1.6. Схемы авиационных гтд и их характеристики
Авиадвигателестроение - наиболее прогрессивная и быстро развивающаяся отрасль газотурбостроения. Авиадвигатели для гражданского воздушного флота отличаются повышенным уровнем надежности, высокими параметрами цикла (πк и Тг), малой массой Единичные мощности авиадвигателей, применяемых на больших пассажирских и транспортных самолетах, соответствуют номенклатуре ГПА компрессорных станций газопроводов. Кроме того, для ГПА можно использовать узлы и детали авиадвигателей, отработавших летный ресурс, но пригодных для дальнейшей эксплуатации на земле.
Основные схемы авиадвигателей, применявшихся и применяемых на самолетах гражданской авиации, представлены на рис. 1.9. В турбореактивных двигателях (ТРД) тяга создается непосредственно за счет реакции вытекающей струи, которая одновременно является и движителем. ТРД эффективны при больших скоростях полета. Газогенераторная часть двигателя может состоять из двух компрессоров и двух турбин. За турбиной может располагаться вторая камера сгорания, называемая обычно форсажной. На скоростных самолетах ее целесообразно включать при сверхзвуковой скорости полета. Форсажной камерой сгорания оснащаются и самолеты военного назначения. ТРД с форсажной КС эквивалентны ГТУ с промежуточным подогревом.
Рис.1.9. Основные схемы авиадвигателей:
а - турбореактивный, б - турбовинтовой; в - двухконтурный турбореактивный;
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина; 4 - реактивное сопло; 5 - вентилятор;
6, 7 - компрессоры соответственно низкого и высокого давления;
8, 9 - турбины соответственно высокого и низкого давления; 10 – редуктор
Турбовинтовые двигатели (рис.1.8. б), в которых движителем является воздушный винт, ранее выполняли одновальными (отечественные НК-12МВ, АИ-20, АИ-24 и др.), в дальнейшем в связи с ростом πк использовали конструкции с двумя турбинами. ТВД целесообразны при небольших скоростях полета, когда работа воздушного винта наиболее эффективна.
Двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД) наиболее распространены в современной гражданской авиации. Тяга в них создается за счет реактивной силы потока воздуха в наружном вентиляторном контуре и продуктов сгорания, выходящих из турбины (рис.1.10). Основные достоинства ДТРД по сравнению с ТРД и ТВД - более высокая экономичность на больших дозвуковых скоростях полета, меньший уровень шума. Наиболее распространенные первые отечественные ДТРД; НК-8-2у для Ту-154, Д-30 и Д-ЗОК для Ту-134 и Ил-62М, АИ-25 для Як-40.
Существуют еще турбовинтовентиляторные двигатели усовершенствованные ТВД, имеющие двухкаскадный газогенератор и силовую турбину с эффективным движителем в виде многолопастного воздушного винта с саблевидными лопастями. В настоящее время такие двигатели разрабатывают для полета со скоростью до 850...900 км/ч, так как они имеют меньший удельный расход топлива, чем ДТРД.
Рис.1.10. Конструктивная схема двухконтурного ТРД с передним расположением вентилятора второго контура:
1 - лопатка входного направляющего аппарата; 2 - двухступенчатый вентилятор;
3 - канал для выхода воздуха из первого контура в атмосферу; 4 - шестиступенчатый компрессор среднего давления; 5 - семиступенчатый компрессор высокого давления;
6 - камера сгорания; 7 - одноступенчатая турбина, приводящая компрессор высокого давления; 8, 9, 10 - три ступени турбины, приводящей двухступенчатый вентилятор и компрессор среднего давления
В 70-90-е годы прошлого столетия мировой рынок авиадвигателей был в основном заполнен продукцией трех крупных производителей: "Пратт и Уитни", "Дженерал Электрик" и "Роллс-Ройс". Они разрабатывали также модификации двигателей с увеличенным ресурсом для использования на кораблях и на земле: это известные FT4 и FT8 ("PW"), LM1500. LM2500, LM5000 ("GE"), Коберра серий 2000 и 6000 ("R-R"). Благодаря успехам крупных творческих коллективов и жесткой конкуренции к 90-м годам в лучших образцах уже был достигнут уровень эффективного КПД в условиях наземного применения около 40%. Все эти модификации выпускали различные японские и европейские фирмы.
В отечественных ОКБ была разработана вся номенклатура авиадвигателей, необходимых для самолетного парка страны. Наибольшие успехи советских и в дальнейшем российских авиадвигателестроителей относились к двигателям небольшого ресурса для военной авиации. Первый отечественный конвертированный авиадвигатель для газоперекачивающих агрегатов был разработан в Самарском НТК. Это был НК-12СТ мощностью около 6 МВт на базе ТВД НК-12МВ. Полученные агрегаты получили обозначение ГПА-Ц-6,3, и их было установлено на отечественных газопроводах более 600 единиц. В дальнейшем этим же коллективом был разработан двигатель мощностью 16 МВт на базе авиадвигателя НК-8-2у, получивший обозначение НК-16СТ. Более пятисот агрегатов с этим двигателем было установлено на компрессорных станциях. НК-16СТ выгодно отличался от НК-12СТ более высокой экономичностью, мощностью и модульностью конструкции. Оба этих двигателя и ГПА в целом широко описаны в литературе.
В дальнейшем Самарским НТК были разработаны двигатели мощностью 16 МВт типа НК-38СТ, 25 МВт типа НК-36СТ.