Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

106

Турбовинтовым двигателем (ТВД) называется газотурбинный

авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность,

большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощ-

ности используется для вращения воздушного винта. Тяга у ТВД соз-

дается, главным образом, воздушным винтом (до 90 %) и лишь незна-

чительно за счет реакции газовой струи.

Рис. 8.3. Турбовинтовой двигатель: 1 – воздушный винт; 2 – редуктор; 3 – ком-

прессор; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – выходное устройство

В современных турбовинтовых двигателях сила тяги, получаемая

только за счет реакции вытекающей из двигателя газовой струи, со-

ставляет 10—20 % суммарной силы тяги.

В турбовинтовых двигателях применяются многоступенчатые

турбины (число ступеней от 2 до 6), что диктуется необходимостью

перерабатывать на турбине ТВД большие тепловые перепады, чем на

турбине ТРД. Кроме того, применение многоступенчатой турбины

позволяет снизить ее обороты и, следовательно, габариты и вес редук-

тора.

Турбовинтовой двигатель состоит из тех же узлов и агрегатов, что

и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на турбовинтовом дви-

гателе дополнительно установлены воздушный винт и редуктор. Для

получения максимальной мощности двигателя турбина должна разви-

вать большие обороты (до 20 000 об/мин). Если с этой же скоростью

будет вращаться воздушный винт, то КПД последнего будет крайне

низким, так как наибольшего значения КПД винта на расчетных режи-

мах полета достигает при 750–1500 об/мин. Для уменьшения оборотов

воздушного винта по сравнению с оборотами газовой турбины в тур-

бовинтовом двигателе устанавливается редуктор.

На двигателях большой мощности иногда используют два винта,

вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воз-

душных винтов обеспечивает один редуктор. В некоторых турбовин-

товых двигателях компрессор приводится во вращение одной турби-

ной, а воздушный винт – другой. Это создает благоприятные условия

для регулирования двигателя.

107

Рабочий процесс ТВД также аналогичен рабочему процессу ТРД.

Так же, как и в ТРД, воздушный поток, предварительно сжатый во

входном устройстве, подвергается основному сжатию в компрессоре и

далее поступает в камеру сгорания, в которую одновременно через

форсунки впрыскивается топливо. Образовавшиеся в результате сго-

рания топливовоздушной смеси газы обладают высокой потенциаль-

ной энергией. Они устремляются в газовую турбину, где, почти полно-

стью расширяясь, производят работу, которая затем передается ком-

прессору, воздушному винту и приводам агрегатов. За турбиной дав-

ление газа практически равно атмосферному.

8.4. Турбореактивные двухконтурные двигатели

Стремление повысить тяговый коэффициент полезного действия

ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию

турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД). В отличие от

ТРД обычной схемы в ТРДД (рис. 8.4) газовая турбина приводит во

вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов)

низконапорный компрессор, называемый иначе вентилятором второго

контура.

Привод вентилятора второго контура ТРДД может осуществляться

и от отдельной турбины, располагаемой за турбиной компрессора.

Первый (внутренний) контур ТРДД представляет собой схему обычно-

го ТРД. Вторым (внешним) контуром является кольцевой канал с рас-

положенным в нем вентилятором. Поэтому двухконтурные турбореак-

тивные двигатели называют иногда турбовентиляторными.

Работа ТРДД происходит следующим образом. Набегающий на

двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник и далее, од-

на часть воздуха проходит через компрессор высокого давления перво-

го контура, другая – через лопатки вентилятора (компрессора низкого

давления) второго контура.

Рис. 8.4. Турбореактивный двухконтурный двигатель: 1 – входное устройство;

2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгора-

ния; 5 – турбина; 6 – выходное устройство внешнего контура; 7 – выходное устройство

внутреннего конура

108

Так как схема первого контура представляет собой обычную схему

ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему про-

цессу в ТРД. Действие вентилятора второго контура подобно дейст-

вию многолопастного воздушного винта, вращающегося в кольцевом

канале. Благодаря наличию второго контура в ТРДД масса воздуха,

вытекающая из него с малой скоростью, смешивается с газовым пото-

ком, выходящим из первого контура, и тем самым общая скорость га-

зовоздушного потока снижается, приближаясь к скорости полета са-

молета.

Таким образом, чем больше степень двухконтурности ТРДД, тем

меньше скорость истечения газа из выходного устройства и тем выше

тяговый коэффициент полезного действия.

Это очень важное преимущество ТРДД перед ТРД, применяемых

на самолетах, предназначенных для полетов с дозвуковыми скоростя-

ми.

ТРДД могут найти применение и на сверхзвуковых летательных

аппаратах, но в этом случае для увеличения их тяги необходимо пре-

дусматривать сжигание топлива во втором контуре. Для быстрого уве-

личения (форсирования) тяги ТРДД иногда осуществляется сжигание

дополнительного топлива либо в воздушном потоке второго контура,

либо за турбиной первого контура. При сжигании дополнительного

топлива во втором контуре необходимо увеличивать площадь его ре-

активного сопла для сохранения неизменными режимов работы обоих

контуров. При несоблюдении этого условия расход воздуха через вен-

тилятор второго контура уменьшится вследствие повышения темпера-

туры газа между вентилятором и реактивным соплом второго контура.

Это повлечет за собой снижение потребной мощности для вращения

вентилятора. Тогда, чтобы сохранить прежние числа оборотов двига-

теля, придется в первом контуре снизить температуру газа перед тур-

биной, а это приведет к уменьшению тяги в первом контуре.

Повышение суммарной тяги будет недостаточным, а в некоторых

случаях суммарная тяга форсированного двигателя может оказаться

меньше суммарной тяги обычного ТРДД. Кроме того, форсирование

тяги связано с большими удельными расходами топлива. Все эти об-

стоятельства ограничивают применение данного способа увеличения

тяги. Однако форсирование тяги ТРДД может найти широкое приме-

нение при сверхзвуковых скоростях полета.

8.5. Турборакетные двигатели

Турбина турборакетного двигателя (ТРкД), приводящая в движе-

ние компрессор, работает от газогенератора, представляющего собой

109

ракетный двигатель на жидком топливе (рис. 8.5). Характеристики

такого двигателя типичны для ТРД, разновидностью которого его

можно считать.

Рис. 8.5. Турборакетный двигатель

8.6. Турбореактивные двигатели

Турбореактивный двигатель (ТРД) состоит из входного устройст-

ва, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного уст-

ройства (рис. 8.6).

Входное устройство предназначено для подвода воздуха к ком-

прессору двигателя. В зависимости от расположения двигателя на са-

молете оно может входить в конструкцию самолета или в конструк-

цию двигателя. Входное устройство способствует повышению давле-

ния воздуха перед компрессором.

Компрессор ТРД. Дальнейшее повышение давления воздуха про-

исходит в компрессоре.

В турбореактивных двигателях применяются центробежные и осе-

вые компрессоры.

Рис. 8.6. Турбореактивный двигатель: 1 – входное устройство; 2 – компрессор;

3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – выходное устройство

В осевом компрессоре при вращении ротора рабочие лопатки, воз-

действуя на воздух, закручивают его и заставляют двигаться вдоль оси

в сторону выхода из компрессора. В центробежном компрессоре при

110

вращении рабочего колеса воздух увлекается лопатками и под дейст-

вием центробежных сил движется к периферии. Наиболее широкое

применение в современной авиации нашли двигатели с осевым ком-

прессором. Осевой компрессор включает в себя ротор (вращающаяся

часть) и статор (неподвижная часть), к которому крепится входное

устройство. Иногда во входных устройствах устанавливаются защит-

ные сетки, предотвращающие попадание в компрессор посторонних

предметов, которые могут привести к повреждению лопаток. Ротор

компрессора состоит из нескольких рядов профилированных рабочих

лопаток, расположенных по окружности и последовательно чередую-

щихся вдоль оси вращения. Роторы подразделяют на барабанные, дис-

ковые и барабанно-дисковые. Статор компрессора состоит из кольце-

вого набора профилированных лопаток, закрепленных в корпусе. Ряд

неподвижных лопаток, называемых спрямляющим аппаратом, в сово-

купности с рядом рабочих лопаток называется ступенью компрессора.

В современных авиационных турбореактивных двигателях применя-

ются многоступенчатые компрессоры, увеличивающие эффективность

процесса сжатия воздуха. Ступени компрессора согласуются между

собой таким образом, чтобы воздух на выходе из одной ступени плав-

но обтекал лопатки следующей ступени. Нужное направление воздуха

в следующую ступень обеспечивает спрямляющий аппарат. Для этой

же цели служит и направляющий аппарат, устанавливаемый перед

компрессором. В некоторых конструкциях двигателей направляющий

аппарат может отсутствовать.

Камера сгорания ТРД. Одним из основных элементов турбореак-

тивного двигателя является камера сгорания, расположенная за ком-

прессором. В конструктивном отношении камеры сгорания выполня-

ются трубчатыми, кольцевыми и трубчато-кольцевыми.

Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания состоит из жаровой

трубы и наружного кожуха, соединенных между собой стаканами под-

вески. В передней части камеры сгорания устанавливаются топливные

форсунки и завихритель, служащий для стабилизации пламени. На

жаровой трубе имеются отверстия для подвода воздуха, предотвра-

щающего перегрев жаровой трубы. Поджигание топливно-воздушной

смеси в жаровых трубах осуществляется специальными запальными

устройствами, устанавливаемыми на отдельных камерах. Между собой

жаровые трубы соединяются патрубками, которые обеспечивают под-

жигание смеси во всех камерах. Кольцевая камера сгорания выполня-

ется в форме кольцевой полости, образованной наружным и внутрен-

ним кожухами камеры. В передней части кольцевого канала устанав-

ливается кольцевая жаровая труба, а в носовой части жаровой трубы–

111

завихрители и форсунки. Трубчато-кольцевая камера сгорания состоит

из наружного и внутреннего кожухов, образующих кольцевое про-

странство, внутри которого размещаются индивидуальные жаровые

трубы.

Газовая турбина ТРД. Для привода компрессора ТРД служит га-

зовая турбина. В современных двигателях газовые турбины выполня-

ются осевыми.

Газовые турбины могут быть одноступенчатыми и многоступенча-

тыми (до шести ступеней). К основным узлам турбины относятся со-

пловые (направляющие) аппараты и рабочие колеса, состоящие из

дисков и расположенных на их ободах рабочих лопаток. Рабочие коле-

са крепятся к валу турбины и образуют вместе с ним ротор. Сопловые

аппараты располагаются перед рабочими лопатками каждого диска.

Совокупность неподвижного соплового аппарата и диска с рабочими

лопатками называется ступенью турбины. Рабочие лопатки крепятся к

диску турбины при помощи елочного замка.

Выпускное устройство состоит из выпускной трубы внутреннего

конуса, стойки и реактивного сопла. В некоторых случаях из условий

компоновки двигателя на самолете между выпускной трубой и реак-

тивным соплом устанавливается удлинительная труба. Реактивные

сопла могут быть с регулируемым и нерегулируемым выходными се-

чениями. В отличие от поршневого двигателя рабочий процесс в газо-

турбинных двигателях не разделен на отдельные такты, а протекает

непрерывно.

Принцип работы турбореактивного двигателя. В полете воз-

душный поток, набегающий на двигатель, проходит через входное

устройство в компрессор. Во входном устройстве происходит предва-

рительное сжатие воздуха и частичное преобразование кинетической

энергии движущегося воздушного потока в потенциальную энергию

давления. Более значительному сжатию воздух подвергается в ком-

прессоре. В турбореактивных двигателях с осевым компрессором при

быстром вращении ротора лопатки компрессора подобно лопастям

вентилятора прогоняют воздух в сторону камеры сгорания. В установ-

ленных за рабочими колесами каждой ступени компрессора спрям-

ляющих аппаратах вследствие диффузорной формы межлопаточных

каналов происходит преобразование приобретенной в колесе кинети-

ческой энергии потока в потенциальную энергию давления. В двигате-

лях с центробежным компрессором сжатие воздуха происходит за счет

воздействия центробежной силы. Воздух, входя в компрессор, подхва-

тывается лопатк быстро вращающейся крыльчатки и под действием

центробежной силы отбрасывается от центра к окружности колеса

112

компрессора. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем большее давле-

ние создается компрессором.

Благодаря компрессору ТРД могут создавать тягу при работе на

месте. Воздух, сжатый во входном устройстве и компрессоре, далее

поступает в камеру сгорания, разделяясь на два потока. Одна часть

воздуха (первичный воздух), составляющая 25 – 35 % от общего рас-

хода воздуха, направляется непосредственно в жаровую трубу, где

происходит основной процесс сгорания.

Другая часть воздуха (вторичный воздух) обтекает наружные по-

лости камеры сгорания, охлаждая последнюю, и на выходе из камеры

смешивается с продуктами сгорания, уменьшая температуру газовоз-

душного потока до величины, определяемой жаропрочностью лопаток

турбины. Незначительная часть вторичного воздуха через боковые

отверстия жаровой трубы проникает в зону горения.

Таким образом, в камере сгорания происходит образование топ-

ливно-воздушной смеси путем распыливания топлива через форсунки

и смешения его с первичным воздухом, горение смеси и смешение

продуктов сгорания со вторичным воздухом.

При запуске двигателя зажигание смеси осуществляется специ-

альным запальным устройством, а при дальнейшей работе двигателя

топливно-воздушная смесь поджигается уже имеющимся факелом

пламени. Образовавшийся в камере сгорания газовый поток, обла-

дающий высокой температурой и давлением, устремляется на турбину

через суживающийся сопловой аппарат.

В каналах соплового аппарата скорость газа резко возрастает до

450—500 м/с, и происходит частичное преобразование тепловой (по-

тенциальной) энергии в кинетическую.

Газы из соплового аппарата попадают на лопатки турбины, где

кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу вра-

щения турбины. Лопатки турбины, вращаясь вместе с дисками, вра-

щают вал двигателя и тем самым обеспечивается работа компрессора.

В рабочих лопатках турбины может происходить либо только

процесс преобразования кинетической энергии газа в механическую

работу вращения турбины, либо еще и дальнейшее расширение газа с

увеличением его скорости.

В первом случае газовая турбина называется активной, во втором

– реактивной.

Во втором случае лопатки турбины, помимо активного воздейст-

вия набегающей газовой струи, испытывают и реактивное воздействие

за счет ускорения газового потока.

113

Окончательное расширение газа происходит в выходном устрой-

стве двигателя (реактивном сопле). Здесь давление газового потока

уменьшается, а скорость возрастает до 660–650 м/с (в земных услови-

ях).

Таким образом, потенциальная энергия продуктов сгорания в дви-

гателе преобразуется в кинетическую энергию в процессе расширения

(в турбине и выходном сопле). Часть кинетической энергии при этом

идет на вращение турбины, которая, в свою очередь, вращает компрес-

сор, другая часть – на ускорение газового потока (на создание реак-

тивной тяги).

8.7. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД)

Существуют три основных типа прямоточных воздушно-

реактивных двигателей (ПВРД), использующих химическую энергию:

1) «дозвуковой» ПВРД (рис. 8.7) для дозвуковых и малых сверх-

звуковых скоростей полета (М < 1,5–2,0);

2) ПВРД для работы на умеренных сверхзвуковых скоростях

(СПВРД) (М < 5,0–7,0), (рис. 8.8);

3) двигатель для работы на больших сверхзвуковых (гиперзвуко-

вых) скоростях (ГПВРД) (М > 5,0–7,0), (рис. 8.9).

Рис. 8.7. «Дозвуковой» ПВРД для дозвуковых и малых сверхзвуковых скоро-

стей полета (М < 1,5–2,0)

Рис. 8.8. ПВРД для работы на умеренных сверхзвуковых скоростях (СПВРД)

(М < 5,0–7,0)

114

Рис. 8.9. Двигатель для работы на больших сверхзвуковых (гиперзвуковых)

скоростях (ГПВРД) (М > 5,0–7,0)

Все три типа двигателей состоят из трех обязательных элементов:

диффузора, камеры сгорания и сопла.

Диффузор служит для повышения статического давления движу-

щегося относительно его поверхности воздуха при его торможении.

Диффузор «дозвукового» ПВРД представляет собой расширяю-

щийся канал, где при отсутствии отрыва потока от стенок уменьшается

скорость потока и соответственно повышается статическое давление.

Если такой диффузор работает на сверхзвуковой скорости (М > 1,0), то

торможение воздуха на нормальных режимах работы диффузора про-

исходит также и в прямом скачке, находящемся либо впереди входа,

либо в его плоскости.

В диффузоре СПВРД торможение воздуха происходит в системе

скачков, определяемой геометрией иглы диффузора и числом М, а за-

тем после перехода к дозвуковому течению – в расширяющейся части

канала. При оптимальном режиме работы диффузора переход к дозву-

ковой скорости в рабочем диапазоне числа М, как правило, совершает-

ся в районе горла диффузора.

Диффузор ГПВРД характеризуется тем, что торможение потока

происходит по существу только при обтекании иглы диффузора, ско-

рость потока после торможения остается сверхзвуковой, «дозвуковая»

расширяющаяся часть отсутствует. Камера сгорания является элемен-

том двигателя, в котором выделяется тепло с соответствующим повы-

шением температуры рабочего тела. Выделение тепла происходит за

счет химических реакций, где окислителем является кислород воздуха,

а горючим – химическое соединение (топливо), находящееся на борту

летательного аппарата.

115

Любая камера сгорания ПВРД с дозвуковой скоростью потока вы-

полнена из типичных элементов. К таким элементам относится фор-

сажная камера (форкамера) – устройство, обеспечивающее мощный

пламенный источник поджигания основного количества горючей сме-

си (форсаж – усиление, ускорение). Для обеспечения устойчивой ра-

боты, сокращения длины камеры применяются стабилизирующие уст-

ройства, представляющие собой плохо обтекаемые тела – отдельные

конусы, кольца из углового профиля. Зона обратных потоков, обра-

зующаяся за стабилизаторами, обеспечивает необходимую устойчи-

вость работы камеры сгорания. Смесеобразование достигается с по-

мощью топливного коллектора, представляющего собой кольцо, вы-

полненное из трубки круглого или эллиптического сечения, в которое

подается горючее. Горючее попадает в камеру сгорания через форсун-

ки, установленные на кольце коллектора. Подача горючего может

осуществляться как против потока, так и по его направлению. Коллек-

тор устанавливается на небольшом расстоянии перед каждым стабили-

затором.

Камера сгорания ГПВРД не может быть выполнена, как камера

сгорания "дозвукового" ПВРД или СПВРД, так как всякое загромож-

дение сечения при числе М > 1,0 потока приведет к образованию силь-

ных возмущений с переходом сверхзвукового потока в дозвуковой.

Поэтому камера сгорания ГПВРД представляет собой свободный ка-

нал, подача горючего в который происходит со стенок и рассредоточе-

на по длине. Воспламенение горючей смеси может достигаться за счет

высокой температуры в потоке или пристеночном пограничном слое.

Не исключено поджигание горючего специально организованными

"факельными" источниками, которые могут быть образованы при ис-

течении продуктов сгорания твердого топлива в специальном газоге-

нераторе. Возможно также создание специальных горелок с подачей в

них жидкого горючего и окислителя и образование дежурного факела,

который может действовать без ограничения времени работы. Процесс

сгорания топлива в камере сгорания ГПВРД может осуществляться с

использованием детонационного горения. Резкий подъем давления и

температуры в скачке ускоряет воспламенение и горение топлива.

Назначение сопла ПВРД, так же как и в ракетном двигателе, явля-

ется достижение максимально возможного статического давления в

камере сгорания (что достигается подбором соответствующего значе-

ния критического сечения сопла), преобразование избыточного давле-

ния в кинетическую энергию истекающих газов, если давление в каме-

ре больше давления в окружающей среде. На ПВРД возможно исполь-

зование регулируемого сопла, что способствует работе двигателя с