1.3. Рабочий процесс в двухконтурном турбореактивном двигателе

Изменение параметров газового потока в ТРДД показано на диаграмме р, V. Совокупность отдельных термодинамических процессов, протекающих в элементах двигателя, принято называть циклом или рабочим процессом двигателя.

В термодинамике обычно рассматривают идеальные циклы, составленные из простейших термо­динамических процессов. Все процессы в таких циклах протекают обратимо, отсутствуют какие-либо потери, за исключением отдачи тепла охладителю, без чего в соответствии со вторым законом термо­динамики не может быть осуществлено непрерывное превращение тепла в работу. Поэтому в идеаль­ных циклах не учитываются потери на преодоление гидравлических сопротивлений. Предполагается также, что в идеальных циклах подвод тепла к рабочему телу происходит без изменения химического состава последнего. Принимают, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры и постоянна в течение всего цикла. Процессы сжатия и расширения в идеальном цикле принимаются адиабати­ческими, а процессы подвода и отвода тепла — изобарическими.

В идеальном цикле основные параметры, характеризующие работу двигателя (например, полезная работа, КПД), принимают предельные значения. По степени приближения этих параметров реального двигателя к параметрам идеального можно судить о совершенстве реального двигателя. Рабочий процесс газотурбинных двигателей совершается по циклу с подводом тепла при постоянном Давлении. Идеальный цикл газотурбинного двигателя с подводом тепла при р = const в координатах р, V представлен на рис. 1.2.

Отрезок адиабаты Н — К характеризует сжатие воздуха во входном устройстве (отрезок Н — В) и компрессоре (отрезок В —К). Подвод тепла Q\ в камере сгорания при постоянном давлении изо­бражен линией К — Г, а процесс расширения в турбине (отрезок Г — Т) и выходном сопле (отрезок Г—С)—отрезком адиабаты Г—С. Отрезок изобары С — Н, соответствующий отводу тепла, изобра­жает условный замыкающий процесс цикла, протекающий вне двигателя и представляющий собой отдачу тепла от газов, выходящих из двигателя, к окружающей среде.

На диаграмме р, V площадь Н'—Н—К—/('изображает адиабатическую работу сжатия 1 кг массы рабочего тела во входном устройстве и компрессоре, а площадь К'—Г—С — Я—адиабатическую работу расширения 1 кг массы рабочего тела в турбине и выходном устройстве. Полезная работа цикла представляет собой разность адиабатических работ расширения и сжатия и изображается площадью Н — К — Г — С.

В ТРДД полезная работа цикла Lt используется для увеличения кинетической энергии газов на выходе из сопла и на привод компрессора наружного контура.

Если обозначить адиабатическую работу расширения L_aap, а адиабатическую работу сжатия L_aa с, то полезная работа определится как их разность, т. е.

Lt = /.ад.р — /-ад.с. ( 1 .5)

Так как термодинамические циклы обычно строятся для 1 кг массы рабочего тела, то работа Lt одновременно является удельной работой, значение которой является показателем качества цикла, характеризующим его работоспособность. Использование циклов с высокой работоспособностью поз­воляет уменьшить размеры и массу двигателя при заданной мощности.

Важнейшей характеристикой цикла является также его тепловая экономичность, т. е. степень превращения в цикле подводимого тепла в полезную работу. Для оценки тепловой экономичности цикла служит термический коэффициент полезного действия ц,, представляющий собой отношение тепла, превращаемого в полезную работу, к теплу, подводимому извне:

т,,= (Q,-Q₂)/Qi = L//Q,, (1.6)

где Q{—тепло, подведенное к газу в цикле; q2 — тепло, отводимое от газа в цикле.

Во всех элементах двигателя происходят необратимые потери энергии, изменяется давление рабочего тела в процессе подвода тепла, поэтому реальный цикл ГТД будет отличаться от идеального.

Реальный цикл ГТД в координатах р, V изображен на рис. 1.3. Для сравнения на этом же рисунке пунктиром показан идеальный цикл с подводом тепла при постоянном давлении с адиабатическим сжатием и расширением и такими же как у реального цикла значениями давлений в начале и конце сжатия и количеством тепла, сообщаемого воздуху в камере сгорания. Реальный цикл ГТД состоит из следующих последовательно протекающих процессов:

скоростного сжатия воздуха (отрезок Я—В; при работе двигателя на месте этот процесс отсут­ствует);

политропического сжатия воздуха в компрессоре (отрезок В — К); подвода тепла в камере сгорания (отрезок К — Г); политропического расширения газа в турбине (отрезок Г — 7"); политропического расширения газа в выходном сопле (отрезок Т — С);

замыкающего изобарического процесса (отрезок С — Я), который соответствует охлаждению газовой струи, выходящей из двигателя, и протекает вне двигателя.

Политропическая работа сжатия воздуха во входном устройстве и компрессоре L_nc на диаграмме изображена площадью #'— Я — К — К' а политропическая работа расширения газа в двигателе (турбине, выходном сопле, камере сгорания) L„_p— площадью К.'— К — Г — С — Я.' Работа реального цикла, которая обычно называется индикаторной, представляет собой разность между политропи­ческой работой расширения газа и политропической работой сжатия воздуха, т. е.

Li Z-п.р L_n.c- (1 -7)

Индикаторная работа на диаграмме р, V определяется площадью Н — К — Г—С.

В ТРДД индикаторная работа цикла расходуется на увеличение кинетической энергии газового потока, протекающего через двигатель, на привод компрессора наружного контура, на преодоление гидравлических сопротивлений в проточной части, трение в подшипниках, трение торцовых поверх­ностей роторов компрессора и турбины о воздух и газ, а также на привод вспомогательных агрегатов.

Таким образом, индикаторная работа (Дж/кг)

■Li = L_M+ (Cc²-V^)/2 + L_t, (1.8)

где L_Kii — работа, затрачиваемая на привод КНД; (с? — Vl)/2 — увеличение кинетической энергии газо­вого потока, протекающего через двигатель; L_T—работа, затрачиваемая на преодоление гидравлических сопротивлений, на трение в подшипниках и торцовых поверхностях роторов и на привод вспомогательных агрегатов.

Если из индикаторной работы вычесть составляющую L_T, то получим эффективную работу двига­теля L_e, отнесенную к 1 кг массы рабочего тела, протекающего через двигатель:

L_e = Li-L_T = L_Kil + (с²_с- VI)/2. (1.9)

Таким образом, реальный цикл ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов (сжатия воздуха во входном устройстве и компрессоре, подвод тепла в камере сгорания и расширения газов в турбине и выходном устройстве). Характер протекания указанных процессов и стремление к наиболее эффективной организации процессов преобразования энергии в отдельных элементах дви­гателя во многом определяют его конструкцию.

Реальный термодинамический цикл ТРДД представляет собой совокупность реальных термоди­намических циклов, совершающихся во внутреннем и наружном контурах двигателя. В обоих кон­турах к рабочему телу подводится внешняя энергия в виде тепла или механической работы, в ре­зультате чего рабочее тело совершает полезную работу вследствие изменения его кинетической энергии. Приращение кинетической энергии рабочего тела, полученное в контурах двигателя, частично преоб­разуется во внешнюю работу силы тяги (тяговую работу), затрачиваемую на продвижение самолета в воздухе, и частично теряется вне двигателя.

Как уже отмечалось, ТРДД выполняются с раздельным истечением рабочего тела из контуров двигателя и со смешением потоков газа и воздуха.

Смешение потоков, поступающих из контуров двигателя, перед общим реактивным соплом поз­воляет получить некоторое увеличение тяги двигателя и уменьшение удельного расхода топлива (на 1,5—3%), а это в свою очередь позволяет уменьшить массу двигателя, упростить его конструкцию и снизить уровень шума. Именно поэтому в последние годы получили преимущественное распростране­ние ТРДД со смешением потоков воздуха и газа.

На рис. 1.4 показаны реальный термодинамический цикл внутреннего и наружного контуров ТРДД со смешением потоков воздуха и газа в р, V координатах, а на рис. 1.5 совмещенные циклы.

Реальный термодинамический цикл внутреннего контура ТРДД (см. рис. 1.4, а) состоит из следующих последовательно протекающих процессов:

скоростного сжатия воздуха во входном устройстве (отрезок политропы Н— В; при работе дви­гателя на старте этот процесс отсутствует);

политропического сжатия воздуха в КНД (отрезок В — ВН);

политропического сжатия воздуха в КВД (отрезок ВН — К);

процесса подвода тепла в камере сгорания (отрезок К—Г);

политропического расширения газа в турбине (отрезок Г—Т);

процесса передачи тепла в камере смешения от газов, вытекающих из внутреннего контура, к воздуху, поступающему из наружного контура (отрезок Т — СМ);

политропического расширения газа в общем реактивном сопле (отрезок СМ — С);

замыкающего условного изобарического процесса отвода тепла (отрезок С — Н).

Работа турбины ТРДД затрачивается как на привод КВД, так и на привод КНД, сжимающего воздух, поступающий в наружный контур. Указанная особенность характерна также для двигателей с раздельным истечением газа и воздуха и для ТРДД со смешением потоков. Однако в ТРДД со смешением потоков расширение газов в турбине производится до тех пор, пока давление газа не станет близким к давлению воздуха за вентилятором, что позволяет уменьшить потери при смешении газа и воздуха.

Особенностью рассматриваемого термодинамического цикла внутреннего контура ТРДД является также отвод тепла от газов, поступающих из турбины, в процессе смешения потоков. Как видно из рис. 1.4, а, индикаторная работа цикла (площадь Н — К — Г — С) в этом случае уменьшается на вели­чину, соответствующую площади С — СМ — Т—С' Однако отведенное тепло не является потерей для двигателя в целом, так как оно используется для подогрева воздуха, поступающего из наружного контура, и, следовательно, способствует увеличению его кинетической энергии.

Реальный термодинамический цикл внешнего контура (см. рис. 1.4, б) состоит из следующих последовательно протекающих термодинамических процессов:

динамического сжатия воздуха во входном устройстве (отрезок политропы Н — В);

сжатия воздуха в вентиляторе (отрезок политропы В — ВН);

вн

Р

г

V

рис. 1.5. Реальный термо­динамический совмещен­ный цикл ТРДД со'сме­шением потоков воздуха и газа

О

подвода тепла к воздуху в камере смешения (отрезок ВН — СМ); политропического расширения газа в общем реактивном сопле (отрезок СМ — С); замыкающего изобарического процесса (отрезок С — Н).

Внешняя энергия, сообщенная воздуху в наружном контуре в виде механической работы (в венти­ляторе) и тепла (в камере смешения), расходуется на увеличение кинетической энергии потока и преодоление гидравлических сопротивлений.