Принцип работы турбо реактивного двигателя
Турбореактивные двигатели (ТРД) — наиболее распространенный тип ГТД, широко применяемый для самолетов гражданской авиации.
Рассмотрим работу ТРД на схеме, приведенной на рис. 7. Во входное устройство 1 попадает атмосферный воздух, сжимается от действия скоростного напора и затем проходят к компрессору 2. Здесь воздух еще более сжимается. При этом повышаются его давление и плотность. Степень повышения давления в современных ТРД может достигать 15— 20 и более. Естественно, что при повышении давления возрастает температура воздуха в компрессоре до 600 — 700 К. Часть горячего воздуха из компрессора может быть взята на обогрев гермокабин, в антиобледенительную систему и т. п.
Рис.7. Схемы турбореактивного двигателя
Компрессор является одним из основных узлов ГТД и служит для повышения давления воздуха перед поступлением его в камеру сгорания. Для устойчивой и равномерной работы двигателя компрессор должен обеспечить стабильное состояние сжимаемого воздуха у входа в камеру сгорания. Заметим, что при движении вдоль канала компрессора воздух все более сжимается и соответственно растет плотность. Вот почему для сохранения осевой скорости движения потока поперечное сечение канала компрессора сужают. Это еще одна иллюстрация действия закона неразрывности движения. На рис. 7, а показана схема ТРД с осевым компрессором, в котором сжатие происходит в направлении оси двигателя. Эта схема наиболее широко применяется. На рис. 7, б дана схема ТРД с центробежным компрессором, где сжатие воздуха происходит за счет действия центробежных сил от вращающейся крыльчатки 2. Эта схема редко применяется, так как имеет большие габаритные размеры.
Из компрессора сжатый воздух поступает в камеру сгорания 3, куда через форсунку впрыскивают топливо. При этом образуется горючая смесь. В момент запуска смесь поджигают с помощью пусковой свечи, а затем горение поддерживается непрерывно в процессе всей работы двигателя.
Газообразные продукты сгорания с большой скоростью направляются в выходное устройство 5. На их пути помещается газовая турбина 4. Она служит для привода компрессора и других агрегатов двигателя. Вытекая с большой скоростью из выходного устройства (реактивного сопла), газообразная масса продуктов сгорания тем самым создает большое количество движения, обеспечивающее возникновение реактивной тяги Р.
Турбореактивные двух контурные двигатели (ТРДД) — широко применяемый тип ГГД. Основные преимущества ТРДД — лучшая экономичность, более низкий уровень шума (по сравнению с ТРД). Это и определило широкое распространение ТРДД в гражданской авиации.
Рассмотрим принцип работы ТРДД (рис. 8). Во входное устройство 1 поступает воздух. В отличие от ТРД в ТРДД имеются два компрессора. Первоначально воздух поступает к компрессору 2 низкого давления (КНД).
Рис.8. Схема турбореактивного двух контурного двигателя
Предварительно сжатый поток воздуха разделяется на два. Один поток проходит по наружному контуру и попадает в свое выходное устройство 6, увеличивая массу выходящих газов. Второй поток воздуха поступает в компрессор 3 высокого давления (КВД). Здесь все происходит так же, как и в ТРД: из камеры сгорания 4 газообразные продукты поступают к турбине 5, приводят ее во вращение и вытекают из выходного устройства 7. Турбина приводят во вращение оба компрессора. Причем КНД требует меньшей частоты вращения, меньшей мощности. Ему соответствует своя турбина. Для КВД приводом является другая турбина.
Таким образом, в создании реактивной тяги Р принимают участие два контура: наружный и внутренний. Наружный контур состоит из входного устройства, КНД, кольцевого канала 6 с выходным устройством. В некоторых конструкциях ТРДД предусмотрено смещение на выходе потоков обоих контуров. Внутренний контур работает по обычной схеме ТРД.
Для ТРДД введена характеристика, именуемая степенью двухконтурности. Она определяется, как отношение расхода воздуха через наружный контур к расходу воздуха через внутренний контур. Это соотношение для современных ТРДД колеблется в довольно широких пределах: от 0,5 до 8 и выше.
Очевидно, что параметры воздушного потока наружного и внутреннего контуров и потока горячих газов внутреннего контура резко разнятся. Так, почти на всем пути температура в наружном контуре составляет около 400 К, давление поднимается только до 3 МПа. Во внутреннем контуре в жаровой трубе температура достигает 1400 К и более, а давление возрастает до 15 МПа и более. Эта особенность также является преимуществом ТРДД, поскольку относительно холодный наружный контур в эксплуатации всегда удобней, чем горячий.
Турбовинтовые двигатели(ТВД) — это такой ГТД, в котором турбина развивает мощность, достаточную для привода компрессора и вращения воздушного винта. ТВД на дозвуковых скоростях превосходят по экономичности другие типы двигателей. На взлете ТВД развивает в 2—2,5 раза большую тягу, чем ТРД. Следовательно, взлетная дистанция в этом случае будет короче. На самолетах с ТВД воздушный винт может быть использован в качестве тормоза при посадке, что снижает длину пробега. Кроме того, уровень шума ТВД ниже, чем у ТРД и ТРДД. Это обусловило широкое применение ТВД в гражданской авиации. В период дефицита углеводородного топлива ТВД с высокими экономическими показателями становятся все более популярными. Уже сейчас проектируется применение ТВД на самолетах новых поколений.
К недостаткам ТВД следует отнести тот факт, что воздушные винты могут эффективно применяться только до чисел М, равных 0,7—0,8. Так что ТВД для около- и сверхзвуковых полетов не применимы. В эксплуатации ТВД сложнее, чем ТРД, поскольку наличие редуктора и воздушного винта с регулирующими устройствами требует дополнительных затрат на их эксплуатацию.
Рассмотрим схему работы ТВД (рис. 9) . Воздух попадает во входное устройство двигателя, минуя воздушный винт 1. Затем он сжимается в компрессоре 3. Продукты сгорания вытекают из камеры сгорания 4, заставляют вращаться турбину 5 и выходят из реактивного сопла 6, создавая дополнительную тягу. В конструкциях некоторых ТВД компрессор приводится во вращение одной турбиной, а воздушный винт — другой. Такие независимые приводы дают возможность лучше регулировать работу двигателя. Непременным конструктивным элементом ТВД является редуктор. Дело в том, что турбина вращается с частотой около 20000 об/мин. Прямая передача этого вращения на воздушный винт невозможна, ибо при такой частоте вращения винт не может быть эффективным. Поэтому вращение воздушному винту передается через редуктор 2.
Рис. 9. Схема турбовинтового двигателя
Из сказанного следует, что тяга ТВД создается воздушным винтом (около 90 %) и реактивным действием газовой струи (около 10 %). Такое комплексное использование энергии сгорания топливно-воздушной смеси позволяет получить высокий коэффициент полезного действия и хорошие экономические показатели ТВД.
Приведенная выше классификация в известной мере условна. Все большее развитие получают комбинированные двигатели. Схематично один из комбинированных двигателей можно представить таким: обычный поршневой двигатель, отработавшие газы которого вращают газовую турбину; на одном валу с турбиной установлен компрессор, который подает воздух под давлением в камеры сгорания двигателя
* Далее ПДВС для краткости будем обозначать ДВС
*Потери на газообмен могли бы быть учтены как отрицательная часть работы цикла, пропорциональная площади braна диаграмме рис. 1.9. Однако в этом случае неправомочно было бы сравнивать ηicηt соответствующего термодинамического цикла в силу отсутствия в последнем процессов газообмена.