Развитие газотурбинных двигателей

метки: Двигатель, Турбореактивный, Камера, Форсажный, Устройство, Технология, Контур, Конструкция

Введение

Газотурбинный двигатель

В статье проанализирована история разработки и серийного производства авиационных газотурбинных двигателей в СССР/России с начала 40х годов прошлого столетия до настоящего времени. Выявлено, что отечественное двигателестроение как в количественном, так и в качественном отношении соответствовало лучшим мировым достижениям в этой области, а зачастую опережало достигнутый мировой уровень. В настоящее время в России разрабатывается только два гражданских двигателя, и то с иностранным участием.

Проведенный анализ деятельности предприятий авиамоторной промышленности показал, что в настоящее время необходима мощная научно-техническая база для создания современной методологии разработки конкурентоспособных двигателей, направленная на сокращение суммарных затрат и сроков разработки авиадвигателей. Этому способствует также и тот факт, что стоимость создания новых двигателей постоянно растет. Например, сейчас для подготовки к серийному производству двигателя пятого поколения АЛ-41Ф требуется как минимум один млрд долларов.

1. Общие сведения о ГТД

   1. Историческая справка о ГТД

Как известно, начало развития авиационного газотурбинного двигателестроения приходится на двадцатые-тридцатые годы XX столетия. В этот период теоретические исследования велись в нескольких странах. Значительное развитие они получили и в СССР.

Основой, на которой в дальнейшем развилось отечественное газотурбинное авиадвигателестроение, послужили работы В.И. Базарова, Б.С. Стечкина, В.В. Уварова и других авторов. Начало работ по созданию газотурбинных двигателей в СССР можно отнести к 1925 г., когда в «НАМИ» была организована группа под руководством Н.Р. Брилинга, занимавшаяся изучением термодинамических циклов газотурбинных двигателей, а также исследованием процессов в камере сгорания.

С 1930 г. работы по газовым турбинам были переданы в лабораторию №1 Всесоюзного теплотехнического института им. Ф.Э. Дзержинского (ВТИ), где их возглавил В.В. Уваров.

В 1937 г. инженер Харьковского авиационного института А.М. Люлька, разрабатывает проект турбореактивного двигателя РТД. В июле 1940 г. вышло Постановление СНХ СССР о необходимости проведения работ по ТРД конструкции А.М. Люльки. Работы осуществлялись в Ленинграде в Центральном котлотурбинном институте и на Кировском заводе, где в 1941 г. проводились стендовые испытания турбины, камеры сгорания и некоторых ступеней компрессора нового ГТД РД-1.

Курсовые работы по разработке скважин

... при поиске, разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений бурят картировочные, сейсморазведочные, специальные и другие скважины. 2. Способы бурения скважин По способу воздействия на горные ... канат; 5 - блок; 6 - буровой станок. По мере углубления скважины канат удлиняют. Цилиндричность скважины обеспечивается поворотом долота во время работы. Для очистки забоя от разрушенной породы буровой ...

С началом войны из-за необходимости массового, серийного выпуска авиационной техники многие перспективные экспериментальные работы, которые начались еще до войны, были прекращены , конструкторские коллективы расформированы, а документация сдана в архивы.

К концу войны Советский Союз еще не имел газотурбинных двигателей отечественной конструкции, доведенных до серийного производства. Поэтому развитие разработки и производства авиационных ГТД в СССР на начальном этапе шло по следующим основным направлениям:

1) Использование немецкого опыта (РД-10, РД-20);

2) Приобретение в Англии лицензии на двигатели «Nene» и «Derwent» фирмы Rolls6Royce (РД-45, РД-500);

3) Поддержка и развитие отечественных разработок.

Разработка ГТД под руководством А.М. Люльки была продолжена в 1943 г. в ЦИАМ. В 1947 г. на заводе № 45 были успешно проведены испытания и начато изготовление первого отечественного реактивного двигателя ТР-1, разработанного под руководством А.М. Люльки.

Для использования немецкого опыта в области создания авиационных ГТД был организован государственный союзный опытный завод № 2 (сейчас ОАО «Кузнецов») в г. Куйбышеве (Самаре).

В 1946-1950 гг. немецкие двигатели «Jumo-004» под маркой РД-10 выпускались в СССР на уфимском заводе № 26 — первым в отрасли приступившем к освоению производства реактивных двигателей (сейчас ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»).

Всего было изготовлено 1911 шт. Двигатели BMW-003A в СССР назывались РД-20 и производились на казанском заводе № 16 (сейчас ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение») с 1946 по 1949 гг. Изготовлено 2911 шт.

Приобретённые у фирмы Rolls-Royce двигатели «Nene» и «Derwent» были на тот момент лучшими в мире. Эти двигатели, после переведения в ЦИАМ в метрический размерный ряд и модернизации изготавливались под маркой РД-45 и РД-500 с 1948 г. на заводах 16, 26, 45 и 478.

В 1948 г. под руководством В.Я. Климова на базе двигателя РД-45 были разработаны ГТД ВК61, ВК61А, ВК61Ф, которые массово производились на заводах № 16, 19, 24, 26, 45, 478 и 500. Общее количество этих двигателей, произведенных в период с 1948 по 1961 гг., составило 50 493 шт.

В СССР разработкой газотурбинных двигателей занимались специализированные организации — опытные конструкторские бюро (ОКБ).

Они имели в своём составе опытные заводы, где отрабатывались новые технологии, изготавливались опытные образцы двигателей и проводились их испытания.

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т.д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Датчики управления двигателем автомобиля

... датчики систем контроля двигателя работают на обе системы (в первую очередь датчик концентрации кислорода, а также датчики массового расхода воздуха и давления). ... КМОП ИС. Примерами являются датчики положения распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, датчик скорости автомобиля, датчик клапана EGR (рис. 1). ... Но мне, автору этого реферата очень смешно и печально читать публикации ...

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки.

При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель (ТРД)

Турбореактивный двигатель

В турбореактивном двигателе сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха и компрессора , размещённого в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним, и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счёт торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счёт совершаемой компрессором механической работы.

Степень повышения давления

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ )

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД)

Первым, предложившим концепцию ТРДД в отечественном авиадвигателестроении был Люлька А. М. (На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя. Авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года.)

Можно сказать, что с 1960-х и по сей день, в самолетном авиадвигателестроении — эра ТРДД. ТРДД различных типов являются наиболее распространенным классом ВРД, используемых на самолетах, от высокоскоростных истребителей-перехватчиков с ТРДДФсм с малой степенью двухконтурности, до гигантских коммерческих и военно-транспортных самолетов с ТРДД с высокой степенью двухконтурности.

В основу двухконтурных турбореактивных двигателей вложен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД , по сравнению с обычными ТРД.

Система питания дизельных и карбюраторных двигателей

... от стенок камеры сгорания и нарушение подачи топлива через форсунки в. двигатель, что приводит к снижению мощности и экономичности двигателя. Дизельное топливо не должно содержать ... -чение коэффициента избытка воздуха способствует уменьшению среднего эффективного давления. Чтобы уменьшить коэффициент избытка воздуха при обеспечении полного и своевременного сгорания топлива, следует улучшать качество ...

Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора.

Одним из важнейших параметров ТРДД, является степень двухконтурности (m), то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур. (m = G ₂ / G₁ , где G₁ и G₂ расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.)

При степени двухконтурности меньше 4 (m<4) потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности

Турбовентиляторный двигатель

без смешения потоков

внутреннего контура

Внешний контур

По причине того, что вентилятор таких двигателей, как правило, имеет большой диаметр, и степень повышения давления воздуха в вентиляторе не высока — сопло внешнего контура таких двигателей достаточно короткое. Расстояние от входа в двигатель до среза сопла внешнего контура может быть значительно меньше расстояния от входа в двигатель до среза сопла внутреннего контура. По этой причине достаточно часто сопло внешнего контура ошибочно принимают за обтекатель вентилятора.

ТРДД с высокой степенью двухконтурности имеют двух- или трёхвальную конструкцию.

Турбовальный двигатель (ТВГТД)

Турбовальный двигатель

На вертолетах используются преимущественно турбовальные двигатели, состоящие из автономного одно- или двухвального газогенератора и свободной (силовой) турбины.

Для передачи крутящего момента с вала двигателя к несущему винту вертолета применяется трансмиссия с редуктором.

Применение осевых компрессоров характерно для турбовальных двигателей больших мощностей. На менее мощных применяются одно- и двухступенчатые центробежные компрессоры либо компрессоры комбинированной схемы, состоящих из нескольких осевых и центробежной ступени.

2. Определение основных узлов ГТД

   1. Входное устройство

Входное устройство обеспечивает подвод воздуха из окружающей среды к компрессору, и осуществляет вместе с компрессором процесс сжатия. Сжатие воздуха происходит за счет кинетической энергии встречного потока.

Входное устройство представляет собой либо часть конструкции двигателя, либо образуется сочетанием самолетной и двигательной частей.

Двигатель: общее устройство, параметры, рабочий цикл и порядок ...

... работы многоцилиндрового двигателя одноименные такты в разных его цилиндрах должны чередоваться в определенной последовательности. Эта установленная последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называется порядком работы двигателя. Порядок работы двигателя ... горючая смесь (смесь мелкораспыленного бензина с воздухом). В камере сгорания горючая смесь смешивается с оставшимися в ней ...

Входные устройства бывают индивидуальные, или групповые. Индивидуальные используются для одного двигателя, групповые для нескольких двигателей, которые располагаются рядом. Для использования групповых входных устройств, чтоб небыли влияния одного двигателя на другой используют вертикальные перегородки.

Входные устройства бывают фюзеляжные, и лобовые.

• Лобовые входные устройства применяются, когда двигатели расположены в гондолах или в крыле.

• Фюзеляжные входные устройства применяются, когда двигатель расположен в задней части фюзеляжа.

Компрессор предназначен для подачи в камеру сгорания ГТД воздуха с необходимым расходом и давлением.

В авиационных газотурбинных двигателях используются три основных типа компрессоров, отличающихся по направлению движения воздуха в проточной части: осевые, в которых движение потока воздуха происходит в среднем вдоль оси двигателя, центробежные, в проточной части которых воздух движется в радиальном направлении , и осецентробежные, состоящие из комбинации осевого и центробежного компрессоров.

2.3 Камера сгорания

Камера сгорания газотурбинного двигателя — устройство, в котором

в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него

воздуха(газа).

Горячий газ

Камера сгорания — один из самых сложных элементов конструкции двигателя. В настоящее время она должна удовлетворять следующим десяти требованиям:

1. Высокое значение коэффициента полноты сгорания η, равного отношению энергии, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива к теплотворной способности топлива . Типичные значения η — 0,98..0,99.

2. Малые потери полного давления {\displaystyle \delta ={\frac {p_{1}^{*}-p_{2}^{*}}{p_{1}^{*}}}\cdot 100\%} δ, так как это ведет к уменьшению тяги. Типичные значения δ: 3% (противоточные камеры), 6 % (прямоточные), 8 % (двухконтурные двигатели).

3. Малые габариты камеры для облегчения веса. При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.

4. Обеспечение заданной эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат).

5. Надёжный запуск камеры при температурах до −60 °С, в том числе полётный запуск на высоте 7 км.

6. Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).

7. Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO , C _n H _m , NO _x .

8. Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний ).

   13 стр., 6282 слов

   Общее устройство и работа двигателя автомобиля

   ... Общее устройство и работа двигателя Двигатель — это агрегат, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу. На отечественных легковых автомобилях устанавливаются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых ... 10 поступает горючая смесь (смесь мелкораспыленного бензина с воздухом). В камере сгорания горючая смесь смешивается с оставшимися в ней от предыдущего рабочего цикла ...

9. Определённый срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).

Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение) — это лопаточная машина , в ступенях которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу^[1][2] . Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки , закреплённые на дисках) и статор , именуемый сопловым аппаратом (направляющие лопатки , закреплённые в корпусе).

газотурбинных двигателей

сопловой аппарат

двигатели внутреннего сгорания

Выходное устройство — часть двигателя, расположенная за силовой турбиной и предназначенная для отвода газов из ее проточной части.

Оно должно иметь минимальное гидравлическое сопротивление, обладая при этом высокой стойкостью против коробления, прогара и газовой коррозии.

Выходное устройство состоит из наружного и внутреннего оболочек, соединенных стойками. Внутренний конус-обтекатель служит для предотвращения резкого расширения газа за турбиной и плавного перехода потока из кольцевого сечения за турбиной в сплошное за конусом.

3. Новые решения при создании ГТД

Сегодня мы наблюдаем стремительный рост беспилотной авиации. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) применяются всё шире и шире в военном деле, и в разных областях народного хозяйства. Они используются для разведки и связи, охраны и мониторинга различных объектов промышленности и транспорта, для агроконтроля посевов и даже для доставки пиццы.

Бурное развитие БПЛА немедленно привело к возникновению дефицита малоразмерных двигателей для них , и в частности – малоразмерных газотурбинных двигателей. Многие отечественные и зарубежные двигателестроительные фирмы тут же откликнулись на требования рынка и занялись разработкой таких двигателей. Некоторые достигли определённых успехов. Наиболее значимых результатов добились Safran MicroTurbo, PBS и Williams International.

Как отмечает директор «Скайтурбинс», первый же опыт показал, что главным сдерживающим фактором на рынке ГТД для БПЛА является высокая стоимость разработки и производства таких двигателей, а, следовательно, и высокая цена их приобретения. Кроме того, их эффективность оказалась едва – едва удовлетворительной. Так возникла проблема одновременного снижения стоимости малоразмерных ГТД и повышения их эффективности.

Многочисленные попытки решения этой проблемы с опорой только на классические подходы быстро показали, что это невозможно. Неприемлемо дорогой оказалась каждая единица прироста эффективности двигателей. Стало ясно, что нужно искать инновационные решения. Одним из таких решений может стать активное внедрение аддитивных технологий. Как бы это не казалось удивительным, но это – одна из древнейших технологий. Ею пользовались гончары и скульпторы, архитекторы и строители, ещё тогда, когда вылепливали амфоры и статуи и складывали свои хижины и дворцы из отдельных кирпичей. Это технология добавления материалов.

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ (5)

... лазерные технологии, насколько они готовы к применению в военных целях в настоящее время? Первый действующий лазер был создан в 1960 ... В феврале 2010 г. в СМИ прошло сообщение о возобновлении работ по лазерному оружию воздушного базирования на платформе Ил-76МД-90А с двигателями ... них на мобильном шасси дело отдалённого будущего. Соответственно, для уничтожения целей лазерами мощностью сотни киловатт ...

Современные интерпретации аддитивных технологий, благодаря развитию науки и техники, отличаются от древних высоким уровнем механизации и автоматизации процесса, способностью «лепить» не только из глины, но и из металлов и сухой керамики. В качестве «глины» они используют затвердевающие гели и подплавленные нити, а в качестве «кирпичей» – мелкодисперсные порошки, при этом заменив руку гончара и скульптора различными манипуляторами.

Современные аддитивные технологии позволяют при относительно низкой трудоёмкости, с относительно малыми расходами энергии и материала создавать из различных материалов объекты самых причудливых форм. При этом аддитивные технологии обеспечивают достаточно высокую повторяемость размеров создаваемых объектов, то есть, вполне удовлетворительны по точности. Всё разнообразие этих технологий быстро стали называть по имени самой примитивной из них – трёхмерной печатью. Это случилось только потому, что она первой вышла на массовый рынок и приобрела известность.

Совершенно естественно двигателестроители тут же обратили внимание на эти технологии, разумно рассматривая их в качестве одного из средств решения вставшей перед ними проблемы. Их не смущала высокая стоимость оборудования и материалов для трёхмерной печати. Они прекрасно знают, что после освоения всякие технологии стремительно дешевеют и потому смело принялись за дело.

Первопроходцам, как всегда, славы досталось гораздо меньше, чем лавров. Первые же напечатанные реактивные двигатели оказались ничуть не эффективнее своих традиционных братьев, отличаясь от них только своей фантастической дороговизной. Естественно, что такой продукт не имеет никаких шансов продвижения на рынке. Но это был бесценный опыт. Он наглядно продемонстрировал, что, дело тут не только в «глине» и в «руках» и не столько в «глине» и в «руках», сколько в уме создателя – инженера. Со всей очевидностью стало ясно, что применение новых технологий даст разумный результат только при новых подходах к созданию объектов техники. Мозги переделывать гораздо труднее, чем руки. Конструкторы десятилетиями , начиная со школьных мастерских и институтских лабораторий мыслили в категориях сверлильных фрезерных и токарных станков. Их сознание оказалось жестко зажато в рамках сортамента проката, литейных уклонов и прочих стандартных конструктивных элементов. Они стали виртуозами складывания потрясающе эффективных конструкций из этих стандартных конструктивных элементов. Что бы ни поручалось конструкторам старой школы, они упорно чертили и моделировали ”швеллер”.

В 2013 году группа выпускников МГТУ имени Н.Э. Баумана взялась за решение проблемы создания эффективного, доступного малоразмерного ГТД. Для реализации своих замыслов они создали компанию «Скайтурбинс».

В настоящий момент команда завершает испытания и доводку своего первого двигателя максимальной тягой 200 Н. При изготовлении опытных образцов которого активно использовала аддитивные технологии. Данный подход позволил существенно уменьшить сроки и стоимость разработки двигателя.

В будущем «Скайтурбинс» планирует использовать аддитивные технологии не только при изготовлении опытных образов, но и при изготовлении серийной продукции, что, по мнению команды, позволит улучшить соотношение цена/качество по сравнению с конкурентами.

Химическая технология изготовления пластмассы и резины

... Технология изготовления пластмасс Пластмассы изготовляют из связующего вещества-полимера2, наполнителя, пластификатора и ускорителя отверждения. При изготовлении цветных пластмасс в их состав вводят минеральные красители. При изготовлении пластмасс в качестве ... наравне с металлами, сплавами, деревом. Основная масса пластмассовых изделий производится из синтетических пластмасс. Имея очень ценное ...

Завершив работу над двигателем тягой 200 Н, компания не планирует останавливаться на достигнутом и до 2020 года рассчитывает создать линейку малоразмерных турбореактивных двигателей для БПЛА различных классов.

Заключение

Развитие авиационных ГТД идет по пути улучшения их термодинамических параметров, схемно-конструктивного совершенствования с целью повышения показателей эффективности использования авиационной силовой установки (СУ) на борту летательного аппарата (ЛА).

Расширение диапазона применения ГТД как по высоте и скорости полета, так и по условиям эксплуатации (климатическим условиям, наличию пыли, снега, биочастиц, порывам ветра, турбулентности атмосферы и др.) определяет необходимость сложнейшего комплекса доводочных работ. Хотя подобные проблемы свойственны в той или иной мере авиационным двигателям всех типов, особую остроту, повышенную неопределенность и сложность они приобретают для малоразмерных ГТД (МГТД).

Малоразмерность, особо тяжелые условия эксплуатации, характер взаимодействия с ЛА и др. являются существенными факторами, которые необходимо учитывать на протяжении всего жизненного цикла двигателя.

Список литературы:

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/turboreaktivnyie-dvigateli-s-forsajnoy-kameroy/