Proudový motor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 29. ledna 2022; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Proudový motor ( dále jen TRD ) je motor s plynovou turbínou, ve kterém se chemická energie paliva přeměňuje na kinetickou energii proudů plynu proudících z proudové trysky . [1] Hlavní oblastí použití je letectví . Mechanickým základem každého proudového motoru je vždy turbodmychadlo .

Historie

V roce 1791 anglický vynálezce John Barber navrhl myšlenku rotačního motoru s pístovým kompresorem, spalovací komorou a plynovou turbínou . V roce 1909 si ruský vynálezce N. V. Gerasimov nechal patentovat schéma motoru s plynovou turbínou k vytvoření proudového tahu (turbojetový motor) [2] [3] [4] . Patent na použití plynové turbíny k pohonu letadla obdržel v roce 1921 francouzský inženýr Maxime Guillaume .

První vzorek proudového motoru předvedl anglický inženýr Frank Whittle 12. dubna 1937 a malá soukromá společnost Power Jets , kterou vytvořil . Vycházel z teoretické práce Alana Griffitha .

První užitečná aplikace proudového motoru se objevila v Německu na letadle Heinkel He 178 s proudovým motorem HeS 3 . Proudový motor vyvinul Hans von Ohain téměř současně s Whittlem – první start v září 1937 vyrobila společnost Heinkel-Hirth Motorenbau. Pilot Erich Warsitz uskutečnil první let 27. srpna 1939.

Jak to funguje

Kompresor nasává vzduch, stlačuje ho a směřuje do spalovací komory. V něm se stlačený vzduch mísí s palivem, které se vznítí. Horké plyny vzniklé v důsledku spalování expandují a nutí se otáčet turbínou , která je umístěna na stejném hřídeli jako kompresor. Zbytek energie se přesune do konvergující trysky . V důsledku usměrněného výtoku plynu z trysky působí na motor proudový tah . Při spalování paliva se vzduch sloužící jako pracovní tekutina zahřeje na 1500-2000 stupňů Celsia.

Za letu dochází ke zpomalení proudění vzduchu ve vstupním zařízení před kompresorem, v důsledku čehož se zvyšuje jeho teplota a tlak. Na zemi ve vstupu se vzduch zrychluje, jeho teplota a tlak klesá.

Při průchodu kompresorem je vzduch stlačen, jeho tlak se zvýší 10-45krát a jeho teplota se zvýší. Kompresory motorů s plynovou turbínou se dělí na axiální a odstředivé. V dnešní době jsou v motorech nejrozšířenější vícestupňové axiální kompresory. Odstředivé kompresory se obvykle používají v malých elektrárnách.

Poté stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory, v tzv. plamenovkách, nebo v prstencové spalovací komoře, která se neskládá z jednotlivých trubek, ale je integrálním prstencovým prvkem. Dnes jsou nejrozšířenější prstencové spalovací komory. Trubkové spalovací komory se používají mnohem méně často, hlavně u vojenských letadel. Vzduch vstupující do spalovací komory se dělí na primární, sekundární a terciární. Primární vzduch vstupuje do spalovací komory speciálním okénkem v přední části, v jehož středu je montážní příruba vstřikovače , a přímo se podílí na oxidaci (spalování) paliva (tvorbě směsi paliva a vzduchu). Sekundární vzduch vstupuje do spalovací komory otvory ve stěnách plamence, ochlazuje se, tvaruje plamen a nepodílí se na hoření. Terciální vzduch je přiváděn do spalovací komory již na výstupu z ní, aby se vyrovnalo teplotní pole. Při běžícím motoru se v přední části plamence vždy otáčí vír horkého plynu (díky speciálnímu tvaru přední části plamence), který neustále zapaluje vytvořenou směs vzduchu a paliva a palivo ( petrolej , plyn), který vstupuje tryskami v parním stavu, je spálen.

Směs plynu a vzduchu expanduje a část její energie se v turbíně přeměňuje přes lopatky rotoru na mechanickou energii otáčení hlavního hřídele. Tato energie je vynakládána především na provoz kompresoru, dále se využívá k pohonu motorových jednotek (čerpadla posilovače paliva, olejová čerpadla atd.) a pohonu elektrických generátorů , které dodávají energii různým palubním systémům.

Hlavní část energie expandující směsi plynu a vzduchu je využita k urychlení proudění plynu v trysce a vytvoření tahu paprsku.

Čím vyšší je teplota spalování, tím vyšší je účinnost motoru. Aby se zabránilo zničení částí motoru, k jejich výrobě se používají žáruvzdorné slitiny a tepelné bariérové ​​povlaky . Využívá také chladicí systém se vzduchem odebraným ze středních stupňů kompresoru.

Klíčové vlastnosti

Klíčové vlastnosti proudového motoru jsou následující:

  1. tah generovaný motorem.
  2. Specifická spotřeba paliva ( množství paliva spotřebovaného za jednotku času k vytvoření jednotky tahu/výkonu)
  3. Spotřeba vzduchu (hmotnost vzduchu procházející každou částí motoru za jednotku času)
  4. Celkový tlakový poměr kompresoru
  5. Teplota plynu na výstupu ze spalovací komory.
  6. Hmotnost a rozměry.

Stupeň zvýšení celkového tlaku v kompresoru je jedním z nejdůležitějších parametrů proudového motoru, protože na něm závisí efektivní účinnost motoru . Jestliže u prvních vzorků proudových motorů ( Jumo-004 ) bylo toto číslo 3, pak u moderních dosahuje 40 ( General Electric GE90 ).

Pro zvýšení plynodynamické stability kompresorů jsou vyráběny jako dvoustupňové ( NK-22 ) nebo třístupňové ( NK-25 ). Každá z kaskád pracuje při své vlastní rychlosti otáčení a je poháněna vlastní turbínovou kaskádou. V tomto případě hřídel 1. stupně kompresoru (nízkotlaký), otáčený posledním (nejnižším otáčkovým) stupněm turbíny, prochází vnitřkem duté hřídele kompresoru druhého stupně (vysokotlaký stupeň pro dva stupně -stupňový motor, středotlaký stupeň pro třístupňový). Stupně motoru se také označují jako nízkotlaké, střední a vysokotlaké rotory.

Spalovací prostor většiny proudových motorů má prstencový tvar a hřídel turbíny-kompresor prochází uvnitř prstence komory. Při vstupu do spalovací komory je vzduch rozdělen do 3 proudů.

Primární vzduch  - vstupuje předními otvory ve spalovací komoře, je zpomalován před vstřikovači a přímo se podílí na tvorbě směsi paliva a vzduchu. Přímo se podílí na spalování paliva. Směs paliva a vzduchu v zóně spalování paliva podle WFD má blízko stechiometrickému složení .

Sekundární vzduch  - vstupuje bočními otvory ve střední části stěn spalovací komory a slouží k jejich ochlazování vytvořením proudu vzduchu s mnohem nižší teplotou než ve spalovací zóně.

Terciální vzduch  - vstupuje speciálními vzduchovými kanály ve výstupní části stěn spalovací komory a slouží k vyrovnání teplotního pole pracovní tekutiny před turbínou.

Ze spalovací komory vstupuje ohřátá pracovní tekutina do turbíny, expanduje, uvádí ji do pohybu a dává jí část své energie, a poté, co expanduje v trysce a vytéká z ní, vytváří proudový tah.

Proudový motor (na rozdíl od náporového motoru ) může díky kompresoru „vzlétnout“ a pracovat při nízkých rychlostech letu, což je u leteckého motoru naprosto nezbytné , přičemž tlak v motorovém traktu a proudění vzduchu zajišťuje pouze kompresor.

Se vzrůstající rychlostí letu se zvyšuje tlak ve spalovací komoře a rychlost proudění pracovní kapaliny v důsledku zvýšení tlaku přicházejícího proudu vzduchu, který je zpomalován ve vstupním zařízení (stejně jako u náporové trysky) a vstupuje do spodního stupně kompresoru při tlaku vyšším než je atmosférický tlak, při tomto se zvyšuje tah motoru.

Rozsah otáček, ve kterých je proudový motor účinný, je ve srovnání s náporovým motorem posunut k nižším hodnotám . Překážkou pro zvýšení účinnosti motoru v zóně vysokých rychlostí je jednotka "turbína-kompresor", která umožňuje vytvářet vysoký průtok a vysoký stupeň komprese pracovní tekutiny v oblasti nízkých a středních rychlostí letu:

Zvýšení dovolené teploty pracovní kapaliny na vstupu do turbíny je jedním z hlavních směrů pro zlepšení proudového motoru. Jestliže u prvních proudových motorů tato teplota sotva dosahovala 1000 K, pak se u moderních motorů blíží 2000 K. To je zajištěno jak použitím zvláště tepelně odolných materiálů, z nichž jsou lopatky a kotouče turbín vyrobeny, tak i organizací jejich chlazení: vzduch ze středních stupňů kompresoru (mnohem chladnější než produkty spalování paliva) je přiváděn do turbíny a prochází složitými kanály uvnitř lopatek turbíny.

V důsledku toho je maximální rychlost proudového proudu u proudového motoru menší než u náporového motoru, který podle vzorce pro reaktivní tah proudového motoru v konstrukčním režimu, když je tlak na výstupu z trysky rovna okolnímu tlaku, [5]

, (jeden)

kde  je přítlačná síla ,  je druhý průtok hmoty pracovní kapaliny motorem,  je rychlost výstupu proudu (vzhledem k motoru),  je rychlost letu, omezuje rozsah rychlostí, při kterých proudový proud motor je účinný shora, o hodnoty M = 2,5 - 3 (M je číslo Mach ). Při těchto a vyšších rychlostech vzduchu vytváří zpomalení přicházejícího proudu vzduchu stupeň zvýšení tlaku, měřený v desítkách jednotek, stejný nebo dokonce vyšší než u vysokotlakých kompresorů, a ještě větší komprese se stává nežádoucí, protože vzduch je zahřátý, a to omezuje množství tepla, které mu může být předáno ve spalovací komoře. Tudíž při vysokých rychlostech letu (při M > 3) se jednotka turbína-kompresor stává nepoužitelnou, ba dokonce kontraproduktivní, protože pouze vytváří dodatečný odpor v potrubí motoru a za těchto podmínek se náporové motory stávají účinnějšími.



Typy proudových motorů

Jednookruhový proudový motor

(také - TRD)

Jedná se o proudový motor s jedním okruhem – tedy s jednou dráhou proudění. [6]
Jednookruhové proudové motory mají nejlepší účinnost při rychlostech nad 1000 km/h, takže jejich působnost je obvykle omezena na vojenská letadla. [7] Jednookruhový proudový motor lze doplnit přídavným spalováním (TRDF). [osm]

Dvouokruhový proudový motor

(také - turbodmychadlový motor)
Jedná se o proudový motor s vnitřním a vnějším okruhem, ve kterém se část energie spalování paliva přiváděného do vnitřního okruhu přeměňuje na mechanickou práci pro pohon kompresoru (ventilátoru) vnějšího okruhu. [9]

Základem turbodmychadlového motoru je princip zapojení dodatečné hmoty vzduchu do vytváření tahu, aby se především zvýšila účinnost turbodmychadlového motoru v husté atmosféře. Na rozdíl od jednookruhového turbodmychadlového motoru (turboletového motoru s jedinou dráhou proudění) je u turbodmychadlového motoru vzduch vstupující do motoru společným sáním vzduchu rozdělen do dvou proudů. První proud - proud vnitřního okruhu - je stlačován v několika stupních kompresoru, vstupuje do spalovací komory, prochází turbínou a vystupuje tryskou. Druhý tok - tok vnějšího okruhu - je také stlačován stupni kompresoru, ale pak je směrován do trysky, která obchází spalovací komoru. Oba proudy se obvykle mísí za turbínou v tzv. „ směšovací komoře “ [10] až k trysce a vystupují jedinou tryskou jako společný tryskový proud. [jedenáct]

Přítomnost dvou průtokových částí (okruhů), dvou (nebo více) hřídelí, dvou turbokompresorů, směšovací komory - to vše vede ke komplikaci proudového motoru, zvětšení jeho podélných a příčných rozměrů a také ke zvýšení hmotnost. Ale v důsledku toho se zvyšuje účinnost motoru při podzvukových rychlostech a snižuje se hluk generovaný tryskovým proudem. Zvýšení účinnosti je dosaženo snížením rozdílu mezi rychlostí výstupu plynů z trysky a rychlostí letadla zvýšením průtoku vzduchu obcházejícího vnitřní okruh. Použití druhého okruhu v motorech pro vojenská nadzvuková letadla umožňuje chlazení horkých částí motoru, což umožňuje zvýšení teploty plynů před turbínou, což přispívá k dodatečnému zvýšení tahu. [13]

Důležitým parametrem každého turbodmychadlového motoru je obtokový poměr - poměr hmotnostního průtoku vzduchu vnějším okruhem k průtoku vnitřním. Tento parametr je určen ve fázi návrhu a do značné míry závisí na účelu motoru (použití a provozní rychlosti). [12]

Motory s nízkým obtokovým poměrem ( m < 2 ) se používají pro nadzvuková letadla, motory s m > 2 pro podzvuková osobní a dopravní letadla. V případě, že je obtokový poměr větší než 4 ( m > 4 ), je turbodmychadlový motor provozován bez směšovacích proudů až k trysce, s krátkým vnějším obrysem, protože v takových případech je kvůli značnému rozdílu tlaků a rychlostí , míchání toků je obtížné. Zároveň se zvýšením obtokového poměru roste i podíl výkonu potřebného k pohonu kompresoru-ventilátoru. Takové motory s turbodmychadlem se stávají něčím mezi motorem s turbodmychadlem a turbohřídelovým / turbovrtulovým motorem s plynovou turbínou a vystupují jako samostatný typ - tzv. turboventilátorové motory .

Turboventilátorové motory, stejně jako turboventilátory, mohou být vybaveny nastavitelnými tryskami a přídavným spalováním pro nadzvuková vojenská letadla. [jedenáct]

Poprvé byl obtokový proudový motor navržen tvůrcem prvního funkčního proudového motoru Frankem Whittlem na počátku 30. let 20. století. Sovětský vědec a konstruktér A. M. Lyulka studoval tento princip od roku 1937 a podal žádost o vynález obtokového proudového motoru (autorské osvědčení 22. dubna 1941). První modely proudových motorů s přídavným spalováním vznikly u Rolls-Royce ve druhé polovině 40. let a Conway se stal prvním sériovým.

Turboventilátorový motor

Někdy v populární literatuře se turboventilátorové motory s vysokým obtokovým poměrem (nad 2) nazývají turboventilátory. V anglicky psané literatuře je tento motor nazýván turbofan s dodatkem specifikace high bypass (high bypass), zkráceně hbp. Turboventilátorové motory s vysokým obtokovým poměrem se obvykle vyrábějí bez směšovací komory. Kvůli velkému vstupnímu průměru takových motorů je jejich vnější obrysová tryska často zkrácena, aby se snížila hmotnost motoru.

TRD s řízením vektoru tahu (UVT)

UVT

Speciální rotační trysky u některých turboventilátorových motorů umožňují vychylovat proud pracovní kapaliny vytékající z trysky vzhledem k ose motoru. OVT vede k dodatečným ztrátám tahu motoru v důsledku provádění dodatečné práce na otáčení toku a komplikuje ovládání letadla. Tyto nedostatky jsou však plně kompenzovány výrazným zvýšením manévrovatelnosti a snížením rozjezdu letadla a rozjezdu na přistání až po vertikální vzlet a přistání. OVT se používá výhradně ve vojenském letectví.

Proudový motor s přídavným spalováním

přídavné spalování

Přestože má proudový motor ve spalovacím prostoru přebytek kyslíku, nelze tuto výkonovou rezervu realizovat přímo - zvýšením spotřeby paliva v komoře - z důvodu omezení teploty pracovní tekutiny vstupující do turbíny. Tato rezerva se používá u motorů vybavených přídavným spalováním umístěným mezi turbínou a tryskou. V režimu přídavného spalování se v této komoře spaluje další množství paliva, před expanzí v trysce se zvyšuje vnitřní energie pracovní tekutiny, v důsledku čehož se zvyšuje její výstupní rychlost a v některých případech se zvyšuje tah motoru. více než 1,5krát, což využívají bojová letadla létající vysokou rychlostí. V přídavném spalování je použit stabilizátor, jehož funkcí je snížit otáčky za ním na hodnoty blízké nule, což zajišťuje stabilní spalování palivové směsi. S přídavným spalováním se spotřeba paliva výrazně zvyšuje, proudové motory s přídavným spalováním se v komerčním letectví prakticky nepoužívají, s výjimkou letounů Tu-144 , jejichž lety již ustaly.

Hybridní proudový motor

TRD + náporový motor

Hybridní proudové motory

V 60. letech vytvořily USA hybridní proudový/náporový motor Pratt & Whitney J58 , používaný na strategickém průzkumném letounu SR-71 Blackbird . Až do Machova čísla M = 2,4 pracoval jako proudový motor s přídavným spalováním a při vyšších otáčkách se otevíraly kanály, kterými vzduch ze vstupního zařízení vstupoval do přídavného spalování, obcházel kompresor, spalovací komoru a turbínu, přívod paliva na přídavné spalování se zvýšilo a začala pracovat jako nápor. Takové schéma činnosti umožnilo rozšířit rozsah otáček efektivního chodu motoru na M = 3,2. Motor byl zároveň z hlediska hmotnostních charakteristik horší než proudové i náporové motory a tato zkušenost nebyla příliš využívána.

TRD + raketový motor

Motory tohoto typu při letu v atmosféře využívají jako okysličovadlo kyslík z atmosférického vzduchu a při letu mimo atmosféru kapalný kyslík z palivových nádrží jako okysličovadlo. Motory tohoto typu byly plánovány pro použití v projektu HOTOL a jsou plánovány v projektu Skylon [14] .

Proudový motor s proměnnou tryskou

nastavitelná tryska

TRD, u kterých může být rychlost proudění v různých provozních režimech motoru jak podzvuková, tak nadzvuková, jsou vybaveny nastavitelnými tryskami. Tyto trysky se skládají z podélných prvků, nazývaných klapky , vzájemně pohyblivých a uváděných do pohybu speciálním pohonem, který umožňuje na příkaz pilota nebo automatického řídicího systému motoru měnit geometrii trysky. Současně se mění velikosti kritických (nejužších) a výstupních sekcí trysky, což umožňuje optimalizovat chod motoru během letů při různých rychlostech a provozních režimech motoru. [jeden]

Jaderný proudový motor

Používá jaderný reaktor k ohřevu vzduchu místo spalování petroleje. Hlavní nevýhodou je silná radiační kontaminace použitého vzduchu. Výhodou je možnost dlouhého letu [15] .

Rozsah

Proudové motory byly nejaktivněji vyvíjeny jako motory pro různá vojenská a komerční letadla až do 70-80 let XX století. V současné době proudové motory ztratily značnou část svého místa v leteckém průmyslu a byly vytlačeny ekonomičtějšími obtokovými proudovými motory (turbojetové motory).

  • Ukázky letadel vybavených proudovými motory

  • Útočný letoun Su-25UB se dvěma proudovými motory R-95Sh.

  • Stíhací letoun MiG-21 bis s proudovým motorem R-25-300 .

  • Nadzvukové dopravní letadlo Concorde se čtyřmi motory Rolls-Royce Olympus 593 s .

  • Su-24 od Suchoje s přídavným spalováním jednookruhových turboventilátorových motorů AL-21F .

Dá se říci, že od 60. let 20. století dodnes v průmyslu leteckých motorů - éře turboventilátorových motorů. Turboventilátorové motory různých typů jsou nejběžnější třídou turboventilátorových motorů používaných v letadlech, od vysokorychlostních stíhacích stíhačů s nízkými turbodmychadly až po obří komerční a vojenská dopravní letadla s vysokými obtokovými turbodmychadly.

  • TRDDFsm AL-31F .

  • Letoun Su-27 se dvěma turbodmychadly AL-31F

  • TF-39 s vysokým obtokovým ventilátorem (pohled zezadu)

  • Letoun Lockheed C-5 Galaxy se čtyřmi turbodmychadly TF-39

  • TRDSM F-107

  • Řídící střela Tomahawk s turbodmychadlem F-107

Poznámky

  1. ↑ GOST 23851-79 Letecké motory s plynovou turbínou. Termíny a definice. (termín 10, str.3) .
  2. ↑ JET ENGINE • Velká ruská encyklopedie – elektronická verze . bigenc.ru. Získáno 16. února 2019. Archivováno z originálu dne 6. června 2021.
  3. ↑ Vynálezy Ruska // Motor s plynovou turbínou . rus-eng.org. Datum přístupu: 16. února 2019. Archivováno z originálu 17. února 2019.
  4. ↑ V. M. Kornějev. Konstrukční vlastnosti plynových turbínových motorů. - Ridero, 2018. - ISBN 978-5-4485-9499-1 .
  5. ↑ Teorie a výpočet proudových motorů. Učebnice pro střední školy. Autoři: V. M. Akimov, V. I. Bakulev, R. I. Kurziner, V. V. Poljakov, V. A. Sosunov, S. M. Šljachtenko. Editoval S. M. Shlyachtenko. 2. vydání, upravené a rozšířené. M.: Mashinostroenie, 1987
  6. ↑ GOST 23851-79. - str. 3. termín 11.
  7. ↑ Bojová letadla. - S. 150. oddíl III "Letecké motory", kapitola 1 "Klasifikace a použití".
  8. ↑ GOST 23851-79. - str. 3. termín 12.
  9. ↑ GOST 23851-79. - str. 3. termín 13.
  10. ↑ GOST 23851-79. - S. 29. termín 175.
  11. ↑ 1 2 Bojová letadla. — S. 149. Oddíl III „Letecké motory“, Kapitola 1 „Klasifikace a použití“.
  12. ↑ 1 2 Bojová letadla. - S. 205. Oddíl III "Letecké motory", kapitola 4 "Konstrukční vlastnosti turbodmychadel a turbodmychadel".
  13. ↑ Bojová letadla. - S. 207. Oddíl III "Letecké motory", kapitola 4 "Konstrukční vlastnosti turbodmychadel a turbodmychadel".
  14. ↑ Alexandr Grek. Muž, který koupil kosmodrom // Populární mechanika . - 2017. - č. 11 . - S. 54 .
  15. ↑ Jaderné déjà vu: existuje raketa na jaderný pohon ? Populární mechanika . Získáno 12. září 2019. Archivováno z originálu 3. srpna 2020.

Literatura

  • GOST 23851-79. Letecké motory s plynovou turbínou; Termíny a definice. - Moskva: IPK Standards Publishing House, 1979. - 99 s.
  • Bojové letouny Pavlenko VF ; letadla, elektrárny, jejich provoz. - Moskva: Vojenské nakladatelství, 1984. - 319 s.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Motory
Vzduchová tryska
Hlavní typy
Nekomprimované
Proudový
Modifikace
a hybridní systémy
Viz také: Motory s plynovou turbínou
viz také stroj na věčný pohyb Převodový motor gumový motor