Двоконтурний турбореактивний двигун (ТРДД і ТРДДФ), авіація, зрозуміла всім
Привіт, друзі!
ТРДД з вентилятором на вході.
У сьогоднішній невеликій статті продовжуємо більш конкретне знайомство з типами авіаційних двигунів. Двоконтурний турбореактивний двигун (ТРДД) вже не раз згадувався по сайту і залишилося тільки познайомитися з ним ближче.
Головна ідея статті в тому, щоб зрозуміти яке, власне, головна відмінність ТРДД від його попередника, так би мовити першої ланки в руховому сімействі, звичайного турбореактивного двигуна (ТРД).
Правильніше, напевно, було б сказати навіть не просто відміну, а перевага. Адже на сьогоднішній день ТРД активно здає свої позиції (якщо вже не здав зовсім :-)) двоконтурного двигуна. ТРДД тепер перетворився в найпоширеніший повітряно-реактивний авіаційний двигун на землі.
Головна причина цього одна - висока економічність при настільки ж високою тягової ефективності. У наш час зростаючого енергодефіциту такий важливий фактор значить дуже багато. Економічність і, відповідно, дальність польоту Сучасне літак з ТРДД має в цій області великі переваги.
Перші розробки по темі двоконтурний турбореактивний двигун почалися ще в 19-му столітті. Почав їх (принаймні це офіційно відомо :-)) український інженер Федір Романович Гешвен (наш. -)). У 1939 році А.М. Люлька. став у наслідку знаменитим конструктором авіадвигунів, розробив ТРДД такої схеми, яка використовується в сучасних двоконтурних двигунах. Але ні тоді, ні в наступні роки проблема економічності ТРД не стояла так гостро, як зараз. Це були скоріше просто конструктивні варіанти повітряно-реактивного двигуна, хоча виграшно-позитивні сторони їх були відомі.
Таким стан справ залишалося аж до 50-х років, коли ТРД впевнено стали завойовувати першість серед авіаційних двигунів світу. І вже тоді став проявлятися їх, мабуть, головний недолік. На відносно невеликих швидкостях польоту ці двигуни досить неекономічні. Або, кажучи іншими словами, мають низький коефіцієнт корисної дії.
Тобто для підвищення економічності було б звичайно добре знизити подачу палива в двигун. Але ж чим менше палива в камері згоряння, тим менше температура газу. Повітряний потік, що проходить через двигун, отримає менше енергії, і в подальшому, при виході з сопла, швидкість потоку буде нижче. А це означає, що і тяга теж зменшиться.
Виходить, нічого хорошого 🙂 ... Однак є можливість цього уникнути. Зменшення тяги, отримане за рахунок падіння швидкості витікання газовоздушного потоку з двигуна, можна компенсувати збільшенням самого цього потоку, тобто, правильніше кажучи, збільшенням його маси. Або на технічній мові: потрібно збільшити витрату повітря через двигун. Чим більше маса повітря, тим більше імпульс тяги, що створюється двигуном. Це, я думаю, всім уже зрозуміло. Реактивний рух. чим більше з движка «вилетіло», тим сильніше його самого штовхнуло в зворотну сторону :-).
Що ж вийшло в результаті? А то, що тяга залишилася тією ж, а витрата палива зменшився. Тобто покращилася економічність, інакше кажучи підвищився коефіцієнт корисної дії двигуна (ккд).
Або ж трохи по-іншому: можна при тих же енергетичних витратах пропускати через двигун значно більшу масу повітря, але з малою швидкістю її закінчення. При цьому отримаємо велику тягу з меншими питомими параметрами витрати палива. Тобто суть справи та ж :-) ...
Все вищесказане якраз і є основний принцип роботи двоконтурного турбореактивного двигуна. Отримали, так би мовити, моє улюблене пояснення «на пальцях» :-) ...
А тепер підтвердимо цей факт парочкою формул. Тяга повітряно-реактивного двигуна (яким і є, як відомо, ТРД) визначається простим виразом, що випливають із закону збереження імпульсу:
P = G (c - v). тут Р - тяга двигуна, G - це витрата повітря через двигун (кг / с), c - швидкість витікання газоповітряної струменя з двигуна (м / с), v - швидкість польоту (м / с). З цієї формули добре видно, що чим більше швидкість реактивного струменя, тим вище тяга двигуна.
Тепер про ккд. Для нашого випадку ефективність реактивного двигуна, як рушія. характеризує так званий польотний ККД (ще його називають тяговим). Він визначається формулою, яку часто називають формулою Стєчкіна (Борис Сергійович Стечкин - видатний радянський вчений -гідроаеромеханік і теплотехнік, якого в авіаційних колах напівжартома, але явно з великою повагою називали «Головний моторист Радянського Союзу»).
η = 2 / (1 + с / v). тут η - польотний ККД. Можна порівняти ці дві формули, і тоді видно цікавий факт. Чим вище швидкість виходу газоповітряної струменя з двигуна (с), тим вище його тяга (Р), але при цьому нижче ккд (η). І навпаки. Тобто при проектуванні турбореактивного двигуна інженерам доводиться вирішувати дві явно протилежні завдання. Потрібно підтримувати тягу двигуна на хорошому рівні, але при цьому не можна сильно занижувати ккд. Доводиться йти на компроміс. У цьому випадку саме застосування концепції двоконтурного турбореактивного двигуна полегшує завдання.
Отже, ми з вами з'ясували, що для ТРДД повинен бути організований додатковий витрата повітря. Конструктивно це виконується шляхом додавання до вже існуючого ТРД так званого другого контуру, виконаного у вигляді кільцевого каналу як би поверх вже існуючих габаритів. Цей канал проходить від компресора до сопла, минаючи камеру згоряння і турбіну. Перший же контур (внутрішній) являє собою по суті звичайний ТРД з усіма властивими йому атрибутами і принципом роботи.
Далі стиснене до певного рівня повітря ділиться на два потоки. Один надходить в перший (внутрішній) контур і працює там, як в звичайному турбореактивних двигунів, а інший потрапляє в вищезазначений другий (або зовнішній) контур і, йдучи нею, закінчується з реактивного сопла, створюючи при цьому реактивну тягу.
Схема ТРДД. Тут: 2 - КНД, 3 - КВД, 4 - камера згоряння, 5 - ТВД, 6 - ТНД, 7 - сопло, 8 - ротор високого тиску, 9 - ротор низького тиску, 1 - частина КНД (вентилятор).
Компресор внутрішнього контуру називається компресором високого тиску КВД (ступінь підвищення тиску в середньому 10-30). У внутрішній контур можуть також входити і останні ступені компресора низького тиску. Кожен з цих компресорних вузлів обертає своя турбіна (турбіни низького і високого тиску. ТНД і ТВД). Обидва ці турбокомпресора між собою зазвичай механічно не пов'язані, і вали їх розташовані один всередині іншого. Часто вони і обертаються в різні боки.
Одним з основних параметрів для двоконтурного двигуна є ступінь двоконтурного К. Це відношення масової витрати повітря через зовнішній контур до витрати повітря через внутрішній. Діапазон зміни ступеня двоконтурності для різних двигунів досить великий: від 0,5 до 90.
Ступінь двоконтурності До від 0,5 до 2 мають двигуни, які стоять на літаках, призначених для польоту на високих дозвукових і надзвукових швидкостях. Зазвичай це військові літаки. А якщо К> 2, то це вже скоріше за все движок для пасажирського лайнера або транспортника, тому що велика ступінь двоконтурного означає велику витрату повітря, що має на увазі, в свою чергу, великі діаметральні розміри движка. А це ніякої винищувач собі дозволити не може :-).
ТРДДФ Eurojet EJ200. На фото нижче його малюнок з розрізом. Встановлюється на винищувач Eurofighter Typhoon.
Двоконтурний турбореактивний двигун Eurojet EJ200 з малим ступенем двоконтурного. Другий контур блакитного кольору. Встановлюється на винищувач Eurofighter Typhoon.
Винищувач Eurofighter Typhoon з двигунами Eurojet EJ200.
Практично на всіх сучасних винищувачах зараз ставляться ТРДД з малим ступенем двоконтурного. Прикладом може служити двигун Pratt Whitney F100-PW-229 (ступінь двоконтурного 0,4), що встановлювався на літаки F-15 і F-16. двигун Eurojet EJ200 зі ступенем двоконтурного 0,4, який встановлюється на літак Eurofighter Typhoon. а також українські АЛ-31Ф (винищувач СУ-27. ступінь двоконтурного 0,571) і РД-33 (винищувачі МіГ-29 (35). ступінь двоконтурного 0,49).
ТРДДФ F100-PW-229. Типовий двигун зі змішанням потоків. Добре проглядається другий контур (темний колір). Встановлювався на винищувачі F-15 і F-16.
Винищувач F-15 з двигунами F100-PW-229.
Винищувач F-16 з двигуном F100-PW-229.
ТРДДФ АЛ-31Ф. Встановлюється на винищувач СУ-27.
Винищувач СУ-27УБ з двигунами АЛ-31Ф.
ТРДДФ РД-33. Встановлюється на літаки МІГ-29, МІГ-35.
Винищувач МІГ-29 з двигунами РД-33.
Однак правильніше буде сказати, що всі ці двигуни не ТРДД. а ТРДДФ. тобто двоконтурні турбореактивні двигуни з форсажем.
Справа в тому, що двоконтурний двигун досить ефективний (як в плані економії, так і в тяговому відношенні) саме на дозвукових швидкостях. Наприклад, ТРДД зі ступенем двоконтурного М = 1 має на зльоті (максимальний режим на малій швидкості) тягу на 25% вище, ніж ТРД з такою ж тягою на швидкості 1000 км / год.
Але з ростом швидкості польоту (понад 1000 км / ч) і наближенні її до сверхзвуков, тягова ефективність ТРДД відчутно падає, тому що швидкість виходу реактивного потоку з движка для польоту на таких швидкостях вже мала. Щоб цю швидкість збільшити проводиться додаткове підведення енергії до повітря другого контуру. Для цього якраз цілком підходить форсажна камера. Вона до того ж служить камерою змішання.
Справа в тому, що ТРДД можуть бути двох видів: зі змішанням потоків і без нього. Тобто потік другого контуру може з моменту поділу з потоком першого самостійно пройти до виходу з двигуна і покинути його через своє власне сопло. Це буде двигун без змішування потоків.
Але два потоки можуть і змішуватися. Відбувається це зазвичай в так званій камері змішання. І далі змішаний потік вже з загальними температурою і тиском залишає двигун через загальне сопло.
Це в цілому підвищує ефективність двоконтурного турбореактивного двигуна. У двигунах, призначених для надзвукових літаків (ТРДДФ. Ступінь двоконтурного менше 1)) роль камери змішання виконує форсажна камера. Конструкція її і принцип роботи такі ж, як і у простого ТРДФ.
Це поєднання функцій дуже зручно. Тому що, адже, треба розуміти, що додаткова камера змішання - це додаткові габарити і маса. Тому движки з великим ступенем двоконтурного (К> 4), зазвичай отже вже мають чималі габарити і масу :-), найчастіше виконуються без змішування потоків.
Але про це вже в іншій статті, тому що такі двигуни (зазвичай починаючи з ступеня двоконтурності два) вже виділяються в окремий вид, званий турбовентиляторні двигуни (ТВРД). Крім того існують ще й турбовинтовентиляторні двигуни (ТВВД). У них двоконтурний перевалює далеко за 20 і може досягати 90 і більше. І ті й інші движки особливі і тому розповідати про них теж будемо особливо :-).
На закінчення трохи зупинюся на моїй улюбленій темі про правильність понять. Справа в тому, що останнім часом часто все двоконтурні турбореактивні двигуни огульно називають турбовентиляторними. При цьому частина компресора низького тиску називають вентилятором. Я, звичайно, не можу вважати себе істиною в першій інстанції :-), але вважаю, що це некоректно.
Слово турбовентиляторний походить від англійського turbofan. Їм «у них» позначаються всі двоконтурні турбореактивні двигуни. Тут fan означає вентилятор. Таку назву носить та частина компресора низького тиску, яка жене повітря в другій контур.
Слово англійське і по-англійськи все, мабуть, нормально звучить :-). Але, вибачте, по-російськи не можу я назвати вентилятором ті 3-4 ступені компресора на вході в двигун з малим ступенем двоконтурного (працюють на другий контур), які і діаметр-то мають ледве відрізняється від діаметра інших ступенів компресора низького тиску (так і високого теж).
Двоконтурний турбореактивний двигун Д-18Т. Встановлюється на АН-124 і АН-225.
Інша справа, коли ступінь двоконтурного ого-го :-). Тоді зазвичай щабель одна і діаметр теж відповідний. Ось це так, це справжній вентилятор (як, наприклад, у двигуна Д-18Т). Тому (я думаю :-)) і прийнято було в нашій теорії двигунів (російської :-)) завжди називати турбовентиляторними двигуни, у яких До> 2. Якщо ж К<2, то это просто ТРДД или же ТРДДФ. Это двигатели для сверхзвуковых самолетов (военных) и K у них обычно даже меньше еденицы. Я считаю, что это правильно.
Транспортник АН-124. На ньому стоять двоконтурні двигуни Д-18Т.
Тим більше, що в зарубіжній авіації незважаючи на загальну назву turbofan для двоконтурних турбореактивних двигунів існує, однак, специфічне розподіл на: low bypass turbofan і high bypass turbofan. Вypass - це і є другий контур. А high bypass turbofan, відповідно, і є турбовентиляторні двигуни (K> 2) з високою витратою повітря в другому контурі (для пасажирських і транспортних літаків). Low bypass turbofan - двигуни для військових літаків з низьким ступенем двоконтурного. Тобто відповідність практично повне нашому поділу :-). На наведеній схемку це показано. Не став навіть нічого перекладати з англійської, отже все ясно :-). Двигуни там, до речі, зображені без змішування потоків.
ТРДД з низькою і високим ступенем двоконтурного.
Ось, мабуть, і все. На такий самоутверждающейся ноті і закінчимо сьогодні. Продовження, як то кажуть, слід ...
Добридень! Підкажіть, будь ласка, «чайнику». На одній з схем (картинок) ТРДД бачив наступну схему проходження повітря другого контуру через двигун: Вентилятор КНД-КВД-ресивер-поворот потоку на 180 градусів-камера згоряння-ТНД-твд- і через патрубки знову поворот на 180 градусів і вихід через сопло. Може бути, я щось не зрозумів або дійсно є такий двигун (ТРДД)?
Другий контур - це зовнішній контур, вільний від камери згоряння і турбіни. Перший - це «гаряче ядро». Можливо ви помилилися. У першому контурі можливі подібні звивини, як в деяких сучасних турбогвинтових і турбовальних двигунах, правда повороти потоку не яскраво виражені (близько 90 градусів) і зосереджені в районі камери згоряння. ТРДД з такими поворотами потоку я не знаю, думаю їх немає. Хотілося б побачити ту картинку, що бачили ви, можливо щось прояснилося б ...
У НК-32 (ту-22м3) витрата вище. Якщо чесно не пам'ятаю годинникової-мало прослужив на ньому. Але тяга вище по суті в 2 рази ніж на Ту-22.
Порівнювати потрібно питомі характеристики. У чистому вигляді це відношення тяги до витрати повітря через двигун плюс враховувати головне багаторежимна.