1 Общие сведения о теории и конструкции авиационных двигателей, Назначение, принцип действия и классификация гтд

Авиационный двигатель предназначен для преобразования химической энергии топлива в энергию нагретого и сжатого газа.

Кроме того, он является основным энергетическим источником для силовых систем ЛА. Авиационный двигатель входит в состав силовой установки (СУ) ЛА. СУ представляет собой комплексную систему, предназначенную для получения движущей силы для перемещения ЛА и обеспечения работы двигателя и систем самолета.

Современные ЛА оснащены, в основном, газотурбинными двигателями (ГТД) различных типов. ГТД относится к классу воздушно-реактивных двигателей (ВРД), в которых рабочим телом является воздух. В основе рабочего процесса ГТД лежит термодинамический цикл последовательного сжатия воздуха, подвода к нему тепла и расширения газа.

Основной частью любого ГТД является газогенератор (ГГ), представляющий собой тепловую машину, состоящую из турбокомпрессора (ТК) и камеры сгорания (КС). Турбокомпрессор состоит из компрессора (К) и кинематически связанной с ним турбины (Т).

Термин «газогенератор» обозначает генерирование газового потока высокой энергии за счет подвода тепла к сжатому воздуху.

1.1 Принцип работы газогенератора.

К компрессору подводится воздушный поток с исходной энергией (Е_В).

В компрессоре происходит сжатие воздуха за счет подвода к нему механической энергии (Е_К).

В камере сгорания к сжатому воздуху подводится тепло (Q), получаемое при сжигании горючего с использованием кислорода воздуха.

В турбине происходит расширение газа и от газового потока производится отбор части энергии (Е_Т) для получения механической работы на валу ТК.

На выходе из турбины газ обладает избыточной энергией Е_ГГ, состоящей из внутренней энергии (тепловая энергия и энергия давления) и кинетической. Эта энергия может использоваться для создания движущей силы, передаваемой летательному аппарату.

Кроме газогенератора в состав двигателя и силовой установки входят дополнительные устройства, предназначенные для создания движущей силы или тяги.

Движущая сила может создаваться двумя способами:

• за счет взаимодействия с деталями двигателя газовой струи выходящих из него газов («реактивная струя»); двигатели, создающие тягу таким образом, называются «двигатели прямой реакции»;

• за счет отбрасывания атмосферного воздуха воздушным винтом; двигатели, создающие тягу таким образом, называются «двигатели непрямой реакции».

Таким образом, движущая сила создается в результате реакции элементов силовой установки с окружающим воздухом или газовой струей (3-й закон Ньютона).

1.2 Двигатели прямой и непрямой реакции

Двигатели прямой реакции

Самым простым представителем семейства ГТД является турбореактивный двигатель (ТРД), который создает тягу за счет реактивной струи. В силу того, что, согласно 2-му закону Ньютона, сила равна произведению массы тела на ускорение (P=mа), а согласно 3-му закону импульс силы, с которой газовый поток действует на двигатель равен разности количеств движения газа (Pt=mv₂-mv₁), реактивная струя должна обладать значительной скоростью. С этой целью в конструкции двигателя предусмотрено реактивное сопло, преобразующее внутреннюю энергию газа в кинетическую. Таким образом, ТРД представляет собой совокупность газогенератора и реактивного сопла (ГГ+РС).

Рис. 2. Классификация ГТД и области их применения

Тяга ТРД определяется по формуле P=G_В(c-v), где

G – секундный массовый расход воздуха кг/с;

c – скорость газового потока м/с;

v – скорость полета самолета (Скорость воздушного потокам/с.

Тяговые возможности газовой струи ограничены предельным уровнем избыточной энергии. Чем больше скорость ЛА, тем меньше разница между Е_В и Е_ГГ, т.к. последняя ограничена техническими возможностями конструкции ГГ (прежде всего уровнем предельно допустимой температуры газов перед турбиной). Уменьшение избыточной энергии ГГ естественно влечет за собой снижение тяги двигателя. В результате ТРД «вырождается» энергетически уже при М  1,2.

Наиболее эффективным способом повышения энергии газовой струи (форсирование тяги) является подогрев газа за пределами ГГ. Реализация этого процесса происходит в форсажной камере (ФК), устанавливаемой за турбиной. Это позволяет значительно увеличить предельные скорости полета самолета (до М4). Такая схема присуща форсированному ТРД (ТРДФ). Однако полет с применением форсажной камеры ограничен по времени, т.к. при этом значительно увеличивается расход топлива (примерно в 2,5 раза).

Стремление повысить экономичность ТРД с сохранением его тяговых возможностей привело к созданию двухконтурного ТРД (ТРДД). В таком двигателе часть энергии газового потока подводится к воздуху, поступающему в так называемый второй контур (этот воздух не используется в процессе горения в КС), и далее – к реактивному соплу. Возрастание тяги такого двигателя при том же расходе топлива, что и у ТРД, объясняется увеличением массы рабочего тела. К преимуществам такого двигателя относятся также меньшая масса (т.к. он имеет меньшие размеры ГГ) и меньшая шумность (за счет меньшей скорости газовой струи). Однако, следует отметить, что ТРДД «вырождается» несколько раньше, чем ТРД, т.к. избыточная энергия, подводимая к воздушному потоку несколько ниже, чем в ТРД.

С целью увеличения тяговых характеристик ТРДД он также может оснащаться форсажной камерой (ТРДДФ).