6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Газотурбинный двигатель для кораблей принцип работы

Принцип действия газотурбинных установок (ГТУ)

Принцип действия газотурбинных установок

Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо — газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов:

  • 1—2 Изоэнтропическое сжатие.
  • 2—3 Изобарический подвод теплоты.
  • 3—4 Изоэнтропическое расширение.
  • 4—1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1—2p—3—4p—1 на T-S диаграмме)(рис.3)

Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона
Идеального (1—2—3—4—1)
Реального (1—2p—3—4p—1)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

  • где П = p2 / p1 — степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1—2);
  • k — показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение температур по формуле Карно:

  • где T1 — температура холодильника;
  • T2 — температура нагревателя.

Ровно это же отношение температур можно выразить через величину применяемых в цикле отношений давлений и показатель адиабаты:

Таким образом КПД цикла Брайтона, зависит от начальной и конечной температур цикла ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела T3 при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела, но ни каким образом не влияет на термический КПД цикла. Однако при практической реализации цикла нагрев обычно производится до возможно больших величин ограниченных жаростойкостью применяемых материалов с целью минимизировать размеры механизмов осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела.

На практике, трение и турбулентность вызывают:

  • Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
  • Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
  • Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую.

Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе (см. изображение ниже), не учитывая топливную систему.

Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор,
турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.

Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.

Энергия будущего: персональная электростанция

История газотурбинных двигателей уходит корнями в начало ХХ века. В 1903 году норвежский изобретатель Агидус Эллинг первым создал работающий двигатель с газовой турбиной мощностью 11 л.с. (двигатель самолета братьев Райт, который поднялся в воздух в том же году, имел мощность 12 л.с.). Спустя несколько лет Чарльз Кёртис, изобретатель паровой турбины, подал патентную заявку, в которой описал конструкцию газовой турбины, и в 1914-м получил патент. В 1918 году фирма General Electric (GE), основанная Томасом Эдисоном в середине 1870-х, начала работы над турбонагнетателями для авиационных двигателей, а спустя два десятилетия реактивными авиадвигателями стало заниматься газотурбинное подразделение фирмы (которое сейчас считается одним из крупнейших в мире в своей области).

В 1930 году изобретатель и офицер Королевских ВВС Великобритании Фрэнк Уиттл разработал и запатентовал первый газотурбинный двигатель для использования в качестве реактивного движителя. Пока Уиттл занимался решением технических проблем, связанных с конструкцией двигателя, немец Ганс фон Охайн сумел первым создать и испытать в 1939 году самолет с реактивным двигателем.

От авиации до энергетики

Во второй половине XX века газотурбинные двигатели стали основой современной авиации. Конечно, двигатели совершенствовались и увеличивались в размерах. Сегодня рекорд принадлежит двигателям серии GE90, которые устанавливают на Boeing 777. Диаметр вентиляторов этого двигателя 3,4 м, в нем установлен компрессор с 22 лопатками, а его тяга составляет 52 000 кг (и более 57 600 кг при испытаниях), что в 10 000 раз больше, чем мощность двигателя братьев Райт, которым они пользовались 100 лет назад.

Современные газотурбинные двигатели (ГТД) служат не только в авиации, но и в энергетике, где их используют для производства электроэнергии. Горячие газы, полученные в результате сжигания природного газа в камере сгорания, проходят через турбину, вращают ее и приводят в движение вал генератора. ГТД широко используются на электростанциях во время пиковых нагрузок. По размерам и мощности такие ГТД значительно превосходят своих авиационных братьев. Например, передовой ГТД Siemens SGT5−8000H удерживает мировой рекорд — масса этого гиганта 440 т, он может выдавать 340 МВт в простом цикле и почти в два раза больше в комбинированном. КПД этого двигателя составляет почти 40%, а в комбинированном цикле — около 60%. Помимо самолетов и электростанций ГТД применяются и в танках, кораблях, тепловозах, локомотивах, а также используются в качестве вспомогательных генераторов.

Читать еще:  Шумно работает двигатель пежо 406

От большого к малому

Новые технологии позволяют создавать двигатели не только гигантских, но и маленьких (и даже очень маленьких) размеров. Японская фирма IHI Aerospace производит переносной газотурбинный генератор Dynajet 2.6 мощностью 2,6 кВт и массой 67 кг. Впрочем, это далеко не предел — двигатель, созданный Швейцарским федеральным технологическим институтом (ETH Zurich), имеет размер всего несколько сантиметров и может генерировать почти 100 Вт электроэнергии на протяжении нескольких дней. Но дальше всех в направлении миниатюризации зашли исследователи Массачусетского технологического института (MIT), которые разработали газотурбинный двигатель размером всего около 1 мм.

Несмотря на столь внушительную разницу в размерах между таким гигантом, как GE90, и миллиметровым двигателем MIT, при ближайшем рассмотрении оказывается, что у них есть очень много общего. По конструкции они похожи: компрессор, камера сгорания и турбина, которая приводится в движение струей продуктов сгорания. Топливо впрыскивается в поток на выходе из компрессора, смешивается с воздухом, сгорает и вращает турбину, которая приводит в движение компрессор и генератор. Однако, разумеется, создание столь малого газотурбинного двигателя ставит перед конструкторами множество задач, с которыми не приходится сталкиваться создателям традиционных ГТД.

Микротурбинщики

В середине 1990-х в Массачусетском технологическом институте группа исследователей начала работать над проектом по микро-ГТД. «Я задумался над вопросом: если большой ГТД может обеспечивать электричеством целый город, почему нельзя сделать очень маленький двигатель, который бы обеспечил электрические потребности одного человека? — вспоминает Алан Эпштейн, профессор MIT и руководитель исследовательской группы. — А цена устройств MEMS (микроэлектромеханических систем) сейчас не слишком высока, так что себестоимость энергии такой персональной электростанции может быть сравнима с аналогичным параметром большого ГТД ($0,3−0,5 за 1 Вт)».

Микро-ГТД состоит из тех же принципиальных элементов, что и его «большие братья», но сами размеры требуют принципиально других подходов и технологий. По словам Эпштейна, многие вопросы имеют такой же принципиальный характер — компоновка, механические нагрузки, вопросы коррозии. Однако в некоторых отношениях разработка микро-ГТД проще — например, микроскопические валы очень жесткие на изгиб, что помогает избавиться от традиционной проблемы изгиба вала у больших двигателей. Тепловые перепады при таких размерах не представляют большой угрозы, отпадает также необходимость ухода и ремонта (микро-ГТД неремонтопригоден, его просто заменяют новым). А в некоторых — сложнее: «Две наши самые большие проблемы — это влияние точности изготовления на эксплуатационные качества пары ‘вал-подшипник’, а также поиск компромисса между требованиями к конструкции (термодинамика, сгорание, нагрузки, гидродинамика и электромеханика) и особенностями технологии изготовления двигателя. Это и по сей день остается нашим важнейшим вопросом».

«Хотя детали все те же самые, технология изготовления микро-ГТД, естественно, совершенно иная, она основана на технологиях полупроводниковой промышленности. С помощью фотолитографии можно создавать детали и узлы размерами от 1 до 10 000 микрон с высокой точностью, причем серийно, — объясняет профессор Эпштейн. — Детали вытравливаются из кремниевых монокристаллических пластин толщиной 0,5−1 мм и диаметром 100−300 мм, потом их склеивают вместе и получают пакет с несколькими готовыми двигателями. При необходимости пакет разрезают на кусочки и получают отдельные двигатели. Сами двигатели могут быть различного размера — сверху нас ограничивает не литография, а скорее глубина и точность травления. Для малых размеров, меньше 1 мм, основным ограничением является вязкость воздуха, которая резко отрицательно влияет на характеристики двигателя». В один пакет могут войти десятки или даже сотни микродвигателей. В идеале создание всех устройств из пакета происходит параллельно, что приводит к самому главному преимуществу такой технологии — низкой себестоимости готового изделия. «Подобные двигатели в будущем можно будет изготавливать точно таким же образом, как электронные чипы и автомобильные датчики», — говорит Эпштейн.

Газотурбинный двигатель подробно

ИДЕЯ применить в автомобилях газотурбинные двигатели возникла давно. Но лишь за последние несколько лет их конструкция достигла той степени совершенства, которая дает им право на существование.
Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии и техники производства обеспечивает теперь реальную возможность создания надежных газотурбинных двигателей, способных с успехом заменить на автомобиле поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Что представляет собой газотурбинный двигатель?
На рис. показана принципиальная схема такого двигателя. Ротационный компрессор, находящийся на одном валу с газовой турбиной, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания. Топливный насос, также приводимый в движение от вала турбины, нагнетает топливо в форсунку, установленную в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат на рабочие лопатки колеса газовой турбины и заставляют его вращаться в одном, определенном направлении. Газы, отработавшие в турбине, выпускаются в атмосферу через патрубок. Вал газовой турбины вращается в подшипниках.
По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинный двигатель обладает весьма существенными преимуществами. Правда, он тоже еще не свободен от недостатков, но они постепенно ликвидируются по мере развития конструкции.
Характеризуя газовую турбину, прежде всего следует отметить, что она, как и паровая турбина, может развивать большие обороты. Это дает возможность получать значительную мощность от гораздо меньших по размерам (по сравнению с поршневыми) и почти в 10 раз более легких по весу двигателей.
Вращательное движение вала является по существу единственным видом движения в газовой турбине, в то время как в двигателе внутреннего сгорания, помимо вращательного движения коленчатого вала, имеет место возвратно-поступательное движение поршня, а также сложное движение шатуна. Газотурбинные двигатели не требуют специальных устройств для охлаждения. Отсутствие трущихся деталей при минимальном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособность и высокую надежность газотурбинного двигателя.
Для питания газотурбинного двигателя используется керосин либо топлива типа дизельных.
Основная причина, которая сдерживает развитие автомобильных газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает коэффициент полезного действия двигателя и приводит к повышенному удельному расходу топлива (на 1 л. с ). Температуру газа приходится ограничивать для газотурбинных двигателей пассажирских и грузовых автомобилей в пределах 600—700°С, а в авиационных турбинах до 800—900°С потому, что еще очень дороги высокожаропрочные сплавы.
В настоящее время уже существуют некоторые способы повышения коэффициента полезного действия газотурбинных двигателей путем охлаждения лопаток, использования тепла отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха, производства газов в высоко эффективных свободно-поршневых генераторах, работающих по дизель-компрессорному циклу с высокой степенью сжатия и т. д. От успеха работ в этой области во многом зависит решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя.

Принципиальная схема двухвального газотурбинного двигателя с теплообменником

Большинство существующих автомобильных газотурбинных двигателей построено по так называемой двухвальной схеме с теплообменниками. Здесь для привода компрессора 1 служит специальная турбина 8, а для привода колес автомобиля — тяговая турбина 7. Валы турбин не соединены между собой. Газы из камеры сгорания 2 вначале поступают на лопатки турбины привода компрессора, а затем на лопатки тяговой турбины. Воздух, нагнетаемый компрессором, прежде чем поступить в камеры сгорания, подогревается в теплообменниках 3 за счет тепла, отдаваемого отработавшими газами. Применение двухвальной схемы создает выгодную тяговую характеристику газотурбинных двигателей, позволяющую сократить число ступеней в обычной коробке передач автомобиля и улучшить его динамические качества.

Читать еще:  Чем снимать двигатель с авто

Ввиду того, что вал тяговой турбины механически не связан с валом турбины компрессора, число его оборотов может изменяться в зависимости от нагрузки, не оказывая существенного влияния на число оборотов вала компрессора. Вследствие этого характеристика крутящего момента газотурбинного двигателя имеет вид, представленный на рис., где для сопоставления нанесена также и характеристика поршневого автомобильного двигателя (пунктиром).
Из диаграммы видно, что у поршневого двигателя по мере уменьшения числа оборотов, происходящего под влиянием возрастающей нагрузки, крутящий момент вначале несколько возрастает, а затем падает. В то же время у двухвального газотурбинного двигателя крутящий момент автоматически возрастает по мере увеличения нагрузки. В результате необходимость в переключении коробки передач отпадает либо наступает значительно позже, чем у поршневого двигателя. С другой стороны, ускорения при разгоне у двухвального газотурбинного двигателя будут значительно большими.
Характеристика одновального газотурбинного двигателя отличается от показанной на рис. и, как правило, уступает, с точки зрения требований динамики автомобиля, характеристике поршневого двигателя (при равной мощности).

Принципиальная схема газотурбинного двигателя со свободно-поршневым генератором газа

Большую перспективу имеет газотурбинный двигатель. В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в так называемом свободно-поршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и поршневой компрессор, объединенные в общем блоке. Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора. Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободно-поршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр 4, имеющий прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппозитно перемещаются два поршня, один из которых 9 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень 3 также открывает и закрывает продувочные окна. Поршни связаны между собой легким реечным или рычажным синхронизирующим механизмом, не показанным на схеме. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку 5. В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны, при этом поршень 9 открывает выхлопные окна, через которые газы устремляются в газосборник 7. Затем открываются продувочные окна, через которые в цилиндр 4 поступает сжатый воздух, вытесняет из цилиндра выхлопные газы, смешивается с ними и также поступает в газосборник. За то время, пока продувочные окна остаются открытыми, сжатый воздух успевает очистить цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив таким образом двигатель к следующему рабочему ходу.
С поршнями 3 и 9 связаны компрессорные поршни 2, двигающиеся в своих цилиндрах. При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана 10 открыты, а выпускные 11 закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер 6, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях 1 во время предыдущего рабочего хода. Газы из сборника 7 поступают в тяговую турбину 8, вал которой соединен с трансмиссией. Следующее сопоставление коэффициентов полезного действия показывает, что описанный газотурбинный двигатель уже сейчас по своей эффективности не уступает двигателям внутреннего сгорания:
Дизель 0,26—0,35
Двигатель бензиновый 0,22—0,26
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема без теплообменника 0,12-0,18
Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема с теплообменником 0,15—0,25
Газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа 0,25—0,35

Таким образом, КПД лучших образцов турбин не уступает КПД дизелей. Не случайно поэтому количество экспериментальных газотурбинных автомобилей различного типа возрастает с каждым годом. Все новые фирмы в различных странах объявляют о своих работах в этой области.

Схема реального газотурбинного двигателя

Этот двухкамерный двигатель, без теплообменника, имеет эффективную мощность 370 л. с. Топливом для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13 000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815° Ц, давление воздуха на выходе из компрессора — 3,5 ат. Общий вес силовой установки, предназначенной для гоночного автомобиля, составляет 351 кг, причем газопроизводящая часть весит 154 кг, а тяговая часть с коробкой передач и передачей на ведущие колеса — 197 кг.

Авиационные газотурбинные двигатели

Здравствуйте! В начале сороковых годов XX века газовая турбина нашла применение в авиации. За сравнительно короткий срок поршневые двигатели были вытеснены из скоростной авиации более совершенными газотурбинными двигателями (ГТД).

Очень важным показателем для авиации является удельная масса двигателя. У поршневого двигателя она составляет 0,55— 0,82 кг/кВт, а у газотурбинного — всего лишь 0,11—0,14 кг/кВт.

Принципиальное отличие газотурбинного двигателя от поршневого состоит в характере движения рабочего органа. Если в поршневом двигателе поршень совершает возвратно — поступательное движение, которое затем с помощью коленчатого вала преобразуется во вращательное, то в ГТД рабочий орган (ротор турбины) сразу же совершает вращательное движение.

Это обстоятельство в основном и предопределило успех ГТД, так как оно позволило получить большее число оборотов и, следовательно, увеличить мощность двигателя при одинаковой массе. Кроме того, поперечные габаритные размеры ГТД, отнесенные к силе тяги, оказались во много раз меньшими, чем у лучших поршневых двигателей. Все это позволило резко увеличить скорость полета самолетов при установке на них газотурбинных двигателей. Если для самолетов с поршневыми двигателями скорость полета обычно составляет 200—300 км/ч, то самолеты гражданской авиации, оснащенные газотурбинными двигателями, развивают скорость значительно выше.

В ходе развития и совершенствования ГТД появились различные конструктивные решения. Однако все авиационные ГТД подразделяются на две основные группы: турбореактивные (ТРД, рис. 1.) и турбовинтовые (ТВД, рис. 2).

Турбореактивный двигатель состоит из входного устройства 1, осевого компрессора 2, топливной системы 3, камеры сгорания 4, турбины 5 и выходного устройства (сопла) 6. Воздух, поступающий через входное устройство 1 внутрь двигателя, сжимается в компрессоре 2 и нагнетается им в камеру сгорания 4.

Сюда же подается через форсунки жидкое топливо. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы повышенной температуры и высокого давления направляются на рабочие лопатки турбины 5, приводя во вращение ее ротор, который опирается на роликовые 7 и шариковые раднально -упорные 8 подшипники. Затем через сопло газы отводятся наружу.

Выходное устройство 6 служит для преобразования потенциальной энергии газового потока в кинетическую и отвода газов из двигателя. Скорость истечения газов из реактивного насадка дозвукового выходного устройства близка к критической или равна ей и составляет 500—600 м/с.

Для газовой турбины характерны непрерывность рабочего процесса, высокие скорости газа и отсутствие возвратного движения масс. Газовая турбина служит приводом компрессора, а избыток энергии используется для сообщения газу большой скорости. При истечении газа в сторону, противоположную направлению полета, возникает реактивная тяга, которой приводится в движение самолет. Реактивная струя частично создается турбиной и частично соплом, отсюда и название — турбореактивный двигатель.

Таким образом, движущей силой или тягой в турбореактивном двигателе является реакция струи горячих газов, истекающих из сопла. Тяга — основная характеристика ТРД. Для создания постоянной тяги в течение продолжительного времени топливо непрерывно сжигается в камере. Благодаря этому в камере поддерживается давление, большее давления окружающей среды. Под действием перепада давления и происходит истечение газов из сопла в атмосферу и образование реактивной струи.

Постоянство тяги и давления в камере сгорания обеспечивается при условии, что количество газа, образующегося в единицу времени при сжигании топлива, равно количеству газа, истекающего за это же время из камеры. Величина тяги зависит в основном от секундного расхода газов и скорости их истечения из двигателя в атмосферу. Чем больше расход газов и скорость истечения, тем большей (при прочих равных условиях) будет тяга. Для увеличения скорости истечения и, следовательно, тяги служит сопло.

Основными элементами турбовинтового двигателя (рис.2.) являются воздушный винт 1, редуктор числа оборотов 2, компрессор 3, камера сгорания 4, турбина 5 и выходное устройство б. Характерная особенность турбовинтового двигателя состоит в том, что его газовая турбина приводит в действие наряду с компрессором воздушный винт, причем основная тяга создается винтом, а расширение выхлопных газов в реактивном сопле дает дополнительную тягу. Однако скорость выхода газов из сопла в ТВД значительно меньше, чем в ТРД. Теплоперепад здесь срабатывается более полно, поэтому ТВД отличаются большей экономичностью. Таким образом, разница между ТВД и ТРД состоит в методе преобразования энергии сжатых газов в работу силы тяги.

Существует различие также между движителями указанных двигателей. Если в ТРД движитель состоит из выхлопной трубы и сопла, то в ТВД, кроме отмеченных узлов, он включает дополнительную турбину или отдельные ступени, связанные с воздушным винтом. Количество и скорости отбрасываемого воздуха у них будут также различными.

Турбовинтовые двигатели обычно применяются при дозвуковых скоростях полета, а турбореактивные — при сверхзвуковых. По конструктивным признакам элементов ГТД различают двигатели с центробежными, осевыми и осецентробежными компрессорамн, с трубчатыми, кольцевыми и трубчато — кольцевыми камерами сгорания, с осевыми и радиальными турбинами, с прямоточным и петлевым движением газов и т. д.

В основном применяются осевые компрессоры, так как они имеют высокий к.п.д., малый вес, малые поперечные габариты и позволяют получать большую степень повышения давления. Они хорошо вписываются в плавные контуры двигательной установки, снижая тем самым лобовое сопротивление самолета. Среди камер сгорания наибольшее распространение получили кольцевые и трубчато — кольцевые, поскольку их стенки могут быть включены в силовые корпусы двигателя, что приводит к снижению его веса.

В двигателях большой тяги используются газовые турбины только осевого типа и лишь на малых ТРД и ТВД встречаются радиальные турбины. Число ступеней турбины определяется величиной срабатываемого теплоперепада и его распределения по ступеням. В турбореактивных самолетах основной упор делается на скорость полета, поэтому они оборудуются турбинами с малым числом ступеней — от одной до трех. В турбовинтовых самолетах скорости полета меньшие, теплоперепад срабатывается более полно за счет применения многоступенчатых турбин (число ступеней 3—5).

Число оборотов роторов ТВД находится в пределах 6000—18 000 об/мин. С помощью редуктора оно снижается до наивыгоднейшего числа оборотов винта, равного 800—1500 об/мин. Компрессор, камера сгорания, турбина и реактивное сопло как в ТВД, так и в ТРД располагают обычно так, чтобы обеспечить прямоточное движение воздуха и продуктов сгорания. Этим снижаются гидравлические потери двигателя.

На тепловой экономичности ГТД сказывается также высота полета самолета, так как ею определяется температура T2 холодного источника. С увеличением высоты отношение максимальной температуры Т1 к минимальной Т2 в цикле растет (при высоте 10 км T2 = 232 К или t2 = — 41°C), а это положительно влияет на к.п.д. двигателя. Кроме того, относительно небольшой срок службы двигателя в авиации облегчает его создание для работы на повышенных температурах.

При сверхзвуковых скоростях полета в ТРД применяется форсирование двигателей по тяге. Наиболее распространенным способом форсирования является применение в выхлопной системе двигателей форсажных камер. Скорость газов, выходящих из турбины, снижается диффузором до 150—200 м/с. В форсажной камере в этот поток газов впрыскивается топливо, которое при сгорании создает дополнительную тягу. Ее величина может составлять 20—50% от номинальной тяги двигателя.

Важнейшими параметрами, характеризующими совершенство ГТД и их технические данные, являются тяга, удельный расход топлива, масса, габаритные размеры и ресурс (продолжительность безотказной работы двигателя в эксплуатации). По мере развития и совершенствования конструкции ГТД, технологии изготовления, применения новых материалов отмеченные параметры существенно изменяются: тяга двигателей непрерывно возрастает, улучшается экономичность, снижается масса на единицу тяги, уменьшаются габаритные размеры, а ресурс возрастает.

Существенным показателем для оценки ТРД является удельная масса, под которой понимается отношение массы двигателя к его номинальной тяге: mуд = mдв/R. С начала строительства турбореактивных двигателей их удельная масса снизилась в несколько раз, и начиная с 1951 г. средние значения удельной массы ТРД с осевыми компрессорами имеют меньшую величину, чем с центробежными.

Для турбовинтовых двигателей удельная масса оценивается отношением массы двигателя к суммарной мощности Ne, которая равна сумме мощности Nв на валу винта и мощности Np реакции струи газов: mуд = mдв/Ne. За период строительства ТВД их удельная масса снизилась примерно в несколько раз. Удельная масса является важнейшим показателем для авиационных двигателей, поскольку ею определяется скороподъемность и дальность полета самолета. Как следует из статистических данных, увеличение массы двигателя на 1 кг приводит к увеличению массы самолета на 3—5 кг.

Благодаря небольшой удельной массе ГТД целесообразно использование их в водном и наземном транспорте. Имеется также опыт применения ГТД на морских судах, локомотивах, автомашинах, и только недостаточная экономичность сдерживает пока их широкое применение. Исп. литература: 1) Теплотехника, под редакцией А.П.Баскакова, Москва, Энергоиздат, 1982. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector