¿Cuál es la diferencia entre un turborreactor y un turbofan? ¿Cuáles son sus respectivas definiciones?

Historia

Un turborreactor es un tipo de motor de turbina. Su característica es que depende completamente del flujo de aire para generar empuje. A menudo se utiliza para propulsar aviones de alta velocidad. El consumo de combustible es mayor que el de los motores turbofan. Hay dos tipos de motores turborreactores: centrífugos y axiales. El motor centrífugo fue patentado por el inglés Sir Frank Whittle en 1930, pero no fue hasta 1941 que un avión equipado con dicho motor surcó los cielos por primera vez. No participó en la Segunda Guerra Mundial. El Eje nació en Alemania y participó en 1945 como el primer avión de combate práctico Me-262. En comparación con los motores turborreactores centrífugos, el flujo axial tiene las ventajas de una sección transversal pequeña y una relación de compresión alta. Los motores turborreactores actuales son todos de flujo axial.

Respuesta: Motor turborreactor

Estructura

Entrada de aire

La estructura principal del motor turborreactor de flujo axial se muestra en la figura. El aire ingresa primero a la entrada, porque el estado de vuelo de la aeronave cambia, y la entrada debe garantizar que el aire pueda eventualmente ingresar a la siguiente estructura sin problemas: el compresor. La función principal de la entrada de aire es ajustar el aire a un estado en el que el motor pueda funcionar normalmente antes de ingresar al compresor. Al volar a velocidades supersónicas, se generarán ondas de choque en la nariz y la entrada. Después de la onda de choque, la presión del aire aumentará, por lo que la entrada puede desempeñar un cierto papel de precompresión. Sin embargo, la posición incorrecta de la onda de choque provocará. presión local desigual e incluso El compresor puede dañarse. Por lo tanto, la entrada de aire de un avión supersónico tiene un cono de ajuste de la onda de choque para ajustar la posición de la onda de choque según la velocidad del aire.

Las aeronaves con tomas de aire laterales o tomas de aire del vientre se verán afectadas por la capa límite del fuselaje (o capa límite) porque la entrada está cerca del fuselaje y se instalará un dispositivo de ajuste de la capa límite. La llamada capa límite se refiere a una capa de aire que fluye cerca de la superficie del fuselaje. Su velocidad es mucho menor que la del aire circundante, pero su presión estática es mayor que la del aire circundante, formando un gradiente de presión. Debido a que la energía es baja, no es adecuada para ingresar al motor y debe eliminarse. Cuando la aeronave tiene un cierto ángulo de ataque (AOA), debido al cambio en el gradiente de presión, la separación de la capa límite se producirá en la parte donde aumenta el gradiente de presión (como el lado de sotavento), es decir, la capa límite que estaba Originalmente cerca del fuselaje se separará repentinamente en un punto determinado, formando turbulencias. El flujo turbulento es relativo al flujo laminar, que es simplemente un fluido que se mueve de manera irregular. En rigor, todos los flujos son turbulentos. Actualmente se desconocen los mecanismos y procesos de la turbulencia. Pero eso no significa que la turbulencia sea mala. En muchos lugares del motor, como en el proceso de combustión, se deben aprovechar al máximo las turbulencias.

Compresor

El compresor consta de palas de estator y palas de rotor. El par de palas del estator y las palas del rotor se denomina primera etapa. El estator está fijado al bastidor del motor y el rotor está conectado a la turbina a través del eje del rotor. Los motores turborreactores actuales suelen tener entre 8 y 12 compresores. Cuantas más etapas haya, mayor será la presión. Cuando un avión de combate realiza repentinamente una maniobra de alta G, la presión del aire que fluye hacia la etapa delantera del compresor caerá bruscamente y la presión en la etapa trasera será muy alta. En este momento, el aire a alta presión en la etapa trasera se expandirá en sentido inverso, lo que hará que el motor sea extremadamente inestable, lo que en ingeniería se denomina "oleaje". Este es el accidente más fatal para un motor y tiene el potencial de provocar una parada o incluso daños estructurales. Hay varias formas de prevenir el "aumento repentino". La experiencia muestra que el aumento repentino ocurre principalmente entre la quinta y sexta etapa del compresor. Instale un anillo de purga en el segundo intervalo para aliviar la presión a tiempo cuando la presión sea anormal para evitar el aumento repentino. O el eje del rotor se puede convertir en dos cilindros huecos concéntricos, que conectan respectivamente el compresor de baja presión de la etapa delantera y la turbina, y el compresor de alta presión de la etapa trasera y otra turbina. Los dos grupos de rotores son independientes entre sí y pueden ajustar automáticamente la velocidad cuando la presión es anormal y evitar picos.

Cámara de combustión y turbina

Después de ser comprimido por el compresor, el aire ingresa a la cámara de combustión y se mezcla con queroseno para la combustión, se expande y realiza trabajo luego fluye a través de la turbina hasta; Empuje la turbina para que gire a alta velocidad. Debido a que los rotores de la turbina y del compresor están conectados al mismo eje, las velocidades de rotación del compresor y de la turbina son las mismas. Finalmente, el gas a alta temperatura y alta velocidad se expulsa a través de la boquilla, proporcionando energía a través de la reacción. Originalmente, la cámara de combustión constaba de varias cámaras de combustión cilíndricas pequeñas, yuxtapuestas en forma anular alrededor del eje del rotor. Cada cilindro no está sellado, sino que tiene un orificio en el lugar adecuado para que quede conectada toda la cámara de combustión. Más tarde, se desarrolló hasta convertirse en una cámara de combustión anular compacta, pero el entorno general de fluidos no era tan bueno como el de una cámara de combustión cilíndrica. Surgió una cámara de combustión combinada que combinaba las ventajas de ambas.

Las turbinas de vapor siempre funcionan en condiciones extremas y tienen requisitos extremadamente estrictos en cuanto a sus materiales y tecnología de fabricación. En la actualidad, las hojas huecas de pulvimetalurgia se funden en su mayoría en su conjunto, es decir, todas las hojas y discos se funden al mismo tiempo. En comparación con los primeros días, cada hoja y disco se fundieron por separado y luego se conectaron con espigas, lo que ahorró mucha masa de conexión. Los materiales de fabricación son en su mayoría materiales de aleación resistentes a altas temperaturas y las palas huecas se pueden enfriar con aire frío. El nuevo motor desarrollado para el avión de combate de cuarta generación estará equipado con palas de metalurgia de polvos cerámicos con un rendimiento más sobresaliente a altas temperaturas. Estas medidas tienen como objetivo mejorar uno de los parámetros más importantes de un turborreactor: la temperatura delante de la turbina. Una temperatura previa al remolino significa alta eficiencia y alta potencia.

Boquilla y postquemador

La forma y estructura de la boquilla (o boquilla) determinan la eliminación final del estado de flujo de aire. Los primeros motores de baja velocidad utilizaban boquillas convergentes simples para lograr una mayor velocidad. Según la tercera ley de Newton, cuanto mayor sea la velocidad de expulsión del gas, mayor será la fuerza de reacción que recibirá el avión. Pero la tasa de crecimiento de esta manera es limitada, porque eventualmente la velocidad del flujo de aire alcanzará la velocidad del sonido y luego aparecerá una onda de choque para evitar el aumento de la velocidad del gas.

Los chorros supersónicos se pueden obtener utilizando boquillas convergentes-divergentes (también llamadas boquillas Laval). La maniobrabilidad de un avión proviene principalmente de la fuerza aerodinámica proporcionada por la superficie del ala. Cuando la maniobrabilidad es alta, el empuje del avión se puede aprovechar directamente. Históricamente, ha habido dos soluciones, a saber, instalar una superficie de control de gas en la boquilla o usar directamente una boquilla desviable (también llamada boquilla de vector de empuje o boquilla de empuje vectorial, esta última ha entrado en la etapa de aplicación práctica). La magnífica maniobrabilidad de los famosos aviones de combate rusos Su-30 y Su-37 se beneficia del motor vectorial de empuje AL-31 de Rurica Design Bureau. El representante del timón aéreo es el demostrador tecnológico estadounidense X-31.

Después de que el gas a alta temperatura pasa por la turbina, todavía contiene algo de oxígeno que no se ha consumido a tiempo. Si se inyecta queroseno continuamente en este gas, aún puede arder y producir un empuje adicional. Por lo tanto, algunos motores de combate de alto rendimiento tienen un postquemador (o postquemador) agregado detrás de la turbina para aumentar significativamente el empuje del motor en un corto período de tiempo. En términos generales, el postquemador puede aumentar el empuje máximo en un 50% en un corto período de tiempo, pero consume mucho combustible. Generalmente solo se usa para despegar o responder a feroces batallas aéreas, y no se puede usar para operaciones supersónicas a largo plazo. crucero.

Respuesta: motor turborreactor

Uso

Los motores turborreactores son adecuados para una amplia gama de navegación, desde velocidades subsónicas de baja altitud hasta aviones supersónicos de gran altitud. El MiG-25 es un caza legendario de la antigua Unión Soviética. Utiliza como potencia el motor turborreactor de la Oficina de Diseño Liulika. Ha establecido un récord de velocidad de caza de Mach 3,3 y un récord de techo de 37.250 metros. Es poco probable que este récord se supere durante algún tiempo.

En comparación con los motores turbofan, los motores turborreactores tienen un bajo consumo de combustible, pero su rendimiento a alta velocidad es mejor que el de los motores turbofan, especialmente a grandes altitudes y altas velocidades.

Parámetros básicos

Relación empuje-peso: La relación empuje-peso representa la relación entre el empuje del motor y el peso del propio motor. Cuanto mayor sea el empuje, mejor será el rendimiento.

Etapa del compresor: Indica cuantas etapas hay en las palas del compresor. Por lo general, cuanto mayor sea la etapa, mayor será la relación de compresión.

Etapa de turbina: ¿Cuántas etapas tiene el álabe de la turbina?

Relación de compresión: relación entre la presión del aire de admisión después de ser comprimido por el compresor y la presión antes de la compresión. Generalmente cuanto mayor sea la presión, mejor será el rendimiento.

Empuje neto máximo a nivel del mar: A nivel del mar y en condiciones en las que la diferencia de velocidad (velocidad del aire) entre el motor y el aire exterior es nula, el empuje generado por el motor funciona a máxima velocidad. Las unidades utilizadas incluyen kN (kilonewtons), kg (kilogramos) y lb (libras).

Consumo de combustible por unidad de empuje por hora: también llamado empuje específico, la relación entre el consumo de combustible y el empuje, en unidades métricas kg/N-h, cuanto más pequeño es, más eficiente es el combustible.

Temperatura frontal de la turbina: temperatura del flujo de aire de alta temperatura y alta presión después de la combustión antes de ingresar a la turbina. Generalmente, cuanto mayor sea la temperatura, mejor será el rendimiento.

Temperatura de salida de los gases: Temperatura a la que los gases de escape salen de la turbina y son descargados.

Tiempo medio entre fallas: El tiempo promedio total entre dos fallas para cada motor. Cuanto más dure, menos probabilidades habrá de que se estropee y, en general, menores serán los costes de mantenimiento.

Motor turboventilador

Un motor de turbina de gas en el que los gases que salen de la boquilla y el aire que sale del ventilador crean un empuje inverso. Un motor turbofan consta de un ventilador, un compresor, una cámara de combustión, una turbina de alta presión que impulsa el compresor, una turbina de baja presión que impulsa el ventilador y un sistema de escape. El compresor, la cámara de combustión y la turbina de alta presión se denominan colectivamente motor central. Una parte de la energía disponible en los gases de escape del motor central se transfiere a un ventilador accionado por turbina de baja presión y el resto se utiliza en la boquilla para acelerar los gases de escape. El rotor del ventilador es en realidad un compresor con una o varias etapas de palas largas. Después de que el aire fluye a través del ventilador, una parte fluye hacia la máquina central, denominada flujo de aire interno, y se descarga desde la boquilla a alta velocidad, generando empuje. La otra parte fluye alrededor de la periferia de la máquina central, denominada flujo de aire externo. que también genera empuje. Este tipo de motor turbofan con conductos internos y externos también se denomina motor con conductos internos y externos. La relación entre el flujo de aire a través de la connotación y la connotación se llama relación de alcantarilla o relación de flujo. La relación de derivación tiene una gran influencia en el rendimiento del motor turbofan. Una relación de derivación grande da como resultado un bajo consumo de combustible, pero el motor tiene una gran superficie a barlovento. Cuando la derivación es pequeña, el área de barlovento es pequeña, pero la tasa de consumo de combustible es alta. Un motor turbofan en el que los dos flujos de aire se descargan a la atmósfera por separado se denomina motor turbofan de descarga dividida. Cuando los dos flujos de aire dentro y fuera del conducto se mezclan entre sí en el mezclador detrás de la turbina interna y luego se descargan a la atmósfera a través de la misma boquilla, se denomina motor turbofan híbrido. Un motor turbofan también puede equiparse con un postquemador para convertirse en un motor turbofan con postcombustión. El postquemador se puede instalar detrás de la turbina interna o en un conducto externo en los motores turbofan de hileras divididas, o detrás del mezclador en los motores turbofan de hileras mixtas.

Cuando el motor central es el mismo, el caudal de fluido de trabajo del motor turbofan está entre el del motor turborreactor y el del motor turbohélice. En comparación con los motores turbofan, los motores turborreactores tienen un mayor flujo de fluido de trabajo, una menor velocidad de inyección, una mayor eficiencia de propulsión, un menor consumo de combustible y un mayor empuje. El motor turbofan de primera generación desarrollado en la década de 1950 tenía una relación de derivación, una relación de presión del compresor y una temperatura del gas más bajas. Su consumo de combustible era sólo aproximadamente un 25% menor que el del motor turborreactor, alrededor de 0,06 ~ 0,07 kg/n-h (0,6 ~ 0,7). kg/kg-HR).

A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, se desarrolló el motor turbofan de segunda generación con una alta relación de derivación (5 ~ 8), una alta relación de impulso (25 ~ 30) y una alta temperatura del gas (1600 ~ 1750k), y el consumo de combustible fue reducido a 0,03 ~ 0,04 kg/n-h (0,3). En comparación con los motores turbofan, los motores de alto bypass tienen menos ruido y menos contaminación de escape. Se utilizan principalmente como plantas de energía para grandes aviones de pasajeros. Este tipo de avión de pasajeros puede volar a una velocidad de 950 km/h a una altitud de 11 kilómetros, pero este tipo de motor turbofan de alta relación de derivación tiene una velocidad de inyección de escape baja y una gran área de barlovento, lo que no es adecuado para aviones supersónicos. Los aviones de combate utilizan motores turbofan con relación de derivación pequeña y posquemadores, pero no utilizan postquemadores cuando vuelan a velocidades subsónicas. El consumo de combustible y la temperatura de escape son más bajos que los de los motores turborreactores, por lo que la intensidad de la radiación infrarroja es débil y no es fácil. ser alcanzado por misiles guiados por infrarrojos cuando vuela a velocidad sónica con más de 2 veces la fuerza adicional. Puede exceder el motor turborreactor de postcombustión, y la relación empuje-peso ha alcanzado aproximadamente 8 en condiciones atmosféricas terrestres estándar. Utilice motores turbofan con relaciones de derivación pequeñas, pero no utilice postquemadores cuando vuele a velocidades subsónicas. La temperatura del aire es más baja que la de un motor turborreactor, por lo que la intensidad de la radiación infrarroja es débil y los misiles guiados por infrarrojos no lo alcanzan fácilmente. volando a la velocidad del sonido con más del doble de fuerza adicional, el empuje generado puede exceder el del motor turborreactor de postcombustión en condiciones atmosféricas estándar en tierra. La relación empuje-peso ha alcanzado aproximadamente 8.

A velocidades de aeronaves inferiores a aproximadamente 450 mph (724 km/h), los motores a reacción puros son menos eficientes que los motores de hélice debido a que su gran eficiencia de propulsión depende de la velocidad a la que se vuela, por lo que un motor turborreactor puro es el mejor. Adecuado para velocidades de vuelo más altas. Sin embargo, la eficiencia de la hélice aumenta rápidamente por encima de 350 mph (563 km/h) debido a las perturbaciones del flujo de aire causadas por la alta velocidad de punta de la hélice. Estas características permiten que algunos aviones de velocidad media utilicen una combinación de un. hélice y un motor de turbina de gas: un motor turbohélice, en lugar de un dispositivo turborreactor puro.

La definición y el concepto de motor de turboeje:

El motor de turboeje de aviación es un motor de gas. Motor de turbina que utiliza aire como medio de trabajo. Es principalmente un motor de turbina de gas impulsado por la salida que impulsa la mayor parte de la potencia efectiva de la turbina de potencia (más del 95%) a través del eje de salida. Un motor de hélice es un motor de turbina de gas. que utiliza una turbina de gas para impulsar una hélice. El principio del ciclo térmico aerodinámico de un motor turboeje/turbohélice es básicamente el mismo que el de un motor turborreactor/turbofan de gran tamaño, a pesar de los logros técnicos y la experiencia adquiridos en el desarrollo de grandes motores de turbina de gas. se puede utilizar como referencia, pero el motor turboeje/turbohélice es un pequeño motor de turbina de gas, por lo que tiene sus propias características aerodinámicas y estructurales únicas:

(1) El "efecto de tamaño" causado por el flujo pequeño. y los pasajes pequeños tienen un impacto negativo en el compresor. El rendimiento de la turbina y el enfriamiento tienen efectos adversos.

(2) Alta velocidad: la alta velocidad trae una serie de nuevos problemas a la vibración crítica, los cojinetes de alta velocidad y los ejes. , soportes, resistencia a la fatiga del blisk, etc.

(3) El flujo es complejo: el perfil corto de las palas de la turbina pequeña aumenta el punto de giro del flujo, y las características tridimensionales y la viscosidad son prominentes;

(4) El efecto de enfriamiento es deficiente: las palas cortas de las palas de la turbina pequeña aunque delgadas, la superficie exterior relativa es grande, los orificios de enfriamiento internos son difíciles de colocar y el flujo de aire frío es corto y el efecto de enfriamiento disminuye a medida que disminuye el tamaño;

(5) Se requiere un dispositivo de protección de entrada de aire (separador de partículas).

Las ventajas de los motores turboeje son:

Alta relación potencia-peso (motor de 500-600 kW, casi 2 veces mayor que el motor de pistón con mantenimiento simple (especialmente a baja velocidad); temperaturas, no es necesario calentar el motor); pequeñas vibraciones (sin piezas alternativas, la alta precisión del equilibrio del rotor del motor, la sección transversal máxima más pequeña mejora el rendimiento aerodinámico del helicóptero); Por lo tanto, a partir de la década de 1950, los motores turboeje sustituyeron gradualmente a los motores de pistón y se convirtieron en la principal central eléctrica de los helicópteros. Por supuesto, también tiene algunas desventajas: la velocidad de la turbina de potencia es alta y la relación de reducción del rotor de la transmisión es grande, lo que hace que el reductor sea grande y complejo, la tasa de consumo de combustible es generalmente ligeramente mayor que la del tipo de pistón (polvo, humedad, temperatura del aire) trabajar en él El impacto es enorme también hay motores turboeje de tamaño pequeño que son difíciles de producir. Después de más de 40 años de investigación, desarrollo y mejora continuos, los motores turboeje modernos tienen las siguientes características:

(1) Rendimiento avanzado: consumo de combustible en el despegue 0,267-0,358 kg/(kW/h); (kW/h); La relación potencia-peso es de 4-8 kw/Dan;

(2) Buena economía: el consumo de combustible en estado de funcionamiento de crucero puede alcanzar 0,299-0,367 kg/(kW/h). ), bajo costo de mantenimiento y larga vida útil (vida útil de la unidad 3000-5000 h);

(3) Alta confiabilidad: baja tasa de reemplazo del motor por adelantado, largo tiempo medio entre fallas y baja tasa de degradación del rendimiento;

(4) Potencial de desarrollo tecnológico: buena cobertura de energía y posibilidades de modificación;

(5) Fuerte aplicabilidad ambiental: el poder de los helicópteros armados tiene fuertes capacidades de prevención de arena (generalmente con separadores de partículas) , capacidades de supresión de infrarrojos y resistencia a daños y choques contra el combate.

Desde 1953, cuando se puso en funcionamiento el motor Datt de la compañía rumana, los motores turbohélice se han convertido en un importante dispositivo de potencia para los aviones de transporte civiles y militares de la época. El más grande es el HK12MB de la antigua Unión Soviética, con una potencia de despegue de 11.000kW.

En comparación con los motores de pistón, los motores turbohélice son muy fiables y ligeros, mientras que su economía de combustible es mucho menor que la de los primeros motores a reacción puros. Debido a la aparición de los motores turbofan en la década de 1960, los motores turbohélice se han retirado gradualmente del campo de los grandes aviones de transporte, pero todavía se utilizan ampliamente en el campo de los aviones pequeños y medianos.

Descripción general en el extranjero:

Desde el primer motor T53 producido en serie desarrollado por Lycoming Company en 1953 hasta la actualidad, se han puesto en uso tres generaciones de motores turboeje, y la cuarta generación es en desarrollo. La primera generación se refiere a los motores turboeje puestos en uso en la década de 1950, la segunda generación se refiere a la década de 1960, la tercera generación se refiere a los motores turboeje puestos en uso a finales de la década de 1970 y principios de la década de 1980, y la cuarta generación se refiere a finales de la década de 1980. Década de 1990 o 2020. Un motor turboeje puesto en funcionamiento a principios de siglo.

Después de más de 40 años de desarrollo, el nivel técnico de los motores turboeje extranjeros ha mejorado enormemente;

(1) La tasa de consumo de combustible ha disminuido. El consumo de combustible de los motores turboeje de cuarta generación, como el T800 estadounidense y el MTR390 de Europa occidental, es aproximadamente un 8% menor que el de los motores turboeje de tercera generación del mismo nivel de potencia, alcanzando 0,273 kg/(kW/h).

(2) La potencia de la unidad aumenta. Dado que los niveles de potencia de los motores turboeje de tercera y cuarta generación no son los mismos, la mejor solución es utilizar la potencia unitaria como indicador de rendimiento del motor turboeje. Durante más de 40 años, la potencia unitaria ha ido creciendo de manera constante. Por ejemplo, en los productos fabricados en los Estados Unidos en la década de 1950, la potencia unitaria del motor T58 es de 166 kW/(kg/s) y la potencia unitaria del motor turboeje T64 de segunda generación es de 197 kW/(kg/s); ; la potencia unitaria del motor T700 de tercera generación es de 267 kW/(kg/s) y la potencia unitaria del motor T800 de cuarta generación alcanza los 300 kW/(kg/s), que es un 81% mayor que la del motor T700 de tercera generación. la primera generación, un 52,3% superior a la segunda generación, y superior a la tercera generación un 12,4%.

(3) Reducción de costes del ciclo de vida. El costo del ciclo de vida es un indicador económico integral de un motor nuevo. La nueva tercera generación ha reducido significativamente sus costos de ciclo de vida en comparación con sus predecesores; por ejemplo, el T700 tiene una reducción de costos de ciclo de vida del 32 % en comparación con el T58. La reducción de costos proviene principalmente del diseño estructural de la unidad y de la reducción del consumo de combustible.

(4) La reserva de potencia general del motor turboeje de cuarta generación es del 10-20%. Cuando las dimensiones generales del motor permanecen sin cambios, la potencia se puede aumentar aumentando el caudal y la temperatura de entrada de la turbina, o aumentando adecuadamente el tamaño, es decir, agregando un compresor de etapa cero antes del compresor.

(5) Utilice un separador de partículas integrado para mejorar las capacidades de prevención de arena de las fuerzas militares.

(6) Todos los compresores son de tipo centrífugo de dos etapas, con buena estabilidad del rotor, pocas piezas, fácil mantenimiento, resistencia a la corrosión y fuerte resistencia a daños por cuerpos extraños.

(7) Utilizar una cámara de combustión anular de retorno y una boquilla de atomización neumática.

(8) Por primera vez, se utilizaron álabes de rotor y estator de turbina refrigerados por aire en motores con una potencia inferior a 1000 kW, lo que aumentó la temperatura de entrada de la turbina a 1420 K K.

Después de entrar en el siglo XXI, los motores turboeje se desarrollarán en dos direcciones: una es continuar mejorando los parámetros del ciclo y la eficiencia de los componentes de los motores turboeje y desarrollar motores con mejor rendimiento, la otra es desarrollar tecnología de propulsión de rotor de alta velocidad; A principios del próximo siglo, la relación de presión de los motores turboeje alcanzará 16-26, y la temperatura delante de la turbina alcanzará 1500-1920K. Este tipo de motor aún puede utilizar un flujo axial de tres etapas más un compresor centrífugo de una etapa, con una relación de presión total de 18. El tubo de llama de la cámara de combustión tiene una estructura de enfriamiento multicapa. La turbina puede tener una entrada radial con canales de refrigeración complejos. Actualmente, el avión de rotor basculante de alta velocidad T406 desarrollado por la empresa estadounidense Allison tiene una velocidad máxima de 600 kilómetros por hora. La velocidad máxima que se alcanzará en el siguiente paso es de más de 800 km/h, que incluye principalmente la inclinación. -rotor, rotor plegable y tipo rotor.

Hasta ahora, en términos de potencia de alimentación civil, se han desarrollado y utilizado con éxito en el extranjero dos generaciones de motores turbohélice. La tercera generación está en desarrollo. La primera generación se refiere a los motores turbohélice que se pusieron en producción antes de la década de 1970, incluidos principalmente Datt, PT6A y TPE331. El rango de potencia es de 500 a 1500 kW, la tasa de consumo de combustible es de 0,35 a 0,40 kg/(kW/h) y la vida útil de reacondicionamiento es de 8000 a 14 000 h. Se utiliza principalmente para aviones regionales con 12 a 60 asientos. La segunda generación se puso en producción a finales de la década de 1970, e incluía principalmente PW100, CT7 y TPE331-14/15, con una relación de presión de 11-17 y una temperatura frontal de la turbina de 1277. La tercera generación se puso en uso en la década de 1990 e incluía principalmente AE2100 y TPF351-20. El AE2100 es un motor turbohélice de 4474 kW desarrollado por Allison sobre la base del T406 para competir por la próxima generación de aviones regionales de alta velocidad. La característica principal de este motor es que tiene suficiente potencial de desarrollo, por ejemplo, la potencia se puede aumentar a 5880kW con la mejora de la turbina de alta presión, la potencia en el estado estático estándar al nivel del mar no se reducirá debido al calor; el clima y la gran altitud; la alta potencia del ascenso puede acortar el tiempo de ascenso del avión. TPF351-20 es un motor turbohélice propulsor desarrollado por la American Garrett Company para los aviones regionales 20-39, con una potencia de 1566kW. En comparación con los motores anteriores de la compañía, el consumo de combustible se ha reducido en un 25% y la relación potencia-peso ha aumentado en un 53% debido al mayor tamaño y a los compresores mejorados.

Como diseño independiente, el TPF351-20 adopta muchas tecnologías maduras, como la tecnología de compresor del motor de turbina F109 (se está desarrollando un nuevo compresor con un aumento de potencia del 25 % a 1870 kW), la cámara de combustión y el generador de gas. de la tecnología de turbina TPE331-14.

En la actualidad, para reducir los costos de desarrollo y mantenimiento, muchos fabricantes extranjeros de pequeños motores de turbina están tratando de utilizar la experiencia madura en investigación y aplicaciones para desarrollar "motores de núcleo universal" para motores de turboeje, turbohélice y turbofan. tecnología, es decir, desarrollar los correspondientes motores turbohélice y turbofan basados ​​en un motor turboeje maduro. Por ejemplo, el motor turbohélice AE2100 de Allison se desarrolla sobre la base del "motor de núcleo universal" del motor turboeje T406 producido por Allison, lo que reduce en gran medida los riesgos y costos de desarrollo. Esta se ha convertido en la tendencia general de desarrollo de pequeños motores de turbina de gas en el extranjero. Además, el desarrollo y la producción de motores extranjeros de turboeje/turbohélice tienen planes separados, que son realizados por fabricantes especializados o por pequeños motores de turbina de gas especializados, con equipos de prueba y equipos de producción independientes de los grandes motores de turbina de gas.

Tecnologías clave de los motores turboeje/turbohélice

(1) Compresor combinado

Los motores turboeje/turbohélice requieren compresores con una alta relación de crecimiento de presión total para obtener una alta Eficiencia térmica y potencia específica. A medida que aumenta la relación de presión, la estructura del compresor ha cambiado del flujo axial puro original a un compresor combinado con flujo axial de múltiples etapas y flujo centrífugo de una etapa. Esto se debe principalmente a que, en el caso de los motores turboeje/turbohélice pequeños con relaciones de impulso altas, el aumento de las etapas del compresor de flujo axial hace que el "efecto de tamaño" de la etapa final del compresor sea más evidente, la pérdida de flujo de aire aumenta y el rendimiento aerodinámico disminuye significativamente; y multietapa La gran envergadura del rotor del compresor de flujo axial también traerá dificultades en la dinámica del rotor. Dado que la estructura del rotor del compresor centrífugo tiene mejor rigidez y mayor resistencia a objetos extraños, el efecto del tamaño tiene poco impacto en el compresor centrífugo, lo que es beneficioso para reemplazar el compresor de flujo axial posterior. En el caso de tamaños extremadamente pequeños se debe utilizar un sistema de compresor totalmente centrífugo.

(2) Cámara de combustión

A medida que los motores turboeje se desarrollan hasta la tercera y cuarta generación, la mayoría de las cámaras de combustión utilizan cámaras de combustión anulares de flujo de retorno. A medida que el rendimiento de los motores turboeje continúa mejorando, es necesario que la temperatura de entrada a la cámara de combustión y el aumento de temperatura a través de la cámara de combustión aumenten en consecuencia. A medida que la temperatura del gas caliente se acerca al límite de temperatura del material de la turbina, mantener una combustión uniforme es particularmente importante. Por lo tanto, es necesario adoptar nuevas boquillas de combustible con coeficientes de relación de reducción grandes para obtener coeficientes de distribución de temperatura circunferencial y radial uniformes. Una temperatura de combustión más alta y una radiación de calor a alta presión más alta harán que el tubo de llama de la cámara de combustión soporte una mayor carga de calor. Al mismo tiempo, a medida que se utiliza más flujo de aire para la combustión y menos flujo de aire para enfriar, el aumento en la temperatura del flujo de aire de entrada reduce la capacidad de absorción de calor del flujo de aire de enfriamiento, lo que hace que la tecnología tradicional de enfriamiento por tubo de llama ya no sea efectiva. La máxima prioridad es mejorar la refrigeración del tubo de llama e investigar materiales más resistentes al calor. En los últimos años, los países extranjeros se han centrado en investigar nuevas boquillas y mejorar el enfriamiento del tubo de llama para mejorar el rendimiento de la cámara de combustión de los pequeños motores de turbina de gas. Además, este artículo también presenta la dirección de desarrollo de las nuevas cámaras de combustión, es decir, el uso de rotores de primera ola para reemplazar las cámaras de combustión tradicionales.

(3) Turbina

Hay dos formas principales de aumentar la temperatura de entrada a la turbina de un motor turboeje: una es buscar materiales resistentes a altas temperaturas y la otra es utilizar turbina; tecnología de refrigeración. En cuanto al uso de nuevos materiales, se han utilizado ampliamente los materiales monocristalinos. El siguiente paso es estudiar recubrimientos metálicos y cerámicos que eviten la oxidación y la corrosión. En términos de tecnología de refrigeración, los motores turboeje de cuarta generación T800-LHT-800 y MTR390, que representan el nivel más alto de motores turboeje, utilizan álabes monocristalinos de dos etapas refrigerados por aire y álabes transónicos de una etapa refrigerados por aire en sus turbinas generadoras de gas respectivamente. Se puede ver que las palas de turbina refrigeradas por aire utilizadas en motores turboeje de alta potencia como T700 y RTM322 se han utilizado en el diseño de turbinas de motores turboeje de potencia media, y la temperatura de entrada de la turbina ha aumentado a más de 1480K K. Sin embargo, debido a que la potencia generada por el motor turboeje es relativamente pequeña, el flujo de aire requerido es pequeño y la velocidad axial del flujo de aire de admisión no es muy diferente de la de un motor grande, por lo que el área de la sección transversal del El canal de flujo es correspondientemente más pequeño, lo que resulta en una longitud más corta de las palas del estator y del rotor. Esto dificulta que las turbinas utilicen palas enfriadas por aire. Actualmente se están llevando a cabo en el extranjero investigaciones preliminares sobre turbinas de vapor radiales refrigeradas por aire. En comparación con las turbinas de flujo axial, las turbinas de flujo radial tienen un menor flujo de gas de refrigeración y fugas, son más eficientes y están dimensionadas para motores de turbina de gas pequeños.

(4) Dinámica del rotor de alta velocidad

Para un motor turboeje con un sistema de eje de rotor concéntrico y un eje de salida de potencia hacia adelante, el eje de la turbina de potencia debe pasar a través de la cavidad interior de el rotor del generador de gas y se extiende hasta la parte delantera del motor, por lo que la distancia entre los soportes del eje de la turbina de potencia es mayor y el diámetro del eje es menor. Los primeros motores de turboeje (como el motor T53) tenían relaciones de presión pequeñas y velocidades de rotación bajas, y los ejes de sus turbinas de potencia todavía funcionaban en un estado subcrítico. Es probable que la velocidad de funcionamiento del sistema de eje del rotor de los modernos motores turboeje pequeños y medianos de alta velocidad y relación de presión se acerque o supere la velocidad crítica, y algunos incluso superen la velocidad crítica de tercer orden. Cuando la velocidad del motor es alta, se requiere que la amplitud de vibración del rotor sea pequeña, lo que dificulta mucho el problema de la dinámica del rotor. Los sistemas de soporte de rotor supercrítico se utilizan a menudo para hacer que el sistema de soporte del rotor funcione de manera estable por encima de la velocidad crítica de cada modo de vibración del cuerpo rígido, pero por debajo de la velocidad crítica, el eje del rotor sufre una deformación por flexión sustancial.

La selección razonable del esquema de soporte del rotor, el control estricto de las dimensiones axiales del rotor, el uso correcto de soportes elásticos y amortiguadores y la selección razonable de materiales afectan directamente las características dinámicas del sistema de soporte del rotor.

(5) Separador de partículas

Debido a que los helicópteros se utilizan a menudo en lugares con duras condiciones de aterrizaje, los rotores pueden aspirar fácilmente una gran cantidad de polvo y partículas al volar y flotar a ultra -cotas bajas. Una vez que estas impurezas son absorbidas por el motor, corroerán el compresor, lo que provocará una reducción del rendimiento o del margen de sobretensión del compresor, o incluso una reparación temprana. Además, dañará las palas, dañará el motor y provocará accidentes de vuelo. Por lo tanto, para garantizar el funcionamiento seguro y confiable del motor turboeje, se debe utilizar un dispositivo de purificación del aire de admisión. Los dispositivos de purificación del aire de admisión se pueden dividir en dos tipos: filtros de bloqueo y separadores de partículas inerciales. Debido a la baja eficiencia de separación y la alta pérdida de energía del equipo, los filtros bloqueados han sido reemplazados por separadores de partículas inerciales que son más adecuados para la eliminación del polvo de admisión de motores turboeje. En la actualidad, los separadores de partículas inerciales han evolucionado desde una parte integral del primer motor (como el motor T700 del helicóptero Black Hawk) hasta fuera del helicóptero, como el separador externo de partículas de aire (EAPS) Apache AH-64. Los experimentos muestran que con una pérdida de energía inferior al 3%, la eficiencia de eliminación de arena del EAPS supera el 90%, lo que refleja mejor los requisitos de diseño actuales para los separadores de partículas: sobre la base de cumplir con el rendimiento mínimo específico de la aeronave, en la medida de lo posible Tecnología de separación nivel. El motor turboeje T800 de cuarta generación utiliza un separador de partículas de admisión integrado pero separable, con la mayor eficiencia de separación de la industria. A través de la prueba de arena fina clase C en el banco de pruebas, se demostró que la eficiencia de separación llega al 97%.

(6) Supresor de infrarrojos

Con el rápido desarrollo de la optoelectrónica en el siglo XX, la tecnología de imágenes infrarrojas desarrollada puede identificar objetivos a largas distancias, es decir, mediante el seguimiento de las señales infrarrojas. emitido por aviones para destruir aviones, lo que hace que la tecnología de supresión de infrarrojos sea importante. El motor es la mayor fuente de radiación infrarroja para los helicópteros y también es el principal objetivo de seguimiento de los misiles infrarrojos. Por lo tanto, es necesario instalar un supresor de infrarrojos en el motor para reducir la temperatura de las partes calientes del motor y el flujo de calor del escape. Por ejemplo, usar deflectores aislantes del calor en la boquilla de cola para bloquear o proteger la radiación infrarroja, usar boquillas de cola de forma especial para cambiar la longitud de onda de infrarrojos y desafinar el detector de infrarrojos usando filtración por chorro para cambiar su longitud de onda de radiación usando detectores bidimensionales; con secciones transversales no circulares. La boquilla se utiliza para filtrar el 90% de la radiación infrarroja. En la actualidad, los supresores de infrarrojos utilizan principalmente el principio de inyección para inyectar el aire frío circundante en la llama de la cola de alta temperatura para diluir la concentración de dióxido de carbono y reducir significativamente la radiación infrarroja de la llama de la cola de escape. El helicóptero armado estadounidense AH-64 está equipado con radiadores de infrarrojos y tres dispositivos de supresión de chorros rectangulares. Después de instalar este dispositivo de supresión, en comparación con el uso de un ventilador de refrigeración para enfriar la fuente de calor del motor, el peso de la aeronave se reduce en 182 kg y la velocidad de ascenso vertical aumenta en 76 m/min. La señal infrarroja es sólo el 6% de la que no tiene dispositivo de supresión, mientras que la señal infrarroja del flujo de calor del escape es el 10%. Aplicaciones e impacto:

Los motores turboeje/turbohélice incluyen helicópteros de ataque ligero/antitanque, helicópteros armados especiales, aviones de transporte táctico, aviones de ataque antisubmarinos, aviones de patrulla fronteriza, aviones de ataque ligero y aviones de entrenamiento primario.