2.8. Характеристика врд различных типов

2.8.1. Трд с дополнительным подогревом воздуха (трдф)

ТРД первого и второго поколений имели относительно невысокие параметры рабочего процесса и соответствующие этой температуре . Получаемой работы цикла L_ц было достаточно, чтобы получить тягу для полета с дозвуковыми скоростями. Полет же со скоростями, превосходящими скорость звука требовал радикального увеличения тяги, для преодоления аэродинамического сопротивления возрастающего при сверхзвуковом полете скачкообразно.

Увеличить максимальную тягу ТРД R_max возможно за счет увеличения максимальной работы цикла L_max (см. рис.2.10), для чего необходимо увеличить температуру газа на входе в ГТ . Однако величина ограничена прочностью деталей ГТ ( ≤ 1700 ⁰K).

Вследствие того, что максимально возможная температура газа при сгорании керосина в КС ≈ 2400…2600 ⁰K, то в КС ТРД приходится принимать специальные меры, чтобы снизить до ≤ 1700 ⁰K. При этом в составе газа за КС остается много не прореагировавшего кислорода.

Схема ТРДФ с дополнительным подогревом газа в форсажной камере сгорания (ФК) за газовой турбиной (рис. 2.11) позволяет повысить температуру газа на входе в реактивное сопло. То есть в ТРДФ, после совершения газом работы расширения в ГТ (потребной для привода компрессора), газ, отдавший часть своей энтальпии i (↓Т ) подогревается до ≥ 2000 K в ФК путем сжигания в нем дополнительного топлива.

Б

Рис. 2.11. Схема ТРДФ

олее нагретый газ совершит в РС бóльшую работу при расширении и разгонит газовый поток до бóльшей скорости на срезе РС с_с, следовательно, увеличится удельная тяга R_уд = ↑с_с – V и тяга ТРД R = М_в ↑R_уд.

Дополнительный подвод тепла к рабочему телу в ТРДФ позволяет увеличить работу цикла на величину ΔL_ф (рис. 2.12, 2.13) не увеличивая на входе в ГТ.

Рис. 2.12. Цикл ТРДФ в координатах	Рис. 2.13. Цикл ТРДФ в координатах Т – S

Степень форсирования R_уд.ф /R_уд зависит от степени подогрева газа в ФК и скорости полета V.

Например, при =2 и М = 0 R_уд.ф /R_уд ≈ 1,4…1,5; при =2 и М = 2,5 R_уд.ф /R_уд ≈ 2,5.

Такой способ форсирования тяги используют для быстрого разгона самолета при взлете и наборе высоты, а так же при полете со сверхзвуковой скоростью.

Недостатком ТРДФ является низкая экономичность (↓с_R ) на форсажных режимах работы, а так же значительное увеличение массы и габаритов двигателя за счет форсажной камеры, что существенно ограничивает применение ТРДФ в гражданской авиации.

2.8.2. Двухвальный трд

Для совершенствования ТРД как тепловой машины без ухудшения экономичности необходимо было увеличивать работу L_ц, получаемую от каждого килограмма рабочего тела (газа) в основном цикле. Решение этой задачи возможно за счет создания более жаропрочных и жаростойких материалов, совершенствования конструкции и системы охлаждения ГТ. В этом случае можно повысить , а следовательно, и . Однако на этом пути конструкторы столкнулись с проблемой. Увеличение осуществляется увеличением количества ступеней осевого компрессора (ступень ОК состоит из ряда неподвижных направляющих лопаток, закрепленных радиально на наружном корпусе ОК и ряда вращающихся рабочих лопаток, закрепленных на роторе). Высоконапорный компрессор, имеющий большое количество ступеней, работает согласованно (углы набегания потока на рабочие лопатки всех ступеней расчетные) только при расчетных скорости, высоте полета и режиме работы двигателя. При любом отклонении от расчетных условий наблюдается газодинамическое рассогласование в работе первых и последних ступеней. При этом снижается запас газодинамической устойчивости ΔK_у и КПД ОК , следовательно, повышается опасность выхода ОК на неустойчивый режим работы «помпаж» и растет удельный расход топлива (ухудшается экономичность).

Один из способов восстановления согласованной работы ступеней – это дать возможность первым и последним ступеням вращаться с различными частотами , но в обычном ТРД это невозможно, так как все ступени закреплены на одном валу ротора.

В двухвальном ТРД вал ротора состоит из двух валов, расположенных соосно один внутри другого, следовательно, ОК и ГТ делятся на две, механически не связанные части:

1. компрессор низкого давления (КНД) + турбина низкого давления (ТНД), составляющие ротор низкого давления (РНД);

2. компрессор высокого давления (КВД) + турбина высокого давления (ТНД), составляющие ротор высокого давления (РВД) (рис. 2.14)

П

Рис. 2.14. Схема двухвального ТРД (ДТРД)

ри отклонении условий полета или режима работы двигателя от расчетных значений, РНД и РВД начинают вращаться с разными частотами, и рассогласование между ступенями КНД и КВД автоматически устраняется (саморегулирование ТРД).

Вращение роторов высокого и низкого давления (РВД и РНД) с разными частотами называют – "скольжением роторов" :

(2.17)

Чем значительнее отличаются условия полета или режим работы двигателя от расчетных значений, тем больше величина , при которой устраняется рассогласование.

Недостатками двухвальных ТРД являются:

- более сложная конструкция ротора;

- тяжелые условия работы межвальных подшипников обусловленные: затрудненной подачей масла для охлаждения, смазки и вывода продуктов износа; повышенным износом (овализацией) роликов подшипников из-за их скольжения вместо качения вследствие отсутствия радиальных сил.

- относительно большое время, потребное на изменение частот вращения роторов при саморегулировании из-за их инерционности.

Главным достоинством двухвальных ТРД является отсутствие необходимости в сложных автоматических устройствах регулирования ОК.