Глава 1 - Общие сведения о газотурбинных двигателях

Глава 1 — Общие сведения о газотурбинных двигателях

1.1— Введение

Âсовременной технике разработано и используется множество различных типов двигателей. В данном пособии рассматривается лишь один тип - газотурбинные двигатели (ГТД), т.е. двигатели, имеющие в своем составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину. Наибольшее внимание при этом уделено авиационным ГТД. Что касается ГТД, используемых в качестве силового привода в наземных и морских условиях, то у них рассматривается лишь особенности, отли- чия от авиационных.

ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. На Рис. 1.1_1 показаны основные объекты применения современных ГТД.

Âнастоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 %, наземные и морские - около 30 %. Объем производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом:

- энергетические ГТД ~ 91 %; - ГТД для привода промышленного оборудо-

вания и наземных транспортных средств ~ 5 %; - ГТД для привода судовых движителей ~ 4 %.

Âсовременной гражданской и военной авиации ГТД практически полностью вытеснили поршневые двигатели и заняли доминирующее положение. Их широкое применение в энергетике,

Рисунок 1.1_1 – Классификация ГТД по назначению и объекты применения

23

Глава 1 - Общие сведения о газотурбинных двигателях

промышленности и транспорте стало возможным благодаря более высокой энергоотдачи, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок.

Высокие удельные параметры ГТД обеспечи- ваются особенностями конструкции и термодинамического цикла. Цикл ГТД, хотя и состоит из тех же основных процессов, что и цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеет существенное отличие. В поршневых двигателях процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя - цилиндре. В ГТД эти же процессы происходят одновременно и непрерывно в различных элементах двигателя. Благодаря этому в ГТД нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом, а средняя скорость и массовый расход рабочего тела в 50...100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Это позволяет сосредоточить в малогабаритных ГТД большие мощности [1.6.1].

Авиационные ГТД по способу создания тягового усилия относятся к классу реактивных двигателей, классификация которых показана на Рис. 1.1_2.

Среди реактивных двигателей можно выделить две основные группы.

Первую группу составляют ракетные двигатели. Они создают тяговое усилие за счет ускорения рабочего тела, запасенного на борту летательного аппарата (ЛА). В настоящее время наибольшее распространение получили жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ). Первые из них используют двухкомпонентное жидкое топливо - размещенные в разных емкостях горючее и окислитель. А вторые - твердое топливо, которое содержит горючие и окисляющие компоненты и целиком размещается в камере сгорания. Ракетные двигатели применяются, в основном, в ракетах различного назначения, и могут использоваться для полетов в безвоздушном пространстве (в космосе), т.к. для создания силы тяги им не требуется окружающая среда.

Ко второй группе относятся воздушно-реак- тивные двигатели (ВРД), для которых атмосферный воздух является основным компонентом рабочего тела, а кислород воздуха используется как

Рисунок 1.1_2 – Классификация реактивных двигателей

24

Глава 1 - Общие сведения о газотурбинных двигателях

окислитель. Задействование воздушной среды позволяет значительно сократить запас рабочего тела на борту ЛА, повысить экономичность и дальность полета.

В свою очередь ВРД подразделяются на две основные подгруппы.

1. Бескомпрессорные ВРД, включающие прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД) двигатели. В прямоточных ВРД воздуха сжимается за счет скоростного напора. Двигатели могут применяться для сверхзвуковых скоростей полета при ÌÏ≥ 2...3 (СПВРД) и гиперзвуковых скоростей (ГПВРД, ÌÏ>6...7). Однако, прямоточные ВРД не имеют стартовой тяги. Этот органический недостаток ПВРД можно исправить переходом к пульсирующему процессу подачи воздуха и сжиганию топлива при постоянном объеме. Такой процесс реализован в пульсирующих ВРД (ПуВРД). В них сжатие воздуха происходит без использования скоростного напора и компрессора. ПуВРД использовались в Германии в конце второй мировой войны на крылатых ракетах «V-1», но дальнейшего развития не получили. В последнее время интерес к пульсирующим ВРД возобновился. Активно изучаются так называемые импульсные детонационные двигатели, в которых тяга дискретно создается за счет ударных волн, образующихся в результате детонационного (взрывного) сгорания топлива

типов, комбинированные двигатели, прямоточные

èпульсирующие ВРД, а из группы ГТД — турбореактивные двигатели (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) (см. Рис. 1.1_2). Если же основная часть полезной работы цикла в виде механической работы на валу двигателя передается специальному движителю, например, воздушному винту, то такой двигатель называется двигателем непрямой реакции. Примерами двигателей непрямой реакции являются турбовинтовой двигатель (ТВД) и вертолетный ГТД. Классическим примером двигателя непрямой реакции может служить также поршневая винтомоторная установка. Качественного отличия по способу создания тягового усилия между ней и турбовинтовым двигателем нет.

Применение ГТД в военной и гражданской авиации, начавшееся после второй мировой войны, позволило совершить качественный скачок в развитии авиации: освоить большие высоты полета и сверхзвуковые скорости с числом Маха до 3,0...3,3, значительно повысить грузоподъемность

èдальность.

1.2 — Газотурбинные ВРД – основные двигатели современной авиации

âкамере сгорания.

2.Газотурбинные ВРД , получившие свое на- 1.2.1 — Основные типы авиационных

звание из-за наличия турбокомпрессорного агрегата, имеющего в своем составе газовую турбину как основной источник механической энергии. Классификация авиационных ГТД показана на Рис. 1.1_2, характеристика основных типов авиационных ГТД приведена в разделе 1.2.

ВРД отдельных типов могут быть конструктивно объединены друг с другом или с ракетными двигателями в единой двигательной установке. Такие комбинированные двигатели совмещают в себе положительные качества исходных двигателей. Например, в турбопрямоточном двигателе со- четаются возможность самостоятельного старта ТРД и работоспособность при высоких сверхзвуковых скоростях полета СПВРД. Группа комбинированных двигателей может включать большое число схем и вариантов, наиболее характерные из которых показаны на Рис. 1.1_2 - турбопрямоточ- ный, ракетно-прямоточный, ракетно-турбинный.

Реактивные двигатели, в которых вся полезная работа цикла затрачивается на ускорение рабочего тела, называются двигателями прямой реакции. К ним относятся ракетные двигатели всех

ГТД, объекты и области применения

1.2.1.1 — Турбореактивные двигатели (ТРД)

Наиболее простым и по этой причине первым получившим широкое применение в авиации является ТРД, состоящий из компрессора, камеры сгорания, турбины и реактивного сопла (см. Рис. 1.2.1.1_1). Турбокомпрессорный агрегат служит для повышения давления и температуры рабочего тела (газа) перед соплом по сравнению с давлением и температурой на входе в двигатель. Этим обеспечивается последующее ускорение рабочего тела в сопле и создание реактивной тяги. ТРД обыч- но устанавливаются на самолетах с околозвуковыми максимальными скоростями полета, но при высокой температуре газа перед турбиной они могут применяться и до скоростей, соответствующих ÌÏ ≥ 2 (ñì. Ðèñ. 1.2.1.3_4).

На военных самолетах с большой потребной тяговооруженностью и большими скоростями полета (до ÌÏ = 3…3,3), а также на сверхзвуковых

25

Глава 1 - Общие сведения о газотурбинных двигателях

пассажирских самолетах применяются ТРД с форсажной камерой (ТРДФ). Форсажная камера (ФК) представляет собой дополнительную камеру сгорания (см. Рис. 1.2.1.1_2), расположенную между турбиной и соплом. В ФК к потоку газа вновь подводится тепло при сжигании дополнительного (форсажного) топлива. Отсутствие за ФК вращающихся деталей позволяет реализовать в ней высокие температуры, достигающие при αÔÊ = 1,1…1,2 значений Ò*Ô = 2000…2100 К, и значительно повысить тягу двигателя (от ~40 % при ÌÏ = 0 до 100 % и более при ÌÏ ≥ 2.5).

Основное достоинство ТРД и ТРДФ – значи- тельный рост тяги с увеличением скорости полета, в большей степени проявляющийся в ТРДФ, а основ-

ной недостаток – низкая экономичность, особенно на дозвуковых скоростях полета. В настоящее время ТРД и ТРДФ эксплуатируются на устаревших типах военных самолетов (дозвуковых и сверхзвуковых): МИГ-21, МИГ-23, F-4 и др. В 1950-х…1970-х годах ТРД эксплуатировались также на некоторых типах гражданских дозвуковых самолетов (ТУ-104, «Каравелла»), а ТРДФ в 1970-х…2000-х г.г. – на сверхзвуковых пассажирских самолетах (СПС) ТУ-144

è«Конкорд». В октябре 2003 г. СПС «Конкорд» совершил последний коммерческий рейс. ТУ-144 снят с эксплуатации еще раньше. Эксплуатация этого типа самолетов была прекращена по причине высоких эксплуатационных затрат, вызванных, в том числе,

èбольшим расходом топлива ТРДФ.

Рисунок 1.2.1.1_1 – Конструктивная схема ТРД (Avon) (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)

1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина; 4 – реактивное сопло

Рисунок 1.2.1.1_2 – Конструктивная схема ТРДФ (Р11Ф-300)

1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина; 4 – форсажная камера; 5 – регулируемое реактивное сопло.

26