Глава 10 турбовинтовые двигатели

10.1 Принцип работы твд

Принципиальная схема ТВД изображена на рис. 10. Он имеет те же элементы, что и ТРД; кроме того, двигатель снабжен воз­душным винтом, приводимым во вращение через редуктор. Нали­чие редуктора вызвано тем, что высокий КПД винта достигается при частоте вращения значительно меньшей, чем частота вращения ротора двигателя. Редукторы, передающие значительные мощно­сти, имеющие высокие передаточные числа, чаще всего выполня­ются многоступенчатыми, они отличаются большой сложностью и являются одними из самых напряженных элементов конструкции.

Воздушный винт приводится либо общей с компрессором турбинной, либо отдельной турбиной. Имеются двигатели, где турбина ВД приводит компрессор ВД, а турбина НД — компрессор. НД и: воздушный винт.

Поскольку температура газа перед турбиной, как и в ТРД„. ограничивается, повышение мощности турбины достигается путем: увеличения срабатываемого на ней перепада давлений, поэтому турбина делается многоступенчатой. Увеличение перепада давлений нa турбине осуществляется за счет уменьшения перепада давлений, приходящегося на выходное сопло. Поэтому газ в ТВД расширя­ется до атмосферного или близкого к нему давления.

Цикл ТВД (рис. 10.1) аналогичен циклу ТРД и состоит из тех же процессов: последовательного сжатия воздуха в воздухозабор­нике (н—н) и компрессоре (в—к), подвода тепла в камере сгора­ния (к—г), расширения газа в турбине (г—т) и выходном сопле (т—с). Замыкается цикл изобарой, соответствующей рассеиванию тепла, унесенного отработавшими газами, и происходящего вне двигателя.

Если в ТРД вся работа цикла расходовалась на увеличение ки­нетической энергии газа, за счет чего создавалась тяга, то в ТВД основная задача — получение наибольшей механической работы на валу L_M [см. уравнение (7.2)]. На выходе из двигателя имеется определенная скорость с_с, которую можно использовать для созда­ния дополнительной тяги, но она мала.

При одной и той же работе L_n и скорости полета V_п можно по разному распределить работу цикла между винтом и кинетической энергией газа, истекающего из двигателя. Так, если c_c = V_п то L_n=L_M, т. е. работа цикла расходуется только на получение меха­нической работы на валу винта. Другой крайний случай, L_M = 0, что характерно для ТРД.

Оптимальное распределение работы цикла между винтом и кинетической энергией струи газов выведено акад. Б. С. Стечкиным

Из уравнения (10.1) видно, что чем больше скорость полета У_п и меньше КПД винта тем большей должна быть скорость .истечения газа из сопла с_с. Следовательно, для этого случая долж­на быть меньшей работа, передаваемая на винт, и больше реак­тивная тяга. Наоборот, чем меньше V_B и больше КПД винта, тем больше нужно загружать винт для создания им тяги и меньшей должна быть реактивная тяга.

Средством регулирования распределения работы цикла являет­ся давление газа за турбиной р_т*. При его уменьшении (путем уве­личения площади сечения выходного сопла), увеличивается пере­пад давлений на турбине, возрастает ее мощность и соответствен­но уменьшается перепад давлений на сопле и скорость истечения с_с- Затяжеляя винт, можно сохранить неизменной частоту враще­ния ротора и, следовательно, мощность компрессора, что увели­чит мощность, передаваемую на винт..

Экономичность ТВД может быть повышена путем использова­ния тепла выходящих из двигателя газов, которые в теплообмен­нике, расположенном за турбиной, подогревают воздух, поступаю­щий из компрессора в камеру сгорания. Как показано, на схеме ТВД с регенератором (рис. 10.2), горячие газы, отдавая тепло воздуху, повышают его температуру от Т_к* до а сами при этом охлаждаются от Т_т* до Т*-. Предварительный подогрев . воздуха уменьшает требуемое количество тепла, что приводит к уменьше­нию удельного расхода топлива. Вместе с тем уменьшение скоро­сти истечения из сопла из-за снижения температуры газа и паде­ния полного давления воздуха и газа при прохождении их через теплообменник, приводят к уменьшению удельной мощности (тяги) двигателя.

Максимальный эффект от регенерации будет, если довести тем­пературу воздуха на входе в камеру сгорания с помощью регене­ратора до температуры газов на выходе из турбины.

Эффект регенерации оценивается степенью регенерации, под которой понимают отношение тепла, сообщенного воздуху в тепло­обменнике , к его предельному, теоретически возможно­му количеству Т_т*—Т_к*: