Что означает «Температура газа перед турбиной»
Температура газа, выходящего из камеры сгорания и поступающего на первую ступень турбины, один из главных ограничителей мощности двигателя.
- Обозначение
- TIT, Tг*
- Современные двигатели
- около 1600–1800 K и выше
- Предел сплавов
- около 1300–1400 K без охлаждения
- Решение
- охлаждаемые монокристаллические лопатки
Почему температура так важна
Чем горячее газ перед турбиной, тем больше энергии он отдаёт при расширении, и тем большую тягу даёт двигатель того же размера. Для военных двигателей высокая температура означает компактность и тягу, для гражданских — экономичность при высокой степени сжатия. Однако рабочая температура ограничена прочностью материалов: лопатки первой ступени турбины вращаются с огромной частотой, испытывая и высокие нагрузки, и жар, превышающий температуру плавления материала, из которого они сделаны.
Парадокс разрешается охлаждением. Внутри лопатки выполняют сложную сеть каналов, куда подают воздух, отобранный от компрессора, и он выходит через мельчайшие отверстия, образуя на поверхности защитную плёнку. Благодаря этому металл остаётся значительно холоднее окружающего газа.
Три направления прогресса
Рост температуры за 80 лет шёл сразу по трём линиям, и каждая давала примерно равный вклад. Первая — совершенствование сплавов на никелевой основе, вторая — технологии литья, третья — охлаждение. Современные лопатки отливают как единый монокристалл, в котором нет границ зёрен, по которым металл деформируется при ползучести. Сверху наносят керамическое теплозащитное покрытие толщиной в десятые доли миллиметра.
- Деформируемые сплавы 1940-х: допускали температуры порядка 1000 K.
- Литые сплавы с направленной кристаллизацией.
- Монокристаллические лопатки без границ зёрен.
- Внутреннее конвективное и плёночное охлаждение.
- Керамические теплозащитные покрытия.
Как температуру измеряют и ограничивают
Прямой замер на входе в турбину затруднён, поэтому на практике измеряют температуру газа за турбиной (EGT) термопарами и по ней судят о тепловом состоянии двигателя. Превышение предела вызывает ускоренный износ, а длительное — разрушение лопаток. На взлёте температура максимальна, поэтому её контролируют и ограничивают по времени, обычно пятью минутами. Система FADEC следит за этим автоматически.
| Эпоха | Температура перед турбиной | Способ |
|---|---|---|
| 1940-е | около 1000 K | массивные лопатки без охлаждения |
| 1960-е | около 1300 K | начало охлаждения |
| 1990-е | около 1600 K | монокристаллы, плёночное охлаждение |
| 2010–20-е | 1700–1900 K | покрытия, продвинутое охлаждение |
Цена горячего газа
Чем выше температура, тем больше расходы на обслуживание: горячая секция двигателя — самая дорогая и изнашиваемая часть. Эксплуатанты в жарком климате и на высокогорных аэродромах чаще сталкиваются с исчерпанием запаса по температуре, и двигатели приходится снимать для ремонта раньше. Это одна из причин, почему на взлёте нередко используют сниженную тягу.
Горячий пуск — ситуация, когда температура при запуске быстро растёт выше допустимой. Экипаж прекращает запуск по процедуре, а двигатель подлежит осмотру.