2.1.2.2. Турбореактивные двигатели с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) отличается от ТРД наличием форсажной камеры 5 (рис. 2.3.) между газовой турбиной 4 и соплом 6. В форсажную камеру с помощью форсунок подается дополнительное количество топлива. Благодаря наличию в потоке газов некоторого количества кислорода, не использованного в основной камере сгорания, осуществляется горение в форсажной камере. После расширения до давления рф в форсажной камере расширение газа происходит до наружного давления. Благодаря росту работы цикла, энергии газов, увеличивается скорость истечения и тяга двигателя.
Рис. 2.3. Принципиальная схема и идеальный цикл ТРДФ:
1 – воздухозаборник; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – форсажная камера; 6 – выходное сопло.
2.1.2.3. Турбовинтовые двигатели
Для современных самолетов с большой грузоподъемностью и дальностью полета нужны двигатели, которые могли бы развить необходимые тяги при минимальной удельной массе. Этим требованиям удовлетворяют турбореактивные двигатели. Однако они неэкономичны при небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые типы самолетов, предназначенные для таких полетов, требуют постановки двигателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуществами поршневого двигателя на малых скоростях полета. К таким двигателям относятся турбовинтовые двигатели (ТВД).
Турбовинтовым называется газотурбинный авиационный двигатель, в котором турбина развивает мощность, большую потребной для вращения компрессора, и этот избыток мощности используется для вращения воздушного винта (рис. 2.4.). ТВД состоит из тех же узлов и агрегатов, что и турбореактивный. Однако в отличие от ТРД на ТВД дополнительно смонтированы воздушный винт и редуктор. Для получения максимальной мощности двигателя турбина должна вращаться с частотой до 20 000 об/мин. Если с этой же частотой будет вращаться воздушный винт, то его к. п. д. будет крайне низким, так как наибольших значений к. п. д. винта на расчетных режимах полета достигает при частоте вращения 750…1500 об/мин. Для уменьшения частоты вращения воздушного винта устанавливают редуктор. На двигателях большой мощности иногда используют два винта, вращающихся в противоположные стороны, причем работу обоих воздушных винтов обеспечивает один редуктор.
Тяга ТВД складывается из тяги воздушного винта и реактивной. Тяга, развиваемая в полете воздушным винтом,
Pв = (Nев)/V, (2.8)
где Nе – эффективная мощность двигателя, т.е. мощность, подводимая к воздушному винту; в – к.п.д. винта, представляющий отношение мощности, создаваемой винтом, к мощности, затрачиваемой на его вращение; V – скорость полета.
Реактивная сила тяги
Pp = mс(W - V). (2.9)
Тогда суммарная тяга ТВД в полете
P = Pв + Pp = (Neв)/V + mс(W - V). (2.10)
Рис. 2.4. Схема турбовинтового двигателя:
1 – воздушный винт; 2 – редуктор; 3 – компрессор; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – выходное устройство.
2.1.2.4. Турбореактивные двухконтурные двигатели
Стремление повысить тяговый к.п.д. ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД).
В отличие от ТРД обычной схемы в ТРДД газовая турбина приводит во вращение (помимо компрессора и ряда вспомогательных агрегатов) компрессор низкого давления, называемый иначе вентилятором наружного контура. Привод вентилятора наружного контура ТРДД возможен и от отдельной турбины, располагаемой за турбиной компрессора. Существуют разнообразные конструктивные схемы ТРДД: с передним (на первых ступенях компрессора) или задним (на последних ступенях турбины) расположением вентилятора; одно-, двух- или трехвальные; с полностью раздельными контурами или с некоторыми общими для обоих контуров элементами; с наличием или отсутствием в наружном контуре камеры сгорания и т. д. Простейшая схема ТРДД представлена на рис. 2.5.
Внутренний контур ТРДД представляет собой схему обычного ТРД. Наружный контур – кольцевой канал с расположенным в нем вентилятором. Поэтому двухконтурные турбореактивные двигатели называют иногда турбовентиляторными.
ТРДД работает следующим образом. Набегающий на двигатель воздушный поток поступает в воздухозаборник. Далее одна часть воздуха проходит через компрессор высокого давления внутреннего контура, другая – через лопатки вентилятора (компрессора низкого давления) наружного контура. Так как схема внутреннего контура представляет собой обычную схему ТРД, то и рабочий процесс в этом контуре аналогичен рабочему процессу в ТРД. Вентилятор наружного контура работает подобно многолопастному воздушному винту, вращающемуся в кольцевом канале.
Рис. 2.5. Схема двухконтурного турбореактивного двигателя:
1 – входное устройство; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – выходное устройство наружного контура; 7 – выходное устройство внутреннего контура.
Характерный параметр ТРДД – степень двухконтурности
m = mв2/mв1, (2.11)
где mв2 – расход воздуха, проходящего через наружный контур; mв1 – расход воздуха, проходящего через внутренний контур.
Тяга ТРДД складывается из тяг внутреннего и наружного контуров:
P1 = mв1(W1 - V); P2 = mв2(W2 - V). (2.12)
Тогда полная тяга ТРДД
P = P1 + P2 = mв1(W1-V) + mв2(W2-V), (2.13)
где W1 – скорость истечения газа из реактивного сопла внутреннего контура; W2 – скорость истечения воздуха из наружного контура.