Турбина всему голова
Существующие сегодня реактивные двигатели уже не считаются экономичными и удобными для использования и обслуживания, и несколько мировых компаний уже приступили к разработке новых типов силовых установок. Они должны стать легче, экономичнее и мощнее существующих сегодня двигателей пассажирских лайнеров.
Фактически отцом современных двигателей, устанавливаемых на транспортные и пассажирские самолеты, является советский конструктор Архип Люлька. В 1941 году он получил патент на изобретение турбореактивного двухконтурного двигателя, однако из-за Великой Отечественной войны построить прототип установки не успел. Первый двигатель такого типа в 1943 году испытали в Германии. От обычных реактивных двигателей, разработка которых началась чуть раньше, новые силовые установки отличались течением воздушных потоков по двум контурам.
Внутренний контур состоит из зоны компрессоров, камеры сгорания, турбины (газогенератор) и сопла.
Турбина представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины реактивная струя попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть воздуха после вентилятора поступает в направляющий аппарат. Это такие вертикальные неподвижные лопатки. В этой части воздушный поток тормозится, из-за чего давление в нем повышается. После этого сжатый воздух сразу поступает в сопло и формирует остаток тяги.
Сегодня турбореактивные двухконтурные двигатели делят на два типа: с низкой и высокой степенью двухконтурности.
Степень двухконтурности — это отношение объема воздуха за момент времени проходящего через внешний контур, то есть, минуя камеру сгорания, к объему воздуха, проходящего через внутренний контур, то есть газогенератор. Двигатели со степенью двухконтурности меньше двух традиционно ставятся на боевые самолеты, поскольку имеют небольшие размеры и большую тягу. Но они же расходуют много топлива.
Если у силовой установки степень двухконтурности больше двух, его принято называть турбовентиляторным реактивным двигателем. В такой силовой установке большая часть воздуха в полете проходит по внешнему контуру. На современных двигателях от 70 до 85 процентов тяги формируется именно вентилятором, в то время как внутренний контур используется лишь для привода дополнительных агрегатов, типа генератора, а также самого вентилятора и компрессоров.
В турбовентиляторных двигателях коэффициент полезного действия зависит от величины степени двухконтурности. Но увеличение двухконтурности приводит и к увеличению размеров двигателя, его массы и аэродинамических характеристик (большой двигатель имеет большое лобовое сопротивление).
Турбовентиляторные двигатели в гражданской авиации используются на протяжении последних нескольких десятилетий и зарекомендовали себя как надежные, относительно дешевые и экономичные силовые установки. Эти показатели разработчики из года в год стараются снизить, применяя все новые технические решения вроде саблевидных лопаток вентилятора, позволяющих сильнее сжимать воздух в зоне входа в компрессорную часть. Но эти решения не дают существенной экономии в расходе топлива.
Американский двигатель CFM56, устанавливаемый на самолеты нескольких типов компаний Boeing и Airbus, имеет степень двухконтурности 5,5 и удельный расход топлива в крейсерском режиме 545 граммов на килограмм-силы в час. Для сравнения, двигатель АЛ-31Ф истребителей Су-27 имеет степень двухконтурности 0,57 и удельный расход топлива в крейсерском режиме в 750 граммов на килограмм-силы в час и 1900 граммов на килограмм-силы в час на форсаже.
Частичной экономичности новых турбовентиляторных двигателей конструкторы смогли добиться и за счет использования редуктора. Его установили между вентилятором и валом турбины, благодаря чему удалось избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Кроме того, вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Но для существенной экономии конструкторы, помимо прочего, стали думать в сторону турбореактивных двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности.
Ультравысокой, или сверхвысокой, степенью двухконтурности считается, когда объем воздуха проходящего за момент времени через внешний контур в двадцать и более раз больше объема воздуха, проходящего через внутренний контур. Так изобрели турбовинтовентиляторный реактивный двигатель. Он имеет два (иногда три) вентилятора, расположенных на одной оси и вращающихся в разные стороны. Лопатки таких вентиляторов имеют саблевидную форму, а сами роторы — изменяемый шаг.
Внешне турбовинтовентиляторные двигатели могут быть похожи на обычные турбовинтовые с воздушными винтами. Однако в новых силовых установках диаметр вентиляторов в среднем на 40 процентов меньше обычных воздушных винтов, а воздушный поток за лопатками вентилятора сжимается по разному. Например, в зоне воздухозаборника компрессорной части он, как и у турбовентиляторных двигателей, имеет б
Одним из примеров турбовинтовентиляторных двигателей является российский НК-93. Иногда его называют турбовинтовентиляторным реактивным двигателем с закапотированным ротором, или винтовентилятором. В нем винтовентилятор вместе с небольшим по длине внешним контуром забран в капот, специальную конструкцию, защищающую лопатки и упорядочивающую воздушный поток в полете. Такой двигатель примерно на 40 процентов экономичнее сопоставимого по мощности Д-30КП транспортного самолета Ил-76.
Сегодня разработка НК-93 приостановлена. Проект официально не закрыт, но будет ли он когда-либо завершен, не ясно.
По разным данным, удельный расход топлива двигателем НК-93 в крейсерском режиме полета составил бы от 370 до 440 граммов на килограмм-силы в час. При этом до 87 процентов тяги будут формироваться именно винто-вентилятором. В третьей серии двигателей Д-30КУ-154 для Ил-76 удельный расход топлива удалось снизить до 482 граммов на килограмм-силы в час.
Тяга НК-93, по предварительным расчетам, должна была составить около 18 тысяч килограммов-силы. Для сравнения, тот же Д-30КУ-154 способен выдавать тягу в 10,8 тысячи килограммов-силы. Отчасти неудачи проекта НК-93 объясняются недофинансированием проекта, а также не совсем удачными испытаниями опытной модели, некоторые показатели которой оказались несколько выше расчетных. Кроме того, несмотря на свою эффективность и экономичность, НК-93 является двигателем очень крупным.
Между тем, в 2000-х годах Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» разработало двигатель Д-27. Он относится к турбовинтовентиляторным реактивным двигателям с открытым винтовентилятором.
Сегодня он является единственной в мире силовой установкой такого типа, выпускаемой серийно. Д-27 используется на перспективном украинском военно-транспортном самолете Ан-70. В этом двигателе поток воздуха создаётся двумя соосными многолопастными саблевидными винтами.
Тяга двигателя Д-27 составляет 13,1 тысячи килограммов силы, а удельный расход топлива в крейсерском режиме — около 140 граммов на килограмм-силы в час. Турбовинтовентиляторные двигатели с открытым ротором могут иметь немного различную конструкцию. Как правило, в них предусмотрено использование редуктора для привода винтовентилятора турбиной. Украинский двигатель в своей конструкции редуктор использует. Этот узел позволяет выставить оптимальные обороты для турбины и оппозитно-вращающихся роторов.
В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее.
Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.
Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров.
Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.
Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.
Дело в том, что эффективность двигателя, в общих чертах, зависит от шага винта и скорости вращения. Чем эти показатели выше, тем быстрее полетит самолет. Однако при определенной скорости вращения вала наступает момент, когда скорость обтекания воздушным потоком законцовок лопастей приближается к сверхзвуковой. Из-за этого весь винт теряет эффективность. Изогнутая форма позволяет снизить частоту вращения вала и несколько уменьшить шаг винта, не потеряв в эффективности.
Разработчики рассчитывают, что новые турбовинтовентиляторные реактивные двигатели с открытым ротором будут в целом тише современных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей. Этого можно достичь за счет сдвига шума в более высокочастотную область, а высокочастотный шум, как известно, существенно более сильно спадает с увеличением расстояния до наблюдателя.
С каждым годом проектирование новых авиационных двигателей становится все более сложным. Времена, когда за счет использования нового принципа сжигания топлива или введения дополнительного воздушного контура можно было существенно повысить эффективность и экономичность конструкции, прошли. Теперь конструкторам уже приходится решать множество тесно связанных друг с другом задач и искать новые материалы для производства различных деталей двигателей.
Василий Сычёв
Винтовентиляторный авиационный двигатель
Винтовентиляторный авиационный двигатель содержит турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин.
В компрессор встроен электрогенератор. На входе в компрессор установлен биротативный электродвигатель, два вала которого соединены с передним и задним винтовентилятором. Электрогенератор соединен с биротативным электродвигателем посредством силового кабеля. В линии силового кабеля установлен электронный регулятор. Винтовентиляторы размещены внутри обтекателя. Изобретение направлено на повышение КПД и надежности авиационного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям.
Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель — ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД — около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Недостатком этого двигателя является низкий КПД силовой установки.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ №2252316, который содержит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель), встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.
Недостаток — низкая мощность электрогенератора и электродвигателя из-за их расположения на небольшом диаметре.
Известен газотурбинный двигатель по патенту Великобритании №1341241, который содеожит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель), встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.
е. на малом диаметре.
Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того, возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя в зоне высоких температур, которая достигает для современных ГТД 1500°С. Большой электрический ток дополнительно нагревает обмотки электрогенератора и электродвигателя и делает проблему их охлаждения практически не разрешимой при расположении обмоток в зоне высоких температур. Такая конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета. Кроме того, газотурбинный двигатель имеет низкий КПД (экономичность), и для его запуска требуется большая мощность стартера из-за инерционности его роторов.
Задачи создания изобретения: повышение мощности электрических машин, экономичности и надежности турбовинтового газотурбинного двигателя.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что винтовентилятор авиационного двигателя, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовьм трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, при этом в компрессор встроен электрогенератор, на входе в компрессор установлен биротативный электродвигатель, два вала которого соединены с передним и задним соосными винтовентиляторами, электрогенератор соединен с биротативным электродвигателем посредством силового кабеля. В линии силового кабеля установлен электронный регулятор. Винтовентиляторы могут быть размещены внутри обтекателя.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.
1 приведена схема винтовентиляторного авиационного двигателя,
на фиг.2 приведена схема подключения и схема охлаждения обмоток электрогенератора и электродвигателя,
на фиг.3 приведена схема биротативного электродвигателя.
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит турбокомпрессор 1, содержащий компрессор 2, камеру сгорания 3 и турбину 4 и выхлопное устройство 5. Винтовентиляторный авиационный двигатель содержит две электрические машины, одна из них встроена в турбокомпрессор 1, а именно в компрессор 2 встроен электрогенератор 6. Ротор компрессора 2 и турбины 4 соединены валом турбогенератора 7.
Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 8, подключенным ко входу в топливный насос 9, имеющий привод 10, топливопровод высокого давления 11, вход которого соединен с топливным насосом 9, а выход соединен с кольцевым коллектором 12, кольцевой коллектор 12 соединен с форсунками 13 камеры сгорания 3.
Компрессор 2 содержит статор 14 и ротор 15.
Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки 17 и рабочие лопатки 18.
Турбина 4 содержит статор 19 и ротор 20, который кинематически связан с валом 7 турбокомпрессора 1 и ротором 15 компрессора 2. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты 21 и рабочие лопатки 22 (количество ступеней свободной турбины может быть от одной до нескольких). Далее находятся опора турбины 23 и выхлопное устройство 5.
Электрогенератор 6 содержит статорные обмотки 24, выполненные на статоре 14, и систему постоянных магнитов 25, установленную на рабочих лопатках 18.
Статорные обмотки 24 заключены в кожух 26 компрессора (фиг.2). К внутренним полостям 27 кожуха 26 подключена система охлаждения 28, соединенная с внутренней полостью 29 турбокомпрессора 1. В системе охлаждения 28 установлен клапан 30. К полости 29 подсоединен трубопровод сброса охлаждающего воздуха 31 (фиг.2).
Перед турбокомпрессором установлен биротативный электродвигатель 32, к которому подсоединены два соосных воздушных винта: передний винтовентилятор 33 и задний винтовентилятор 34.
Винтовентилятор — устройство для нагнетания (сжатия) воздуха, занимает промежуточное положение между воздушным винтом и вентилятором. Применительно к авиационным двигателям винтом считается устройство, имеющее от 2-х до 4-х лопастей. Вентилятор имеет значительное число лопаток (от 14 до 50 и более), т.е. он практически не отличается от осевого компрессора. Винтовентилятор имеет от 5 до 13 лопаток. Применение воздушного винта позволяет создать авиационный двигатель, имеющий высокую экономичность, но из-за большого диаметра имеет ограничения по скорости полета и создает большой уровень шума. Двухконтурный двигатель с вентилятором позволяет спроектировать ГТД для полетов на сверхзвуковых скоростях, но значительно уступает по экономичности двигателям, имеющим воздушные винты, например турбовинтовым газотурбинным двигателям. Применение винтовентиляторов является новейшим направлением в авиадвигателестроении и позволит объединить положительные свойства двух типов авиационных двигателей, описанных выше, и устранить все недостатки.
Биротативный электродвигатель 32 кабелем 35 соединен с электрогенератором 6. В линии кабеля 35 может быть установлен электронный регулятор 36.
Биротативный электродвигатель 32 (фиг.3) содержит внутренний ротор 37 с внутренним валом 38 и постоянными магнитами 39, внешний ротор 40 с внешним валом 41, с обмотками 42 и статор 43. Для подвода электроэнергии служит коллектор 44.
Винтовентиляторы 33 и 34 могут быть установлены внутри обтекателя 45. Это позволит устранить радиальное перетекание воздуха и увеличить КПД двигателя. Кроме того, обтекатель снижает шум двигателя.
Электронный регулятор 36 предназначен для того, чтобы регулировать силу тока, отключать ток и изменять его полярность для реверсирования воздушных винтовентиляторов 33 и 34.
При работе винтовентиляторного авиационного двигателя осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на биротативный электродвигатель 32 от внешнего источника энергии (не показано). Потом включают привод 10 топливного насоса, и топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания 3, точнее в форсунки 13, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (не показан).
Турбина 4 раскручивается и электрогенератор 6 вырабатывает электрический ток, который по силовому кабелю 35 подается на биротативный электродвигатель 32. Биротативный электродвигатель 32 в дальнейшем приводит в действие воздушные винтовентиляторы 33 и 34, а внешний источник тока отключается.
При останове винтовентиляторного авиационного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности. Так как роторы биротативного электродвигателя 32 имеют рабочие обороты, в несколько раз меньшие, чем вал 7 турбокомпрессора 1, то отпадает необходимость в применении тяжелого и дорогостоящего редуктора, который применяется, например, на двигателе НК 12 MB. Воздушные винтовентиляторы 33 и 34 вращаются в противоположные стороны с одинаковыми частотами вращения.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить мощность электрических машин: электрогенератора за счет его расположения на максимально возможном диаметре и его охлаждения, электродвигателя за счет его выполнения биротативным и охлаждения набегающим потоком воздуха на входе в двигатель.
2. Повысить КПД винтовентиляторного авиационного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия двух соосных воздушных винтов, дающих дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и воздушными винтами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, воздушные винты и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу.
3. Улучшить надежность винтовентиляторного авиационного двигателя за счет размещения катушек электрического генератора вне двигателя в зоне низких температур на компрессоре, предпочтительно ближе к его входу.
4. Обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора компрессора, без раскручивания винтовентиляторов.
5. Облегчить условия работы воздушных винтов за счет отсутствия механической связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и работы при различающихся в несколько раз частотах вращения.
6. Уменьшить вес и габариты двигателя за счет отсутствия редуктора между компрессором и винтовентиляторами.
7. Управлять режимом работы винтовентиляторов, в том числе отключать и реверсировать электронным регулятором.
1. Винтовентиляторный авиационный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, при этом в компрессор встроен электрогенератор, на входе в компрессор установлен биротативный электродвигатель, два вала которого соединены с передним и задним винтовентилятором, электрогенератор соединен с биротативным электродвигателем посредством силового кабеля.
2. Винтовентиляторный авиационный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в линии силового кабеля установлен электронный регулятор.
3. Винтовентиляторный авиационный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что винтовентиляторы размещены внутри обтекателя.
Как работает турбокомпрессор | Boldmethod
Википедия/НАСА
У полетов на большой высоте есть несколько преимуществ, таких как уменьшение лобового сопротивления, более высокая истинная воздушная скорость и, если вас укажут в правильном направлении, более сильный попутный ветер.
Но у безнаддувных двигателей есть один существенный недостаток: нехватка кислорода.
Проблема высокогорья
По мере увеличения высоты атмосферное давление уменьшается, и снижается быстро. На самом деле, , если вы летите на высоте 18 000 футов, 50% атмосферы находится под вами. Это означает, что вашему двигателю нужно сжигать меньше воздуха, и намного меньше лошадиных сил, выходящих из передней части вашего самолета.
Решение проблемы разреженного воздуха
Турбокомпрессоры решают проблему разреженного воздуха в поршневых двигателях, сжимая всасываемый воздух до того, как он достигнет цилиндра. Сжимая воздух, ваш двигатель может работать так, как будто он находится на уровне моря или ниже, даже если он работает на эшелонах полета.
Как работает турбокомпрессор
Турбокомпрессоры состоят из трех основных компонентов:
- Турбина
- Компрессор
- Вал, соединяющий их вместе
Турбина
Все начинается с турбины, которая приводится в движение (вращается) выхлопными газами, выходящими из вашего двигателя.
Когда выхлоп выходит через выпускной коллектор, он проходит над турбиной и раскручивает ее. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее вращается турбина. Примерно так это и работает, по крайней мере, на данный момент.
Вал
Вал соединяет турбину и компрессор, поэтому, когда турбина начинает вращаться при запуске двигателя, компрессор тоже начинает вращаться.
Компрессор
Компрессор отвечает за всасывание воздуха снаружи самолета, его сжатие и последующую подачу в двигатель. Как вы уже читали, компрессор крутится, потому что он соединен с турбиной через вал.
Теперь, когда вы знакомы с основами турбокомпрессора, осталось еще кое-что рассказать.
Выброс воздуха через перепускной клапан
Турбокомпрессоры хорошо повышают давление воздуха во впускном коллекторе вашего двигателя, известное как давление в коллекторе . Но иногда они слишком хороши. Турбокомпрессоры способны создавать слишком большое давление в коллекторе, что может повредить или разрушить ваш двигатель.
Так как же турбонагнетатели предотвращают попадание слишком большого количества воздуха в двигатель? С чем-то под названием вестгейт .
Некоторые вестгейты автоматические, а другие управляются вручную пилотом, но теория всегда одна и та же. Вестгейт открывается и закрывается, чтобы регулировать количество выхлопных газов, проходящих через турбину, и предотвращает слишком быстрое вращение турбины. Чем быстрее вращается турбина, тем быстрее вращается компрессор, а это означает, что в двигатель поступает больше воздуха.
Сколько воздуха может выдержать ваш двигатель?
Итак, сколько воздуха действительно может выдержать ваш двигатель? Это зависит от двигателя, но есть два основных типа турбонаддува: высотный турбонаддув и наземный наддув.
Высота над уровнем моря
Высотный турбонаддув, который иногда называют «нормализацией», позволяет вашему двигателю работать так, как будто он находится на уровне моря, как можно дольше.
Это зависит от двигателя, но большинство высотных турбокомпрессоров поддерживают давление в коллекторе в пределах 29-30 дюймов ртутного столба (давление на уровне моря) по мере набора высоты.
Но, в конце концов, по мере увеличения высоты ваш турбонагнетатель не может сжимать достаточно воздуха, чтобы поддерживать давление в коллекторе на уровне моря. Это называется критическая высота , и это самая высокая высота, на которой ваш двигатель может развивать максимальную мощность, на которую он рассчитан (мощность двигателя оценивается на уровне моря).
С этого момента, чем выше вы поднимаетесь, тем меньше воздуха поступает в ваш двигатель. Это означает, что вы будете производить меньше лошадиных сил. Но он все же намного эффективнее, чем обычный атмосферный двигатель.
Наземное ускорение
Наземный наддув аналогичен высотному турбонаддуву, но требует большего давления. Системы с наддувом обычно работают при давлении в коллекторе от 31 до 45 дюймов ртутного столба, что намного больше, чем у высотных турбокомпрессоров.
Идея проста: больше давления = больше воздуха, поступающего в двигатель = больше мощности.
Но недостаток большой: много тепла .
Boldmethod
Турбокомпрессоры и их тепловые проблемы
Когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Это один из самых больших недостатков любого турбокомпрессора. Авиадвигатели и так работают при высоких температурах, а горячий всасываемый воздух усугубляет их. Чтобы решить эту проблему, многие турбокомпрессоры используют нечто, называемое промежуточным охладителем .
Интеркулер — это, по сути, мини-кондиционер, который размещается между турбокомпрессором и двигателем. По мере того, как горячий воздух движется от турбины к двигателю, он проходит через интеркулер, и температура значительно падает. Этот более холодный воздух делает ваш двигатель намного счастливее и поддерживает его плавную работу.
Википедия
Преимущество на большой высоте
Турбокомпрессоры являются ключом к полетам на большой высоте в самолетах с поршневым двигателем.
Хотя они усложняют двигательную систему, они — единственное, что может поднять поршневой самолет до эшелонов полета при сильном попутном ветре, более высокой истинной воздушной скорости и таких видах:
Boldmethod
лучший пилот.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые помогут вам стать более умным и безопасным пилотом.
Зарегистрироваться >
НАЗВАНИЕ
- Тег
- Автор
- Дата
Турбокомпрессоры — AOPA
Улучшенные характеристики двигателя на высоте
C. Hall «Skip» Jones
Двигатель Apiston развивает максимальную мощность, когда вдыхает воздух с давлением на уровне моря.
Поскольку давление и плотность воздуха уменьшаются с высотой, двигатель становится все более задыхающимся по мере набора высоты. В результате его мощность снижается. Турбокомпрессоры с выхлопными газами решают эту проблему, поскольку они сжимают разреженный воздух, восстанавливая его плотность, до того, как двигатель вдыхает его.
Большинство поршневых самолетов, предназначенных для полетов на большой высоте, имеют турбокомпрессор. Некоторые самолеты, такие как одномоторный Piper Malibu/Mirage, имеют два турбонагнетателя, по одному на каждый ряд из трех цилиндров. Турбокомпрессоры также могут подавать сжатый воздух в салон. Это метод, используемый для наддува самолетов с поршневыми двигателями.
Критическая высота
Турбокомпрессоры увеличивают критическую высоту поршневого двигателя, то есть максимальную высоту, на которой двигатель может поддерживать полную номинальную мощность. Поскольку максимальная мощность двигателя без наддува (без турбонаддува) достигается в стандартных условиях на уровне моря, уровень моря является критической высотой для этого двигателя.
Однако, поскольку большинство аэропортов находится над уровнем моря, двигатели без наддува, на которые приходится подавляющее большинство поршневых авиационных двигателей, в том числе почти на всех учебных самолетах, не развивают полную номинальную мощность на взлете. Вот почему диаграммы характеристик самолетов содержат данные о характеристиках для различных барометрических высот.
Турбокомпрессор сжимает всасываемый двигателем воздух для поддержания давления во взлетном коллекторе на уровне моря и полной номинальной мощности вплоть до критической высоты двигателя. Эта высота зависит от конкретной установки двигателя/турбокомпрессора. Но когда самолет поднимается выше критической высоты, давление в коллекторе и результирующая мощность уменьшаются, как это происходит с двигателем без наддува при наборе высоты от уровня моря.
Ручное давление
Турбокомпрессор состоит из круглого корпуса, в котором находится небольшое турбинное колесо, соединенное валом с небольшим рабочим колесом.
(Турбина и крыльчатка представляют собой миниатюрные версии турбины и колес компрессора, которые составляют основные компоненты реактивного двигателя.) Выхлоп двигателя направляется непосредственно в турбонагнетатель, где он вращает турбину. Турбина приводит в движение рабочее колесо, которое сжимает (нагнетает) всасываемый двигателем воздух, прежде чем он попадет во впускной коллектор двигателя. Чем быстрее вращается турбина, тем больше она сжимает всасываемый воздух и тем выше возможное давление в коллекторе.
Выхлопные газы раскручивают турбину так же, как ручей или ручей вращают водяное колесо. Скорость вращения турбины (об/мин) зависит от количества выхлопных газов, проходящих через нее. В простейших системах пилот регулирует количество выхлопных газов, проходящих через турбину, поворачивая отдельную ручку управления в кабине, которая, в свою очередь, регулирует клапан, обычно называемый вестгейтом. Вестгейт расположен перед турбиной (между выпускным коллектором двигателя и турбокомпрессором) и регулирует количество выхлопных газов, поступающих на турбину.
Когда пилот закрывает вестгейт, к турбине поступает больше выхлопных газов, и турбина вращается быстрее.
Крыльчатка турбонагнетателя обычно вращается с той же скоростью, что и турбина. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем больше давление всасываемого двигателем воздуха и, следовательно, выше мощность двигателя. Таким образом, существует прямая зависимость между объемом выхлопных газов, поступающих на турбокомпрессор, и выходной мощностью двигателя.
Сегодня не так много самолетов с турбонаддувом и ручными вестгейтами. Обычно они встречаются на самолетах без наддува, оснащенных турбокомпрессором. Такой самолет, вероятно, будет иметь отдельные органы управления дроссельной заслонкой, частотой вращения винта, смесью и турбокомпрессором.
Управляя самолетом с ручным вестгейтом, вы должны понимать систему и уделять особое внимание манометру коллектора. Если вы закроете вестгейт и таким образом повысите давление на впуске при взлете в аэропорту с низкой высотой, вы можете легко превысить допустимое давление в коллекторе и повредить двигатель.
Точно так же, если вы работали на большой высоте с полностью закрытым вестгейтом, но забыли открыть его при спуске, повышение давления окружающего воздуха приведет к чрезмерному наддуву.
Автоматическое давление
Возможность чрезмерного наддува двигателя с турбонаддувом значительно снижается, когда вестгейт работает автоматически, а не через панель управления. Обычно эта система находится в двигателе с турбонаддувом, установленном на заводе.
Автоматический перепускной клапан управляется давлением моторного масла и контроллером абсолютного давления (APC). APC — это устройство, которое измеряет давление воздуха, нагнетаемого компрессором турбонагнетателя, и использует эти показания для управления давлением масла на перепускной клапан. Пружина пытается держать вестгейт открытым, тем самым сбрасывая давление на впуске, в то время как APC использует давление масла, чтобы попытаться закрыть его, увеличивая давление на впуске.
Когда двигатель работает на холостом ходу, давление нагнетания компрессора турбонагнетателя — известное как давление на верхней палубе — низкое, и пружина способна удерживать вестгейт открытым.
Когда вы увеличиваете дроссельную заслонку, давление на верхней палубе увеличивается, и APC перекачивает больше масла в контроллер вестгейта, чтобы перегрузить пружину и закрыть вестгейт. Это увеличивает давление в коллекторе до желаемой степени, исходя из манометра в кабине. При взлете APC автоматически ограничивает максимальное давление в коллекторе, чтобы предотвратить избыточное давление наддува. В качестве резерва система имеет клапан сброса давления, который открывается при заданном давлении, чтобы предотвратить чрезмерный наддув двигателя.
Давление на верхней палубе снижается по мере набора высоты из-за снижения давления окружающего воздуха. APC ощущает постепенное падение давления и компенсирует это, постепенно закрывая вестгейт, чтобы поддерживать давление в коллекторе, соответствующее выбранной вами мощности набора высоты. В конце концов самолет набирает высоту, при которой перепускная заслонка полностью закрыта, а турбокомпрессор не может поддерживать максимальное давление в коллекторе.
Это критическая высота двигателя. Если самолет поднимется выше этой высоты, давление в коллекторе уменьшится, как и в двигателе без наддува.
В дополнение к APC некоторые системы турбокомпрессора также включают регулятор перепада давления (иногда называемый регулятором отношения). Он измеряет давление как на верхней палубе, так и в коллекторе и ограничивает разницу между двумя давлениями до заданного максимума. Контроллер перепада давления устраняет состояние, называемое «самозагрузкой». Это может произойти, когда давление в коллекторе колеблется вверх и вниз или колеблется, вызывая соответствующий дрейф давления выхлопных газов, который вызывает дрейф скорости турбины турбонагнетателя и крыльчатки, что вызывает дрейф давления в коллекторе и т. д. Хотя это не вредно для двигатель, самозагрузка (или колебания мощности) могут раздражать пилотов и пассажиров.
Работа с турбонаддувом
Если вы летите на двигателе с турбонаддувом, вам необходимо знать, как работает система, и знать несколько важных приемов эксплуатации.
Поскольку давление масла закрывает вестгейт, вы должны дать двигателю и маслу время полностью прогреться перед взлетом. Если давление масла низкое или масло холодное и вялое, перепускная заслонка может медленно закрываться, что означает, что двигатель не будет развивать полную номинальную мощность во время взлета и набора высоты.
Кроме того, моторное масло смазывает турбокомпрессор, который может вращаться со скоростью более 30 000 об/мин на взлетной мощности. При нормальной работе через подшипники турбокомпрессора каждую минуту проходит несколько галлонов масла. Холодное масло не течет должным образом. Если вы применяете настройки высокой мощности до того, как масло нагреется до нужной температуры, масло может недостаточно смазывать турбонагнетатель.
Мощность должна подаваться плавно и относительно медленно. Если дроссельная заслонка быстро прижимается к брандмауэру на взлете, механизмы управления турбокомпрессором могут не успеть нормально функционировать, вызывая помпаж двигателя и, возможно, чрезмерный наддув.
Для двигателей с турбонаддувом обычно требуется бензин с октановым числом 100 из-за высокого давления в цилиндрах. Использование топлива с более низким октановым числом может привести к детонации, которая вызывает большую озабоченность в двигателе с турбонаддувом, чем в двигателе с более низкой степенью сжатия без наддува.
Двигатели с турбонаддувом обычно нагреваются сильнее, чем двигатели без наддува, потому что сжатие всасываемого воздуха также нагревает его. Экстремальная жара очень вредна для авиационного двигателя с воздушным охлаждением, поэтому самолеты с турбонаддувом оснащены датчиками температуры головки блока цилиндров и температуры выхлопных газов. У некоторых также есть датчик температуры на входе в турбину. Важно внимательно следить за этими температурами.
Смесь важна при работе двигателя с турбонаддувом. При обеднении смеси температура на входе в головку блока цилиндров и турбину турбонагнетателя значительно и быстро повышается. Справочник пилота по эксплуатации самолета (POH) рекомендует правильную процедуру обеднения и дает максимальные температуры головки блока цилиндров и турбины на входе.
Производители, как правило, не рекомендуют работать на обедненной смеси, когда мощность двигателя превышает 75 процентов.
Вам также следует подумать о тепловом ударе или шоковом охлаждении. Самолеты с турбонаддувом летают на больших высотах, где температура окружающей среды может быть на 100 градусов ниже температуры поверхности. Если вы резко уменьшите мощность на высоте, двигатель может остыть так быстро, что цилиндры деформируются. Деформированные цилиндры вызывают низкую компрессию и высокий расход масла, что требует капитального ремонта или замены. Вы можете избежать этой проблемы, постепенно уменьшая мощность, что позволяет двигателю охлаждаться более постепенно.
Кроме того, вы должны дать турбонагнетателю время медленно остыть после приземления. Помните, что турбина турбонагнетателя и рабочие колеса быстро вращаются и смазываются моторным маслом. Если вы заглушите двигатель, что приведет к прекращению подачи смазочного масла до того, как турбокомпрессор успеет замедлиться и остыть, результатом может стать преждевременный выход из строя подшипника.