Silniki turbinowe

Silniki turbinowe

Spis treści

1. Wloty

2. Sprężarki

3. Komory spalania

4. Turbiny

5. Dysze wylotowe

Wloty powietrza

• Wlot powietrza jest odpowiednio ukształtowanym kanałem w płatowcu lub w gondoli silnikowej przeznaczonym do skierowania strumienia powietrza pobieranego z otoczenia do kanału przepływowego sprężarki
• Powinien on pozwalać na efektywne wykorzystanie sprężu dynamicznego w trakcie lotu, a jego kształt powinien zapewnić możliwie małe straty przepływu oraz równomierne pole prędkości i ciśnienia w przekroju wlotowym sprężarki na wszystkich zakresach pracy silnika.
• Wloty powietrza dzielą się na:

-bezpośrednie -płatowcowe -poddźwiękowe -naddźwiękowe

Przykład wlotu powietrza płatowcowego

Sprężarki

• Sprężarka silnika turbinowego przeznaczona jest przede wszystkim do zwiększenia do zadanej wartości ciśnienia strumienia powietrza wpływającego przez wlot do kanału przepływowego silnika. Sprężarka w największym stopniu decyduje o sprawności silnika i ma istotny wpływ na jego wymiary i zużycie paliwa.
• Podstawowe parametry sprężarki takie jak spręż, czyli stosunek ciśnienia za sprężarką do ciśnienia na wlocie do niej, oraz masowe natężenie przepływu powietrza przez sprężarkę, czyli masa powietrza wpływającego w ciągu 1 sekundy do jej kanału przepływowego, są ważnymi parametrami silnika turbinowego. Parametry, układy konstrukcyjne i rozmiary sprężarek silników turbinowych znacznie różnią się między sobą w zależności od rodzaju statku powietrznego, do którego przeznaczony jest dany silnik.
• W zależności od kierunku przepływu strumienia powietrza względem osi obrotu wirnika sprężarki dzielimy na osiowe, promieniowe i diagonalne

Sprężarki osiowe

Sprężarki osiowe są obecnie najpowszechniej stosowane w silnikach lotniczych o dużych i średnich ciągach (mocach), ponieważ umożliwiają uzyskiwanie wysokich masowych natężeń przepływu powietrza oraz wysokich spręży, ale charakteryzują się niestateczną pracą w zakresach poza obliczeniowych oraz małą odpornością na zanieczyszczenia. Podstawowymi elementami sprężarki osiowej są: wlot sprężarki, kadłub, w którym osadzone są wieńce łopatek kierowniczych oraz wirnik

Rys. Sprężarka osiowa

Sprężarki promieniowe

Sprężarki promieniowe stosowane są w silnikach o małych i średnich ciągach (mocach). Podstawowymi zaletami sprężarek promieniowych jest możliwość uzyskiwania wysokich spręży z jednego stopnia oraz mała podatność na niestateczną pracę i duża odporność na zanieczyszczenia. Podstawowymi elementami sprężarki promieniowej są: wlot, wirnik i układ dyfuzorowy. Układ dyfuzorowy może składać się z dyfuzora szczelinowego i dyfuzora łopatkowego lub rurowego. Wirnik sprężarki promieniowej ma na powierzchni czołowej kanały oddzielone między sobą usytuowanymi promieniowo łopatkami. Ponadto wirnik najczęściej jest wyposażony w zabierak, którego zadaniem jest odpowiednie ukierunkowanie strug napływającego powietrza.Elementy sprężarek promieniowych wykonuje się ze stopów lekkich, tytanu lub stali.

Rys. Sprężarka promieniowa

Sprężarki osiowo – promieniowe

Sprężarki osiowo-promieniowe składają się z jednego - kilku stopni osiowych, po których znajduje się stopień promieniowy. Układ taki pozwala na skrócenie całego zespołu, gdyż stopniem promieniowym można zastąpić kilka stopni osiowych.Sprężarki osiowo – promieniowe stosowane są w turbinowych silnikach śmigłowych i śmigłowcowych, które nie mają dużego masowego natężenia przepływu. Tego typu sprężarki znajdują również zastosowanie w dwuprzepływowych turbinowych silnikach odrzutowych przeznaczonych do napędu samolotów komunikacji lokalnej i dyspozycyjnych. W silnikach takich z powodu stosunkowo niewielkiego masowego natężenia przepływu przez kanał wewnętrzny zastosowanie stopnia promieniowego nie powoduje zbyt dużego wzrostu wymiarów promieniowych całego zespołu.

Rys. Sprężarka osiowo-promieniowa

Komora spalania

Komora spalania przeznaczona jest do całkowitego i zupełnego spalenia doprowadzonego do niej paliwa w celu uzyskania żądanej wartości temperatury spalin.Powinna ponadto zapewniać w przekroju wyjściowym równomierność temperatury, ciśnienia i prędkości spalin na całym obwodzie.

Każda komora spalania składa się z osłony kształtującej kanał przepływowy silnika oraz komory żarowej (ogniowej), w której zachodzi proces przygotowania i spalania mieszanki palnej. Następnie odbywa się chłodzenie spalin dla uzyskania w przekroju wlotowym turbiny temperatury podyktowanej warunkami wytrzymałościowymi.

Komory spalania lotniczych silników turbinowych budowane są w trzech podstawowych formach konstrukcyjnych: pierścieniowe, rurowe i rurowo – pierścieniowe

Schematy komór spalania: a)rurowa; b)rurowo-pierścieniowa; c)pierścieniowa

Turbiny

Turbina silnika turbinowego przekształca entalpię spalin na pracę mechaniczną obrotu wirnika napędzającego sprężarkę i urządzenia pomocnicze, a w silnikach śmigłowych i śmigłowcowych, poprzez przekładnię redukcyjną, także śmigło lub wirnik nośny. W silnikach lotniczych stosowane są turbiny osiowe, a jedynie w pomocniczych zespołach napędowych, rozrusznikach oraz silnikach do niewielkich bezpilotowych statków powietrznych znajdują zastosowanie turbiny promieniowe. Turbiny osiowe budowane są jako jednostopniowe lub wielostopniowe. Stopień turbiny osiowej składa się z wieńca nieruchomych łopatek dyszowych oraz wieńca łopatek wirnikowych zamocowanych na obwodzie wirującej tarczy. Wypływające z komory spalania spaliny rozprężają się w turbinie, a powstająca na łopatkach wirnika siła nośna wprawia go w ruch obrotowy.

Schematy konstrukcyjne turbin osiowych: a) jednostopniowa: 1 – łopatka dyszowa, 2 – łopatka wirnikowa; b) wielostopniowa silnika odrzutowego: 3 - jednostopniowa turbina wysokiego ciśnienia, 4 - dwustopniowa turbina niskiego ciśnienia; c) silnika śmigłowego (śmigłowcowego): 5 – jednostopniowa turbina wytwornicowa, 6 – dwustopniowa oddzielna turbina napędowa

Podstawowymi częściami turbiny osiowej jest jej kadłub i wirnik. Kanał przepływowy turbiny jest kanałem rozbieżnym. Poszczególne elementy turbin wykonywane są z materiałów żarowytrzymałych. W kadłubie zamocowane są nieruchome łopatki wieńca dyszowego. Są one mocowane bezpośrednio do kadłuba lub do pierścieni osadzonych w kadłubie. Łopatki te są wsuwane w kanały wykonane w kadłubie turbiny lub mocowane za pomocą połączeń spawanych lub gwintowych do pierścieni montowanych w kadłubie. Wirniki turbin jednostopniowych mają konstrukcję tarczową, natomiast wielostopniowych mogą mieć konstrukcję tarczową lub tarczowo – bębnową.

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit, sed diam nonummy nibh euismod tincidunt ut laoreet dolore magna aliquam erat volutpat.

Elementy turbiny, zwłaszcza jej wirnika, są silnie obciążone cieplnie i mechanicznie. Wysoka temperatura powoduje spadek własności wytrzymałościowych materiału oraz odkształcanie się części na skutek rozszerzalności cieplnej i występowania zjawiska pełzania materiału. Temperatura spalin wpływających do turbiny (do 1700 - 1850 K i więcej) jest w wielu przypadkach większa od temperatury topnienia metalu, z którego wykonane są łopatki. W efekcie elementy turbin wymagają chłodzenia powietrzem pobieranym ze sprężarki, przy czym musi ono być tym bardziej intensywne, im wyższa jest temperatura na wlocie do turbiny. Ponadto na łopatki nakłada się specjalne pokrycia ceramiczne zabezpieczające metal przed oddziaływaniem wysokiej temperatury. W trakcie montażu poszczególnych elementów turbin stosuje się pasowania luźne, aby podczas ich rozszerzania się pod wpływem podwyższonej temperatury nie wprowadzać dodatkowych naprężeń.

Układ wylotowy

Układ wylotowy

Przeznaczenie i budowa układów wylotowych są zróżnicowane w zależności od rodzaju silnika oraz od rodzaju i przeznaczenia statku powietrznego. W silnikach odrzutowych zasadniczym zadaniem układu wylotowego jest nadanie strumieniowi spalin wypływającemu z turbiny odpowiedniej prędkości i kierunku na wylocie z dyszy oraz wyprowadzenie ich poza kadłub samolotu lub gondolę silnika. W silnikach śmigłowych lub śmigłowcowych układ wylotowy służy głównie do wyprowadzenia spalin poza kadłub samolotu lub śmigłowca.

Schematy układów wylotowych turbinowych silników odrzutowych:

Rys. a) ze wspólnym wylotem z obu kanałów: 1 – rura przelotowa, stożek wewnętrzny, 3 - żebro, 4 –dysza; b) z dopalaczem: 1 – mieszalnik, 2 – żebro, 3 – kolektor wtryskiwaczy dopalacza, 4 – stateczniki płomienia, 5 – ekran, 6 – dysza regulowana, 7 – komora zapłonowa dopalacza, 8 – stożek wewnętrzny; c) z odwracaczem ciągu za wspólnym kanałem wylotowym: 1 – ruchoma klapa odwracacza ciągu: d) z odwracaczem ciągu w kanale zewnętrznym: 1 – ruchoma część osłony kanału zewnętrznego, 2 – kierownice odwracacza ciągu

W przypadku silników samolotów naddźwiękowych układy wylotowe zastępuje się dopalaczami wyposażonymi w zbieżne lub zbieżno – rozbieżne regulowane dysze wylotowe. Regulacja dyszy może być wykonywana mechanicznie lub gazodynamicznie.

Dziękuję za uwagę!

Bartosz Dąbrowski 3 BIM