1410

Более нагретый газ совершит в РС бóльшую работу при расширении и разгонит газовый поток до бóльшей скорости на срезе РС сс, следовательно, увеличится удельная тяга Rуд = ↑сс – V и тяга ТРД R = Мв ↑Rуд.

Рис. 3.12. Схема ТРДФ

Дополнительный подвод тепла к рабочему телу в ТРДФ позволяет увеличить работу цикла на величину Lф (рис. 3.13, 3.14),

не увеличивая Тг.max на входе в ГТ.

Рис. 3.13. Цикл ТРДФ в координатах

Рис. 3.14. Цикл ТРДФ в координатах Т – S

121

Степень форсирования Rуд.ф /Rуд зависит от степени подогрева газа в ФК Тт.ф Тт и скорости полета V. Например, при Тт.ф Тт = 2

и М = 0 Rуд.ф /Rуд ≈ 1,4…1,5; при Тт.ф Тт = 2 и М = 2,5 Rуд.ф /Rуд ≈ 2,5.

Такой способ форсирования тяги используют для быстрого разгона самолета при взлете и наборе высоты, а также при полете со сверхзвуковой скоростью.

Недостатком ТРДФ является низкая экономичность (↓сR) на форсажных режимах работы, а также значительное увеличение массы и габаритов двигателя за счет форсажной камеры, что существенно ограничивает применение ТРДФ в гражданской авиации.

3.8.2. Двухвальный ТРД

Для совершенствования ТРД как тепловой машины без ухудшения экономичности необходимо было увеличивать работу Lц, получаемую от каждого килограмма рабочего тела (газа) в основном цикле. Решение этой задачи возможно за счет создания более жаропрочных и жаростойких материалов, совершенствования конструкции и системы охлаждения ГТ. В этом случае можно повы-

сить Тг.max , а следовательно, и дв опт . Однако на этом пути конструкторы столкнулись с проблемой. Увеличение дв осущест-

вляется увеличением количества ступеней осевого компрессора (ступень ОК состоит из ряда неподвижных направляющих лопаток, закрепленных радиально на наружном корпусе ОК и ряда вращающихся рабочих лопаток, закрепленных на роторе). Высоконапорный компрессор, имеющий большое количество ступеней, работает согласованно (углы набегания потока на рабочие лопатки всех ступеней расчетные) только при расчетных скорости, высоте полета и режиме работы двигателя. При любом отклонении от расчетных условий наблюдается газодинамическое рассогласование в работе первых и последних ступеней. При этом снижается

запас газодинамической устойчивости Kу и КПД ОК к , следовательно, повышается опасность выхода ОК на неустойчивый режим

122

работы «помпаж» и растет удельный расход топлива (ухудшается экономичность).

Один из способов восстановления согласованной работы ступеней – это дать возможность первым и последним ступеням вращаться с различными частотами n, но в обычном ТРД это невозможно, так как все ступени закреплены на одном валу ротора.

В двухвальном ТРД вал ротора состоит из двух валов, расположенных соосно один внутри другого, следовательно, ОК и ГТ делятся на две механически не связанные части:

1)компрессор низкого давления (КНД) + турбина низкого давления (ТНД), составляющие ротор низкого давления (РНД);

2)компрессор высокого давления (КВД) + турбина высокого давления (ТВД), составляющие ротор высокого давления (РВД) (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Схема двухвального ТРД (ДТРД)

При отклонении условий полета или режима работы двигателя от расчетных значений, РНД и РВД начинают вращаться с разными частотами, и рассогласование между ступенями КНД и КВД автоматически устраняется (саморегулирование ТРД).

Вращение роторов высокого и низкого давления (РВД и РНД) с разными частотами называют «скольжением роторов» S:

Чем значительнее отличаются условия полета или режим работы двигателя от расчетных значений, тем больше величина S, при которой устраняется рассогласование.

123

Недостатками двухвальных ТРД являются:

•более сложная конструкция ротора;

•тяжелые условия работы межвальных подшипников, обусловленные затрудненной подачей масла для охлаждения, смазки

ивывода продуктов износа, а также повышенным износом (овализацией) роликов подшипников из-за их скольжения вместо качения вследствие отсутствия радиальных сил;

•относительно большое время, потребное на изменение частот вращения роторов при саморегулировании из-за их инерционности.

Главным достоинством двухвальных ТРД является отсутствие необходимости в сложных автоматических устройствах регулирования ОК.

3.8.3. Двухконтурный ТРД (ТРДД)

Совершенствование ТРД как тепловой машины – рост работы цикла Lц за счет увеличения параметров рабочего процесса Тг.max

и дв – привело к росту скорости истечения газа из РС сс, а ско-

рость полета гражданских (дозвуковых) самолетов осталась практически без изменений: V = 900…950 км/ч.

Это привело к росту недоиспользования (потере) кинетической энергии истекающей из РС струи газа cc2 2 на совершение

полезной тяговой работы по увеличению скорости полета V ЛА (↑cc – V)2/2. Потери кинетической энергии становились тем выше, чем больше была работа цикла, а следовательно, величина сс. В результате удельная тяга Rуд = ↑сс – V росла, а экономичность ТРД как силовой установки для самолета стала ухудшаться и перед конструкторами встала задача: как, сохранив полученную высокую работу цикла, избежать потерь кинетической энергии (cc – V)2/2? Решение нашлось – необходимо избыточную часть работы цикла использовать не на увеличение сс, а на сжатие дополнительного количества воздуха, который будет участвовать в создании реактивной тяги R = ΣМв Rуд.

124

Избежать потерь кинетической энергии и существенно снизить удельный расход топлива позволило использование двухконтурных ТРД (ТРДД). ТРДД (рис. 3.16) имеет два контура: внутренний (1); наружный (2).

Рис. 3.16. Схема ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм)

Вентилятор (КНД) сжимает и подает воздух в оба контура. Привод КНД возможен или от турбины низкого давления (ТНД), где и срабатывается избыточная часть работы цикла, или через редуктор, от ротора высокого давления РВД.

КВД сжимает и подает воздух только во внутренний контур, который работает как обычный ТРД.

Воздух из внешнего контура может смешиваться с газами внутреннего контура в камере смешения (КСм) за ГТ и разгоняться в общем РС, а может выходить отдельно, расширяясь в собственном кольцевом РС. Суммарный расход воздуха через двигатель

где Мв1 , Мв2 – секундный массовый расход воздуха через внут-

ренний и наружный контур, соответственно.

Отношение между расходами воздуха в наружном и внутреннем контурах называется степенью двухконтурности ТРДД:

При увеличении степени двухконтурности m снижается удельный расход топлива (улучшается экономичность двигателя), так как при одном и том же часовом расходе топлива увеличивается тяга вследствие роста расхода воздуха. Но одновременно уменьшается доля Lц, идущая на разгон потока в РС, следовательно, уменьшается сс, а значит, и Rуд. Для того чтобы с увеличением m удельная тяга Rуд оставалась в приемлемых пределах, необходимо иметь большую работу цикла. Преимущества ТРДД существенно

возрастают при увеличении температуры газа Тг.max , а следовательно, дв и Lц. Поэтому первые ТРДД появились только тогда,

когда удалось разработать и применить системы охлаждения ГТ ТРД, обеспечивающие их надежную работу при высо-

ких Тг .

Платить за лучшую экономичность приходится увеличением диаметра двигателя (увеличением сечения миделя Fм), следовательно, ростом величины аэродинамического сопротивления Х.

ТРДД классифицируются:

1.По количеству валов: одновальные, двухвальные, трехвальные.

2.По организации истечения газа: с раздельным выходом потоков; со смешением потоков.

3.По способу форсирования: без форсажной камеры (ФК);

сфорсажной камерой: с общей ФК; с раздельными ФК. Двухвальная схема оптимально сочетает газодинамические

преимущества (саморегулирование) и надежность конструкции. Трехвальная схема является наилучшей с точки зрения газодинамической устойчивости КВД, но сложна конструктивно, следовательно, недостаточно надежна.

Схема с раздельным выходом потоков, как правило, применяется при большой степени двухконтурности ( m 4 ). Схема со смешением потоков, как правило, применяется при m 4 и позволяет снизить массу двигателя, облегчает компоновку ТРДД внутри фюзеляжа самолета и упрощает конструкцию реверсивного уст-

126

ройства (РУ). Однако при этом за счет камеры смешения увеличивается длина двигателя.

Схема без форсажной камеры применяется на дозвуковых ЛА, cхема с форсажной камерой и малой m – на всережимных ЛА.

Схема ТРДД была предложена А.М. Люлькой в конце 30-х годов прошлого столетия, но реализовать ее удалось только в конце 50-х годов, после создания охлаждаемых ГТ.

В настоящее время все маршевые ВРД для ЛА разрабатываются по схеме ТРДД.

3.8.4.Турбовальные (ТВаД)

итурбовинтовые (ТВД) двигатели

ТВаД являются двигателями непрямой реакции, т.е. у ТВаД, в отличие от ТРД, работа цикла Lц тепловой машины превращается не в реактивную тягу, а в избыточную мощность, получаемую на валу ГТ (одновальные ТВаД (рис. 3.17)), или в механическую работу (крутящий момент) на валу свободной (силовой) турбины (СТ) (рис. 3.18) и может быть использована для привода воздушного винта (ВВ) самолета, несущего винта (НВ) вертолета, наземных и водных транспортных средств, электрогенераторов, нагнетателей (компрессоров) для перекачки по газопроводам природного газа и др. Таким образом, после совершения работы по приводу ОК в ГТ газ продолжает расширяться не в РС, а в дополнительных ступенях ГТ или в свободной (силовой) турбине, совершая работу по ее вращению.

Рис. 3.17. Одновальный (двухвальный) ТВаД

127

Рис. 3.18. ТВД со свободной турбиной

У ТВД, представляющих собой разновидность ТВаД, Lц распределяется между избыточной мощностью, получаемой на валу ГТ газогенератора для привода ВВ, и реактивной тягой в РС. Причем доля реактивной тяги мала (до 10 % от суммарной тяги ТВД) (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Одновальный (двухвальный) ТВД

Фактически, ТВД является гипертрофированным ТРДД, у которого КНД (вентилятор) за счет значительного увеличения степени двухконтурности m и устранения внешнего корпуса наружного контура трансформировался в воздушный винт, при этом на его привод расходуется 90–100 % от Lц.

Следовательно, экономичность ТВД выше, а максимально возможная скорость полета Vmax ниже, чем у ТРДД и находится в области экономичной работы ВВ – 500–700 км/ч. В настоящее время для увеличения скорости полета V самолетов с ТВД применяют многолопастные ВВ сверхзвукового обтекания (саблевидные, с острыми передними кромками и тонким профилем).

ТВД также может быть выполнен по схеме со свободной (силовой) турбиной (рис. 3.20).

128

Рис. 3.20. ТВД со свободной турбиной

ТВД удачно сочетает в себе экономические преимущества создания тяги воздушным винтом при взлете и на малых скоростях полета, достаточно простую систему регулирования ВВ путем изменения угла установки лопастей (шага винта) и низкую удельную массу газотурбинного двигателя ГТД.

Преимущества и недостатки одновальных ТВД и ТВаД.

Преимущества:

•простота конструкции;

•малый удельный вес.

Недостатки:

•значительное влияние изменения нагрузки (например, угла установки лопастей ВВ) на валу на работу газогенератора;

•большая потребная мощность стартера при запуске двигателя, так как необходимо раскручивать ротор с редуктором и ВВ;

• малый запас устойчивости высоконапорного компрессора Kу на нерасчетных режимах. Для устранения этого недостатка, при вы-

соких расчетных значениях степени повышения давления в ОК к.p ,

газогенератор ТВД (ТВаД) может быть выполнен по двухвальной схеме для саморегулирования двигателя (см. п. 3.8.2).

Преимущества и недостатки ТВД и ТВаД со свободной турбиной.

Преимущества:

• меньшие масса и габариты редуктора, так как СТ может быть рассчитана на меньшие частоты вращения, чем газогенератор

(обычно nСТ ≈ 0,6 nТК);

• облегченный запуск и меньшая масса стартера, так как необходимо раскручивать только газогенератор;

129

•лучшая приемистость (меньшее время раскрутки ротора при переходе на повышенные режимы работы);

•слабое (только газодинамическое) влияние изменения внешней нагрузки на валу СТ на работу газогенератора;

•простота конверсии (переделки) авиационных ТРД и ТРДД

вТВаД наземного применения.

Недостаток – более сложная конструкция.

Особенности конструкции ТВаД со свободной турбиной.

Наиболее распространенной является схема ТВаД со свободной (силовой) турбиной (см. рис. 3.18). Вал СТ механически не связан с валом газогенератора и практически не влияет на его работу при запуске ТВаД и изменении нагрузки на валу СТ.

При высоких значениях к.p газогенератор ТВаД может быть выполнен по двухвальной схеме.

ВТВаД, особенно вертолетных ГТД, необходимо значительно понижать частоту вращения вала двигателя для привода потребителей (ВВ, НВ, генератор электрического тока и т.п.), передавать большие мощности, поэтому понижающий редуктор имеет значительные массу и габариты, которые снижаются с применением СТ,

вращающейся с частотой nСТ < nТК.

Необходимость применения тяжелых редукторов является общим недостатком ТВД, особенно ТВаД.

ВТВаД применяются дозвуковые сужающиеся ВЗ с большим радиусом закругления передних кромок. Чтобы исключить попадание в двигатель посторонних предметов, ВЗ защищают с помощью сеток. Вертолетные ГТД (ТВаД) от песка и пыли защищают

спомощью центробежных пылеотделителей, установленных на входе в двигатель.

Компрессоры мощных ТВаД не имеют существенных отличий от ОК ТРД. В маломощных ТВаД иногда используют комбинированные компрессоры, состоящие из нескольких осевых ступеней

иодной центробежной, или центробежные компрессоры (ЦБК). Это объясняется тем, что при малых потребных мощностях расход воздуха, следовательно, площадь проходного сечения и длина

130