книги из ГПНТБ / Пономарев Б.А. Двухконтурные турбореактивные двигатели

В В Е Д Е Н И Е

Прогресс авиадвигателестроення в значительной мере опреде­ ляет развитие авиации. Все наиболее важные достижения авиа­ ции в той или иной мере связаны с коренным улучшением сущест­ вующих двигателей или созданием двигателей принципиально но­ вых схем. Так было и в послевоенные годы, когда на смену поршневым двигателям пришли газотурбинные, существенно уве­ личившие высоту, скорость и дальность полета самолетов.

В период 1950—1960 гг. на военно-транспортных и пассажир­ ских самолетах широкое распространение получили турбовинтовые двигатели (ТВД), имеющие низкий расход топлива на малых до­ звуковых скоростях полета и большую тяговую мощность на взлете. В Советском Союзе были созданы первоклассные пассажирские самолеты с ТВД: Ту-114, Ил-18, Ан-24 и другие, которые до сих пор успешно эксплуатируются Гражданским воздушным флотом

СССР и авиакомпаниями ряда зарубежных стран. На вооружение Военно-Воздушных Сил были приняты военно-транспортные само­ леты Ан-8 и Ан-12 с турбовинтовыми двигателями л самолет-гигант Ан-22 с четырьмя ТВД мощностью 15 000 л. с. каждый.

На самолетах-истребителях первых послевоенных лет применя­ лись в основном турбореактивные двигатели (ТРД), позже — тур­ бореактивные двигатели с форсажной камерой (ТРДФ). Вместе с успехами в аэродинамике самолетов это позволило вначале достичь околозвуковых скоростей полета, а затем и высоких сверхзвуковых.

У турбореактивных двигателей с увеличением скорости благо­ приятно изменяется тяга. Выражается это в следующем: при уве­ личении скорости полета тяга ТРД (ТРДФ) на дозвуковых скоро­ стях изменяется мало, а при дальнейшем увеличении скорости тяга существенно увеличивается, достигая максимума при высоких сверхзвуковых скоростях. Поэтому тяговая мощность ТРД (ТРДФ) с увеличением скорости полета существенно возрастает, что позво­ ляет использовать эти двигатели для сверхзвуковых полетов. Одна­ ко удельный расход топлива ТРД и особенно ТРДФ на невысоких дозвуковых скоростях полёта существенно выше расхода топлива ТВД.

В последние годы все большее распространение получают двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД). На дозвуковых скоростях полета эти двигатели сочетают в себе преимущества

ТВД — по экономичности и ТРД — по тяговой мощности. Двухконтурный двигатель с форсажной камерой (ДТРДФ) может обеспе­ чить повышенные тяги для достижения сверхзвуковых скоростей полета и низкие расходы топлива (при выключенной форсажной камере) при полете на дозвуковых скоростях. Эти достоинства двухконтурных турбореактивных двигателей способствовали их ши­ рокому распространению в авиации.

На воздушных трассах Аэрофлота уже несколько лет эксплуа­ тируется межконтинентальный пассажирский самолет Ил-62 с че­ тырьмя мощными ДТРД, крейсерская скорость полета которого

местных пассажирских линиях небольшой протяженности эксплуа­ тируется реактивный пассажирский самолет Як-40 с тремя двух­ контурными двигателями АИ-25. В дни работы XXIV съезда КПСС в небо поднялся тяжелый транспортный самолет с ДТРД Ил-76, предназначенный для перевозки народнохозяйственных грузов. На­ конец, в ближайшее время будет принят в эксплуатацию первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144 с ДТРДФ, об­ ладающий скоростью полета почти 2500 км/ч.

Двухконтурные турбореактивные двигатели применяются и в военной авиации. Для военно-транспортных самолетов с высокой дозвуковой скоростью полета и самолетов противолодочной оборо­ ны с большой продолжительностью полета в США используются мощные и экономичные ДТРД, для сверхзвуковых самолетов раз­ личного назначения используются ДТРДФ. Двухконтурные двига­ тели удовлетворяют важнейшему требованию, предъявляемому к современным боевым самолетам, — многорежимности, что и обусло­ вило их широкое распространение.

Предложения о реализации различных схем Д Т Р Д и ДТРДФ появились еще до второй мировой войны. Известно большое число проектов таких двигателей.

Развитию теории и совершенствованию конструкции двухкон­ турных турбореактивных двигателей в значительной мере способ­ ствовали труды отечественных ученых и работников конструктор­ ских бюро. Основы теории воздушно-реактивных двигателей были разработаны еще в 1929 г. советским академиком Б. С. Стечкиным. В 1937 г. советский авиаконструктор А. М. Люлька предложил схе­ му и проект ДТРД со смешением потоков. В послевоенные годы усилиями специалистов научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро, руководимых известными конструкторами Н. Д. Кузнецовым, П. А. Соловьевым и другими, в Советском Союзе были созданы совершенные двухконтурные турбореактивные дви­ гатели с современным уровнем удельных параметров, большим ре­ сурсом и высокой надежностью.

В 1969 г. самолет Як-40 с двухконтурными двигателями АИ-25 (рис. 1, см. вклейку в конце книги) совершил демонстрационный полет, побывав более чем в 40 государствах, от Скандинавии до

4

Г л а в а I

РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХКОНТУРНЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Двухконтурным турбореактивным двигателем (ДТРД) назы­ вается газотурбинный двигатель, тяга которого образуется в двух, как правило, соосных контурах (трактах)—газовом и воздушном, причем возможно раздельное истечение потоков через самостоя­ тельные реактивные сопла (рис. 2, а) или смешение потоков возду-

а

б

Рис. 2. Принципиальные схемы двухконтурных двигателей: с раздельными реак­ тивными соплами (а) и со смешением потоков и общим реактивным соплом (б):

6

ха и газа и истечение через общее реактивное сопло (рис. 2, б). Входное устройство Д Т Р Д этих схем общее для обоих контуров.

Внутренний контур (первый, или газогенераторный) является обычным турбореактивным двигателем — газогенератором, состоя­ щим из входного устройства, турбокомпрессорной части с камерой сгорания и выходного реактивного сопла. Внешний контур (второй, или воздушный) состоит из входного устройства, вентилятора или компрессора низкого давления (компрессора внешнего контура), заключенного в кольцевой канал, и выходного реактивного сопла. На сжатие воздуха компрессором внешнего контура затрачивается мощность турбины, расположенной во внутреннем контуре. Таким образом часть энергии внутреннего контура передается во внеш­ ний контур.

Принцип создания тяги в двухконтурных двигателях

Двухконтурный турбореактивный двигатель с раздельными ре­ активными соплами работает следующим образом. Воздух из атмо­

входном устройстве увеличиваются, причем тем в большей степени,

потерь. Далее воздух поступает в компрессор низкого давления, работающий на оба контура. В компрессоре температура и особен­ но давление воздуха возрастают. За этим компрессором воздуш­ ный поток разветвляется по внутреннему и внешнему контурам.

Воздух, поступивший во внутренний контур, попадает в ком­ прессор высокого давления. На выходе из компрессора давление воздуха достигает максимальной для данного двигателя величины, •температура его также существенно увеличивается по сравнению •с начальной. Затем сжатый и подогретый воздух поступает в ка­ меру сгорания, куда через форсунки подается топливо. В резуль­ тате сгорания топлива температура смеси продуктов сгорания топлива и воздуха достигает большой величины и значительно превышает температуру воздуха за компрессором. Давление рабо­ чего тела по длине камеры сгорания несколько уменьшается из-за гидравлического и теплового сопротивления камеры. Газы из ка­ меры сгорания направляются в газовую турбину. В турбине про­ исходит процесс расширения, в результате которого совершается механическая работа, используемая для привода компрессоров внешнего и внутреннего контуров. Температура и давление газа в турбине уменьшаются, однако давление газа за турбиной превы­ шает атмосферное. При последующем расширении рабочего тела в выходном устройстве — реактивном сопле — газовый поток разго­ няется и его скорость на выходе из сопла превосходит скорость •потока воздуха, поступающего в двигатель через входное устройст-

7

во, в результате чего создается реактивная тяга внутреннего кон­ тура.

Воздух, поступивший из компрессора низкого давления во внеш­ ний контур, расширяется в выходном устройстве этого контура. Тяга внешнего контура создается благодаря разности скорости истечения потока воздуха из реактивного сопла этого контура и скорости полета.

Таким образом, суммарная тяга двигателя складывается из тяги внутреннего контура и тяги внешнего контура, причем в зависимо­ сти от параметров двигателя и режима его работы соотношение тяг изменяется в широких пределах.

В ДТРД со смешением потоков и общим реактивным соплом турбокомпрессорная часть двигателя работает аналогично турбокомпрессорной части ДТРД с раздельными реактивными соплами, однако газовый поток внутреннего контура после расширения в турбине смешивается в камере смешения с воздушным потоком внешнего контура. На выходе из смесителя газовоздушная смесь имеет достаточно высокие температуру и давление и при расшире­ нии в реактивном сопле приобретает высокую скорость.

Распределение воздуха по контурам характеризуется степенью двухконтурности т, являющейся отношением расхода воздуха во внешнем контуре к расходу воздуха во внутреннем контуре. Сте­ пень двухконтурности в значительной мере определяет удельные параметры двигателя, его характеристики и конструктивную схему. Частным случаем Д Т Р Д можно считать двигатель со степенью двухконтурности т=0, при которой внешний контур отсутствует и двухконтурный двигатель превращается в ТРД.

Сжатие воздуха компрессором низкого давления внешнего кон­ тура характеризуется степенью повышения давления во внешнем контуре л* „, величина которой определяется степенью двухкон­ турности и, мощностью, передаваемой турбиной во внешний кон­ тур 1 .

за смесителем и работающая аналогично форсажной камере ТРДФ. Двухконтурные двигатели с форсажем сокращенно называют ДТРДФ (рис.3).

1 Вследствие того что компрессор внешнего контура ДТРД имеет сущест­ венно меньшую степень повышения давления, чем компрессор внутреннего кон­ тура, компрессор внешнего контура часто называют вентилятором. В зависимо­ сти от схемы двигателя он может быть компрессором внешнего контура и одно­ временно первыми ступенями компрессора низкого давления внутреннего контура или компрессором внешнего контура и одновременно компрессором низкого дав­ ления внутреннего контура. Часть компрессора внутреннего контура, расположен­ ную за вентилятором (компрессор газогенератора), называют компрессором вы­ сокого давления.

8

Схемы ДТРД и ДТРДФ

В настоящее время применяются три основные конструктивные схемы двухконтурных двигателей:

—с передним расположением вентилятора;

—с задним расположением вентилятора;

—с выносным вентилятором.

Турбореактивные двухконтурные двигатели и ДТРДФ с перед­ ним расположением вентилятора получили наибольшее распростра­ нение. Степень двухконтурности этих двигателей может изменять­ ся в широких пределах ( т = 0 , 3 - ь 8 и выше), что позволяет приме­ нять схему с передним расположением вентилятора для двигателей различного назначения (рис. 2 и 3). Для ДТРД и ДТРДФ этой схемы возможно выбирать наиболее выгодное соотношение между степенью повышения давления внешнего контура я* „ и степенью двухконтурности т. Схема двигателя с передним расположением вентилятора наиболее гибкая, так как позволяет рационально кон­ струировать двигатели в бесфорсажном и форсажном вариантах с раздельным истечением и со смешением потоков. В качестве при­

Турбореактивные двухконтурные двигатели с задним располо­ жением вентилятора (с турбовентиляторной приставкой) обычно создаются на базе уже доведенного и хорошо зарекомендовавшего себя в эксплуатации ТРД, который используется в качестве гене­ ратора газа. Конструктивная схема Д Т Р Д с задним расположе­ нием вентилятора показана на рис. 4. Турбовентиляторная при­ ставка увеличивает тягу и экономичность двигателя. Связь между приставкой и внутренним контуром — чисто газодинамическая. Турбовентиляторная приставка выполняется в виде двухъярусного

9