Особенности конструкции ТВаД со свободной турбиной

Наиболее распространенной является схема ТВаД со свободной (силовой) турбиной (см. рис. 2.17). Вал СТ механически не связан с валом газогенератора и практически не влияет на его работу при запуске ТВаД и изменении нагрузки на валу СТ.

При высоких значениях газогенератор ТВаД может быть выполнен по двухвальной схеме.

В ТВаД, особенно вертолетных ГТД, необходимо значительно понижать частоту вращения вала двигателя для привода потребителей (ВВ, НВ, генератор электрического тока и т.п.), передавать большие мощности, поэтому понижающий редуктор имеет значительные массу и габариты, которые снижаются с применением СТ, вращающейся с частотой n_СТ < n_ТК.

Необходимость применения тяжелых редукторов является общим недостатком ТВД и особенно = ТВаД.

В ТВаД применяются дозвуковые сужающиеся ВЗ с большим радиусом закругления передних кромок. Для исключения попадания в двигатель посторонних предметов, ВЗ защищают с помощью сеток. Вертолетные ГТД (ТВаД) от песка и пыли защищают с помощью центробежных пылеотделителей, установленных на входе в двигатель.

Компрессоры мощных ТВаД не имеют существенных отличий то ОК ТРД. В маломощных ТВаД иногда используют комбинированные компрессоры, состоящие из нескольких осевых и одной центробежной ступеней, или центробежные компрессоры (ЦБК). Это объясняется тем, что при малых потребных мощностях расход воздуха, следовательно, площадь проходного сечения и длина лопаток последних ступеней ОК имеют маленькие значения. При изготовлении лопаток малой длины существуют технологические ограничения. Поэтому для обеспечения заданной последние 2…3 ступени ОК можно заменить одной центробежной ступенью.

Применение на вспомогательных ГТД (ТВаД) комбинированных или центробежных компрессоров, особенно в сочетании с противоточной КС, позволяет значительно уменьшить длину двигателя при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик.

Камеры сгорания ТВаД существенно не отличаются от КС ТРД, хотя иногда применяются противоточные, как правило, кольцевые, или радиальные (рис. 2.20) КС. Это позволяет снизить скорости в КС и уменьшить их длину за счет увеличения диаметра КС. Применение радиальных КС позволяет улучшить условия охлаждения жаровых труб и повысить их эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность.

ГТ ТВД и ТВаД имеют большее число ступеней, чем у ТРД, так как основная работа расширения газа происходит в ГТ.

РС в ТВаД (за исключением ТВД) трансформировано в диффузорный выпускной патрубок, обычно повернутый в боковую сторону от оси двигателя.

Основные параметры ТВД

1. N_вал = L_м М_в – мощность на валу ТВД,

где L_м – механическая работа 1 кг газа, передаваемая на вал ВВ до входа в редуктор; М_в – расход воздуха через двигатель [кг/с].

2. N_В = N_валη_м – винтовая мощность ТВД (мощность на выходном валу редуктора),

где η_м – кпд редуктора (η_м ≈ 0,97…0,98), учитывающий механические потери в трансмиссии.

3. N_тяг = N_вη_В – тяговая мощность,

где η_в – кпд ВВ, учитывающий потери на трение, отбрасывание
и закрутку потока воздуха.

4. – тяга ВВ.

5. – эквивалентная мощность,

где: R_p – реактивная тяга, развиваемая соплом;

R_pV/η_В – мощность, которую потребовалось бы развить на валу ВВ для получения тяги, равной реактивной тяге R_p.

6. – удельная эквивалентная мощность.

7. – удельный расход топлива.

8. – удельная тяга ТВД.

Основные параметры ТВаД:

1. Мощность СТ ТВаД N_СТ = L_м М_г, где L_м – механическая работа совершаемая 1 кг газа, при расширении в СТ ; М_г – расход газа через СТ.

5. Эффективная (полезная) мощность N_е=N_СТη_СТ – мощность создаваемая на выходном валу СТ, где η_СТ – КПД СТ.

6. Удельная эффективная мощность – эффективная мощность создаваемая в ТВаД 1 кг воздуха.

7. Удельный расход топлива – количество топлива потребное для создания единицы мощности в течении часа.

2.8.5. Прямоточные ВРД (ПВРД)

Сжатие (повышение давления) воздуха в ТРД происходит в ВЗ и ОК. Чем выше скорость полета V, тем выше степень повышения давления в ВЗ , следовательно, выше степень повышения давления в двигателе , выше давление на входе в РС, выше степень расширения газа в РС, выше работа расширения в РС, и выше скорость истечения газа с_с.

По достижении скорости полета V_опт, становится равно , при котором работа цикла L_ц, а значит и с_с достигают максимальных значений. При дальнейшем увеличении скорости полета работа цикла и с_с начинают снижаться.У современных ЛА с ТРДФ при скорости полета V ≈ 3500 км/ч,
↑V =↓c_c. Дальнейшее увеличение V становится невозможным, так как избыточная тяга R = М_в(с_с – V) = 0, происходит "вырождение ТРДФ".

Для полета со скоростями V ≥ 3500 км/ч используют прямоточные ВРД (ПВРД).

В ПВРД, в отличие от ТРД, нет компрессора, следовательно, не нужна турбина (рис. 2.21). Основными узлами ПВРД являются сверхзвуковой воздухозаборник (СВЗ), камера сгорания КС и сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).

Рис. 2.21. Схема ПВРД

Отсутствие ГТ позволяет увеличить температуру за КС до температуры продуктов полного сгорания авиационного топлива = 2400…2600 ^оK и до соответствующей ей . В то же время, = достигается при больших скоростях полета, так как все сжатие воздуха происходит в воздухозаборнике ( = ). Вследствие выше изложенного в ПВРД удается получить значительно бóльшую L_ц (рис. 2.22), следовательно – бóльшую величину с_с.max и максимальную скорость полета.

ПВРД имеет по сравнению с ТРД такие преимущества как:

- простота конструкции;

- малый удельный вес Р_дв/R;

- бóльшие значения максимальной скорости полета V_max.

Недостатками ПВРД являются:

- невозможность запуска двигателя при V = 0, так как = = 0;

- эффективная работа двигателя (создание значительной тяги) возможна только при числах М ≥ 1,5…2,0.

ПВРД, как правило, используется в комбинированных силовых установках гиперзвуковых ЛА в сочетании с ТРДФ или ракетными двигателями, способными работать при V ≥ 0. Возможно использование ПВРД в качестве двигателя гиперзвуковых ЛА, стартующих с самолета -разгонщика.

2.8.6. Турбопрямоточные ВРД (ТПД)

Совмещение достоинств ТРДФ и ПВРД возможно в комбинированных
ВРД – ТПД.

ТПД – это комбинированный многорежимный ВРД для полетов с гиперзвуковыми скоростями до чисел М = 5 на керосине или до М = 6 на водороде (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Схемы ТПД:: а. – с последовательной работой контуров;

б. – с параллельной работой контуров

В ТПД с последовательной работой контуров (см. рис. 2.23,а):

при 0 ≤ V ≤ (2,5…3,0) М работает только газотурбинный контур с форсажной камерой (ФК);

при V ≥ (2,5…3,0) М подача топлива в КС газотурбинного контура прекращается, открывается прямоточный контур с ФК в качестве основной КС.

В ТПД с параллельной работой контуров (см. рис.2.23,б):

при V ≥ (1,5…2,0) М запускается КС прямоточного контура и до
V = (2,5…3,0) М газотурбинный и прямоточный контуры работают одновременно, что позволяет повысить тягу R на промежуточных скоростях полета.

При V ≈ 3,0 М, КС газотурбинного контура отключается и тягу создает только прямоточный контур.

В ТПД при М > 3,0…3,5 газотурбинный контур переводится в режим авторотации (свободного вращения от набегающего потока воздуха) и используется для привода дополнительных агрегатов.

2.8.7. Двигатель изменяемого рабочего процесса (ДИРП)

Идеальный ВРД должен трансформироваться в ВРД различных типов в зависимости от высоты и скорости полета.

ДИРП – это авиационный ВРД в котором, путем широкого регулирования элементов проточного тракта, а так же применением дополнительных узлов, отключаемых и переключаемых в процессе работы, осуществляется адаптация режима работы двигателя к условиям полета в широком диапазоне скоростей V и высот H полета.

ДИРП находится в стадии экспериментальных разработок и призван сочетать достоинства всех схем ВРД.