8.3. Турбореактивные двигатели

Если поршневые двигатели являются тепловыми машинами с циклическим режимом работы то ТРД это - тепловые машины непрерывного действия создающие тягу за счет реакции истекающей реактивной воздушной струи.

Класс ТРД это – обширный класс авиационных двигателей, различающихся конструктивными особенностями.

При всем многообразии и конструктивных особенностях для всех ТРД присущи следующие одинаковые элементы и узлы: входное устройство, компрессор, диффузор, камера сгорания, сопловой аппарат, реактивная турбина и выходное устройство, состоящее из удлинительной трубы и реактивного сопла.

Кроме того, вращающаяся часть компрессора (ротор компрессора) и вращающееся рабочее колесо газовой турбины, жестко закрепленные на одном валу, вместе составляют рабочий узел – называемый ротором ГТД.

В зависимости от конструктивных особенностей и необходимой заданной степенью повышения давления, у ГТД может быть один или несколько роторов.

Входное устройство двигателя принимает набегающий воздушный поток, подводит его к компрессору, упорядочив структуру и увеличив скорость, повышает его абсолютное давление. Входные устройства дозвуковых самолетов как правило-нерегулируемые. У сверхзвуковых самолетов при полете на больших сверхзвуковых скоростях, на определенных режимах работы двигателя, приходится ограничивать приток воздуха к двигателю с целью недопущения его «закупорки» воздушным потоком. Для этих целей используют регулируемые входные устройства, в которых происходит автоматическое изменение проходного сечения с помощью центрального тела (конуса) у самолетов с кольцевым входным устройством или выдвижением регулировочных клиньев у самолетов с плоскими боковыми воздухозаборниками.

Компрессор двигателя является лопаточной машиной, предназначенной для повышения полного давления воздуха и подачу его в камеру сгорания.

По конструкции компрессора, ТРД бывают: с центробежным или осевым компрессором.

Степень повышения давления воздуха у центробежных компрессоров πк, невелика и составляет 4,2 – 4,5 .

Осевые компрессоры позволяют создавать более высокие степени повышения давления πк, до 13-15 и более раз, при этом на одной ступени центробежного компрессора давление повышается всего лишь в 1,15 - 1,8 раза, т.е. на 15-80%..

Так, при средней степени повышения давления на ступени осевого компрессора равной 1,3, у 7-ступенчатого компрессора полная степень повышения давления состав - ляет π _к = 1,3⁷ = 6,3

С учетом того, что первоначально сжатие воздуха за счет скоростного напора происходит во входном устройстве, то степень повышения давления входного устройства и компрессора будет равна:

π = π _к х π

Компрессоры современных ГТД обладают высокой производительностью и некоторые из них способны прокачивать через газовоздушный тракт двигателя 200 и более килограммов воздуха за сек.

В зависимости от конструкции двигателя, воздушный поток после компрессора может направляться целиком в двигатель, проходя через диффузор (у одноконтурных двигателей) или разделяется на две части, одна из которых поступает в двигатель через диффузор, а вторая часть обтекает двигатель снаружи, образуя второй контур (у двухконтурных двигателей).

Диффузор – конструктивная часть двигателя, в которой происходит подготовка и разделение воздушного потока перед его поступлением в камеру сгорания.

Камера сгорания представляет собою полый, конструктивный узел ГТД, в котором происходит испарение и смешивание авиационного топлива с воздухом, поступающим через диффузор от компрессора, а так же сгорание этой топливовоздушной смеси. В процессе горения принимает участие только 20-25 % (первичного) воздуха поступающего в камеру сгорания. Этот воздух, участвующий в процессе горения, для обеспечения устойчивого факела горения тормозится до скорости 15-25м/сек. Остальные 75-80% (вторичного) воздуха используются для охлаждения самой конструкции камеры сгорания и охлаждения газов получившихся в процессе горения. Полное сгорание авиационного топлива происходит при соотношении топлива и воздуха равном 1 кг топлива к 14,8 кг воздуха.

В результате горения топлива в камере сгорания температура газов возрастает (до 1500-1750 ⁰ С), повышается их давление (в 4-6 раз) и возрастает скорость истечения (до 450-500 м/сек).

Поскольку разогретый до температуры 1500-1750⁰С воздушный поток пропускать через сопловой аппарат и тем более вращающееся с высокими оборотами (12000-15000 ¹/мин) рабочее колесо турбины недопустимо, так как из-за высокого разогрева и больших динамических нагрузок эти агрегаты просто разрушатся, то он охлаждается до 800-900 ⁰. вторичным воздухом, проходящим через камеру сгорания.

Сопловой аппарат – элемент конструкции двигателя, предназначенный для направления истекающих из камеры сгорания реактивных газов на лопатки рабочего колеса турбины под углом обеспечивающим, безсрывное обтекание лопаток турбины.

Реактивная турбина – основной рабочий элемент конструкции ГТД, который преобразует кинетическую энергию истекающих из камеры сгорания реактивных газов в механическую энергию необходимую для вращения ротора компрессора у ТРД или

энергию вращения ротора компрессора и воздушного винта у ТВД.

Причем у ТРД, для вращения ротора компрессора, отбирается минимально-необходимое количество энергии, истекающих из камеры сгорания газов. Остальная кинетическая энергия истекающих газов используется в качестве энергии реактивной струи выходящей из реактивного сопла.

На турбине ТВД, в отличие от ТРД, преобразуется в механическую работу для вращения компрессора и воздушных винтов, максимально-возможное количество кинетической энергии истекающих из камеры сгорания газов (85-90%), а оставшаяся меньшая часть(10-15%) создает силу реактивной тяги.

Выходное устройство – конструктивный узел ГТД в котором происходит расширение реактивных газов и увеличение их скорости. Одним из конструктивных элементов выходного устройства ТРД является удлинительная труба, которая служит для дополнительного разгона истекающих реактивных газов и для отвода их за пределы конструкции воздушного судна.

У двигателей, форсирование мощности которых достигается дополнительным сжиганием топлива за сопловым аппаратом и реактивной турбиной, функцию удлинительной трубы выполняет жаровая труба, которая по сути своей является форсажной камерой. Для работы форсажной камеры используется подводимое через специальный коллектор авиатопливо и вторичный воздух, который использовался для охлаждения конструкции двигателя и газов в камере сгорания и в горении не участвовал. Так как для полного и эффективного сгорания 1кг обычного авиационного топлива необходимо 14,8 кг воздуха, то максимальное разумное количество топлива, подаваемое в форсажную камеру должно быть в 14,8 раз меньше чем масса вторичного воздуха прошедшего через двигатель. Температура газов в форсажной камере может доходить до 1750-2500^оС, что позволяет повысить их давление в камере и увеличить скорость истечения, тем самым резко увеличить тягу двигателя.

Реактивное сопло -оконечное устройство газоотводного тракта ГТД , которое служит для расширения газов в целях увеличения кинетической энергии газовой струи.

Реактивное сопло бывает нерегулируемым – с постоянным диаметром выходного сечения и регулируемым – с изменяемым диаметром выходного сечения.

Изменение диаметра выходного сечения реактивного сопла в полете позволяет создать оптимальные условия истекания реактивных газов и улучшить газодинамическую связь между всеми компонентами ГТД.

На некоторых типах ТРД, в конструкцию выходного устройства входит реверсивный механизм, с помощью которого газовый поток в выходном устройстве поворачивается в направлении близком к первоначальному, что создает отрицательную тягу, используемую для торможения самолета на пробеге.

Исходя из тех процессов, которые протекают в различных узлах реактивного двигателя можно сказать, что сила тяги ТРД представляет собой равнодействующую всех сил воздействующего воздушного и газового потоков на внешние и внутренние поверхности двигателя. Это воздействие складывается из давления и трения.

. Величина тяги ТРД определяется по формуле:

P = [( G + G_т) c₅ /g - G c₀ /g ] + ( p₅ - ph ) F5

где: - G – секундный весовой расход воздуха через двигатель;

- G_т секундный весовой расход топлива

- c₅ и p₅ –скорость и давление газа в сечении за реактивным соплом, где

воздушная струя имеет цилиндрическую форму и еще не успела перемешаться с воздухом атмосферы.

- c₀ - скорость воздушного потока перед входом в двигатель.

- ph – атмосферное давление воздуха.

- F5 – площадь газовой струи в сечении 5-5.

Показателями основных параметров двигателя являются:

Удельная тяга Р_уд – тяга, получаемая с 1кг воздуха проходящего через двигатель за 1 сек. Она характеризует размеры и вес двигателя. Чем больше удельная тяга, тем меньше при данной общей тяге размеры и вес двигателя. Для современных ТРД Р_уд составляет 55-65 кг сек/ кг возд.

Тяговая мощность – показатель мощности двигателя в зависимости от скорости полета.

N= P c₀ /75

Удельный расход топлива С_уд – показатель экономичности двигателя, указывающий какое количество топлива надо израсходовать для того, чтобы получить 1кг тяги.

Чем меньше величина С_уд тем экономичнее двигатель.

Кроме перечисленных выше параметров характеризующих ТРД еще есть такие показатели как: термический КПД; тяговый КПД; полный КПД; удельный вес двигателя, удельная лобовая тяга и другие.

Как у поршневых, так и у ТРД имеются характерные эксплуатационные режимы работы

Максимальный (взлетный) – соответствующий максимально допустимому числу оборотов и наибольшей тяге двигателя. Поскольку режим является напряженным, то время работы на нем ограничивается 5-10 минутами.

Номинальный – при работе на этом режиме обороты на 3-4% меньше максимальных, а тяга 10% меньше максимальной тяги. Время непрерывной работы на нем, как правило, ограничено.

Крейсерский (эксплуатационный) - соответствует числу оборотов на 10% меньше максимальных и тяге равной 75-80% от максимальной. Такой режим еще называют Максимально крейсерским или режимом максимальной дальности.

Если тяга составляет 50-60% от максимальной тяги, то такой режим называют Минимально крейсерским или режимом максимальной продолжительности.

Режим малого газа (оборотов холостого хода двигателя) – режим при котором двигатель имеет минимальное число оборотов, но работает устойчиво и при этом тяга его составляет только 3-5% от максимальной тяги. В некоторых случаях работа на этом режиме может ограничиваться по времени во избежание местного перегрева соплового аппарата или газовой турбины.