Газовоздушный поток в твд
На рис. 1.7 показаны два турбовинтовых двигателя с центробежным и осевым компрессорами. На выходе ТВД мы имеем сумму мощности на валу, развиваемой в турбине и остаточной реактивной тяги. Это называется эквивалентная мощность на валу (ESHP).
Рис. 1.7. ТВД с центробежным и осевым компрессорами
Главным отличием ТРД и ТВД является способ преобразования всей энергии газового потока в механическую мощность.
В ТРД большая часть энергии газового потока используется на привод компрессора, как и в ТВД, но остаточная энергия в ТРД используется в качестве тяги, а остаточная энергия в ТВД используется на привод винта. Только небольшая величина «реактивной тяги» из выхлопной системы ТВД с эффективной турбиной может быть описана как «остаточная тяга».
Не учитывая данное отличие, воздушный поток в двигателе фактически одинаковый в любом варианте. Компрессор направляет воздух в камеру сгорания, где к нему добавляется топливо, и при номинальном постоянном давлении достигается существенное увеличение его объема.
Газ расширяется в турбине, где его температура падает, а давление и скорость преобразуются в механическую энергию для привода компрессора (компрессоров) и винта через редуктор.
Газовоздушный поток в турбовальном двигателе
Турбовальный двигатель может приравниваться к турбовинтовому, у которого винт заменен на вал. Турбовальные двигатели могут использоваться для привода роторов вертолета.
Они могут также применяться, когда требуется компактная подача электроэнергии, вал двигателя в этом случае соединяется с генератором переменного тока. Двигатели такого типа обычно используются во вспомогательных силовых установках на большинстве современных транспортных самолетов.
Рис. 1.8. Однокаскадный турбовальный двигатель со свободной силовой турбиной
Прежде всего, турбовальные двигатели содержат свободную силовую турбину.
Свободная силовая турбина не соединяется с каким-либо компрессором. Это освобождает ее от необходимости вращения с постоянной скоростью, соответствующей компрессору, что намного расширяет диапазон рабочих частот.
Однокаскадный турбовальный двигатель, показанный на рис. 1.8, имеет противоточную камеру сгорания (с поворотом потока). Это позволяет сделать двигатель намного короче, жестче и легче, но требует использования центробежного компрессора для ступени ВД. Это позволяет выбрасывать Воздух, сжатый в центробежном компрессоре движется в радиальном направлении, что обеспечивает удобство его подачи в противоточную камеру сгорания.
Далее после этого отклонения, воздушный поток протекает аналогично описанному ранее потоку в ТРД до точки, где он покидает ТВД и ТНД. После преобразования значительной величины энергии на привод компрессоров газ проходит через свободную силовую турбину, где вся остаточная энергия используется на привод агрегата, с которым она соединена.
Газовоздушный поток в трдд с низкой степенью двухконтурности
Степень двухконтурности двигателя – это отношение количества воздуха, проходящего через канал второго контура вокруг газогенератора, к количеству воздуха, проходящего через газогенератор. Величина низкой степени двухконтурности находится в диапазоне 1 или 2:1, а высокой степени двухконтурности – около 5:1.
На рис. 1.9 представлен двухкаскадный двигатель с низкой степенью двухконтурности. Воздушный поток на выходе КНД идентичен потоку в однокаскадном двигателе, но затем он делится на две части. Одна часть потока, в зависимости от величины степени двухконтурности, будет направляться в канал второго контура, а остаток будет проходить дальше в КВД.
Рис. 1.9. Двухкаскадный ТРДД с низкой степенью двухконтурности
Из КВД воздух проходит по известному пути в камеры сгорания и турбину до того, как снова соединится с потоком второго контура в смесительном устройстве выхлопной системы.
Тяговый КПД у двигателей с низкой и высокой степенью двухконтурности намного выше, чем у простого ТРД на скоростях, типичных для реактивных транспортных самолетов. Тяговый КПД объясняется в разделе 1.14.
Это также влияет и на расход топлива, который значительно ниже у двигателя с высокой степенью двухконтурности.
ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК В ТРДД С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ДВУХКОНТУРНОСТИ (ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ)
Опыт, накопленный при изготовлении и эксплуатации ТРДД с низкой степенью двухконтурности, показал, что двигатели с большим сравнительным расходом воздуха и более низкими скоростями реактивной струи могут дать больший тяговый КПД, чем ТВД и ТРД на нормальных крейсерских скоростях. Наступила эра турбовентиляторных авиационных двигателей.
На тис. 1.10 показан трехкаскадный турбовентиляторный двигатель с передним расположением вентилятора Rolls-RoyceRB 211. Он представляет собой самый удачный пример двигателя данного типа.
Рис. 1.10. Трехкаскадный трёхвальный турбовентиляторный двигатель
Воздух поступает в воздухозаборник и сразу попадает в КНД, обычно называемый вентилятором. Здесь происходит повышение давления воздуха до того, как он попадет либо в канал второго контура, либо в промежуточный компрессор, количественное соотношение зависит от степени двухконтурности.
Тяга у двигателей такого типа почти полностью зависит от потока второго контура, который имеет большую массу и относительно низкую скорость, следовательно, и высокий тяговый КПД. Воздух, который проходит через промежуточный компрессор и КВД получает большую энергию в камерах сгорания, но она необходима на привод компрессоров.
Самая задняя турбина, ТНД, несет ответственность за извлечение практически всей энергии, которая остается в потоке газов, для привода переднего вентилятора.
Если этот процесс выполняется эффективно, будет существовать лишь небольшое количество остаточной тяги при выходе выхлопных газов из турбины.