Введение
Газотурбинный двигатель
были прекращены
-
- Классификация ГТД
Турбореактивный двигатель (ТРД)
Турбореактивный двигательTurbojet engineдействия встречного потока воздуха и компрессораСтепень повышения давления
ТРДД с высокой степенью двухконтурности
Турбовентиляторный двигательTurbofan engineбез смешения потоковвнутреннего контураВнешний контурприводя к осевому направлению
Турбовальный двигатель (ТВГТД)
Турбовальный двигательTurboshaft engineтурбостартеры
-
Определение основных узлов ГТД
- Входное устройство
- Лобовые входные устройства применяются, когда двигатели расположены в гондолах или в крыле.
- Фюзеляжные входные устройства применяются, когда двигатель расположен в задней части фюзеляжа.
-
- Компрессор
которых воздух движется в радиальном направлении
2.3 Камера сгорания
Горячий газ занимает гораздо больший объем, чем горючая смесь, поступающая на вход в двигатель. Тем самым создаётся дополнительное давление, которое может двигать поршень или вращать турбину. Энергия также идёт на создание дополнительной тяги при выходе газа из сопла.
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.
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).
Малые габариты камеры для облегчения веса
При этом длина камеры обычно в 2—3 раза больше высоты.
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).
Надёжный запуск камеры при температурах до −60 °С, в том числе полётный запуск на высоте 7 км.
Малая дымность отработанных газов (для визуальной незаметности).
Концентрация токсических веществ в выхлопных газах на срезе сопла не должна превышать нормы ИКАО — более важное требование. Наиболее существенные концентрации у веществ CO, CnHm, NOx.
Отсутствие вибрационного горения (автоколебаний).
Определённый срок службы (минимально 4000 часов до ремонта, 20 000 часов всего — это порядка 2 лет).
-
- Турбина
Га́зовая турби́нафр.turbineлат.turboлопаточная машиналопаткистаторлопаткигазотурбинных двигателейгазотурбинных установокпарогазовых установоксопловой аппаратдвигатели внутреннего сгораниятурбореактивных двигателях
-
- Выходное устройство
- Новые решения при создании ГТД
дефицита малоразмерных двигателей для нихКонструкторы десятилетиямиЗаключение
Принцип работы автомобильного турбокомпрессора
Турбокомпрессор является сложным устройством, используемым в целях увеличения мощностных характеристик двигателя благодаря большему количеству воздуха, который подается в цилиндры. Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:
- при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной уже во впускном коллекторе;
- поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
- так, в мотор поступает большее количество воздушной массы, а значит, в него подается и больше топлива. Как известно, чем больше сгорает топливной смеси, тем мощнее становится двигатель. Задача автомобильного турбокомпрессора как раз и состоит в том, чтобы поставлять в силовой агрегат больше воздуха для сжигания большего количества топлива, за счет чего и достигается значительная прибавка мощности.
Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.
Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.
Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.
Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.
Задача импортозамещения решена
М55Р — важнейший элемент в составе главной энергетической установки кораблей проекта 22350. На каждом фрегате монтируется два агрегата — по одному на каждый борт. Электропитание обеспечивает дизель-генератор АДГ-1000НК разработки ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург). Все материалы и комплектующие, использованные в М55Р, исключительно российского производства.
Создание ДГТА велось в кооперации с ведущими российскими предприятиями. В проектировке изделия рыбинским инженерам помогали специалисты Северного проектно-конструкторского бюро (Санкт-Петербург).
Также по теме
От торпед до беспилотников: какая техника представлена на военно-морском салоне в Петербурге
Ведущие российские оборонные предприятия представили широкий спектр перспективных и современных образцов техники на Международном…
Редуктор М55Р был изготовлен на ПАО «Звезда» (Санкт-Петербург), локальные системы управления — в АО «Концерн «НПО «Аврора» (Санкт-Петербург).
В 2023 году М55Р получит цифрового двойника. По информации ОДК, это позволит управлять жизненным циклом силовой установки, повысит надёжность и коммерческую привлекательность российских морских двигателей.
«Цифровизация сокращает сроки и стоимость проектирования силовых установок, в том числе линейки морских газотурбинных двигателей нового поколения, помогает достичь расчётных характеристик, минимизирует затраты на изготовление опытных образцов, а также испытания и доводку двигателей», — цитирует пресс-служба ОДК генерального конструктора корпорации Юрия Шмотина.
Мощность М55Р составляет 27,5 тыс. л. с. при КПД 36,8%. Как отмечают в ОДК, по своим характеристикам ДГТА не уступает зарубежным аналогам. Как сообщил в декабре 2020 года генеральный конструктор «ОДК-Сатурн» Роман Храмин, ДГТА является одним из самых передовых и надёжных агрегатов.
«Самое важное, что освоено серийное производство составных частей газотурбинного агрегата. Освоены дизель, редуктор, двигатель и все компоненты этой системы, в том числе электронная, топливная аппаратура», — цитирует Храмина пресс-служба Торгово-промышленной палаты Ярославской области.
- Испытания дизель-газотурбинного агрегата М55Р
По словам Мураховского, М55Р отличается от украинского образца увеличенным эксплуатационным ресурсом, более эффективной топливной системой и повышенным коэффициентом полезного действия.
«После разрыва Киевом военно-технических отношений с Россией нам пришлось в сжатые сроки создать испытательный стенд и подготовить производственную площадку. В итоге российский двигатель получился более совершенным. Он в лучшую сторону отличается по материалам, КПД, техническим и эксплуатационным характеристикам», — пояснил Мураховский.
Также по теме
«Проект такого масштаба реализуется впервые»: чем уникальны модернизированные противолодочные корабли ВМФ
Впервые после модернизации фрегат проекта 1155 «Маршал Шапошников» провёл стрельбы из нового оружия, сообщает Минобороны РФ. На…
Как отмечал в 2017 году президент РФ Владимир Путин на встрече с представителями деловых кругов Ярославской области, на момент прекращения поставок украинских газотурбинных агрегатов Россия не имела научно-производственного фундамента для удовлетворения потребностей флота в двигателестроительных изделиях.
Тем не менее, с точки зрения главы государства, задача импортозамещения данной продукции была решена быстро, уверенно и с высоким качеством.
«Мы создали фактически новую научную школу и новую отрасль по морскому двигателестроению, чего в России раньше никогда не было, мы всё покупали на Украине. Но не было бы счастья, да несчастье помогло», — заявил Путин.
Дмитрий Корнев констатирует, что разрыв военно-технического сотрудничества, на который пошёл официальный Киев, на несколько лет затормозил кораблестроительные программы РФ. «Не будем лукавить: сроки сдачи кораблей ВМФ тогда поползли вправо, и это относилось не только к фрегатам 22350», — сказал Корнев.
Однако, как считает эксперт, «время расставило всё по своим местам» и теперь ключевое значение для промышленности и ВМФ имеет то обстоятельство, что М55Р является исключительно российской разработкой, обеспечивающей полную технологическую независимость от Украины и Запада, где выпускаются морские агрегаты такого же класса.
Устройство и принцип работы турбины
Турбина (от латинского «turbo» в переводе на русский – смерч, круговое движение) – это двигатель, когда при вращающемся роторе энергия пара, воды и газа трансформируется в механическую работу.
Когда водные или паровые потоки действуют на специальные звенья — лопасти, то эти они начинают двигаться. Лопасти расположены по всему диаметру ротора.
Рассмотрим пример водяного колеса, на нём закрепляются лопасти, а поверх течёт поток воды.
Колесо под воздействием центробежной силы начинает вращаться.
Если направление потока воды, пара или газа идёт параллельно оси турбины – то их называют осевыми, а если перпендикулярно – то радиальные.
Используется в качестве части двигателя и увеличивает его мощность. Широко используется в транспортных средствах. На электростанциях является приводом электрогенератора.
Устройство и описание
Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, – газогенератора и силовой турбины.
В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины.
При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел.
Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива – газообразного и жидкого.
В обычном режиме ГТУ работает на газе.
В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо.
В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.
Ядерные энергоустановки
Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.
Сколько стоит электростанция на базе газовых турбин? Какова её полная цена? Что входит в стоимость «под ключ»?
Автономная тепловая электростанция на базе газовых турбин имеет массу дополнительного дорогостоящего, но зачастую, просто необходимого оборудования (пример из жизни – реализованный проект). С использованием первоклассного оборудования стоимость электростанции подобного уровня, «под ключ», не превышает 45000 — 55000 рублей за 1 кВт установленной электрической мощности. Конечная цена электростанции на основе газовых турбин зависит от конкретных задач и нужд потребителя. В стоимость входят проектные, строительные и пусконаладочные работы. Сами газовые турбины, как силовые агрегаты, без дополнительного оборудования, в зависимости от компании-производителя и мощности, стоят от 400 до 800 долларов за 1 кВт.
Для получения информации о стоимости строительства электростанции или ТЭС в конкретном Вашем случае, необходимо отправить в нашу компанию заполненный опросный лист. После этого, по истечении 2–3 дней заказчик-клиент получает предварительное технико-коммерческое предложение — ТКП (краткий пример). На основании ТКП заказчиком принимается окончательное решение о строительстве электростанции на базе газовых турбин. Как правило, до принятия решения клиент посещает уже существующий объект, чтобы воочию увидеть современную электростанцию и «потрогать всё руками». Непосредственно на объекте заказчик получает ответы на имеющиеся вопросы.
За основу строительства электростанций на базе газовых турбин часто берется концепция блочно–модульного построения. Блочно-модульное исполнение обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций и уменьшает сроки строительства объектов энергетики.
Описание — технические характеристики микротурбины — тепловой электростанции Capstone – Calnetix ТА–100 Скачать/загрузить брошюру в формате PDF, 4 MB
Проблемы разработки малых ТГД
При уменьшении размера ГТД происходит уменьшение КПД и удельной мощности по сравнению с обычными турбореактивными двигателями. При этом удельная величина расхода топлива так же возрастает; ухудшаются аэродинамические характеристики проточных участков турбины и компрессора, снижается КПД этих элементов. В камере сгорания, в результате уменьшения расхода воздуха, снижается коэффициент полноты сгорания ТВС.
Снижение КПД узлов ГТД при уменьшении его габаритов приводит к уменьшению КПД всего агрегата
Поэтому, при модернизации модели, конструкторы уделяют особое внимание увеличению КПД отдельно взятых элементов, вплоть до 1%. Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%
Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину
Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%. Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину.
Новым корветам — новые двигатели
Для применения в составе энергетической установки перспективных корветов проекта 20386 ОДК разработала модификацию двигателя М90ФР. «Два двигателя изготовлены, успешно испытаны и готовы к передаче заказчику», — добавили в пресс-службе.
Кроме того, корпорацией создан ряд унифицированных двигателей М70ФРУ мощностью 8000-10000 МВт для кораблей различного назначения — корветов, малых ракетных кораблей, малых артиллерийских кораблей, а также кораблей с динамическим поддержанием (десантных кораблей на воздушной подушке).
Базовая модификация М70ФРУ была разработана в 2008 году (по результатам МВИ документации на изделие присвоена литера «О1»). Первоначально этот двигатель предназначался для корветов проекта 20380, однако указанные корабли тогда были укомплектованы дизельными энергетическими установками (в том числе иностранного производства), поэтому заказы на поставку серийных двигателей М70ФРУ не поступали.
В рамках государственной программы импортозамещения в период с 2014 по 2017 год ОДК созданы две модификации данного двигателя — ГТД М70ФРУ-Р с реверсивной силовой турбиной (для надводных кораблей) и ГТД М70ФРУ-2 с передним отводом мощности (для десантных кораблей на воздушной подушке). В рамках этих работ на двигателе внедрены новые, более современные системы двигателя — локальная система автоматизированного управления, система вибродиагностики, агрегаты топливной системы и прочее. В ходе разработки М70ФРУ и его модификаций были применены технологии, соответствующие актуальным мировым тенденциям, — по оценкам экспертов, данная силовая установка относится к четвертому поколению и находится на уровне зарубежных аналогов.
Газотурбинный двигатель М70ФРУ
Источник изображения: Объединенная двигателестроительная корпорация
По результатам выполненной работы подтверждена готовность серийного производства новых модификаций ГТД М70ФРУ, причем несколько опытно-поставочных двигателей М70ФРУ-2 уже изготовлены для последующего применения в составе десантных кораблей на воздушной подушке проектов 12061 «Мурена» и 12322 «Зубр». Кроме того, базовая модификация ГТД М70ФРУ с учетом указанной выше модернизации планируется к применению в составе главного газотурбинного агрегата перспективного фрегата.
Устройство газотурбинного двигателя
Если сравнивать газотурбинный двигатель с мотором, который применяют на автомобиле, устройство первого проще. Агрегат включает камеру, где происходит сгорание; присутствуют свечи, поджигающие заряд; форсунка, участвующая в смесеобразовании. На одном валу помещены турбинные колёса и нагнетатель. Присутствуют: редуктор понижения, устройство обмена теплом, трубки, коллектор впуска, сопло и концентратор.
Вращаясь на компрессорном валу, лопатки втягивают воздушную массу, используя коллектор впуска. Достигнув скорости вращения 0,5 км/с, нагнетатель затягивает воздух в концентратор. В конечной точке скоростной режим падает, однако сдавливание массы повышается. Далее воздушная масса перетекает в устройство температурного обмена для набора температуры и перехода в область горения. В пространство параллельно с воздушной массой постоянно поступает горючее, за это отвечают распылители. Перемешиваясь, масса и горючее образуют рабочую консистенцию, которая после приготовления воспламеняется свечой. Горение поднимает напор объёма, газы, вырываясь сквозь концентратор, сталкиваются с турбинными лопатками, двигая колесо. Импульс, создаваемый окружностью, передаётся посредством редуктора на движущий элемент, а газовый остаток перетекает в устройство обмена теплом, подогревая там сдавленные воздушные массы и выбрасываясь в среду окружения.
Газотурбинный мотор «ДР59Л»:
Минус установки, цена материала, способного выдержать температуру. Кроме того, чтобы исключить поломку, поступающий в агрегат воздух требует повышенной степени очистки. Несмотря на это, доработка и усовершенствование агрегата проводятся постоянно. Расширяется сфера применения, сегодня построена автомобильная, авиационная установка, и даже газотурбинный двигатель для кораблей.
Примечания
- ↑ .
- ↑ Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
- ↑ Александр Грек. Человек, который купил космодром // Популярная механика. — 2017. — № 11. — С. 54.
- ↑ Андрей Суворов. Ядерный след // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 88-92.
| В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка установлена 17 ноября 2011 года. |
Эта статья требует оформления и доводки. В этой статье необходимо:
Если вы желаете оформить данную статью, пожалуйста, отредактируйте данный шаблон в тексте статьи, дописав в него |
| Двигатели | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Устройство и принцип работы двигателя
Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.
Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.
 |
 |
Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.
Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.
Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.
Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.
Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird
Перспективы развития
ОДК уже формирует научно-технический задел для создания морского двигателя 5-го поколения. «В качестве задела имеются в виду результаты реализации аванпроекта по разработке морского двигателя мощностью 25 МВт с малоэмиссионной камерой сгорания морского исполнения и разработке новых высокотемпературных коррозионностойких сплавов», — проинформировал Шмотин, добавив, что корпорация также создает морскую силовую установку повышенной мощности — в частности, в рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется аванпроект по разработке двигателя мощностью 34 000 л.с. (25 МВт). В качестве приоритетных направлений дальнейшего развития корабельных двигателей ОДК выделяет создание двигателей мощностью 25-35 и 13 МВт.
Наряду с созданием новых морских двигателей проводится и модернизация процессов их разработки и производства. С декабря 2020 года в рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется научно-исследовательская работа по созданию цифрового двойника морского ГТД и редуктора. «Срок окончания работ — октябрь 2023 года. В процессе реализации данного проекта ОДК должна получить действующую технологию/платформу создания цифровых двойников, которая будет применяться во всех последующих разработках новых изделий», — сообщил Шмотин.
Все большее применение при проектировании двигателей находят аддитивные технологии — первый положительный опыт их применения в сфере морских двигателей был получен в ходе создания двигателя М70ФРУ-Р.
В настоящее время ОДК применяет уже отечественные материалы, созданные при помощи аддитивных технологий и не уступающие по своим характеристикам иностранным аналогам
ОДК,
Кроме того, выполняется разработка и применение новых материалов для создания термобарьерных покрытий лопаток горячей части двигателя, позволяющих повысить температуру газа перед турбиной и тем самым повысить мощность силовой установки. «В рамках договора с Минпромторгом РФ реализуется научно-исследовательская работа, направленная на разработку новых высокотемпературных коррозионностойких сплавов», — подытожил Шмотин.
Дмитрий Федюшко
ТАСС благодарит за помощь в подготовке материала пресс-службу ОДК
