книги / Введение в авиационную и ракетную технику

русских инженеров: П. Кузьминского (1900 г.), В. Караводина

(1908 г.), Н. Герасимова (1909 г.), А. Горохова (1911 г.), М. Ни-

кольского (1914 г.). Однако в дореволюционной России не появились какие-либо серийные авиационные двигатели собственной разработки.

После 1917 года развитию авиации со стороны государства уделялось повышенное внимание. 22 мая 1919 года в ЦАГИ было создано винтомоторное отделение во главе с инженером-меха- ником Б.С. Стечкиным. Уже в 1929 году Б.С. Стечкин (племянник Н.Е. Жуковского) разработал и опубликовал теорию воздушнореактивного двигателя, получившую всеобщее признание в нашей стране и за рубежом.

В1923 году инженер-конструктор В.И. Базаров подал заявку на вполне современную схему одновального ТРД с центробежным компрессором.

В1925 году преподаватели МВТУ Н.Р. Бриллинг и В.В. Уваров обосновали возможность создания мощного авиационного ТВД и приступили к его проектированию.

В1935 году под руководством В.В. Уварова был разработан первый проект высо-

111

Рис. 3.6. Схема авиационного ТВД ГТУ-3

Работы над проектированием и созданием турбореактивных двигателей (ТРД), не имевших винта и способных обеспечить в несколько раз бóльшие скорости полета, чем ТВД, начал в 1937 году сотрудник Харьковского авиационного института А.М. Люлька – специалист по паротурбинной технике. А.М. Люлька в инициативном порядке разработал проекты ТРД с центробежным одно- и двухступенчатым компрессором РТД-1 в 1937 году (рис. 3.7, а)

А.М. Люлька и с осевым компрессором РД-1 в 1938 году (рис. 3.7, б). В конце 1945 года на заводе

«Салют» (г. Москва) было организовано новое конструкторское бюро ОКБ-165 во главе с А.М. Люлькой. В 1950-е годы под руководством А.М. Люльки был создан ряд ТРД типа АЛ-7Ф с тягой 6500–10 000 кгс, а в 1966 году появились высокопараметрические одновальные ТРД типа АЛ-21Ф с тягой 8900–11 400 кгс, установленные на самолетах Су-17М, МиГ-23Б, Су-24М.

Рис. 3.7. Схемы ТРД РТД-1 и РД-1 конструкции А.М. Люльки: а – с центробежным компрессором; б – с осевым компрессором

112

В 1985 году был создан один из лучших военных ТРДД с форсажной камерой АЛ-31Ф, имевший тягу 12 500 кгс, установленный на лучший в мире истребитель Су-27 и созданные на его основе Су-30, Су-33, Су-34, Су-35.

Первые отечественные двухконтурные двигатели начали создаваться в 1950-х годах в Пермском ОКБ под руководством П.А. Соловьева (ТРД-20) и в Куйбышевском ОКБ под руководством Н.Д. Кузнецова (НК-6). Д-20 и НК-6 не выпускались серийно, но послужили базой для создания многих широко известных ТРДД и ТРДДФ различного назначения, выпускавшихся большими сериями: Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30Ф6, НК-8, НК-86, НК-144-22, НК-32.

П.А. Соловьев Н.Д. Кузнецов А.А. Микулин

113

Первым отечественным серийным двухконтурным двигателем был двухвальный ТРДД Д-20П конструкции П.А. Соловьева, прошедший испытания в декабре 1959 года и установленный на самолете Ту-124.

Выдвинутая еще в предвоенные годы техническая идея А.М. Люльки во второй половине ХХ века была реализована во всем мировом авиадвигателестроении – двухконтурные двигатели стали доминирующими как в гражданской, так и в военной авиации.

Таким образом, бесспорно, что российские ученые и конструкторы, прежде всего, Б.С. Стечкин, В.В. Уваров, А.М. Люлька, А.А. Микулин, В.Я. Климов, С.К. Туманский, В.А. Добрынин, А.Г. Ивченко, Н.Д. Кузнецов, П.А. Соловьев и др., внесли выдающийся вклад в развитие современного мирового газотурбинного авиадвигателестроения.

3.7.Идеальный цикл ТРД

3.7.1.Сущность второго закона термодинамики

ВТРД как и в любой другой тепловой машине (ТМ) основным энергетическим преобразованием является превращение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в механическую работу – реактивную тягу. Посредником в данном превращении является рабочее тело – газ (воздух плюс газообразные продукты сгорания топлива), к которому это тепло подводится.

Всоответствии со вторым законом термодинамики применительно к тепловым машинам (ТМ) не все тепло, подведенное к газу, превращается в полезную работу, часть тепла обязательно необходимо отвести в «холодильник» – среду с более низкой температурой.

Второй закон термодинамики дополняет первый закон термодинамики, указывая условия преобразования теплоты в работу.

Действительно, превращение работы в теплоту не связано с какими-либо трудностями, так как вся работа полностью переходит в теплоту. Превращение же теплоты в работу возможно только

114

при отводе части теплоты в среду с более низкой температурой (tx < tг). Эта теплота полезно не используется и является неизбежной потерей в соответствии со вторым законом термодинамики.

В реальных ТМ отвод тепла осуществляется в атмосферу и, чем выше температура газа на выходе из ТМ по сравнению с температурой окружающей среды, тем эти потери тепла больше.

Иная формулировка второго закона термодинамики: невозможно построить вечный двигатель второго рода. Это означает, что для преобразования тепла в работу необходимы специально созданные условия – наличие хотя бы двух тел с разной температурой, между которыми посредник (газ) мог бы осуществлять цикл и производить работу.

Второй закон термодинамики сформулирован на основе обобщения следующих явлений природы:

•все естественные процессы стремятся протекать в определенном направлении (газ всегда перетекает из области с более высоким давлением в область с пониженным давлением, тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому телу);

•все самопроизвольные процессы продолжаются до тех пор, пока не наступает энергетическое равновесие между телами, участвующими в процессе.

Для осуществления искусственного, циклически повторяющегося процесса необходимо затратить внешнюю энергию. Для работы ТРД необходимо подводить к газу теплоту в КС, иначе работа расширения газа, полученная в ГТ, будет полностью расходоваться на сжатие воздуха в компрессоре, а полезная (внешняя) работа будет равняться нулю.

3.7.2. Условия и диаграммы идеального цикла

Последовательностьпроцессов, врезультатекоторыхрабочеетело приходит в исходное состояние, называется циклом (рис. 3.8, 3.9).

Обычно диаграммы циклов изображают в системах координат давление – удельный объем (объем, занимаемый 1 кг газа при дан-

ной температуре) р – или температура – энтропия Т – S. Техни-

115

ческая энтропия возрастает (убывает), если в термодинамическом процессе имеет место подвод (отвод) тепла к газу.

Условия идеального цикла:

•процесс обратим;

•нет потерь тепла, кроме отдачи тепла в «холодильник»;

•отсутствуют трение, гидравлические и механические потери;

•рабочее тело неизменно по составу (химическим и физическим свойствам);

•состояние рабочего тела рассматривается в характерных сечениях: н-н; вх-вх; к-к; г-г; т-т; с-с за узлами ТРД, в которых происходят энергетические преобразования.

3.7.3. Работа идеального цикла

Работа идеального цикла ТРД соответствует площади фигуры н-к-г-с-н, ограниченной кривыми процессов подвода и отвода тепла (см. рис. 3.9) и равняется работе, которую при расширении может совершить 1 кг газа.

116

Разность между подведенной к рабочему телу (газу) теплотой Q1 и отведенной (в соответствии со вторым законом термодинамики) Q2 является той частью теплоты, которая превратилась в работу цикла:

где Q1 ~ Тг Тк – теплота, эквивалентная площади фигуры

Sн-н-к-г-с-Sс;

Q2 ~ Тс Тн – теплота, эквивалентная площади фигуры

Sн-н-с-Sс.

Работа идеального цикла ТРД также соответствует площади фигуры н-к-г-с-н, ограниченной кривыми процессов расширения и сжатия (см. рис. 3.8).

Таким образом, работа цикла ТРД определяется как разность между работой, совершаемой газом при его расширении (площадь фигуры с-рн-рк-г), и работой, потребной на сжатие воздуха (площадь фигуры н-рн -рк -к):

Работа цикла Lц расходуется на приращение кинетической энергии (скорости) газа в реактивном сопле ТРД с целью создания реактивной тяги. Физически Lц – это работа, которую может при расширении в РС совершить газ, имеющий температуру и давление на выходе из турбины ТРД:

3.7.4. Термический КПД идеального цикла

Эффективность превращения подведенной к рабочему телу теплоты в полезную работу (работу идеального цикла) оценивается термическим коэффициентом полезного действия (КПД) ηt, показывающим, какая часть подведенной теплоты Q1 превратилась в работу цикла Lц:

где дв рк рн – полная степень повышения давления в двигателе.

117

Таким образом, при помощи ηt оценивают совершенство двигателя как тепловой машины.

Так как в соответствии со вторым законом термодинамики Q2 > 0, то ηt < 1. Величина ηt тем больше, чем меньше Q2 по отношению к Q1. В свою очередь Q2 тем меньше, чем ниже температура газов на выходе из двигателя.

С увеличением степени понижения давления в процессе рас-

ширения газа в двигателе рас рг , при неизменной температуре

рн

в начале процесса расширения Тг сonst , температура газа на вы-

можно, увеличив степень повышения давления в двигателе дв . Однако при увеличении степени повышении давления увеличивается температура сжатого воздуха Тк , следовательно, уменьшается количество подведенного к нему тепла: Q1 ~ (Тг Тк ).

При увеличении степени повышения давления дв рк / рн

от единицы до оптимального значения опт увеличивается работа

цикла Lц вследствие преобладания темпа снижения потерь тепла Q2 с выходящими газами, над снижением Q1 (рис. 3.10). При этом интенсивно возрастает термический КПД ηt (рис. 3.11).

Рис. 3.10. Диаграмма цикла ТРД при Тг const и дв var

118

Рис. 3.11. Зависимость t дв

При дальнейшем увеличении дв опт , из-за преобладающего снижения Q1 над снижением Q2, начинает уменьшаться Lц (см. рис. 3.11), темп роста ηt замедляется, и он стремится к своему максимальному значению ηt max.

При дв 1 ηt = 0, так как вся подведенная к рабочему телу теплота отводится в «холодильник».

При 1 дв опт

Lц Q1 Q2 t Lц .

Q1

максимальная работа цикла, тем выше, чем выше температура газа Тг вначале процесса расширения (температура на выходе

изКС). Однаковеличина Тг.max ограниченапрочностьюдеталейГТ.

3.8.Характеристика ВРД различных типов

3.8.1.ТРД с дополнительным подогревом воздуха (ТРДФ)

ТРД первого и второго поколений имели относительно невысокие параметры рабочего процесса Тг и соответствующие этой

температуре дв опт . Получаемой работы цикла Lц было доста-

точно, чтобы получить тягу для полета с дозвуковыми скоростями. Полет же со скоростями, превосходящими скорость звука, требовал радикального увеличения тяги для преодоления аэродинамического сопротивления возрастающего при сверхзвуковом полете скачкообразно.

Увеличить максимальную тягу ТРД Rmax возможно за счет увеличения максимальной работы цикла Lmax (см. рис. 3.11), для чего необходимо увеличить температуру газа на входе

в ГТ Тг.max . Однако величина Тг.max ограничена прочностью дета-

лей ГТ (Тг.max ≤ 1700 К).

Вследствие того, что максимально возможная температура газа при сгорании керосина в КС ТПС ≈ 2400…2600 К, то в КС ТРД

приходится принимать специальные меры, чтобы снизить ТПС

до Тг.max ≤ 1700 К. При этом в составе газа за КС остается много непрореагировавшего кислорода.

Схема ТРДФ с дополнительным подогревом газа в форсажной камере сгорания (ФК) за газовой турбиной (рис. 3.12) позволяет повысить температуру газа на входе в реактивное сопло, т.е. в ТРДФ, после совершения газом работы расширения в ГТ (потребной для привода компрессора), газ, отдавший часть своей

энтальпии i (↓Т), подогревается до Тт.ф ≥ 2000 К в ФК путем сжигания в нем дополнительного топлива.

120