisanim unutrašnjim šupljinama koje se koriste za rad sistema za hlađenje (tzv. investiciono livenje).

Ovo je, zapravo, jedini način da se sada dobiju ohlađene oštrice. Takođe se vremenom poboljšao. U prvim fazama, korištenjem tehnologije brizganja proizvedene su oštrice različitih veličina. zrna kristalizacije, koji su nepouzdano međusobno povezani, što je značajno smanjilo snagu i vijek trajanja proizvoda.

Kasnije su, uz upotrebu specijalnih modifikatora, počeli proizvoditi livene hlađene oštrice s ujednačenim, ravnoosnim, finim strukturnim zrnima. U tu svrhu, 1960-ih, VIAM je razvio prve serijske domaće legure otporne na toplinu za livenje ZhS6, ZhS6K, ZhS6U, VZhL12U.

Njihova radna temperatura bila je 200° viša od one deformabilne (kovačke) legure EI437A/B (KhN77TYu/YuR), koja je tada bila uobičajena. Oštrice napravljene od ovih materijala su radile najmanje 500 sati bez vizuelno vidljivih znakova kvara. Ova vrsta proizvodne tehnologije se i danas koristi. Međutim, granice zrna ostaju slaba tačka strukture lopatice, a duž njih počinje njeno uništavanje.

Stoga, s porastom karakteristika opterećenja rada modernih avionske turbine(pritisak, temperatura, centrifugalna opterećenja), postalo je neophodno razviti nove tehnologije za proizvodnju lopatica, jer višezrnasta struktura više ne zadovoljava teške uslove rada u mnogim aspektima.

Primjeri strukture materijala otpornog na toplinu lopatica rotora. 1 - jednaka veličina zrna, 2 - usmjerena kristalizacija, 3 - monokristal.

Tako se pojavio" metoda usmjerene kristalizacije". Ovom metodom ne formiraju se pojedinačna ravnoosna zrna metala u otvrdnjavanju odljevka oštrice, već dugi stubasti kristali, izduženi striktno duž ose oštrice. Ovakva struktura značajno povećava otpornost oštrice na lom. Ona je poput metle, koju je vrlo teško slomiti, iako se svaka od njenih sastavnih grančica lomi bez problema.

Ova tehnologija je kasnije razvijena u još napredniju " metoda livenja monokristala“, kada je jedno sječivo praktično jedan cijeli kristal. Ova vrsta oštrice se sada ugrađuje iu modernim avio turbine. Za njihovu proizvodnju koriste se posebne legure, uključujući i takozvane legure koje sadrže renij.

70-ih i 80-ih godina VIAM je razvio legure za livenje turbinskih lopatica sa usmerenom kristalizacijom: ZhS26, ZhS30, ZhS32, ZhS36, ZhS40, VKLS-20, VKLS-20R; i 90-ih - legure otporne na koroziju s dugim vijekom trajanja: ZhSKS1 i ZhSKS2.

Dalje, radeći u ovom pravcu, VIAM je od početka 2000. godine do danas stvorio legure treće generacije otporne na visoke renijuma: VZhM1 (9,3% Re), VZhM2 (12% Re), ZhS55 (9% Re) i VZhM5 (4% ​​Re). Kako bi se dodatno poboljšale karakteristike u proteklih 10 godina, provedena su eksperimentalna istraživanja koja su rezultirala legurama četvrte generacije koje sadrže renijum-rutenijum - VZhM4 i pete generacije VZhM6.

Kao asistenti...

Kao što je ranije spomenuto, samo reaktivne (ili aktivno-reaktivne) turbine se koriste u plinskim turbinskim motorima. Međutim, u zaključku, vrijedi zapamtiti da je među korištenim avionske turbine ima i aktivnih. Oni uglavnom obavljaju sporedne zadatke i ne učestvuju u radu glavnih motora.

Pa ipak, njihova uloga je često veoma važna. U ovom slučaju, radi se o air starters koristio za trčanje. Postoje različite vrste starter uređaja koji se koriste za okretanje rotora gasnoturbinskih motora. Zračni starter zauzima možda najistaknutije mjesto među njima.

Zračni starter turboventilator.

Ova jedinica je, zapravo, uprkos važnosti funkcija, u osnovi prilično jednostavna. Glavna jedinica ovdje je jedno- ili dvostepena aktivna turbina, koja rotira rotor motora kroz mjenjač i pogonsku kutiju (obično rotor niskog tlaka u turboventilatorskom motoru).

Položaj zračnog startera i njegove radne linije na turboventilatorskom motoru,

Sama turbina se okreće strujom zraka koja dolazi iz izvora na zemlji, bilo ugrađenog APU-a, ili iz drugog, već radi motora aviona. U određenom trenutku startnog ciklusa, starter će se automatski isključiti.

U takvim jedinicama, u zavisnosti od traženih izlaznih parametara, može se i koristiti radijalne turbine. Mogu se koristiti i u sistemima klimatizacije u kabinama aviona kao element turbo-hladnjača, u kojem se dejstvom širenja i smanjenja temperature vazduha na turbinu koristi za hlađenje vazduha koji ulazi u kabine.

Osim toga, i aktivne aksijalne i radijalne turbine se koriste u klipnim turbopunjačima. motori aviona. Ova praksa je počela čak i prije nego što je turbina postala najvažnija GTE jedinica i traje do danas.

Primjer upotrebe radijalnih i aksijalnih turbina u pomoćnim uređajima.

Slični sistemi koji koriste turbo punjače koriste se u automobilima i općenito u različitim sistemima za opskrbu komprimiranim zrakom.

Dakle, avijacijska turbina dobro služi ljudima u pomoćnom smislu.

———————————

Pa, to je vjerovatno sve za danas. Zapravo, ima još dosta toga da se piše kako u smislu dodatnih informacija, tako i u smislu potpunijeg opisa već rečenog. Tema je veoma široka. Međutim, nemoguće je dokučiti neizmjernost :-). Za opšte poznanstvo, možda je dovoljno. Hvala vam što ste pročitali do kraja.

Sve dok ponovo ne sretnemo…

Na kraju slike, "neumesno" u tekstu.

Primjer jednostepene turbomlazne turbine.

Heronov aeolipilni model u Muzeju kosmonautike u Kalugi.

Artikulacija endoskopske video sonde Vucam XO.

Ekran multifunkcionalnog endoskopa Vucam XO.

Endoskop Vucam XO.

Primjer termičkog zaštitnog premaza na CA lopaticama motora GP7200.

Ploče sa saćem koje se koriste za pečate.

Moguće varijante labirintnih zaptivnih elemenata.

Labirintni pečat saća.

Gasnoturbinski motor je termički pogonska jedinica, koja svoj rad obavlja na principu reorganizacije toplotne energije u mehaničku energiju.

U nastavku ćemo detaljno razmotriti kako funkcionira plinskoturbinski motor, kao i njegov uređaj, sorte, prednosti i nedostatke.

Prepoznatljive karakteristike gasnoturbinskih motora

Danas se ovaj tip motora najviše koristi u avijaciji. Nažalost, zbog posebnosti uređaja, ne mogu se koristiti za obične automobile.

U poređenju sa drugim jedinicama sa unutrašnjim sagorevanjem, gasnoturbinski motor ima najveću gustinu snage, što je njegova glavna prednost. Osim toga, takav motor može raditi ne samo na benzinu, već i na mnogim drugim vrstama tečnog goriva. U pravilu radi na kerozin ili dizel gorivo.

Gasnoturbinski i klipni motor, koji se ugrađuju na "putničke automobile", sagorevanjem goriva pretvaraju hemijsku energiju goriva u toplotnu, a zatim u mehaničku energiju.

Ali sam proces je malo drugačiji za ove jedinice. U oba motora prvo se vrši usis (odnosno, protok zraka ulazi u motor), zatim dolazi do kompresije i ubrizgavanja goriva, nakon čega se sklop goriva zapali, uslijed čega se jako širi i kao rezultat toga se ispušta u atmosferu.

Razlika je u tome što se u plinskim turbinskim uređajima sve to odvija u isto vrijeme, ali u različitim dijelovima jedinice. U klipu se sve odvija u jednom trenutku, ali u nizu.

Prolazeći kroz turbinski motor, zrak je jako komprimiran u volumenu i zbog toga se pritisak povećava skoro četrdeset puta.

Jedino kretanje u turbini je rotaciono, kada se, kao i kod drugih jedinica sa unutrašnjim sagorevanjem, osim rotacije radilice, pokreće i klip.

Efikasnost i snaga gasnoturbinskog motora veća je od one kod klipnog motora, uprkos činjenici da su težina i dimenzije manje.

Za ekonomičnu potrošnju goriva, plinska turbina je opremljena izmjenjivačem topline - keramičkim diskom, koji radi od motora s malom brzinom.

Uređaj i princip rada jedinice

Po dizajnu, motor nije vrlo složen, predstavljen je komorom za sagorijevanje, u kojoj su opremljene mlaznice i svjećice koje su neophodne za dovod goriva i stvaranje punjenja svjećice. Kompresor je opremljen na osovini zajedno sa kotačem sa posebnim noževima.

Osim toga, motor se sastoji od komponenti kao što su mjenjač, ​​ulazni kanal, izmjenjivač topline, igla, difuzor i izduvna cijev.

Tokom rotacije osovine kompresora, protok zraka koji ulazi kroz usisni kanal hvataju njegove lopatice. Nakon povećanja brzine kompresora na petsto metara u sekundi, on se gura u difuzor. Brzina vazduha na izlazu iz difuzora se smanjuje, ali pritisak raste. Zatim se strujanje vazduha nalazi u izmenjivaču toplote, gde se zagreva izduvnim gasovima, a nakon toga se vazduh dovodi u komoru za sagorevanje.

Zajedno s njim tamo dolazi i gorivo koje se raspršuje kroz mlaznice. Nakon što se gorivo pomeša sa vazduhom, a mešavina goriva i vazduha, koji svijetli zbog iskre primljene od svjećice. Istovremeno, pritisak u komori počinje da raste, a turbinski točak pokreće gasovi koji padaju na lopatice točka.

Kao rezultat toga, obrtni moment kotača se prenosi na prijenos automobila, a izduvni plinovi se ispuštaju u atmosferu.

Prednosti i nedostaci motora

Gasna turbina se, kao i parna turbina, razvija velika brzina, što joj omogućava da kuca dobra snaga uprkos svojoj kompaktnoj veličini.

Turbina se hladi vrlo jednostavno i efikasno, ne zahtijeva nikakve dodatne uređaje. Nema trljajućih elemenata, a ima vrlo malo ležajeva, zbog čega motor može pouzdano i dugo raditi bez kvarova.

Glavni nedostatak takvih jedinica je da su troškovi materijala od kojih su napravljeni prilično visoki. Troškovi popravke gasnoturbinskih motora također su značajni. Ali, unatoč tome, oni se stalno poboljšavaju i razvijaju u mnogim zemljama svijeta, uključujući i našu.

Plinska turbina se ne ugrađuje na automobile, prvenstveno zbog stalne potrebe da se ograniči temperatura gasova koji ulaze u lopatice turbine. Kao rezultat, efikasnost uređaja se smanjuje, a potrošnja goriva se povećava.

Danas su već izmišljene neke metode koje omogućavaju povećanje efikasnosti turbinskih motora, na primjer, hlađenjem lopatica ili primjenom topline. izduvnih gasova za zagrevanje protoka vazduha koji ulazi u komoru. Stoga je sasvim moguće da će programeri nakon nekog vremena moći stvoriti ekonomičan motor za automobil.

Među glavnim prednostima jedinice također se mogu identificirati:

• Nizak sadržaj štetnih materija u izduvnim gasovima;
• Jednostavan za održavanje (nema potrebe za zamjenom ulja, a svi dijelovi su otporni na habanje i izdržljivi);
• Nema vibracija, jer je moguće lako balansirati rotirajuće elemente;
• Nizak nivo buke tokom rada;
• Dobra karakteristika krivulje obrtnog momenta;
• Pokrenite brzo i bez poteškoća, a reakcija motora na gas ne kasni;
• Povećana specifična snaga.

Vrste gasnoturbinskih motora

Prema svojoj strukturi, ove jedinice se dijele na četiri tipa. Prvi od njih je turbomlazni, od kojih je većina instalirana na brzim vojnim avionima. Princip rada je da gasovi koji napuštaju motor velikom brzinom potiskuju avion napred kroz mlaznicu.

Drugi tip je turbinski propeler. Njegov uređaj se razlikuje od prvog po tome što ima još jednu sekciju turbine. Ova turbina se sastoji od niza lopatica koje uzimaju ostatak energije iz plinova koji su prošli kroz turbinu kompresora i zbog toga rotiraju propeler.

Vijak se može nalaziti i na stražnjoj strani jedinice i na prednjoj strani. Izduvni gasovi se uklanjaju izduvne cijevi. Takav mlaznjak je opremljen na avionima koji lete malom brzinom i na maloj visini.

Treći tip je turboventilatorski, koji je po dizajnu sličan prethodnom motoru, ali njegova 2. turbinska sekcija ne uzima u potpunosti energiju iz plinova i stoga takvi motori imaju i izduvne cijevi.

Glavna karakteristika takvog motora je da njegov ventilator, zatvoren u kućište, pokreće turbina niskog pritiska. Stoga se motor naziva i motor sa 2 kruga, jer protok zraka prolazi kroz jedinicu, što je unutrašnja petlja i kroz njegov vanjski krug, neophodan samo za usmjeravanje strujanja zraka koji gura motor naprijed.

Najnoviji avioni opremljeni su turboventilatorskim motorima. Oni efikasno funkcionišu na velikim nadmorskim visinama, a takođe su i ekonomični.

Posljednja vrsta je turboosovina. Šema i raspored plinskoturbinskog motora ovog tipa gotovo je isti kao i kod prethodnog motora, ali se gotovo sve pokreće iz njegove osovine koja je povezana s turbinom. Najčešće se ugrađuje u helikoptere, pa čak i na moderne tenkove.

Dvoklipni i mali motor

Najčešći motor sa dvije osovine, opremljen izmjenjivačem topline. U poređenju sa jedinicama koje imaju samo 1 osovinu, takvi uređaji su efikasniji i moćniji. Motor sa 2 osovine opremljen je turbinama, od kojih je jedna dizajnirana za pogon kompresora, a druga za pogon osovina.

Takva jedinica pruža mašini dobro dinamičke karakteristike i smanjuje broj brzina u mjenjaču.

Postoje i gasnoturbinski motori malih dimenzija. Sastoje se od kompresora, plinsko-vazdušnog izmjenjivača topline, komore za sagorijevanje i dvije turbine, od kojih je jedna smještena u istom kućištu sa kolektorom plina.

Mali gasnoturbinski motori uglavnom se koriste u avionima i helikopterima koji pokrivaju velike udaljenosti, kao i u bespilotnim letjelicama i APU-ovima.

Jedinica sa slobodnim klipnim generatorom

Do danas su uređaji ove vrste najperspektivniji za automobile. Uređaj motora je predstavljen blokom koji povezuje klipni kompresor i 2-taktni dizel motor. U sredini je cilindar s dva klipa spojena jedan s drugim pomoću posebnog alata.

Rad motora počinje činjenicom da se zrak komprimira prilikom konvergencije klipova i gorivo se pali. Plinovi nastaju zbog izgorjele smjese, doprinose divergenciji klipova na povišenim temperaturama. Tada su plinovi u kolektoru plina. Zbog otvora za pročišćavanje, komprimirani zrak ulazi u cilindar, što pomaže u čišćenju jedinice od izduvnih plinova. Tada ciklus počinje iznova.

IDEJA da se gasnoturbinski motori koriste u automobilima nastala je davno. Ali tek u posljednjih nekoliko godina njihov dizajn je dostigao stepen savršenstva koji im daje pravo na postojanje.
Visok nivo razvoja teorije lopatičnih motora, metalurgije i proizvodne tehnologije sada pruža pravu priliku za stvaranje pouzdanih gasnoturbinskih motora koji mogu uspješno zamijeniti klipne motore s unutarnjim sagorijevanjem u automobilu.
Šta je gasnoturbinski motor?
Na sl. prikazan je šematski dijagram takvog motora. Rotacioni kompresor, koji se nalazi na istoj osovini kao i gasna turbina, usisava vazduh iz atmosfere, sabija ga i pumpa u komoru za sagorevanje. Pumpa za gorivo, takođe pokretana vratilom turbine, pumpa gorivo u injektor instaliran u komori za sagorevanje. Plinoviti produkti sagorijevanja ulaze kroz uređaj za vođenje na radnim lopaticama kotača plinske turbine i tjeraju ga da se okreće u jednom određenom smjeru. Gasovi koji se ispuštaju u turbini ispuštaju se u atmosferu kroz granu. Osovina gasne turbine se okreće u ležajevima.
U poređenju sa klipnim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, gasnoturbinski motor ima veoma značajne prednosti. Istina, ni on još nije oslobođen nedostataka, ali oni se postepeno uklanjaju kako se dizajn razvija.
Prilikom karakterizacije plinske turbine, prije svega treba napomenuti da, kao i parna turbina, može razviti velike brzine. Ovo omogućava dobijanje značajne snage od mnogo manjih (u poređenju sa klipnim) i skoro 10 puta lakših motora.
Rotaciono kretanje osovine je u suštini jedini vid kretanja u gasnoj turbini, dok kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem, pored rotacionog kretanja radilice, postoji i povratno kretanje klipa, kao i složeno kretanje. klipnjače. Gasnoturbinski motori ne zahtijevaju posebne uređaje za hlađenje. Odsustvo trljajućih dijelova s ​​minimalnim brojem ležajeva osigurava dugotrajne performanse i visoka pouzdanost gasnoturbinski motor.
Gasnoturbinski motori se pokreću na kerozin ili dizel gorivo.
Glavni razlog koji koči razvoj automobilskih gasnoturbinskih motora je potreba da se veštački ograniči temperatura gasova koji ulaze u lopatice turbine. Ovo smanjuje stopu korisna akcija motora i dovodi do povećane specifične potrošnje goriva (za 1 KS). Temperatura gasa mora biti ograničena za gasnoturbinske motore putničkih i kamioni unutar 600-700°C, au avionskim turbinama do 800-900°C jer su legure visoke temperature i dalje veoma skupe.
Trenutno već postoje neki načini da se poveća efikasnost gasnih turbinskih motora hlađenjem lopatica, korišćenjem toplote izduvnih gasova za zagrevanje vazduha koji ulazi u komore za sagorevanje, proizvodeći gasove u visokoefikasnim generatorima sa slobodnim klipom koji rade na dizel-kompresorski ciklus sa visokim kompresijskim omjerom i sl. Rješenje problema stvaranja visoko ekonomičnog automobilskog gasnoturbinskog motora u velikoj mjeri zavisi od uspješnosti rada u ovoj oblasti.

Šematski dijagram dvoosovinskog gasnoturbinskog motora sa izmjenjivačem topline

Većina postojećih automobilskih gasnoturbinskih motora izgrađena je po takozvanoj dvoosovinskoj shemi sa izmjenjivačima topline. Ovdje se za pogon kompresora 1 koristi posebna turbina 8, a za pogon kotača automobila vučna turbina 7. Osovine turbine nisu međusobno povezane. Gasovi iz komore za sagorevanje 2 prvo ulaze u lopatice turbine pogona kompresora, a zatim u lopatice vučne turbine. Vazduh koji pumpa kompresor, pre nego što uđe u komore za sagorevanje, se zagreva u izmenjivaču toplote 3 zbog toplote koju daju izduvni gasovi. Korištenje sheme s dvije osovine stvara povoljnu vučnu karakteristiku gasnoturbinskih motora, što omogućava smanjenje broja stupnjeva u obična kutija zupčanici automobila i poboljšati njegove dinamičke kvalitete.

Zbog činjenice da osovina pogonske turbine nije mehanički povezana sa osovinom turbine kompresora, njena brzina može varirati u zavisnosti od opterećenja, bez značajnog uticaja na brzinu osovine kompresora. Kao rezultat toga, karakteristika momenta gasnoturbinskog motora ima oblik prikazan na Sl., gdje je, za usporedbu, također ucrtana karakteristika klipnog automobilskog motora (isprekidana linija).
Iz dijagrama se vidi da klipni motor kako se brzina smanjuje pod utjecajem sve većeg opterećenja, okretni moment u početku lagano raste, a zatim opada. U isto vrijeme, u plinskoturbinskom motoru s dvije osovine, okretni moment se automatski povećava kako raste opterećenje. Kao rezultat toga, potreba za prebacivanjem mjenjača je eliminirana ili se javlja mnogo kasnije nego kod klipnog motora. S druge strane, ubrzanja pri ubrzanju dvoosovinskog gasnoturbinskog motora bit će mnogo veća.
Karakteristika jednoosovinskog gasnoturbinskog motora razlikuje se od one prikazane na sl. i, po pravilu, inferioran je, u smislu zahtjeva dinamike vozila, u odnosu na karakteristike klipnog motora (pri jednakoj snazi).

Šematski dijagram gasnoturbinskog motora sa generatorom gasa sa slobodnim klipom

Gasnoturbinski motor ima velike izglede. U ovom motoru plin za turbinu se stvara u takozvanom generatoru slobodnog klipa, koji je dvotaktni dizel motor i klipni kompresor kombinovani u zajedničku jedinicu. Energija iz dizelskih klipova prenosi se direktno na klipove kompresora. Od pokreta klipne grupe se odvija isključivo pod utjecajem tlaka plina i način kretanja ovisi samo o toku termodinamičkih procesa u cilindrima dizela i kompresora, takva jedinica se naziva slobodno-klipna jedinica. U njegovom srednjem dijelu nalazi se obostrano otvoren cilindar 4, koji ima direktno protočno prorezivanje, u kojem se odvija dvotaktni radni proces sa kompresijskim paljenjem. Dva klipa se u cilindru kreću suprotno, od kojih se jedan 9 otvara tokom radnog hoda, a pri povratnom hodu zatvara izduvne prozore urezane u zidovima cilindra. Drugi klip 3 također otvara i zatvara prozore za pročišćavanje. Klipovi su međusobno povezani pomoću mehanizma za sinhronizaciju lakih nosača ili poluge, koji nije prikazan na dijagramu. Kako se približavaju, zrak zarobljen između njih je komprimiran; do trenutka kada se postigne mrtva tačka, temperatura komprimovanog vazduha postaje dovoljna da zapali gorivo koje se ubrizgava kroz mlaznicu 5. Kao rezultat sagorevanja goriva nastaju gasovi koji imaju visoku temperaturu i pritisak; primoravaju klipove da se razdvoje, dok klip 9 otvara izduvne prozore kroz koje gasovi jure u kolektor gasa 7. Zatim se otvaraju prozori za odzračivanje, kroz koje komprimovani vazduh ulazi u cilindar 4, istiskuje izduvne gasove iz cilindra, meša se sa njima i takođe ulazi u kolektor gasa. Za vrijeme dok su prozori za pročišćavanje otvoreni, komprimirani zrak ima vremena da očisti cilindar od izduvnih plinova i napuni ga, pripremajući tako motor za sljedeći pogonski udar.
Klipovi kompresora 2 povezani su sa klipovima 3 i 9 i kreću se u svojim cilindrima. Divergentnim hodom klipova, vazduh se iz atmosfere uvlači u cilindre kompresora, dok su samodejni usisni ventili 10 otvoreni, a izduvni ventili 11 zatvoreni. Sa suprotnim hodom klipova, usisni ventili su zatvoreni, a izduvni otvoreni i kroz njih se vazduh ubrizgava u prijemnik 6 koji okružuje dizel cilindar. Klipovi se kreću jedan prema drugom zbog energije zraka akumulirane u puferskim šupljinama 1 tokom prethodnog hoda. Gasovi iz kolektora 7 ulaze u vučnu turbinu 8, čija je osovina spojena na prijenos. Sledeće poređenje faktora efikasnosti pokazuje da je opisani gasnoturbinski motor već efikasan kao i motori sa unutrašnjim sagorevanjem:
Dizel 0,26-0,35
Benzinski motor 0,22-0,26
Plinska turbina sa komorama za sagorevanje konstantne zapremine bez izmenjivača toplote 0,12-0,18
Plinska turbina sa komorama za sagorevanje konstantne zapremine sa izmenjivačem toplote 0,15-0,25
Plinska turbina sa generatorom plina sa slobodnim klipom 0,25-0,35

Dakle, efikasnost najboljih modela turbina nije inferiorna od efikasnosti dizel motora. Stoga nije slučajno što se iz godine u godinu povećava broj eksperimentalnih vozila na plinske turbine raznih tipova. Sve nove firme u raznim zemljama najavljuju svoj rad u ovoj oblasti.

Šema pravog gasnoturbinskog motora

Ovaj dvokomorni motor, bez izmenjivača toplote, ima efektivnu snagu od 370 KS. od. Njegovo gorivo je kerozin. Brzina rotacije osovine kompresora dostiže 26.000 o/min, a brzina rotacije vratila vučne turbine je od 0 do 13.000 o/min. Temperatura gasova koji ulaze u lopatice turbine je 815°C, pritisak vazduha na izlazu kompresora je 3,5 at. Ukupna težina elektrane projektovane za trkački automobil je 351 kg, pri čemu je gasni deo težak 154 kg, a vučni deo sa menjačem i pogonskim točkovima 197 kg.

Eksperimentalni uzorci gasnoturbinskih motora (GTE) prvi put su se pojavili uoči Drugog svetskog rata. Razvoj je zaživio ranih pedesetih: gasnoturbinski motori su se aktivno koristili u izgradnji vojnih i civilnih aviona. U trećoj fazi uvođenja u industriju, mali gasnoturbinski motori, predstavljeni mikroturbinskim elektranama, počeli su da se široko koriste u svim oblastima industrije.

Opće informacije o GTE-u

Princip rada je zajednički za sve gasnoturbinske motore i sastoji se u transformaciji energije komprimovanog zagrijanog vazduha u mehanički rad osovine gasne turbine. Vazduh koji ulazi u vodeće lopatice i kompresor se komprimira i u tom obliku ulazi u komoru za sagorevanje, gde se ubrizgava gorivo i pali radna mešavina. Plinovi nastali kao rezultat sagorijevanja prolaze pod visokim pritiskom kroz turbinu i rotiraju njene lopatice. Dio rotacijske energije troši se na rotaciju osovine kompresora, ali se većina energije komprimovanog plina pretvara u koristan mehanički rad rotacije osovine turbine. Među svim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE) imaju gasne turbine najveća snaga: do 6 kW/kg.

GTE rade na većini vrsta dispergovanog goriva, što je povoljno u poređenju sa drugim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem.

Problemi u razvoju malih TGD-ova

Sa smanjenjem veličine gasnoturbinskog motora, dolazi do smanjenja efikasnosti i gustine snage u poređenju sa konvencionalnim turbomlaznim motorima. Istovremeno se povećava i specifična vrijednost potrošnje goriva; aerodinamičke karakteristike protočnih dijelova turbine i kompresora se pogoršavaju, efikasnost ovih elemenata se smanjuje. U komori za sagorijevanje, kao rezultat smanjenja potrošnje zraka, smanjuje se koeficijent potpunog sagorijevanja gorivih sklopova.

Smanjenje efikasnosti GTE jedinica sa smanjenjem njegovih dimenzija dovodi do smanjenja efikasnosti cijele jedinice. Stoga, prilikom nadogradnje modela, dizajneri posebnu pažnju posvećuju povećanju efikasnosti pojedinih elemenata, do 1%.

Za poređenje: kada se efikasnost kompresora poveća sa 85% na 86%, efikasnost turbine raste sa 80% na 81%, a ukupna Efikasnost motora odmah raste za 1,7%. To sugerira da će se pri fiksnoj potrošnji goriva specifična snaga povećati za isti iznos.

Vazduhoplovni gasnoturbinski motor "Klimov GTD-350" za helikopter Mi-2

Prvi put je razvoj GTD-350 započeo davne 1959. godine u OKB-117 pod komandom konstruktora S.P. Izotov. U početku je zadatak bio razviti mali motor za helikopter MI-2.

U fazi projektovanja prijavili smo se eksperimentalnih objekata, korištena je metoda preciziranja čvor po čvor. U toku studije stvorene su metode za proračun malih lopatica, poduzete su konstruktivne mjere za prigušivanje brzih rotora. Prvi uzorci radnog modela motora pojavili su se 1961. godine. Vazdušna ispitivanja helikoptera Mi-2 sa GTD-350 prvi put su obavljena 22. septembra 1961. godine. Prema rezultatima testiranja, dva motora helikoptera su razbijena sa strane, čime je preopremljen prijenos.

Motor je prošao državnu certifikaciju 1963. godine. Serijska proizvodnja je otvorena u poljskom gradu Rzeszow 1964. godine pod vodstvom sovjetskih stručnjaka i nastavila se do 1990. godine.

Ma l Prvi gasnoturbinski motor domaće proizvodnje GTD-350 ima sljedeće karakteristike performansi:

- težina: 139 kg;
— dimenzije: 1385 x 626 x 760 mm;
- nazivna snaga na slobodnom vratilu turbine: 400 KS (295 kW);
- frekvencija rotacije slobodne turbine: 24000;
— opseg radne temperature -60…+60 ºC;
— specifična potrošnja goriva 0,5 kg/kWh;
- gorivo - kerozin;
- krstareća snaga: 265 KS;
- snaga pri polijetanju: 400 KS

U svrhu sigurnosti letenja, na helikopter Mi-2 ugrađena su 2 motora. Dvostruka instalacija omogućava avionu da bezbedno završi let u slučaju kvara jedne od elektrana.

GTD - 350 je trenutno zastario, modernim malim avionima su potrebni sposobniji, pouzdaniji i jeftiniji gasnoturbinski motori. U ovom trenutku, novi i obećavajući domaći motor je MD-120, korporacija Saljut. Težina motora - 35 kg, potisak motora 120 kgf.

Opća shema

Dizajn GTD-350 je pomalo neobičan zbog lokacije komore za sagorijevanje ne odmah iza kompresora, kao u standardnim uzorcima, već iza turbine. U ovom slučaju, turbina je pričvršćena na kompresor. Takav neobičan raspored jedinica smanjuje dužinu pogonskih osovina motora, stoga smanjuje težinu jedinice i omogućava postizanje visokih brzina i efikasnosti rotora.

Tokom rada motora, zrak ulazi kroz VNA, prolazi kroz stupnjeve aksijalnog kompresora, centrifugalni stupanj i dolazi do voluta za prikupljanje zraka. Odatle, kroz dvije cijevi, zrak se dovodi u stražnji dio motora u komoru za sagorijevanje, gdje mijenja smjer strujanja i ulazi u turbinski točkovi. Glavne komponente GTD-350: kompresor, komora za sagorevanje, turbina, gasni kolektor i menjač. Prikazani su sistemi motora: podmazivanje, podešavanje i zaštita od zaleđivanja.

Jedinica je podijeljena na samostalne jedinice, što omogućava izradu pojedinačnih rezervnih dijelova i osigurava njihovu brzu popravku. Motor se stalno usavršava i danas se Klimov OJSC bavi njegovom modifikacijom i proizvodnjom. Početni resurs GTD-350 bio je samo 200 sati, ali je u procesu modifikacije postupno povećan na 1000 sati. Na slici se vidi opšti smeh mehaničkog povezivanja svih komponenti i sklopova.

Mali gasnoturbinski motori: područja primjene

Mikroturbine se koriste u industriji i svakodnevnom životu kao autonomni izvori električne energije.
— Snaga mikroturbina je 30-1000 kW;
- zapremina ne prelazi 4 kubna metra.

Među prednostima malih gasnoturbinskih motora su:
- širok raspon opterećenja;
— nizak nivo vibracija i buke;
– rad na raznim vrstama goriva;
- male dimenzije;
— nizak nivo emisije izduvnih gasova.

Negativne tačke:
- složenost elektronskog kola (in standardna verzija strujni krug izvedeno sa dvostrukom konverzijom energije);
- energetska turbina s mehanizmom za održavanje brzine značajno povećava troškove i komplikuje proizvodnju cijele jedinice.

Turbogeneratori do danas nisu dobili tako široku distribuciju u Rusiji i post-sovjetskom prostoru kao u SAD-u i Europi zbog visoke cijene proizvodnje. Međutim, prema proračunima, jedna plinska turbina offline instalacija sa kapacitetom od 100 kW i efikasnošću od 30% može se koristiti za snabdijevanje standardnih 80 stanova plinskim pećima.

Kratak video, korištenje turboosovinskog motora za električni generator.

Ugradnjom apsorpcionih frižidera, mikroturbina se može koristiti kao sistem za klimatizaciju i istovremeno hlađenje velikog broja prostorija.

Automobilska industrija

Mali plinski turbinski motori pokazali su zadovoljavajuće rezultate na testovima na cesti, ali se cijena automobila, zbog složenosti strukturnih elemenata, višestruko povećava. GTE snage 100-1200 KS imaju karakteristike kao što su benzinski motori, međutim, masovna proizvodnja ovakvih automobila se ne očekuje u bliskoj budućnosti. Za rješavanje ovih problema potrebno je poboljšati i smanjiti troškove svih komponenti motora.

U odbrambenoj industriji stvari stoje drugačije. Vojska ne obraća pažnju na troškove, važniji im je učinak. Vojsci je bila potrebna moćna, kompaktna elektrana za tenkove bez problema. A sredinom 60-ih godina 20. vijeka, Sergej Izotov, tvorac elektrane za MI-2 - GTD-350, privukao je ovaj problem. Dizajnerski biro Izotov započeo je razvoj i na kraju stvorio GTD-1000 za tenk T-80. Možda je ovo jedino pozitivno iskustvo korištenja plinskih turbinskih motora za kopneni transport. Nedostaci korištenja motora na rezervoaru su njegova proždrljivost i izbirljivost prema čistoći zraka koji prolazi kroz radni put. Ispod je kratak video tenka GTD-1000.

Mala avijacija

Danas visoka cijena i niska pouzdanost klipnih motora snage 50-150 kW ne dopuštaju ruskim malim zrakoplovima da pouzdano rašire svoja krila. Motori kao što je Rotax nisu certificirani u Rusiji, a Lycoming motori koji se koriste u poljoprivrednoj avijaciji su očigledno precijenjeni. Osim toga, rade na benzin koji se kod nas ne proizvodi, što dodatno poskupljuje rad.

Mala avijacija, kao nijedna druga industrija, treba male GTE projekte. Razvijanjem infrastrukture za proizvodnju malih turbina možemo sa sigurnošću govoriti o oživljavanju poljoprivredne avijacije. U inostranstvu se dovoljan broj firmi bavi proizvodnjom malih gasnoturbinskih motora. Područje primjene: privatni avioni i dronovi. Među modelima za lake avione su češki motori TJ100A, TP100 i TP180, te američki TPR80.

U Rusiji su se još od vremena SSSR-a razvijali mali i srednji gasnoturbinski motori uglavnom za helikoptere i lake avione. Njihov resurs se kretao od 4 do 8 hiljada sati,

Do danas, za potrebe helikoptera MI-2 nastavljaju se proizvoditi mali gasnoturbinski motori fabrike Klimov, kao što su: GTD-350, RD-33, TVZ-117VMA, TV-2-117A, VK-2500PS -03 i TV-7-117V.

do favorita do favorita od favorita 0

Zanimljiv vintage članak za koji mislim da će biti od interesa za kolege.

NJEGOVE PREDNOSTI

Avion huči na vedrom plavom nebu. Ljudi zastaju, štiteći dlanovima oči od sunca, tražeći ga između rijetkih ostrva oblaka. Ali ne mogu da ga pronađu. Možda je skriven oblakom ili je odleteo toliko visoko da se više ne vidi golim okom? Ne, neko ga je već video i rukom pokazuje komšiju - nikako u pravcu gde gledaju ostali. Tanak, sa krilima zabačenim unazad, poput strele, leti tako brzo da zvuk njegovog leta dopire do zemlje sa tačke na kojoj odavno nije bilo letelice. Čini se da zvuk zaostaje. A avion, kao da se zeza u svom rodnom elementu, odjednom naglo, gotovo okomito, uzleti, prevrne se, padne kao kamen i opet brzo zanese horizontalno... Ovo je mlazni avion.

Glavni element vazdušno-mlaznog motora koji o tome obaveštava avion velika brzina, skoro jednaka brzini zvuka, je gasna turbina. U posljednjih 10-15 godina probio se u avion, a brzina umjetnih ptica porasla je za četiri do petsto kilometara. Najbolji klipni motori nisu mogli da obezbede proizvodne avione takve brzine. Kako funkcioniše ovaj neverovatni motor, koji je vazduhoplovstvu omogućio tako veliki iskorak, ovaj najnoviji motor - gasna turbina?

A onda se odjednom ispostavi da plinska turbina nikako nije najnoviji motor. Ispostavilo se da su čak iu prošlom veku postojali projekti gasnoturbinskih motora. Ali do nekog vremena, određenog stepenom razvoja tehnologije, plinska turbina nije mogla konkurirati drugim vrstama motora. I to unatoč činjenici da plinska turbina ima niz prednosti u odnosu na njih.

Uporedimo plinsku turbinu, na primjer, s parnom mašinom. Jednostavnost njegove strukture u ovom poređenju odmah upada u oči. Plinska turbina ne zahtijeva složen, glomazan parni kotao, ogroman kondenzator i mnoge druge pomoćne mehanizme.

Ali čak i konvencionalni klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem nema ni kotao ni kondenzator. Koje su prednosti gasne turbine u odnosu na klipni motor, koji je tako brzo istisnuo iz aviona velike brzine?

Činjenica da je gasnoturbinski motor izuzetno lagan motor. Njegova težina po jedinici snage znatno je manja od ostalih tipova motora.

Osim toga, nema translatorno pokretne dijelove - klipove, klipnjače itd., koji ograničavaju broj okretaja motora. Ova prednost, koja ljudima koji nisu posebno bliski tehnologiji, ne izgleda toliko važna, često se pokaže kao odlučujuća za inženjera.

Plinska turbina ima još jednu veliku prednost u odnosu na druge motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Može da radi na čvrsto gorivo. Štaviše, njegova efikasnost neće biti manja, već veća od one najboljeg klipnog motora sa unutrašnjim sagorevanjem koji radi na skupo tečno gorivo.

Koja je efikasnost gasne turbine?

Ispostavilo se da će čak i najjednostavnije postrojenje na plinsku turbinu, koje može raditi na plin s temperaturom ispred turbine od 1250-1300°C, imati efikasnost od oko 40-45%. Ako komplikujemo instalaciju, koristimo regeneratore (koriste toplinu izduvnih plinova za zagrijavanje zraka), primijenimo srednje hlađenje i višestepeno sagorijevanje, možemo dobiti efikasnost gasnoturbinskog postrojenja od 55-60% . Ove brojke pokazuju da u pogledu efikasnosti, gasna turbina može daleko nadmašiti sve postojeće vrste motori. Stoga, pobjedu gasne turbine u avijaciji treba smatrati samo prvom pobjedom ovog motora, a za njom slijede još: u željeznički transport- preko parne mašine, u stacionarnoj elektroenergetici - preko parne turbine. Gasnu turbinu treba smatrati glavnim motorom bliske budućnosti.

NJEGOVI NEDOSTACI

Osnovni raspored današnje vazduhoplovne gasne turbine nije težak (vidi dijagram ispod). Na istu osovinu kao i plinska turbina postavljen je kompresor, koji komprimira zrak i usmjerava ga u komore za sagorijevanje. Odavde gas ulazi u lopatice turbine, gde se deo njegove energije pretvara u mehanički rad potreban za rotaciju kompresora i pomoćnih uređaja, prvenstveno pumpe za kontinuirano dovod goriva u komore za sagorevanje. Drugi dio energije plina se već pretvara u mlaznoj mlaznici, stvarajući mlazni potisak. Ponekad se prave turbine koje proizvode više snage nego što je potrebno za pogon kompresora i pomoćnih uređaja; višak ove energije se preko mjenjača prenosi na propeler. Postoje avionski gasnoturbinski motori opremljeni i propelerom i mlaznom mlaznicom.

Stacionarna gasna turbina se suštinski ne razlikuje od avionske, samo je umesto propelera na njeno vratilo pričvršćen rotor električnog generatora i gasovi sagorevanja se ne izbacuju u mlaznu mlaznicu, već energiju koja se u njima nalazi daju turbini oštrice do najveće moguće granice. Osim toga, stacionarna plinska turbina, koja nije vezana strogim zahtjevima za dimenzije i težinu, ima niz dodatnih uređaja koji povećavaju njenu učinkovitost i smanjuju gubitke.

Gasna turbina je mašina visokih parametara. Već smo spomenuli željenu temperaturu plina ispred lopatica njegovog radnog kola - 1250-1300 °. Ovo je tačka topljenja čelika. Plin zagrijan na ovu temperaturu u mlaznicama i lopaticama turbine kreće se brzinom od nekoliko stotina metara u sekundi. Preko hiljadu obrtaja u minuti čini njegov rotor. Plinska turbina je namjerno organizirani tok vrućeg plina. Projektanti precizno predviđaju i proračunavaju putanje vatrenih struja koje se kreću u mlaznicama i između lopatica turbine.

Plinska turbina je mašina visoke preciznosti. Ležajevi osovine koja pravi hiljade obrtaja u minuti moraju biti izrađeni u najvišoj klasi tačnosti. Ne smije se dozvoliti ni najmanji disbalans u rotoru koji se okreće ovom brzinom - inače će otkucaji raznijeti automobil. Zahtjevi za metal lopatica moraju biti izuzetno visoki - centrifugalne sile ga naprežu do krajnjih granica.

Ove karakteristike gasne turbine su delimično usporile njenu implementaciju, uprkos svim njenim visokim zaslugama. Zaista, koji materijali otporni na toplinu i toplinu moraju biti da bi izdržali najintenzivniji rad na temperaturi topljenja čelika dugo vremena? Moderna tehnologija ne poznaje takve materijale.

Porast temperature zbog dostignuća metalurgije je veoma spor. U proteklih 10-12 godina osigurali su porast temperature za 100-150°, odnosno 10-12° godišnje. Tako bi danas naše stacionarne plinske turbine mogle raditi (ako nije bilo drugog načina da se nosimo s visokim temperaturama) na temperaturi od samo oko 700°. Visoka efikasnost stacionarnih gasnih turbina može se obezbediti samo pri višoj temperaturi radnih gasova. Ako metalurzi nastave da poboljšavaju toplotnu otpornost materijala istim tempom (što je generalno sumnjivo), tek za pedeset godina će obezbediti rad stacionarnih gasnih turbina.

Inženjeri danas idu drugačijim putem. Potrebno je ohladiti, kažu, elemente gasne turbine, oprane vrućim gasovima. Prije svega, to se odnosi na aparat za mlaznice i lopatice rotora plinske turbine. I u tu svrhu predloženo je više različitih rješenja.

Dakle, predlaže se da oštrice budu šuplje i da se iznutra hlade hladnim zrakom ili tekućinom. Postoji još jedan prijedlog - duvati površinu oštrice hladnim zrakom, stvarajući zaštitni hladni film oko nje, kao da stavljate oštricu u košulju hladnog zraka. Konačno, možete napraviti oštricu od poroznog materijala i kroz ove pore dopremati rashladnu tečnost iznutra, tako da se čini da se oštrica "znoji". Ali svi ovi prijedlozi su vrlo složeni u direktnom konstruktivnom rješenju.

Postoji još jedan neriješen tehnički problem u projektiranju plinskih turbina. Uostalom, jedna od glavnih prednosti plinske turbine je to što može raditi na čvrsto gorivo. Najcelishodnije je raspršeno čvrsto gorivo sagorevati direktno u komori za sagorevanje turbine. Ali ispostavilo se da ne znamo kako efikasno odvojiti čvrste čestice pepela i šljake od gasova sagorevanja. Ove čestice veće od 10-15 mikrona, zajedno sa strujom vrućih gasova, padaju na lopatice turbine i grebu i uništavaju njihovu površinu. Radikalno prečišćavanje plinova izgaranja od čestica pepela i šljake, odnosno sagorijevanje praškastog goriva tako da se formiraju čvrste čestice manje od 10 mikrona, još je jedan zadatak koji se mora riješiti kako bi plinska turbina „pala s neba na zemlju“.

U AVIJACIJI

Ali šta je sa avijacijom? Zašto je efikasnost gasne turbine pri istim temperaturama gasa visoko na nebu veća nego na zemlji? Jer glavni kriterijum efikasnosti njegovog rada nije temperatura gasova sagorevanja, već odnos ove temperature i temperature spoljašnjeg vazduha. A na visinama koje savladava naša savremena avijacija, ove temperature su uvijek relativno niske.

Zahvaljujući tome, plinska turbina je sada postala glavni tip motora u avijaciji. Sada su avioni velike brzine napustili klipni motor. Zrakoplovi velikog dometa koriste plinsku turbinu u obliku zračne gasne turbine ili turboelisnog motora. U vazduhoplovstvu su se posebno odrazile prednosti gasne turbine u odnosu na druge motore u pogledu veličine i težine.

A ove prednosti, izražene tačnim jezikom brojeva, otprilike su sljedeće: klipni motor blizu tla ima težinu od 0,4-0,5 kg po 1 KS, gasna turbina - 0,08-0,1 kg po 1 KS. visinskim uslovima, recimo, na visini od 10 km klipni motor postaje deset puta teži od gasnoturbinskog zračno-mlaznog motora.

Trenutno je zvanični svjetski rekord brzine za turbomlazni avion 1212 km/h. Avioni su takođe dizajnirani za brzine koje su mnogo veće od brzine zvuka (podsjetimo da je brzina zvuka u blizini zemlje približno 1220 km/h).

Već iz rečenog jasno je kakav je revolucionarni motor gasna turbina u avijaciji. Istorija još nije poznavala slučajeve da je u tako kratkom vremenskom periodu (10-15 godina) novi tip motora potpuno zamenio drugi, savršen tip motora u čitavoj oblasti tehnike.

NA LOKOMOTIVI

Od samog nastanka željeznice do kraja prošlog stoljeća, parna mašina - parna lokomotiva - bila je jedina vrsta željezničke mašine. Početkom našeg stoljeća pojavila se nova, ekonomičnija i savršenija lokomotiva - električna lokomotiva. Prije otprilike trideset godina, željeznice pojavljuju se i druge nove vrste lokomotiva - dizel lokomotive i lokomotive s parnom turbinom.

Naravno, parna lokomotiva je tokom svog postojanja pretrpjela mnoge značajne promjene. Njegov dizajn se također promijenio, a promijenili su se i glavni parametri - brzina, težina, snaga. Konstantno su se poboljšavale vučne i toplotnotehničke karakteristike parnih lokomotiva, čemu je doprinijelo uvođenje povišene temperature pregrijane pare, zagrijavanje napojne vode, zagrijavanje zraka koji se dovodi u peć, korištenje grijanja na prah, itd. Međutim, efikasnost parnih lokomotiva je i dalje veoma niska i dostiže samo 6-8%.

Poznato je da željeznički transport, uglavnom parne lokomotive, troši oko 30-35 posto ukupno iskopanog uglja u zemlji. Povećanje efikasnosti parnih lokomotiva za samo nekoliko posto značilo bi ogromnu uštedu, koja iznosi desetine miliona tona uglja, iskopanog pod zemljom teškim radom rudara.

Niska efikasnost je glavna i većina značajan nedostatak lokomotiva, ali ne i jedina. Kao što znate, parna mašina se koristi kao motor na parnoj lokomotivi, čija je jedna od glavnih komponenti klipnjača i koljenast mehanizam. Ovaj mehanizam je izvor štetnih i opasnih sila koje djeluju na željezničku prugu, što oštro ograničava snagu parnih lokomotiva.

Također treba napomenuti da je parni stroj slabo prilagođen za rad s parom visokih parametara. Uostalom, podmazivanje cilindara parna mašina obično se vrši prskanjem ulja u svježu paru, a ulje ima relativno nisku temperaturnu otpornost.

Šta se može dobiti ako se plinska turbina koristi kao motor lokomotive?

Kao vučni motor, gasna turbina ima niz prednosti u odnosu na klipne mašine - paru i unutrašnje sagorevanje. Plinska turbina ne zahtijeva dovod vode i vodeno hlađenje, troši vrlo malu količinu maziva. Plinska turbina uspješno radi na niskokvalitetno tečno gorivo i može raditi na čvrsto gorivo - ugalj. Čvrsto gorivo u gasnoj turbini može se sagorevati, prvo, u obliku gasa nakon njegove preliminarne gasifikacije u takozvanim gasnim generatorima. Moguće je sagorevanje čvrstog goriva u obliku prašine i direktno u komori za sagorevanje.

Samo jedan razvoj sagorevanja čvrstog goriva u gasnim turbinama bez značajnog povećanja temperature gasa, pa čak i bez ugradnje izmenjivača toplote, omogućiće izgradnju gasnoturbinske lokomotive sa radnom efikasnošću od oko 13-15% umesto efikasnost najboljih parnih lokomotiva 6-8%.

Dobit ćemo ogroman ekonomski učinak: prvo, lokomotiva s plinskom turbinom će moći koristiti bilo koje gorivo, uključujući i sitnicu (obična parna lokomotiva radi mnogo lošije za sitnice, jer prijenos u cijev u ovom slučaju može doseći 30-40% ), i drugo, i što je najvažnije, potrošnja goriva će se smanjiti za 2-2,5 puta, što znači da će od 30-35% ukupne proizvodnje uglja u Uniji, koja se troši na parne lokomotive, 15-18% biti pušten. Kao što se vidi iz gornjih slika, zamjena parnih lokomotiva plinskoturbinskim lokomotivama će dati kolosalan ekonomski učinak.

U ELEKTRANAMA

Velike daljinske termoelektrane su drugi najvažniji potrošač uglja. Oni troše oko 18-20% ukupne količine uglja koji se iskopava u našoj zemlji. U modernim okružnim elektranama kao motor rade samo parne turbine, čija snaga u jednoj jedinici doseže 150 hiljada kW.

U stacionarnom gasnoturbinskom postrojenju, koristeći sve moguće metode za povećanje efikasnosti njegovog rada, bilo bi moguće dobiti efikasnost od oko 55-60%, odnosno 1,5-1,6 puta veću od one u najboljim parnim turbinskim postrojenjima. , pa sa stanovišta ekonomičnosti, tu opet imamo superiornost gasne turbine.

Mnogo je nedoumica oko mogućnosti stvaranja plinskih turbina velikih kapaciteta od 100-200 tisuća kW, pogotovo jer trenutno najmoćnija plinska turbina ima kapacitet od samo 27 tisuća kW. Glavna poteškoća u stvaranju turbine velikog kapaciteta javlja se u dizajnu posljednje faze turbine.

Sama plinska turbina može biti u plinskim turbinskim instalacijama i jednostepena (aparat mlaznica i jedan disk sa lopaticama rotora) i višestepena - kao da je nekoliko odvojenih stupnjeva povezanih u seriju. Kako gas struji u turbini od prvog do poslednjeg stepena, povećavaju se dimenzije diskova i dužina lopatica rotora usled rasta specifične zapremine gasa i dostižu svoje najveće vrednosti u poslednjoj fazi. Međutim, prema uvjetima čvrstoće, duljine lopatica, koje moraju izdržati naprezanja centrifugalnih sila, ne mogu premašiti potpuno određene vrijednosti za dati broj okretaja turbine i dati materijal lopatica. Dakle, pri projektovanju poslednje faze
dimenzije turbine ne smiju prelaziti određene granične vrijednosti. Tu leži glavna poteškoća.

Proračuni pokazuju da se gasne turbine velike i ultra-velike snage (reda od 100.000 kW) mogu projektovati samo pod uslovom naglog povećanja temperature gasa ispred turbine. Inženjeri imaju neku vrstu specifičnog faktora snage gasne turbine, izračunate u kW po 1 km2. metar površine posljednje faze turbine. Za instalacije sa snažnim parnim turbinama sa efikasnošću od oko 35%, ona je jednaka 16,5 hiljada kW po kvadratnom metru. m. Za gasne turbine sa temperaturom gasa za sagorevanje od 600 °, to je samo 4 hiljade po kvadratnom metru. m. Shodno tome, efikasnost takvih gasnih turbinskih jedinica najjednostavnije kolo ne prelazi 22%. Vrijedno je podići temperaturu limenki na turbini na 1150°, jer specifični faktor snage raste na 18 hiljada kW po kvadratnom metru. m., a efikasnost do 35%. Za napredniju gasnu turbinu, koja radi sa temperaturama gasa iz 1300-ih, već raste na 42,5 hiljada po kvadratnom metru. m, a efikasnost, respektivno, do 53,5%!

AUTOMOBILOM

Kao što znate, glavni motor svih automobila je motor sa unutrašnjim sagorevanjem. Međutim, u proteklih pet do osam godina pojavili su se prototipovi i kamiona i automobila s plinskom turbinom. Ovo još jednom potvrđuje da će gasna turbina biti motor bliske budućnosti u mnogim oblastima nacionalne privrede.

Koje prednosti može pružiti plinska turbina kao motor automobila?

Prvi je nedostatak mjenjača. Dvoosovinska plinska turbina ima odlične vučne karakteristike, razvijajući maksimalnu silu pri startovanju. Dobijamo, kao rezultat, veće ubrzanje automobila.

Automobilska turbina radi na jeftino gorivo, ima male dimenzije. Ali budući da je automobilska plinska turbina još uvijek vrlo mlad tip motora, dizajneri koji pokušavaju stvoriti motor koji se takmiči s klipnim motorom stalno se suočavaju s mnogim pitanjima koja treba riješiti.

Glavni nedostatak svih postojećih automobilskih gasnih turbina u poređenju sa klipnim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem je njihova niska efikasnost. Za automobile su potrebni relativno mali motori, čak i kamion od 25 tona ima motor od oko 300 KS. s., a ova snaga je vrlo mala za plinsku turbinu. Za takvu snagu, turbina se ispostavlja vrlo male veličine, zbog čega će efikasnost instalacije biti niska (12-15%), štoviše, naglo pada sa smanjenjem opterećenja.

Za procjenu dimenzija koje može imati plinska turbina automobila, navodimo sljedeće podatke: zapremina koju zauzima takva plinska turbina je otprilike deset puta manja od zapremine klipnog motora iste snage. Turbina se mora napraviti sa velikim brojem obrtaja (oko 30-40 hiljada o/min), au nekim slučajevima i sa većim (do 50 hiljada o/min). Do sada je tako velike brzine teško savladati.

Dakle, niska efikasnost i teškoće u dizajnu uzrokovane velikim brzinama i malim dimenzijama plinske turbine predstavljaju glavnu kočnicu ugradnje plinske turbine na automobil.

Sadašnji period je period rođenja automobilske gasne turbine, ali nije daleko vreme kada će se stvoriti visoko ekonomično gasno turbinsko postrojenje male snage. Ogromni izgledi otvaraju se automobilskoj gasnoj turbini koja radi na čvrsto gorivo, budući da je motorni transport jedan od najkapacitetnijih potrošača tečnog goriva, a prelazak motornih vozila na ugalj će imati ogroman ekonomski efekat.

Ukratko smo se upoznali sa onim oblastima nacionalne privrede u kojima je gasna turbina kao motor već zauzela ili bi uskoro mogla da zauzme svoje mesto. Još uvijek postoji niz industrija u kojima plinska turbina ima takve prednosti u odnosu na druge motore da je njena upotreba svakako korisna. Tako, na primjer, postoje sve mogućnosti za široku primjenu plinske turbine na brodovima, gdje su njeni mali ukupni i težinski pokazatelji od velike važnosti.

Sovjetski znanstvenici i inženjeri samouvjereno rade na poboljšanju plinskih turbina i otklanjanju poteškoća u dizajnu koje sprečavaju njihovu široku upotrebu. Nesumnjivo će se ove poteškoće otkloniti i tada će početi odlučno uvođenje gasne turbine u željeznički saobraćaj, u stacionarnu elektroenergetiku.

Proći će neko vrijeme i plinska turbina će prestati biti motor budućnosti, već će postati glavni motor u različitim sektorima nacionalne ekonomije.