2.3.3. Энергетические превращения и изменение параметров

рабочего тела по тракту ТРД

ТРД состоит из следующих основных узлов (см. рис.2.3):

– воздухозаборник (ВЗ);

– осевой (центробежного, комбинированного) компрессор (ОК);

– камера сгорания (КС);

– газовая турбина (ГТ);

– реактивное сопло (РС).

ОК + КС + ГТ составляют газогенератор, формирующий сжатый и нагретый газ, способный совершить полезную работу при расширении.

Характерные сечения ТРД между узлами ТРД принято обозначать как:

н-н – сечение невозмущенного потока;

0-0 – сечение на входе в воздухозаборник;

вх-вх – сечение на входе в компрессор (собственно на входе в ТРД);

к-к – сечение на выходе из компрессора и входе в камеру сгорания;

г-г – сечение на выходе из камеры сгорания и входе в газовую турбину;

т-т – сечение на выходе из газовой турбины и входе в реактивное сопло;

с-с – сечение на выходе из реактивного сопла (выходе из двигателя).

До сечения н-н (см. рис. 2.2) воздушный поток является невозмущенным, то есть температура Т_н и давление р_н воздуха – атмосферные.

От сечения н-н до сечения вх-вх поток воздуха первоначально тормозится в свободно расширяющейся струе газа перед входом в ВЗ от скорости набегающего потока, равной скорости полета V до скорости на входе в ВЗ с₀, определяемой прокачивающей способностью ТРД и зависящей от режима его работы. Затем, торможение продолжается в диффузоре (расширяющемся канале) ВЗ. Скорость потока с уменьшается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия c²/2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, уменьшение кинетической энергии c²/2 приводит к пропорциональному возрастанию энтальпии (потенциальной энергии) i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх-вх до сечения к-к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся рабочих лопаток ОК, которая превращается в потенциальную энергию воздуха. Рост энтальпии влечет за собой возрастание давления и температуры воздуха. Энтальпия растет в основном за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно. Необходимость некоторого снижения скорости потока в ОК объясняется следующими соображениями. Так как расход воздуха через все сечения ОК постоянный (М_в = const), а его объем при движении вдоль тракта компрессора уменьшается за счет существенного увеличения плотности ρ при сжатии, то для сохранения неразрывности потока (постоянства расхода) необходимо пропорционально уменьшать площадь проходного сечения ОК F . В компрессоре с большой степенью повышения давления, площадь в выходном сечении F_к, а следовательно, высота рабочих лопаток h_к становится очень маленькой, что усложняет технологию изготовление таких лопаток и приводит к росту потерь энергии. Для замедления темпа падения величины площади F, а следовательно, темпа уменьшения h_к, рост плотности ρ частично компенсируют снижением скорости с .

От сечения к-к до сечения г-г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q_КС, выделяющаяся при сжигании в КС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина. Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, вследствие роста скорости потока при увеличении объема газа из-за его нагрева (роста температуры). Энтальпия резко возрастает за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г-г до сечения т-т рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ГТ, совершая полезную внешнюю работу. То есть часть энтальпии превращается в крутящий момент, называемый располагаемым моментом М_расп, на валу ГТ, который необходим для привода ОК (благодаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0) и дополнительных агрегатов (топливных, масляных и гидравлических насосов, электрогенераторов и т.п.). При этом уменьшается давление и температура газа и несколько возрастает скорость потока . Необходимость некоторого роста скорости потока в ГТ объясняется следующими соображениями. Так как расход газа через все сечения ГТ постоянный (М_г = const), а его объем при движении вдоль тракта турбины уменьшается за счет существенного снижения плотности ρ при расширении, то для сохранения неразрывности потока (постоянства расхода) необходимо пропорционально увеличивать площадь проходного сечения ГТ F . Площадь в выходном сечении F_т, а следовательно, высота рабочих лопаток последних ступеней ГТ h_т становится очень большой, что снижает их прочность. Для замедления темпа роста величины площади F, а следовательно, темпа увеличения h_т, падение плотности ρ частично компенсируют увеличением скорости с .

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия воздуха в ступени ОК. Это позволяет одной ступени ГТ вращать несколько ступеней компрессора.

От сечения т-т до сечения с-с происходит расширение рабочего тела (газа) в РС. Так как в РС отсутствует подвод энергии извне и практически отсутствует отвод энергии в окружающую среду, то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть энтальпии превращается в кинетическую энергию истекающей струи газа (создание реактивной тяги R). При этом уменьшается давление и температура газа и значительно возрастает скорость потока .