Принцип работы газотурбинных двигателей
Принцип работы ГДД основывается на том же принципе, что и работа системы поршневой двигатель/винт: они оба проталкивают массу воздуха назад.
Произведение Массы (М) на Ускорение (А) равно Силе (F). У ГТД Массой является воздух, проходящий через компрессор. Ускорением является разность между скоростью воздуха на выходе V0 и на входеV1 связи с добавлением тепловой энергии. Сила - это Тяга. М * (V0 - V1) = Тяга.
Винт перемещает относительно большую массу воздуха назад достаточно медленно, в то время как турбина выбрасывает небольшую массу воздуха относительно быстро. Третий закон Ньютона гласит:
Для любой силы, действующей на тело, существует равная по величине и противоположная по направлению сила противодействия.
В двух приведенных ранее случаях, винтового и газотурбинного двигателя, сила, генерируемая массой воздуха и его скоростью, создает реакцию в противоположном направлении, которая толкает самолет вперед.
Нужно помнить, что реакция газовой струи не является результатом давления струи на атмосферу. В любом случае, результирующая реакция или тяга, действующая на двигатель, пропорциональна массе или весу воздуха, вытесняемого двигателем и изменению скорости, сообщаемой воздуху.
Рабочий цикл гтд
Рабочие циклы четырехтактного поршневого двигателя (цикл Отто) и газотурбинного двигателя (цикл Брайтона) очень похожи. См. рис. 1.2.
Рис. 1.2. Сравнение рабочих циклов поршневого и газотурбинного двигателей
Такты всасывания, сжатия, зажигания, рабочий ход и выхлоп цикла Отто сравниваются со ступенями всасывания, сжатия, зажигания и выхлопа цикла Брайтона.
В ГТД теоретически горение происходит с постоянным давлением, в то время как у поршневого двигателя оно происходит с постоянным объемом. Мощность вырабатывается в турбине двигателя.
Другим отличием является непрерывность процесса, который происходит в ГТД, а в поршневом двигателе он носит прерывистый характер. Только один такт отвечает за выработку мощности в поршневом двигателе, остальные три мощность потребляют. В ГТД три «холостых» такта упразднены, предоставляя больше времени на сжигание топлива.
Это одна из причин, по которой ГТД обладают лучшей пропорцией мощность/вес, чем поршневые.
График зависимости объема от давления в рабочем цикле
График зависимости объема от давления, приведенный на рис. 1.3 (цикл Брайтона), представляет рабочий цикл ГТД в упрощенной форме.
Рис. 1.3. График зависимости объема от давления в рабочем цикле ГТД
Воздух с атмосферным давлением поступает в двигатель в точке А и сжимается вдоль линии А-В.
Топливо в камеры сгорания добавляется в точке В и горит, теоретически, при постоянном давлении.
Фактически, в камере сгорания существуют потери давления из-за возникновения завихрений и турбулентности, вызывающих снижение давления по длине камеры от 3 до 6%. Не смотря на это, происходит значительное увеличение объема воздуха в камере сгорания.
Между точками С и D газ после сгорания расширяется в турбине и реактивном сопле, теоретически, до величины атмосферного давления перед выбросом в атмосферу.