книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 1 Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы
.pdf
Глава 1. Общие сведения о газотурбинных двигателях
Рис. 1.31. Конструктивные схемы самолетов |
Рис. 1.32. Конструктивные схемы ТРД |
Глостер Е28/39 и Метеор-1 |
Ф. Уиттла W.1 и W.2B («Велланд 1») |
32
1.2. Газотурбинные ВРД-основные двигатели современной авиации
Рис. 1.33. Конструктивная схема ТРД «Метрополитен-Викерс F2»
Т а б л и ц а 1.1
Основные данные первых опытных и серийных ТРД
Параметры
R, кгс
C R, к г / к г с ч
О |
* |
§ |
|
|
Л к |
|
Л к |
|
Л т |
г |
; к |
Z компрессора
Z турбины Камера сгорания Масса, кг Диаметр макс., мм
Длина, мм Удельная масса, кг/кгс
Дата первого полета реактивного само лета
РД-1 проект |
ТР-1 проект |
|
Велланд W.2B |
|
|
|
1938 г. |
1944 г. |
He-S8 |
Jumo-004B1 |
BMW-003 |
||
(Rolls-Royce) |
||||||
(А.М. Люлька) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
530 |
1350 |
550 |
770 |
900 |
800 |
|
1,43 |
1,315 |
1,30 |
1,12 |
1,40 |
1,40 |
|
- |
31,5 |
- |
- |
21,2 |
19 |
|
3,2 |
3,16 |
- |
4,0 |
3,14 |
3,10 |
|
- |
- |
- |
0,75 |
0,78 |
- |
|
- |
- |
- |
0,87 |
0,795 |
- |
|
940 |
1050 |
- |
- |
1048 |
1023 |
|
6 |
8 |
1+1 (осецентро |
1 (центробежный) |
8 (осевой) |
7 (осевой) |
|
бежный) |
||||||
|
|
|
|
|
||
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
кольцевая |
кольцевая |
кольцевая |
трубчатая |
трубчатая |
трубчатая |
|
- |
856 |
490 |
410 |
745 |
660 |
|
- |
851 |
790 |
- |
760 |
690 |
|
- |
3860 |
2700 |
- |
3860 |
3640 |
|
- |
0,634 |
0,89 |
0,53 |
0,83 |
0,825 |
|
- |
май 1946 г. |
30 марта 1941 г. |
5 марта 1943 г. |
18 июля 1942 г. |
6 декабря 1944 г. |
|
(Су-И) |
(Не-280) |
(«Глостер Метеор 1») |
(Ме-262А) |
(He-162V-l) |
||
|
||||||
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1. 2 |
|
|
Хронология создания первых турбореактивных двигателей |
|||
|
СССР |
Англия |
|
Германия |
|
Годы |
ТВД В.В. Уварова |
ТРД Ф. Уиттла |
ТРД Г. фон Охайна |
ТРД А. Франца (Jumo) |
|
|
ТРД А.М. Люльки |
|
|
ТРД Г. Ойстрнха (BMW) |
|
1923 |
Заявкана современную схе |
|
|
|
|
|
муТРД(ТВД) В.И.Базарова |
|
|
|
|
|
(9 июня) |
|
Идея использования тур |
|
|
1929 |
Задание ГУАП на высотный |
|
|
||
|
ТВД мощностью 1500 л.с. бины для реактивного |
|
|
||
|
Образование вВТИ «Газовой |
двигателя Ф. Уиттла. |
|
|
|
|
группы» под |
руководством |
|
|
|
|
В.В.Уварова |
для изучения |
|
|
|
|
ГТД. Статья |
Б.С. Стечкина |
|
|
|
«Теория воздушно-реактив ного двигателя»
33
Глава I. Общие сведения о газотурбинных двигателях
|
|
|
|
|
|
|
|
О к о н ч а н и е т а б л . 1. 2 |
||||
Годы |
|
СССР |
|
Англия |
ТРД Г. фон Охайна |
Германия |
|
|
|
|||
|
ТВД В.В. Уварова |
ТРД Ф. Уиттла |
|
ТРД А. Франца (Jumo) |
||||||||
|
|
ТРД А.М. Люльки |
|
|
|
|
|
|
ТРД Г. Ойстриха (BMW) |
|||
1930 |
|
|
Патент на ТРД Ф. Уиттла |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
(от 16 января) |
|
Идея создания ТРД |
|
|
|
|
|
||
1933 |
Проект первой высокотем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
пературной эксперименталь |
|
|
|
(Г. фон Охайн) |
|
|
|
|
|
||
|
ной ГТУ-1 В. В. Уваров |
|
|
|
Патент на ТРД с центробежным ком |
|
|
|
|
|||
1935 |
Собрана ГТУ-1 Проект ТВД |
Начало создания перво |
|
|
|
|
||||||
|
ГТУ-3 мощностью 1500 л.с. |
го экспериментального |
прессором |
и центростремительной |
|
|
|
|
||||
|
В.В. Уварова |
ТРД\У.и. (Whittle Unit) |
турбиной Г.фон Охайна |
|
|
|
|
|
||||
1936 |
Начало испытаний ГТУ-1 |
Образование фирмы |
Испытание работающего |
макета |
|
|
|
|
||||
|
(1 января) |
Power Jets ltd. (март) |
ТРД. Начало работ по проектиро |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
ванию ТРД Г.фон Охайна на фир |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ме Э. Хейнкеля |
|
|
|
|
|
|
1937 |
Начало испытаний ТВД |
Начало |
испытаний ТРД |
Начало испытаний демонстратора |
Разработка ТРД с центробеж |
|||||||
|
ГТУ-3. Проект первого ТРД |
W.U. 1-й модели |
ТРД Г.фон Охайна на тягу 600 кге |
ным компрессором |
фирмой |
|||||||
|
РТД-1 с центробежным ком |
(12 апреля) |
|
(начало марта) |
|
BMW в Мюнхене |
|
|||||
|
прессором (А.М. Люлька) |
|
|
|
|
|
|
Начало работ над проектами |
||||
1938 |
Начало проектирования ТРД |
Начало испытаний ТРД |
Испытания HeS3B-l налетающей |
|||||||||
|
РД-1 с осевым компрессором |
W.U. 3-й модели (конец |
лаборатории Не-118 (июнь) |
ТРД на фирме «Юнкере» под |
||||||||
|
(А.М. Люлька) |
октября) |
|
|
|
|
|
рук. Г. Вагнера и А. Франца |
||||
1939 |
|
|
|
|
|
Первый полет однодвигательного |
Начало проектирования ТРД |
|||||
|
|
|
|
|
|
Не-178 с двигателем HeS3B-2 |
Jumo-004 А.Францем |
|
||||
|
|
|
|
|
|
(27 августа) |
|
|
|
|
|
|
1940 Рабочие чертежи первого ИспытаниянастендеТРД |
Начало проектирования ТРД HeS8 |
Испытания ТРД BMW- 109-003 |
||||||||||
|
ТРД РД-1 на тягу 500 кге |
с осевым компрессором |
с осецентробежным компрессо |
с осевым компрессором с тя |
||||||||
|
переданы на Кировский за |
«Метрополитен-Викерс |
ром Г. фон Охайном и ТРД HeS30 |
гой 800 кге на заводе Шпандау |
||||||||
|
вод |
в Ленинграде. Группа |
F2» с тягой 975 кге |
с осевым компрессором |
группой |
(констр. |
Г. Ойстрих). |
Начало |
||||
|
В.В. Уварова переведена из |
(констр. |
А. Гриффит и |
М. Мюллера на фирме «Хейнкель» |
проектирования |
ТВД |
BMW- |
|||||
|
ВТИ в ЦИАМ |
X. Констант) |
|
|
|
|
109-028 на мощность 7900 л.с. |
|||||
1941 |
Закончены горячие испыта |
Первый полет однодви |
Первый полет двухдвигательного |
Первый |
полет |
двухдвигат. |
||||||
|
ния ТВД ГТУ-3 В.В.Уварова. |
гательного |
«Глостер |
Не 280 с ТРД HeS8 (30 марта) |
Ме-262А с одним Jumo-004 |
|||||||
|
А.М. Люлька получил патент |
Е28/39»сТРД W1 с тягой |
|
|
|
(18 апреля). Первый полет |
||||||
|
на двухконтурныи ТРДД (за |
563 кге (констр. Ф. Уиттл) |
|
|
|
Ме-262 с двумя BMW-003 |
||||||
|
явка от 22 апреля) |
(15 мая) W1X отправлен |
|
|
|
(ноябрь) |
|
|
|
|||
|
|
|
в США на фирму General |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Electric |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1942 |
|
|
В США совершил первый |
На HeS30 получена тяга 900 кге. |
Первый полет Ме-262А с двумя |
|||||||
|
|
|
полет самолет ХР-59А |
Получен заказ на ТРД «109-011» |
двигателями Jumo-109-004-0 |
|||||||
|
|
|
Эйракомет с ТРД W1X |
2-го поколения с диагонально |
с тягой 840 кге (18 июля) |
|||||||
|
|
|
(I-A) (октябрь) |
|
осевым |
компрессором |
(1+3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с 7г*кГ=4...5, с 2 - ст. турб., на тягу |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1300... 1600 кге (декабрь) |
|
|
|
|
|
|
1943 |
В |
ЦИАМ спроектирован |
Первый |
полет |
двухдви |
Изготовлен первый ТРД «109-011» |
Летные |
испытания |
BMW- |
|||
|
ТВД Э-30-80 на мощность |
гательного |
«Глостер |
(констр. Г.фон Охайн и М. Бентеле) |
003А-0 (октябрь). Поломка |
|||||||
|
1400 л.с. А.М. Люлька во |
Метеор 1» с ТРД W2B |
|
|
|
рабочей |
лопатки турбины |
|||||
|
зобновил работы по ТРД на |
(Welland) с тягой 770 кге |
|
|
|
ВД Jumo-004 от резонансных |
||||||
|
базе РД-1 натягу 1200 кге |
(5марта)и«Метеор F2/40» |
|
|
|
вибронапряжений, вызванных |
||||||
|
|
|
с двиг. «Метрополитен- |
|
|
|
6 гармоникой (по числу жаро |
|||||
|
|
|
Викерс» (ноябрь) |
|
|
|
вых труб) (июнь |
1943 г. - на |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чало 1944). Начало разработ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ки BMW-01 1 тягой |
1362 кге |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(март) |
|
|
|
1944 Сборка и первый запуск |
Начало массовой эксплуа |
На ТРД «109-011» получена тяга |
Массовая |
поставка |
серий |
|||||||
|
ТРД С-18 (стендовый вари |
тации «Метеор 1» (июль). |
1300 кге |
|
|
ных Jumo-004 на истребитель |
||||||
|
ант ТРД ТР-1 конструкции |
Проектирование и испы |
|
|
|
Ме-262 и бомбардировщики |
||||||
|
А.М. Люльки) |
тание ТРД «Нин» с тягой |
|
|
|
Арадо 234В и 10-287. Всего |
||||||
|
|
|
2270 кге и «Дервент» |
|
|
|
изготовлено около 6400 двигат. |
|||||
|
|
|
с тягой 1600 кге на фир |
|
|
|
Jumo-004. 1-й полет Не-162V-1 |
|||||
|
|
|
ме Rolls-Royce |
|
|
|
с одним ТРД BMW-003 |
|||||
|
|
|
(май-октябрь) |
|
|
|
|
(6 декабря) |
|
|
||
34
1.3. ГТД наземного и морского применения
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
1.3 |
|||
|
|
Поколения авиационных ГТД |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
П околени я |
Н азн ачен ие |
С хем а |
|
К ом прессор |
|
|
Т урб и н а |
|
|
m |
М т а х |
|||||
|
сам олетов |
двигателя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
Военные |
ТРД, ТРДФ, |
Одновальный осевой |
Неохлаждаемая |
|
|
< |
1 |
||||||||
с 1943-1945 гг. |
|
т в д |
|
или центробежный |
Гсд = 1000... |
1150 К (охлаж |
|
|
|
|
||||||
по |
|
|
|
я*К£ = |
3... |
5,5 |
|
дение при использовании |
|
|
|
|
||||
1949-1952 гг. |
|
|
|
|
|
|
|
сварных конструкций) |
|
|
|
|
||||
II |
Военные |
ТРДФ, ТРД, |
Осевой одновальный |
Неохлаждаемая (полые |
|
— |
2... |
2,3 |
||||||||
с 1950-1953 гг. |
|
т в д |
|
с регулируемыми НА или |
лопатки первого СА) |
|
|
|
|
|||||||
по |
Гражданские |
ТВД, ТРД |
двухвальный тсд = |
7... 13 |
7’с л = |
1150... |
1250 К |
|
- |
< |
1 |
|||||
1958-1960 гг. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
III |
Гражданские |
ТРДД |
Осевой двухвальный или |
С внутренним |
0,5 |
...2,5 |
<1 |
|||||||||
с 1958-1960 гт. |
|
ТРД(Ф), |
одновальный |
|
конвективным |
|
- |
2... |
2,2 |
|||||||
по |
|
ТРДЦФ(СПС) |
я*к1= 10 |
... 15 (ТРД) |
охлаждением лопаток |
|
|
|
|
|||||||
1967-1970 гг. |
Военные |
ТРДФ |
я * =16 ... |
20 (ТРДД) |
7’са= 1300... |
1450 К |
|
- |
2,5... |
3,2 |
||||||
|
|
ТРДД, ТРДДФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7... |
1,5 |
|
3 |
|
IV |
Военные |
ТРДЦФ, ТРДД |
ZK= ( 3 ... |
5 ) + ( 7 — 10) |
Z,.= (1... |
2)+(1 |
...2) |
0,4... |
2,0 |
3 < 1 |
||||||
с 1967-1970 гг. |
|
у=0,155... |
0,122 |
Осевой двухвальный |
С конвективно-пленочным |
6... |
8 |
|
|
|||||||
до начала |
Гражданские |
ТРДД |
или трехзальный |
охлаждением лопаток |
4 |
6 |
< |
1 |
||||||||
1980 гг. |
л * к 1 = 2 0 |
3 0 |
|
7 с а = |
1450 |
1650 К |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
ZK= 9 ... |
16 |
|
Z j = |
(1... |
2)+(3... |
5) |
|
|
|
|
||
IV + |
Военные |
ТРДЦФ |
Як1= 27... |
34 |
|
Тса = |
1650... |
1750 К |
0,2... |
0,5 2,0... |
2,5 |
|||||
с конца 1970-х гг. |
|
у=0,130.. . |
0,104 |
ZK= 3+(7... |
Ю) |
Zr= (1 —2)н-( 1 —2) |
|
|
|
|
||||||
до середины |
Гражданские |
ТРДД |
я к£= 30... |
38 |
|
Тса = |
1550... |
1640 К |
4,3... |
6,6 |
< |
1 |
||||
1990-х гг. |
|
|
|
ZKM= 9 ... |
14 |
|
Zr=(1... |
2)+(4... |
5) |
|
|
|
|
|||
V |
Военные |
ТРДЦФ |
я д =24... |
35 |
|
Г с а = |
1750... |
1850 К |
0,2... |
0,5 2,0... |
2,5 |
|||||
с начала |
|
7= 0,120... |
0,100 |
ZK=(2... |
3)+(5... |
6) |
|
Zr= 1 + 1 |
|
|
|
|
|
|||
1980 гг. |
Гражданские |
ТРДД |
я д =32... |
45 |
|
7 ^ = |
1610... |
1780 К |
6... |
9 |
< 1 |
|||||
|
|
|
|
ZK„ = 6... |
1 2 |
|
Zx= (1 —2)+(3—7) |
И ... |
17 |
|
|
|||||
V I |
Военные (целе |
ТРДДФ |
n\z= 25... |
40 |
|
Гкс= 2100... |
2350 К |
0,2... |
0,6 |
<2,5 |
||||||
позднее |
вой облик) |
7= 0,080... |
0,050 |
ZK=(1... |
2)+(1... |
5) |
|
ZT= 1+1 |
|
|
|
|
|
|||
2003 года |
Гражданские |
ТРДД |
Як1=50... |
60 |
|
Гкс= 1900... |
2000 |
10... |
11 |
0,95 |
||||||
|
|
|
|
ZKM= 6 |
|
|
кет= 1+4 |
|
|
|
|
|
||||
1.3. ГТД наземного и морского применения
Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 г. швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию пер вую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4%. Эта электро станция и в настоящее время находится в рабо тоспособном состоянии. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудо ванный ГТД мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) раз работки этой же фирмы. С конца 1940-х гг. ГТД начинают применяться для привода морских су довых движителей, а с конца 1950-х гг. - в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на магист ральных газопроводах для привода нагнетателей природного газа. Таким образом, постоянно рас ширяя область и масштабы своего применения, ГТД развиваются в направлении повышения еди
ничной мощности, экономичности, надежности, автоматизации эксплуатации, улучшения экологи ческих характеристик.
Быстрому внедрению ГТД в различные отрас ли промышленности и транспорта способствова ли неоспоримые преимущества этого класса теп ловых двигателей перед другими энергетически ми установками - паротурбинными, дизельными
идр. К таким преимуществам относятся:
-большая мощность в одном агрегате;
-компактность, малая масса (рис. 1.34);
-уравновешенность движущихся элементов;
-широкий диапазон применяемых топлив;
-легкий и быстрый запуск, в том числе при низких температурах;
-хорошие тяговые характеристики;
-высокая приемистость и хорошая управля емость.
Основным недостатком первых моделей на земных и морских ГТД была относительно низкая экономичность. Однако эта проблема достаточно
35
