2. Принцип действия турбовальных двигателей (тВаД)

Турбовальный двигатель является газотурбинным двигателем непрямой реакции. В отличие от ГТД прямой реакции, эффективная (полезная) работа цикла L_e превращается в механическую работу – избыточную мощность турбины компрессора или эффективную мощность свободной (силовой) турбины (СТ) N_e = N_СТη_СТ, и может быть использована для привода воздушного винта (ВВ) самолета, несущего винта (НВ) вертолета, наземных и водных транспортных средств, электрогенераторов, компрессоров и др. (рис. 1.5).

ТВаД включает в себя (см. рис. 1.5):

– воздухозаборник (ВЗ);

– осевой компрессор (ОК);

– камеру сгорания (КС);

– турбину компрессора (ТК);

– свободную (силовую) турбину (СТ);

– выходное устройство (ВУ).

В cечении н–н – невозмущенный воздушный поток (см. рис. 1.5).

Далее по тракту двигателя происходят следующие процессы:

между сечениями 0–вх – разгон, выравнивание и стабилизация воздушного потока в сужающемся канале ВЗ;

между сечениями вх–к – основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;

между сечениями к–г – подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (авиационный керосин, топливный газ);

между сечениями г–ТК – расширение газа в ТК и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент М_т.расп на валу турбины, передаваемый через общий вал на вращение компрессора и привод дополнительных агрегатов;

Рис. 1.5. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТВаД

между сечениями ТК–т – расширение газа в СТ и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент М_СТ на валу свободной турбины, передаваемый через выходной вал на привод внешних потребителей.

между сечениями т–с – расширение отработавшего газа в ВУ для сброса его в атмосферу.

До сечения н–н (см. рис. 1.5) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н–н до сечения вх–вх поток воздуха разгоняется в сужающемся канале ВЗ. Скорость потока с увеличивается. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, увеличение кинетической энергии c²/2 приводит к уменьшению энтальпии потока. Уменьшение энтальпии сопровождается снижением давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх–вх до сечения к–к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воздушный поток сжимается, следовательно, возрастает его давление и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно.

Так как расход воздуха постоянный (М_в = const), а его объем уменьшается за счет существенного увеличения плотности при сжатии, для сохранения неразрывности потока необходимо уменьшать площадь проходного сечения тракта ТРД для исключения значительного снижения скорости потока .

От сечения к–к до сечения г–г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q_КС, выделяющаяся при сжигании в КС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина.

Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает , следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г–г до сечения ТК–ТК рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ТК. Часть энтальпии превращается в крутящий момент М_т.расп на валу ТК, который необходим для привода ОК и вспомогательных агрегатов. Следовательно температура и давление снижаются

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то располагаемая работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одно- духступенчатой ГТ вращать многоступенчатый компрессор.

От сечения ТК–ТК до сечения т–т происходит расширение рабочего тела (газа) в СТ. Часть энтальпии превращается в крутящий момент М_СТ. на валу СТ, который необходим для привода внешних потребителей. Следовательно, температура и давление снижаются.

От сечения т–т до сечения с–с происходит расширение рабочего тела (газа) в ВУ. Часть энтальпии превращается в кинетическую энергию . Так как ВУ – энергоизолированная система (отсутствует подвод энергии извне и отвод энергии в окружающую среду), то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть энтальпии превращается в кинетическую энергию .