2. Классификация авиационных гтд.

В настоящее время на самолетах и вертолетах различного назначения применяются весьма разнообразные типы авиационных двигателей, реализующие термодинамический цикл Брайтона.

Турбореактивный одноконтурный двигатель ( ТРД )

Основными элементами такого двигателя являются следующие.

1 - Компрессор. Повышает давление воздуха, поступающего из воздухозаборника и прогоняет его далее по тракту двигателя.

Он может быть одновальным или двухвальным. Давление повышается в компрессоре в 10...20 раз и более.

2 - Камера сгорания. В ней воздух смешивается с топливом, смесь воспламеняется, сгорает и на выходе из нее температура газа достигает в ТРД 1000...1100 ^оС (1300 ...1400 К).

3 - Турбина. Предназначается для вращения ротора компрессора, сидя­щего с ней на одном валу. Турбина может быть одно- или многоступенчатой. Горячие газы, выходящие из камеры сгорания, обладают гораздо большим запасом энергии, чем сравнительно холодный воздух за компрессором. И при расширении в турбине способен в большой мере отдавать эту энергию. Поэтому давление газа понижа­ется в турбине в значительно меньшей мере, чем оно повышалось в компрес­соре. В результате за турбиной давление существенно превышает атмосферное давление.

4 - Реактивное сопло. В нем за счет падения давления до атмосферного происходит значительное ускорение выходящего из турбины потока газа и выбрасывание реактивной струи с большой скоростью в направлении, противоположном на­правлению полета. В результате выбрасывания этой струи на двигатель дейст­вуетсила отдачи,направленная по полету, т.е.сила тяги.

5 -В рабочем процессе двигателя участвует такжевоздухозаборник (входное устройство). Он служит для забора воздуха из атмосферы и подвода его к двигателю ( в полете в нем может происходить также повышение давления воздуха). Воздухозаборник может быть рассчитан как на дозвуко­вые, так и на сверхзвуковые скорости полета. Так как в большинстве случаев воздухозаборник является ча­стью конструкции самолета, он обычно не показывается на схемах двигателей.

Турбореактивный двигатель с форсажом ТРДФ.

Его схема отличается от схемы ТРД тем, что за турбиной установлена форсажная камера. В ней за счет дополнительного сжигания топлива температура газа повышается примерно до 2000 К. Это позволяет увеличить скорость реактивной струи на 30-40 % при незначительном увеличении массы двигателя (так как форсажная камера, по сути дела, - почти пустая внутри труба). Поэтому тяга увеличивается, правда, при существенном ухудшении экономичности.

На сверхзвуковых скоростях полета включение форсажной камеры дает весьма большой прирост тяги. Поэтому такие двигатели применяются на самолетах, рассчитанных на сверхзвуковые скорости полета (Су-24, а также Миг-21, Миг-23, Миг-27, Су-17, и др., состоят на вооружении во многих странах).

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)

Это основной тип двигателей, применяемых в настоящее время на военных самолетах. Первое авторское свидетельство на ТРДД было получено будущим академиком Архипом Михайловичем Люлька еще в 30-х годах ушедшего недавно ХХ века.

Поступающий в компрессор воздух разделяется далее на 2 части. Одна часть поступает за компрессором, как и в ТРД, в камеру сгорания, в турбину и сопло. Это – так называемый внутренний контур. Вторая же часть, пройдя несколько первых ступеней компрессора, поступает далее в наружный контур, канал которого заканчивается вторым соплом (кольцевым). При том же расходе топлива, как в ТРД, тяга двигателя получается большей за счет увеличения отбрасываемой соплами массы воздуха и газа. Это делает такой двигатель значительно более экономичным, чем ТРД (на дозвуковых скоростях полёта)

По такой схеме выполнены, например, двигатели Д-18Т, установленные на самолете Ан-124 «Руслан».. Поэтому такие двигатели получили весьма широкое распространение на самолетах ГА и ВТА.

По ряду соображений ТРДД обычно делают двухвальными или даже трехвальными, располагая на отдельном валу те ступени компрессора, которые подают воздух, как в первый, так и во второй контур. Эту группу ступеней принято называть вентилятором ТРДД.

Двухконтурные турбореактивные двигатели со смешением потоков (ТРДДсм)

В ряде случаев оказывается целесообразным воздух, поступающий из вентилятора во второй контур, не выпускать далее через отдельное кольцевое сопло, а смешать с газами, выходящими из турбины, и направить затем в общее сопло. Этот тип двигателей называется ТРДД со смешением потоков за турбиной – ТРДД см. Такую схему имеет, например, двигатель Д-30КП самолета Ил-76.

Двухконтурный турбореактивный двигатель со смешением потоков и форсажом (ТРДДФсм)

На современных сверхзвуковых самолетах устанавливаются двухконтурные турбореактивные двигатели с форсажными камерами, которые расположены за камерой смешения и рабочим телом служит смесь воздуха из второго контура и газа из первого контура.

По этой схеме выполнены двигатели самолетов Миг-29, Су-27, Ту-160 многих самолетов ВВС США и НАТО и др.

Все рассмотренные выше двигатели создают силу тяги непосредственно за счет реакции (отдачи) струи газов, выбрасываемой из сопла. Поэтому они называются двигателями прямой реакции.

Для повышения давления воздуха, подающегося в камеру сгорания, используется компрессор, приводимый во вращение газовой турбиной. Поэтому их называют газотурбинными двигателями (ГТД).

Кроме того, все они засасывают воздух из атмосферы, а выбрасывают из сопла воздух или продукты сгорания топливо-воздушной смеси. И называются поэтому воздушно-реактивными двигателями (ВРД).

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД)

К числу ВРД относятся и прямоточные ВРД (ПВРД). Принцип его работы основан на том, что при больших скоростях полета происходит большое повышение давления воздуха при его торможении перед двигателем. Например, при скорости полета V = 3000 км/ч давление повышается примерно в 30 раз, а при V = 4000 км/ч – в 100 раз. Поэтому компрессор и турбина не нужны, а основными элементами такого бескомпрессорного («прямоточного») ВРД являются воздухозаборник, камера сгорания и сопло.

Воздухозаборник, служащий для торможения потока воздуха от скорости, равной скорости полета (~ 400 ... 500 м/с и более) то ~ 100 м/с с минимальными потерями давления;

Камера сгорания; выполняющая те же функции, что и в ТРД или ТРДД;

Реактивное сопло.

На больших сверхзвуковых скоростях полета ( ~ 1200 м/с и более) с целью уменьшения потерь при торможении потока в воздухозаборнике скорость в нём может уменьшаться не до дозвуковой, а до малой сверхзвуковой. И тогда процесс горения в камере сгорания организуется при сверхзвуковой скорости потока в ней. Такие двигатели получили название гиперзвуковых прямоточных ВРД (ГПВРД). ПВРД и ГПВРД имеют перспнктиву применения на гиперзвуковых (с числом Маха полета 4 – 6) и воздушно-космических ЛА,

Двигатели непрямой реакции

На летательных аппаратах применяются также двигатели, создающие тягу не непосредственно за счет реакции струи газов, а за счет привода во вращение различных воздушных винтов (тянущих или несущих). Их называют двигателями непрямой реакции.

На легких самолетах и вертолетах (вспомогательного, штабного и т.д. назначения) часто устанавливаются поршневые двигатели (ПД), аналогичные бензиновым двигателям автомобилей и тяжелых мотоциклов. Но на летательных аппаратах, используемых в боевых операциях, в настоящее время устанавливаются только газотурбинные двигатели (турбовальные, турбовинтовые, турбовинтовентиляторные).

Турбовальные двигатели (ТВаД)

Так называются двигатели, устанавливаемые на вертолетах. В его турбине газы расширяются до атмосферного давления. В результате мощность турбины оказывается значительно больше, чем необходимо для вращения компрессора. Избыток мощности передается через выводной вал двигателя и редуктор на несущий винт вертолета.

Обычно ТВаД выполняют по схеме со свободной турбиной. Одна часть ступеней турбины используются для вращения компрессора (состоящего из одной или двух групп ступеней). А последняя ступень (или группа ступеней) устанавливается на выводном валу и связывается непосредственно с несущим винтов. Эта ступень (или группа ступеней) называется свободной турбиной.

Турбовинтовые двигатели (ТВД)

ТВД отличается от ТВаД главным образом тем, что в полете со скоростью 600-900 км/ч целесообразно иметь за турбиной давление несколько выше атмосферного с тем, чтобы в сопле, установленном за турбиной, газы приобретали скорость, несколько большую скорости полета, и за счет этого создавалась (в дополнение к тяге винта) небольшая реактивная тяга (как у ТРД), т.е. на ТВД устанавливается сопло. А избыточная мощность турбины передается через вал на воздушный винт, расположенный обычно впереди двигателя. Так как частота вращения турбины имеет порядок ~ 10об/мин, а тянущего воздушного винта ~10об/мин, то в передней части ТВД устанавливается зубчатая передача (редуктор).