Газотурбинный или турбореактивный двигатель (гтд или трд)

Турбореактивные двигатели (ТРД) могут эффективно использоваться при скоростях полета М ≤ 3, так как при М > 3 температура газов, по­ступающих из компрессора, становится высокой, а возможный подогрев газов в камерах сгорания - незначителен. Для увеличения области при­менения ТРД снабжаются форсажными камерами, в которых происходит до­жигание горючего в газах, прошедших через турбину. В качестве горючего в ГТД используется керосин. Стехиометрический коэффициент для керосина составляет 14, то-есть для сжигания одного килограмма керосина необходимо 14 килограмм воздуха. При старте ГТД не нуждается в ускорителе. Запуск ГТД начинается с приведения в движение турбины. Турбина, сидящая на одном валу с компрессором, приводит компрессор в движение. Компрессор через диффузор засасывает воздух из атмосферы, который в сжатом состоянии поступает в камеру сгорания, где происходит процесс смешения и сгорания. В турбине и сопле происходит процесс расширения газа – увеличение скорости газа и уменьшение давления. Эффективность ГТД в значительной степени определяется температурой газа перед лопатками турбины. С повышение температуры газа КПД ГТУ повышается.

При скорости ЛА М ≥ 3 давление в камере сгорания ВРД может повыси­ться за счет торможения примерно в 25 раз, по этой причине отпадает необходимость в устройствах для повышения давления - турбине и комп­рессоре. При скорости полета М > 3 наиболее экономичным по сравнению с другими типами ВРД является прямоточный воздушно-реактивный двига­тель (ПВРД).

Использование ЛА с ВРД имеет ограничения по высоте из-за малой плотности воздуха, необходимого для функционирования двигателя, а в плотных слоях атмосферы ограничивающим фактором является предельно допустимый нагрев.

Термодинамический цикл ГТД (газотурбинный двигатель)

p-V диаграмма

T-S диаграмма

1–2’ – адиабатический процесс сжатия воздуха в диффузоре p↑, T↑, , , V_уд↓.

2’–2 – адиабатический процесс сжатия воздуха в компрессоре p↑, T↑, , , V_уд↓.

2–3 – изобарический процесс (процесс горения топлива в камере сгорания) , , S↑, T↑, V_уд↑.

3–4’ – адиабатический процесс расширения газа на лопатках турбины p↓, T↓, , , V_уд↑.

4’–4 – адиабатический процесс расширения газа в сопле ГТД p↓, T↓, , , V_уд↑.

4–1 – изобарический процесс расширения газа в период выхлопа газа из сопла , , S↓, T↓, V_уд↓.

Скоростной напор – величина, равная половине произведения плотности газа на квадрат скорости его течения – .

В термодинамическом цикле:

точка – состояние вещества;

линия – процесс;

замкнутая область– цикл.

Давление в камере сгорания ПВРД составляет 5–10 атм (0,5–1,0 МПа).

Жидкостной ракетный двигатель (ЖРД)

Реактивный двигатель или двигатель прямой реакции, это устройство, движущая сила которого создается в результате истечения из него струи вещества (рабочего тела), обладающей кинетической энергией.

Возникающая при движении сила называется реактивной силой, или тягой, и направлена противоположно направлению истечения рабочего тела.

Удельный импульс тяги – отношение тяги к секундно-массовому расходу продуктов горения ТТ

, [м/с];

~ ,

где ; – универсальная газовая постоянная; – молекулярная масса газа; – температура.

↑ – ↑, ↓.

<< 1.

Тяга – равнодействующая всех сил давления, действующих на внутреннюю и внешнюю поверхности ЛА.

.

а

.

, – статическая температура, – теплоемкость газа при постоянном давлении.

В качестве топлив используются:

высококипящие компоненты азотный тетраксид + несимметричный монометилгидразин;

Низкокипящие компоненты, например, водород + кослород.

Давление в камере сгорания может составлять до 400 атм. (40 МПа). Давление в выходном сечении соплового аппарата – 0.5 –0.05 атм. (0.05 – 0.005) МПа.

Удельный импульс тяги может составлять до 4500 м/с.

При давлении свыше 100 атм.(10 МПа) в уравнении состояния необходимо учитывать влияние объёма молекул на состояние вещества (газа).

Уравнение состояния PV=nR₀T или

PV=nMRT, где R=R₀/M, m=nM R – удельная газовая постоянная Дж/(кг*K); m – масса газа в обьёме V; n – число молей газа в обьёме V; M – мольная масса газа, кг/моль; R₀ – универсальная газовая постоянная для систем с давлением в камере сгорания свыше 100 атм.

P(V-nα)=nR₀T, где α – мольный коволюм, учитывающий собственный обьём молекул одного моля газа. Деля на массу газа m, получаем

P(V/m-b)=RT, где b – удельный коволюм. b = nα/m, R=nR₀/m, для пороховых газов энергосистем b ≤ 10^-3 м³/кг.

Термодинамический цикл ЖРД

p-V диаграмма

T-S диаграмма

1–2 – адиабатическое сжатие воздуха в диффузоре

p↑, V↓, V_уд↓.

;

T↑, , .

Под адиабатическим процессом понимается процесс без теплообмена с внешней средой.

2–3 – линия изобарического процесса.

Для этого процесса , ; T↑, S↑, V_уд↑.

Под изобарическим процессом понимается процесс при постоянном давлении.

3–4 – процесс адиабатического расширения

, , p↓, T↓, , , V_уд↑.

4–1 – изобарический процесс

, , V_уд↓, S↑, T↓.

В термодинамическом цикле:

точка – состояние вещества;

линия – процесс;

замкнутая область– цикл.