11.5 Характеристики турбин

Отношение давлений для ступени турбины высоко давления в функции безразмерного массового расхода представлено на рисунке 11.10.

В этом случае безразмерный массовый поток оценивается через давление и температуру торможения на входе, P₀₄ и T₀₄. Представленные результаты при этом отображаются для различных безразмерных скоростей , но выполняемая при этом работа практически не зависит от скоростей, указанных в данном диапазоне. Фактически турбина, при рассмотрении движения вверх по течению потока, ведёт себя подобно запертому реактивному соплу для всех режимов и скоростей полёта, кроме самых низких. Большинство турбин фактически не запираются, хотя максимальное среднее число Маха у большинства из них равняется единице. Комбинация нескольких рядов лопаток моделируют практически полностью запертый ряд. Фактически изменения эффективности настолько малы, что ими можно пренебречь при исследованиях характеристик турбины не сильно расходящихся с проектными значениями.

На рисунке 11.11 изображены кривые эффективности для турбины НД, соответствующие параметрам потока для двигателя с высокой степенью двухконтурности. Ротор турбины НД вращается сравнительно медленно, потому что вентилятор, приводимый во вращение от данного ротора, не может вращаться с большой скоростью; в результате и число Маха в такой турбине заметно ниже, чем в турбине ВД. Чтобы получить больший показатель работы и энергии на выходе, необходимо переориентировать лопатки турбины НД и использовать более четырёх ступеней (или рядов статоров и роторов). Эффект от этого процесса способен лишь на небольшую величину изменить безразмерную норму потока и эффективность со степенью повышения давления, не отличающейся существенно от первоначального диапазона угловых скоростей. И обратный процесс, в зависимости от нормы массового расхода потока, турбина НД ведет себя подобно запертому реактивному соплу, и зависимости эффективности от скорости, так же как и от степени повышения давления, настолько малы, что ими можно пренебречь в данном анализе.

Рисунок 11.10. Характеристики современной турбины ВД.

Рисунок 11.11. Характеристики современной турбины НД.

2. Схемы и классификация реактивных двигателей ТРД и ТРДД. (5.1)

5.1 Турбореактивный и двухконтурный

На рисунке 5.1 показан вид двигателя Rolls-Royce «Viper». Это типичный вид самого простого турбореактивного двигателя с осевым компрессором, соединенным с осевой турбиной на одном и том же валу (компрессор на одном конце и турбина на другом, объединяется понятием ротор), появившийся 40 лет назад. Даже для этого очень простого двигателя, который был первоначально разработан, как источник мощности и энергии для беспилотных ракет, схема довольно сложна. Упрощённые схемы поэтому более удовлетворительны, и на них будут представлены наиболее распространённые типы двигателей. На рисунке 5.1 показана схема двигателя «Viper» в упрощённом виде.

Современные двигатели имеют два или три ротора, так что процессы повышения давления и расширения происходят в разных частях. Турбореактивный двигатель с двумя валами, типа Rolls-Royse «Olympus 593», показанный на рисунке 5.2, при полёте на скоростях превышающих скорость звука, обладает наиболее подходящей схемой. Четыре таких двигателя используются на самолёте Concorde и позволяют ему совершать полёт со скоростью в два раза превышающую скорость звука. Компрессор и турбина низкого давления, располагающиеся на одном валу, составляют ротор НД. Вал НД пропускается через вал ВД, на котором стоят компрессор и турбина ВД. Процесс повышения давления разбит между двумя роторами с целью придания ему большей работоспособности на разных скоростях эксплуатации и при запуске двигателя.

Рисунок 5.1. Одновальный турбореактивный двигатель Rolls-Royce «Viper 601» в упрощённом виде.

Рисунок 5.2. Двигатель Rolls-Royce «Olympus 593» в упрощённом виде.

Представленная на рисунке 5.2 двухроторная схема не решает проблему, с которой мы столкнулись в упражнении 4.4: реактивная скорость струи слишком высока, чтобы обеспечить хорошую продвигающую эффективность, но скорость полёта довольно высока. Способ повышения продвигающей эффективности на дозвуковых скоростях полёта состоит в переходе на схему двухконтурного двигателя. На рисунке 5.3 изображён первый двухконтурный двигатель компании Pratt & Whitney «JT8D-1», который был изготовлен большой партией для самолётов Boeing 727 и 737. В этих двигателях часть воздуха, сжатого компрессором НД, проходит вокруг внешней стороны двигателя, не попадая в камеру сгорания, то есть обходит вокруг газогенератора. Первые двухконтурные двигатели обычно имели степень двухконтурности (отношение массового потока воздуха, обходящего вокруг газогенератора, к массе воздуха, проходящей через газогенератор) составляющую 0.3 - 1.5. Такие двигатели широко применялись как в гражданской, так и в военной авиациях.

Рисунок 5.3. Двигатель Pratt и Whitney «JT8D-1» в упрощённом виде.

БИЛЕТ № 17

1. Осевая турбина. (9.3)