Классификация реактивных двигателей

Реактивные двигатели – это двигатели внутреннего сгорания, в которых химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из двигателя, а получающаяся при этом сила реакции используется непосредственно как движущая сила – тяга.

Классификация существующих реактивных двигателей приведена на
рис. 2.2.

Рис. 2.2. Классификация реактивных двигателей

1. Ракетные двигатели – это реактивные двигатели, использующие только вещества и источники энергии, находящиеся на перемещающемся аппарате.

2. Воздушно-реактивные двигатели – это реактивные двигатели, в которых атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а кислород, находящийся в воздухе, – как окислитель горючего.

Ракетные двигатели делятся на:

– жидкостные ракетные двигатели (ЖРД);

– ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ);

– комбинированные двигательные установки (КДУ), включающие в себя как ЖРД, так и РДТТ.

Комбинированные двигатели имеют гибридные схемы, составленные из нескольких базовых схем реактивных двигателей, и делятся на:

– турбопрямоточные двигатели (ТПД);

– ракетно-прямоточные двигатели (РПД);

– ракетно-турбинные двигатели (РТД).

Воздушно-реактивные двигатели делятся на:

бескомпрессорные:

– прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);

– пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД).

компрессорные:

ВРД прямой реакции:

– турбореактивные двигатели (ТРД);

– турбореактивные двигатели с форсажной камерой (ТРДФ);

– турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД);

– турбореактивные двухконтурные двигатели с форсажной камерой (ТРДДФ);

ВРД непрямой реакции:

– турбовальные двигатели (ТВаД).

ВРД комбинированной реакции:

– турбовинтовые двигатели (ТВД);

Принцип работы турбореактивного

Двигателя (ТРД)

Преимущества ТРД перед поршневой СУ

ТРД является двигателем прямой реакции, то есть он сочетает в себе тепловую машину и движитель. Это обуславливает следующие преимущества ТРД перед поршневой СУ:

– меньшее снижение тяги с ростом скорости полета;

– меньшие габариты и вес при одинаковой развиваемой мощности;

– отсутствие необходимости в специальном движителе (ВВ);

– возможность отбрасывать (пропускать через себя) большие массы воздуха при небольших габаритах;

– процесс горения непрерывный, что снимает ударные нагрузки на элементы двигателя;

– отсутствие кривошипно-шатунного механизма (КШМ), что позволяет снизить механические потери;

– возможность точной балансировки ротора, позволяющая получать высокие частоты вращения ротора n, следовательно – большую тягу R

Принцип создания тяги ТРД

Принцип создания тяги ТРД основан на увеличении количества движения рабочего тела, проходящего по тракту двигателя. На входе в двигатель (сечение 0-0) (рис. 2.3) секундное количество движения рабочего тела – М_вV, на выходе (сечение с-с) – М_гс_с где М_в и М_г – секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0-0) и выходное (с-с) сечения ТРД соответственно.

Рис. 2.3. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД

М_г = М_в + М_т – М_в.отб, (2.3)

где М_т – секундный массовый расход топлива поступающего в камеру сгорания; М_в.отб – масса воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двигателя и другие цели.

Так как М_г ≈ М_в, а с_с > V, то М_г с_с > М_вV, тогда тяга ТРД

R = М_гс_с – М_вV = М_в(с_с – V). (2.4)

Величина R является тягой, определенной по внутренним параметрам ТРД. Часть этой тяги тратится на преодоление внешнего сопротивления ТРД с мотогондолой Х_вн, оставшаяся часть R_эф (эффективная тяга) расходуется на совершение полезной тяговой работы (увеличение скорости полета V)

R_эф = R – Х_вн (2.5)

Из формулы 2.4 видно, что при V = 0 тяга имеет максимальное значение М_в с_с. При увеличении скорости полета все большая часть кинетической энергии истекающей струи газа превращается в полезную тяговую работу по увеличению скорости полета и величина избыточной тяги R уменьшается . При достижении скорости полета V = с_с вся превратится в полезную тяговую работу, и дальнейшее увеличение скорости полета станет невозможным (R = 0). Скорость V = с_с называется скоростью «вырождения ТРД». Однако необходимо помнить, что на полезную тяговую работу тратится только полезная (эффективная) часть тяги R_эф = R – Х_вн. Из этого следует, что скорость полета всегда меньше скорости истечения газа из сопла и скорость «вырождения ТРД» достижима только теоретически при полном отсутствии силы аэродинамического сопротивления Х.

2.3.3. Энергетические превращения и изменение параметров

рабочего тела по тракту ТРД

ТРД состоит из следующих основных узлов (см. рис.2.3):

– воздухозаборник (ВЗ);

– осевой (центробежного, комбинированного) компрессор (ОК);

– камера сгорания (КС);

– газовая турбина (ГТ);

– реактивное сопло (РС).

ОК + КС + ГТ составляют газогенератор, формирующий сжатый и нагретый газ, способный совершить полезную работу при расширении.

Характерные сечения ТРД между узлами ТРД принято обозначать как:

н-н – сечение невозмущенного потока;

0-0 – сечение на входе в воздухозаборник;

вх-вх – сечение на входе в компрессор (собственно на входе в ТРД);

к-к – сечение на выходе из компрессора и входе в камеру сгорания;

г-г – сечение на выходе из камеры сгорания и входе в газовую турбину;

т-т – сечение на выходе из газовой турбины и входе в реактивное сопло;

с-с – сечение на выходе из реактивного сопла (выходе из двигателя).

До сечения н-н (см. рис. 2.2) воздушный поток является невозмущенным, то есть температура Т_н и давление р_н воздуха – атмосферные.

От сечения н-н до сечения вх-вх поток воздуха первоначально тормозится в свободно расширяющейся струе газа перед входом в ВЗ от скорости набегающего потока, равной скорости полета V до скорости на входе в ВЗ с₀, определяемой прокачивающей способностью ТРД и зависящей от режима его работы. Затем, торможение продолжается в диффузоре (расширяющемся канале) ВЗ. Скорость потока с уменьшается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия c²/2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, уменьшение кинетической энергии c²/2 приводит к пропорциональному возрастанию энтальпии (потенциальной энергии) i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх-вх до сечения к-к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся рабочих лопаток ОК, которая превращается в потенциальную энергию воздуха. Рост энтальпии влечет за собой возрастание давления и температуры воздуха. Энтальпия растет в основном за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно. Необходимость некоторого снижения скорости потока в ОК объясняется следующими соображениями. Так как расход воздуха через все сечения ОК постоянный (М_в = const), а его объем при движении вдоль тракта компрессора уменьшается за счет существенного увеличения плотности ρ при сжатии, то для сохранения неразрывности потока (постоянства расхода) необходимо пропорционально уменьшать площадь проходного сечения ОК F . В компрессоре с большой степенью повышения давления, площадь в выходном сечении F_к, а следовательно, высота рабочих лопаток h_к становится очень маленькой, что усложняет технологию изготовление таких лопаток и приводит к росту потерь энергии. Для замедления темпа падения величины площади F, а следовательно, темпа уменьшения h_к, рост плотности ρ частично компенсируют снижением скорости с .

От сечения к-к до сечения г-г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q_КС, выделяющаяся при сжигании в КС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина. Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, вследствие роста скорости потока при увеличении объема газа из-за его нагрева (роста температуры). Энтальпия резко возрастает за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г-г до сечения т-т рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ГТ, совершая полезную внешнюю работу. То есть часть энтальпии превращается в крутящий момент, называемый располагаемым моментом М_расп, на валу ГТ, который необходим для привода ОК (благодаря ОК ТРД может создавать тягу при
V = 0) и дополнительных агрегатов (топливных, масляных и гидравлических насосов, электрогенераторов и т.п.). При этом уменьшается давление и температура газа и несколько возрастает скорость потока . Необходимость некоторого роста скорости потока в ГТ объясняется следующими соображениями. Так как расход газа через все сечения ГТ постоянный (М_г = const), а его объем при движении вдоль тракта турбины уменьшается за счет существенного снижения плотности ρ при расширении, то для сохранения неразрывности потока (постоянства расхода) необходимо пропорционально увеличивать площадь проходного сечения ГТ F . Площадь в выходном сечении F_т, а следовательно, высота рабочих лопаток последних ступеней ГТ h_т становится очень большой, что снижает их прочность. Для замедления темпа роста величины площади F, а следовательно, темпа увеличения h_т, падение плотности ρ частично компенсируют увеличением скорости с .

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия воздуха в ступени ОК. Это позволяет одной ступени ГТ вращать несколько ступеней компрессора.

От сечения т-т до сечения с-с происходит расширение рабочего тела (газа) в РС. Так как в РС отсутствует подвод энергии извне и практически отсутствует отвод энергии в окружающую среду, то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть энтальпии превращается в кинетическую энергию истекающей струи газа (создание реактивной тяги R). При этом уменьшается давление и температура газа и значительно возрастает скорость потока .

2.3.4. Вывод формулы для определения тяги ТРД

Тяга ТРД – это результирующая газодинамических сил, действующих на внутренние поверхности двигателя R_д во время его работы – динамическая составляющая тяги), и сил воздействия невозмущенной окружающей среды на внешние поверхности двигателя R_ст – статическая составляющая тяги.

Примем допущения:

– движение рабочего тела внутри двигателя установившееся;

– массовые силы отсутствуют;

– газ невязкий;

– течение газа – осевое;

– силы внешнего аэродинамического сопротивления не учитываются.

Тогда в соответствии с определением

R = R_д + R_ст. (2.6)

А. Статическая составляющая тяги

R_ст = (р_с – р_н)F_c. (2.7)

Рис. 2.4. Распределение внешних сил

Из рис. 2.4. видно, что силы от давления окружающей среды р_н, действующие по внешним границам контура ТРД, в общем случае взаимно уравновешивают друг друга, за исключением среза сопла. Это объясняется тем, что при нерасчетных режимах работы РС давление на срезе р_с может быть как больше, так меньше атмосферного давления р_н.

Сила, равная произведению разности давления на срезе сопла и давления окружающей среды (р_с – р_н) на площадь среза сопла F_c будет действовать в направлении полета, если р_с > р_н (режим недорасширения) и против направления полета, если р_с < р_н (режим перерасширения).

В случае расчетного режима работы сопла (р_с = р_н) статическая составляющая тяги будет равна нулю.

Б. Динамическая составляющая тяги

Для ее определения воспользуемся теоремой импульсов (уравнение Эйлера о количестве движения).

Уравнение Эйлера является следствием второго закона Ньютона:

R_д = ma = m(c_c – V)/Δτ R_д Δτ = m_гс_с – m_вV. (2.8)

Изменение количества движения тела массой m за некоторое время Δτ равно импульсу равнодействующей всех сил, действующих на тело за то же время.

Преобразуем выражение (2.8)

(2.9)

При допущении, что М_г = М_в

R_д = М_в(c_c – V). (2.10)

В. Тяга ТРД

R = М_гс_с – М_вV + F_c(р_с – р_н). (2.11)

При расчетном режиме работы РС (р_с = р_н) величина тяги, определяемая как R = R_д = М_гс_с – М_вV, максимальна.

На режиме недорасширения (р_с > р_н) статическая составляющая тяги
R_ст = (р_с – р_н)F_c больше нуля, однако снижение R_д из-за «недоразгона» потока превышает величину R_ст. Следовательно, тяга ТРД уменьшается вследствие более энергичного снижения R_д .

Основные параметры ТРД

– тяга R = (М_гс_с – М_вV) + F_c(р_с – р_н);

– удельная тяга (тяга, создаваемая одним килограммом газа в секунду) .

При расчетном режиме работы РС (р_с = р_н), R_уд = с_с – V.

При V = 0, R_уд = с_с.

С помощью R_уд оценивают эффективность ТРД как тепловой машины, то есть долю подведенной к воздуху в КС теплоты превращеной в тягу ТРД;

– удельный расход топлива (масса топлива в килограммах, расходуемая в ТРД для создания тяги в один Ньютон в течение одного часа) c_R = М_т/R, где М_т – часовой расход топлива в ТРД.

С помощью c_R оценивают экономичность ТРД;

– удельная масса двигателя («сухая» масса двигателя, приходящаяся на единицу создаваемой им тяги) m_дв = М_дв/R.

С помощью m_дв оценивают конструктивное совершенство ТРД;

– тяговооруженность ТРД μ_дв = 1/m_дв = R/М_дв;

– удельная лобовая тяга R_F = R/F_дв, где F_дв – сечение миделя.

R_F характеризует поперечные размеры двигателя и, следовательно, величину внешнего сопротивления его мотогондолы, а при размещении внутри фюзеляжа – внешнее сопротивление ЛА;

– удельный объем двигателя (характеризует совершенство объемной компоновки двигателя) ;

– удельная объемная тяга .

R_V и особенно важно учитывать при проектировании подъемных двигателей для самолетов с вертикальным взлетом и посадкой.