Žmogaus svajonė užkariauti dangų, iliustruojama net mitu apie Ikarą, vedė prie technologinių inovacijų, tarp kurių svarbiausias yra reaktyvinis variklis. Nors pirmieji orlaiviai, tokie kaip prancūzo Clément Aderio garu varomas „Éole“ (1890 m.) ir brolių Wrightų „Flyer“ (1903 m.), naudojo propelerius, šios technologijos apribojimai paskatino inžinierius ieškoti alternatyvų. Reaktyvinių variklių kūrimo darbai prasidėjo XX a. pradžioje, o pirmasis reaktyvinis lėktuvas - „Messerschmitt Me 262“ - pradėtas eksploatuoti 1944 m. Šiandien reaktyviniais varikliais varoma dauguma civilinių ir karinių orlaivių, pasižyminčių greičiu, galia ir efektyvumu.
Turboreaktyvinių variklių veikimo pagrindai
Reaktyvinių variklių veikimo pagrindas yra XVII a. suformuluotas trečiasis Niutono dėsnis: kai lėktuvas dideliu greičiu išmetinėja dujas atgal, jos sukelia reakcijos jėgą (trauką), kuri varo lėktuvą į priekį. Pirmasis reaktyvinis variklis, arba turboreaktyvinis variklis, buvo sukurtas vokiečių 1939 m.
Veikimo principas
Dujų turbinų variklių veikimo principas yra paprastas: degimo kameroje užsidega kuras, nuo susidariusio slėgio dujos išstumiamos į turbinos mentes, ir turbina sukasi. Tame pačiame velene su turbina yra kompresoriaus mentės, kurios, varomos turbinos, pumpuoja orą į degimo kamerą. Suslėgtas oras patenka į degimo kamerą, kur sumaišomas su parafinu ir uždegamas. Iš kompresoriaus išeinančios dujos varo turbiną, esančią toje pačioje ašyje kaip ir kompresorius.
Iš pradžių (dar 1731 m.) dujų turbinų kūrimą užtemdė efektyvesnių garo turbinų sėkmė. Tačiau XX a. trečiajame dešimtmetyje rumunas Henri Coandă ir prancūzas Maxime’as Guillaume’as savo darbais atgaivino susidomėjimą reaktyvine jėgaine. 1937 m. Frank Whittle sukūrė naujovišką turboreaktyvinį variklį, kuriame vietoj stūmoklinio variklio orui suslėgti, įrengė turbiną, panaudojančią išmetamųjų dujų energiją kompresoriui varyti. Beveik tuo pat metu vokietis Hansas von Ohainas sukūrė panašų variklį bendrovei „Heinkel“, ir 1939 m. „Heinkel He-178“ tapo pirmuoju pasaulyje reaktyviniu lėktuvu.
Turbokompresoriaus sandara ir veikimas
Turbokompresorius yra kompresorius (arba oro siurblys), kuris veikia nuo turbinos. Turbina sukasi naudodama panaudotų dujų srovės energiją. Dyzelinio variklio turbokompresorius gali suktis nuo 1000 iki 130 000 aps./min. Turbina tiesiogiai jungiama su kompresoriumi tvirta ašimi. Kompresorius įtraukia per oro filtrą šviežio oro, suspaudžia jį ir suspaustą išleidžia į variklio įleidžiamąjį kolektorių. Teoriškai egzistuoja turbinos ir turbokompresoriaus kompresoriaus galingumų pusiausvyra: kuo daugiau energijos turi panaudotos dujos, tuo greičiau suksis turbina.
Turbinos komponentai ir veikimo ypatumai
- Korpusas ir rotorius: Turbiną sudaro korpusas ir rotorius. Panaudotos dujos iš išleidžiamojo variklio kolektoriaus patenka į priimamąjį turbokompresoriaus atvamzdį.
- Sukimosi greitis: Turbinos sukimosi greitis priklauso nuo jos korpuse esančio kanalo dydžio ir formos, panašiai kaip vandens srovė iš laistymo žarnos - kuo siauresnė anga, tuo toliau trykšta vanduo.
- Korpuso tipai: Turbinų korpusai smarkiai skiriasi priklausomai nuo naudojimo srities. Esant impulsinio dujų srovės judėjimo tipo korpusui, galimi rezonansiniai reiškiniai. Turbinos korpuse, turinčiame dvigubą kanalą, kiekviena srovė paskirstoma visame turbinos rotoriaus paviršiuje. Sistemoje su nuolatiniu slėgiu naudojama tik slenkamojo judėjimo panaudotų dujų energija, šiuo atveju naudojami tik turbinų korpusai su vienu kanalu.
- Papildomas žiedas: Didelių matmenų turbokompresoriuose dažnai įmontuojamas papildomas žiedas su nukreipiamosiomis mentėmis, kuris palengvina nuolatinės panaudotų dujų srovės sukūrimą turbinos rotoriuje ir leidžia reguliuoti srovę.
- Medžiagos: Turbinos korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio, o turbinos rotorius taip pat gaminamas iš aukštos kokybės, aukštai temperatūrai atsparių medžiagų.
Ašies ir rotoriaus jungtis
Turbinos rotorius stipriai pritvirtinamas prie ašies. Ašies medžiaga skiriasi nuo rotoriaus medžiagos. Ši jungtis sumontuojama taip, kad ašis ir rotorius, besisukantys skirtingomis kryptimis labai dideliu greičiu, spaudžia vienas kitą. Dėl trinties išsiskirianti šiluma sulieja juos vieną su kitu, suformuodama neišardomą vienetą. Ašis sujungimo vietoje yra tuščiavidurė, kas apsunkina šilumos perdavimą iš turbinos rotoriaus į jos ašį. Iš turbinos pusės ašyje yra įdubis su sandarinimo žiedu.
Kompresoriaus komponentai ir veikimas
Prie plonesnio ašies galo montuojamas kompresoriaus rotorius; ten yra sriegis, ant kurio užsukama apsauginė veržlė rotoriui pritvirtinti. Kompresorių sudaro korpusas ir rotorius. Kompresoriaus dydį nulemia varikliui reikalingo oro kiekis ir turbinos sukimosi greitis. Kompresoriaus rotorius stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies, taigi sukasi tokiu pat greičiu kaip ir turbinos rotorius. Taip įsiurbiamas oras nukreipiamas į rotoriaus periferiją ir menčių nubloškiamas link kompresoriaus korpuso sienelės. Dėl to oras suslegiamas ir per įleidžiamąjį kolektorių patenka į variklį.
Kaip veikia reaktyviniai varikliai
Sutepimo ir sandarinimo sistema
Turbokompresorius sutepamas nuo variklio sutepimo sistemos. Ašies korpusas yra centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose. Motorinė alyva kanalais nuteka tarp korpuso ir guolių, taip pat tarp guolių ir ašies. Naujesnėse konstrukcijose guolis nejuda, o ašis sukasi alyvos vonelėje.
Sandarinimas
Kompresorius sandarinamas iš abiejų pusių įmontuojant alyvą sulaikančias tarpines. Iš abiejų pusių įmontuojami ir sandarinimo žiedai. Nors šie žiedai padeda išvengti alyvos nuotėkio, jie nėra tradicinės sandarinimo tarpinės. Juos reikia laikyti elementu, apsunkinančiu oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso. Įprastu turbokompresoriaus darbo režimu turbinoje ir kompresoriuje slėgis didesnis nei ašies korpuse.
Visi alyvos sandarikliai yra dinaminio tipo. Iš turbinos pusės sandarinimo žiedai išdėstyti grioveliuose (tiek ašies korpuse, tiek ir ant pačios ašies). Tokiu pat principu žiedai sumontuoti ir iš kompresoriaus pusės. Sandarinimo žiedai atlieka svarbiausią vaidmenį užtikrinant hermetiškumą ir sukasi tokiu pat greičiu kaip ir ašis.
Alyvos nuotėkio prevencija
Slėgis kompresoriuje ir turbinoje išstumia alyvą į korpusą. Dėl išcentrinės jėgos už kompresoriaus rotoriaus susidaro vakuumas. Dirbant kompresoriui, galimas alyvos nuotėkis iš ašies korpuso į kompresorių. Kai variklis dirba mažomis apsukomis arba be apkrovos, už rotoriaus susidaro mažesnio slėgio zona. Alyva, tekanti nuo sandarinimo žiedų, nuteka vidine plokštelės puse žemyn, link angos alyvai nutekėti. Jei kompresoriuje susidarytų vakuumas, dujos įsiurbiamos lengviau nei gerokai sunkesnė alyva.
Iš turbinos pusės alyvos nukreipimo problema ne tokia svarbi, turint omenyje, kad normaliomis sąlygomis slėgis turbinoje visada didesnis negu ašies korpuse. Bet kokioje ašies korpuso konstrukcijoje numatyta šilumos mainų sumažinimo būtinybė tarp turbinos su sandarinimo žiedais ir kompresoriaus. Šiuo tikslu iš turbinos pusės įmontuojama termoizoliacinė plokštelė, o ašies korpuse yra daugybė elementų šilumos mainams.
Turboreaktyvinių variklių tipai
- Išcentriniai kompresoriniai turboreaktyviniai varikliai: Šie varikliai yra paprasti gaminti ir tvirti. Tačiau jiems reikalingas didelio skersmens variklis, todėl sumažėja galutinis orlaivio greitis.
- Ašiniai kompresoriniai turboreaktyviniai varikliai: Šie varikliai yra galingesni, nes juose orą suspaudžia keli sraigtai. Tačiau jiems reikia pažangesnių medžiagų.
- Turbokompresoriniai varikliai: Juose priešais kompresorių yra ventiliatorius. Pirminis srautas, patenkantis į degimo kamerą, yra karšto oro srautas. Išėjime šaltas oras susimaišo su karštu oru, todėl jis atvėsta.
- Turboreaktyviniai varikliai su papildomu degimu: Jų trauka didesnė, nes degalai pakartotinai įpurškiami į degimo kamerą (procesas vadinamas papildomu degimu). Trūkumai: jiems veikti reikia pradinio greičio, o ilgainiui jie blogai pakelia ekstremalią temperatūrą.
Šiuolaikiniai turboventiliatoriniai varikliai ir triukšmo mažinimas
Pirmieji reaktyviniai aviaciniai varikliai buvo labai triukšmingi, nes neturėjo didžiulio ventiliatoriaus priekyje ir veikė stumdami lėktuvą pirmyn karštų iš variklio besiveržiančių dujų srove. Dėl greičių skirtumo tarp iš reaktyvinio variklio išstumtų dujų ir aplinkoje esančio oro susidarydavo sūkuriai, keldami didelį triukšmą. Pavyzdžiui, „Boeing 727“ (kurio gamyba baigėsi 1984 m.) variklių keliamas triukšmas neleidžia šių orlaivių į kai kuriuos oro uostus.
Modernūs turboventiliatoriniai varikliai yra didesni, bet tylesni. Variklio priekyje yra didžiulis ventiliatorius, kurį suka reaktyvinio variklio turbinos. Lėktuvą į priekį stumia ta pati karštų dujų srovė, tačiau aplink ją teka lėtesnis ir vėsesnis ventiliatoriaus pučiamas oras. Greičių skirtumas tarp šių oro srautų yra mažesnis, todėl susidaro mažesni oro sūkuriai, o varikliai yra tylesni. Tačiau visiškai tyliais jų pavadinti negalima - oro srautas vis tiek yra labai greitas ir sukelia triukšmingus sūkurius.
„Chevron“ dizainas triukšmui mažinti
„Boeing“ lėktuvų variklių korpusų „Chevron“ (dantytas, zigzaginis) dizainas yra aerodinaminis prietaisas, kurio tikslas - sumažinti triukšmą. Šis dizainas pats kuria mažus sūkurius, kurie tarsi apgobia variklius paliekančias dujas. Reaktyvinio variklio išmetamas karštas dujas dengia ventiliatoriaus srautas, o jį - dantytos korpuso dalies kuriami maži sūkuriai. Tai neleidžia susidaryti didesniems sūkuriams, kurie anksčiau kildavo dėl didelio skirtumo tarp aplinkos oro ir reaktyvinio variklio srauto tėkmės greičių. Taip variklis veikia apytiksliai 6-7 decibelais tyliau. „Airbus“ tokio dizaino nenaudoja, nes „Boeing“ turi šios technologijos patentą.
Nors dantyto variklio korpuso kuriami sūkuriai nežymiai padidina oro pasipriešinimą ir gali šiek tiek padidinti degalų sąnaudas, „Boeing“ teigia, kad dėl sumažėjusio triukšmo į lėktuvų fiuzeliažą galima montuoti mažiau garso izoliacijos, taip sumažinant bendrą orlaivio svorį. Toks dizainas naudingas ne tik keleiviniams lėktuvams, bet ir krovininėms „Boeing 747-8“ versijoms, atsižvelgiant į oro uostų keliamus reikalavimus orlaivių triukšmui.
Turbosraigtiniai lėktuvai: privalumai ir pritaikymas
Turbosraigtiniai orlaiviai, atpažįstami iš sraigtų, yra ekonomiškiausias sprendimas trumpiems skrydžiams. Jų varikliai veikia dujų turbinos principu: oras eina per kompresorių (aukšto slėgio kompresorių) ir tada per degimo kamerą. Degalai įpurškiami ir sudeginami, sukeldami šilumą, kuri varo turbiną ir sraigtą. Kuo greičiau patenka oras, tuo didesniu greičiu sukasi turbina, varydama orlaivį.
Turbosraigtinių lėktuvų universalumas ir ekonomiškumas
- Universalumas: Turbosraigtiniai lėktuvai lenkia privačius reaktyvinius lėktuvus, kai kalbama apie nusileidimą ir pakilimą. Sraigtiniais varikliais varomi orlaiviai gali leistis trumpuose kilimo ir tūpimo takuose (trumpesniuose nei 900 metrų) ir ant bet kokio tipo paviršiaus (žemės, žolės ar net smėlio). Tai leidžia jiems pasiekti beveik visus oro uostus pasaulyje.
- Mažesnės sąnaudos: Oro transportui turbopropelerinis lėktuvas sunaudoja mažiau parafino nei turboreaktyvinis privatus reaktyvinis lėktuvas.
- Trumpi skrydžiai: Turbopropeleriniai lėktuvai trumpais atstumais pasižymi panašiomis eksploatacinėmis savybėmis kaip ir labai lengvi privatūs reaktyviniai lėktuvai. Nors jų vidutinis kreiserinis greitis (500 km/h) yra šiek tiek mažesnis nei labai lengvų reaktyvinių lėktuvų (650 km/h), turbosraigtiniai lėktuvai gali skristi nedideliame aukštyje, sutaupant kilimo ir tūpimo laiko ir įveikiant trumpesnį maršrutą.
- Medicininė evakuacija: Dėl savo našumo ir galimybės naudotis daugybe aerodromų, turbosraigtiniai orlaiviai dažnai naudojami medicininei evakuacijai. Pavyzdžiui, „Pilatus PC-12“ pasižymi neprilygstamu našumu, reikalingu medicininiams skrydžiams. Jo didelis krovinių skyrius ir lengvai modifikuojamas salonas idealiai tinka skubios medicininės pagalbos atvejams.
- Ekonomiška kaina: Turbosraigtiniai lėktuvai yra daug ekonomiškesni už privačius reaktyvinius lėktuvus. Pavyzdžiui, „Pilatus PC-12“ galima išsinuomoti už 1 400 eurų per valandą, kai tuo tarpu ypač lengvų privačių lėktuvų kategorijos „Phenom 100“ kaina siekia 2300 eurų per valandą.
- Krovinių vežimas oro transportu: Turbopropeleriniai orlaiviai yra ideali priemonė krovinių vežimo oro transportu poreikiams tenkinti.
Kiti aspektai
- Skrydžio greitis: Turbopropeleriniai orlaiviai su turbopropeleriniais varikliais įrengiami tik tuose orlaiviuose, kurių greitis neviršija 700 km/val. Į oro sraigtus atsitrenkusio oro greitis sukelia transonines smūgines bangas.
- Patogumas: Šiuolaikiniai turbosraigtiniai orlaiviai, tokie kaip „Pilatus PC-12 NGX“, siūlo beveik tokį pat komfortą kaip ir privatūs reaktyviniai lėktuvai.
- Operatoriaus pažymėjimas (AOC): Kai orlaivį nuomojatės iš tarpininko ar oro transporto bendrovės, būtina laikytis griežtų viešojo keleivių vežimo taisyklių. Aviakompanijos turi oro vežėjo pažymėjimą (AOC), kuris garantuoja nepriekaištingos būklės orlaivį ir kvalifikuotus pilotus.
- Pilotų reikalavimai: Turbosraigtiniams orlaiviams taikoma pagrindinė taisyklė: „du varikliai - du pilotai“. Tai reiškia, kad dauguma orlaivių, kuriuos galima išsinuomoti, turi būti dviejų variklių (išskyrus „Pilatus PC-12“ ir „TBM 850“), kad sugedus orlaiviui būtų galima naudotis antruoju varikliu.
Populiarūs turbosraigtiniai lėktuvai
- „Pilatus PC-12“: vadinamas verslo aviacijos šveicarišku peiliu, atitinka visus turtingų klientų reikalavimus, yra technologinis, dizaino ir komforto pasiekimas.
- „Piaggio Avanti P 180“: pravardžiuojamas „Oro Ferrari“, prilygsta privačiam lėktuvui - patogus, erdvus ir greitas. Jo kreiserinis 700 km/val. greitis yra turbopropelerinio lėktuvo rekordas.
- „King Air“: vienas populiariausių nuomojamų orlaivių, turintis prabangų interjerą ir 50 % didesnį saloną nei lengvieji privatūs lėktuvai.
- „Beechcraft 1900 D“: talpinantis 19 keleivių, idealus orlaivis vidaus skrydžiams. Tai vienas iš nedaugelio rinkoje esančių orlaivių, galinčių skraidinti daugiau nei 15 keleivių ir leistis trumpais kilimo ir tūpimo takais. Salonas gali būti modifikuotas iki 6 neštuvų medicininei evakuacijai.
- „Fokker 50“: gali skraidinti iki 50 keleivių, puikiai tinka grupėms ir sporto komandoms vežti. Optimalios skrydžio sąlygos su dideliais langais ir 1,97 m salono aukščiu.
- „Vulcanair TP 600“: su naujausiomis skrydžių technologijomis, vienas efektyviausių savo kategorijos orlaivių. Jo „Rolls-Royce“ turbinos leidžia lėktuvui leistis ir kilti labai trumpais kilimo ir tūpimo takais (ypač naudojant traukos keitimo sistemą).
Dujų turbinų varikliai automobiliuose: koncepcijos ir iššūkiai
Antrojo pasaulinio karo pabaigoje aviacijoje pradėti naudoti dujų turbinų varikliai per ateinančius 20 metų visiškai pakeitė stūmoklinius vidaus degimo variklius karinėje ir civilinėje aviacijoje. Tačiau automobilių pramonėje, nepaisant didelių dujų turbinų variklių privalumų, tokių kaip paprasta konstrukcija, mažiau dalių, mažesnė trintis ir didelė specifinė galia (kelis kartus lengvesni ir kompaktiškesni nei stūmokliniai varikliai), jie susidūrė su dideliais trūkumais. Dėl to, bandymai įdiegti tokius variklius automobiliuose (JAV, Europoje, TSRS) nebuvo sėkmingi, ir idėjos buvo atsisakyta kažkur nuo XX a. 70-ųjų.
Pagrindiniai trūkumai
- Didelės degalų sąnaudos: Dujų turbinų varikliai sunaudoja daug degalų trumpalaikiais režimais: tuščiąja eiga ir greitėjant. Nors buvo bandyta sudėtinginti konstrukciją naudojant du velenus (vienas kompresoriui ir mažai turbinai, kitas pagrindinei turbinai ir automatinei pavarų dėžei), degalų sąnaudos vis tiek buvo didesnės nei stūmoklinių variklių, išskyrus tolygų judėjimą greitkelyje.
- Aukšta temperatūra: Labai aukšta dujų, patenkančių į turbinos mentes, temperatūra. Aviacijoje su tuo kovojama naudojant brangius karščiui atsparius lydinius, tačiau masinėje automobilių pramonėje tai netaikoma dėl didelių išlaidų. 50-aisiais buvo bandyta spręsti problemą oro šildytuvu, kuris pašildydavo suslėgtą orą išmetamosiomis dujomis, didindamas efektyvumą ir taupydamas turbiną, tačiau žymiai apsunkindamas variklio konstrukciją.
- Oro poreikis ir filtrai: Dujų turbinų varikliams reikia žymiai daugiau oro nei stūmokliniams varikliams, ir oras turi būti švarus. Automobiliams tai problematiška, nes būtini oro filtrai pasiekia tokį dydį, kad mikroturbinų pranašumas ir kompaktiškumas visiškai pradingsta. Pvz., tankų (sovietų T80 ir Amerikos Abrams) dujų turbinų varikliai pasižymėjo milžiniškomis degalų sąnaudomis ir nuolat reikėjo valyti didžiulius oro filtrus.
- Toksiškumas: Tai padidėjusių degalų sąnaudų tarpiniuose režimuose pasekmė. Nors „Techrules“ koncepcija ir „Hybrid Kinetic H600“ kūrėjai teigia, kad jų mikroturbinai varikliai yra ekologiškesni, tikslūs duomenys kol kas nepateikiami.
Atgimimas hibridinėse sistemose
Dujų turbinų variklių idėja atgimė su šiuolaikine hibridine-elektrine revoliucija. Jei mikroturbina nėra prijungta nei prie ratų, nei prie pavarų dėžės, o tik suka generatorių, veikiantį pastoviu traukos režimu, tada visos problemos, susijusios su didelėmis degalų sąnaudomis trumpalaikiais režimais, išnyksta savaime. Būtent todėl gamintojai, kurie neturi stūmoklinių variklių gamyklų ir turės statyti viską nuo nulio, dabar svarsto šią idėją hibridiniams automobiliams, tokiems kaip „Hybrid Kinetic H600“ sedanas ir „Techrules Ren“ superautomobilis.
Kaip veikia reaktyviniai varikliai
Lėktuvų variklių turbinų spiralės: paskirtis ir ginčai
Ant lėktuvų variklių centrinėje dalyje išpieštos spiralės dažnai kelia klausimų dėl jų paskirties. Nors visuotinai priimto atsakymo nėra, yra keletas teorijų ir paaiškinimų.
„Boeing“ ir „Rolls-Royce“ paaiškinimai
- „Boeing“: Kompanija teigia, kad spiralės turi dvi paskirtis - atbaidyti paukščius ir pranešti, kada veikia variklis. Besisukančios spiralės įspėja ant žemės esančius žmones apie veikiantį variklį.
- „Rolls-Royce“: „Aviation tinklaraštyje „Aerosavvy“ teigiama, kad „Rolls-Royce“ pateikia kiek kitokį atsakymą. Anot jų, variklio turbinų kūgiai apsaugo variklius nuo susidūrimo su paukščiais ir sumažina ledo formavimąsi. Spiralės įspėja oro uosto darbuotojus, vežančius keleivius į lėktuvą.
Svarba saugumui
Vis dėlto, visi šaltiniai sutinka, kad spiralės yra reikalingos oro uosto darbuotojams, esantiems ant žemės, įspėti, kad variklis vis dar sukasi. Tai atrodo logiška, nes greitai besisukantis propeleris dėl didelio greičio dažniausiai tampa permatomas, o naktį tokia turbina gali atrodyti lyg visai nesisukanti.
Dirbti prie, pavyzdžiui, „Boeing 737“ variklio yra nepaprastai pavojinga. Šio variklio, veikiančio laisva eiga, pavojaus zona yra 3 metrai priešais variklį ir jo šonuose. Tai reiškia, kad net ir varikliui veikiant laisva eiga, žmogui atsidūrus pavojaus zonoje, variklis jį gali nesunkiai įtraukti. Didesnių orlaivių varikliai, tokių kaip „Boeing 777“, turi žymiai didesnę pavojaus zoną. Taigi, variklio turbinų kūgių spiralės yra itin svarbios apsaugant darbuotojus nuo įtraukimo į variklį.
tags: #lektuvo #turbinos #veikimas