Области применения различных типов ВРД
Глава 1. Общие сведения об авиационных
Газотурбинных двигателях и их характеристиках
Авиационные ВРД подразделяются на компрессорные и бескомпрессорные (рис.1.1). К бескомпрессорным относят прямоточные ВРД (ПВРД) и пульсирующие - ПУВРД. Компрессорные ВРД – газотурбинные двигатели (ГТД) подразделяются на турбореактивные (ТРД), двухконтурные турбореактивные (ТРДД), их форсажные варианты (ТРДФ и ТРДДФ), турбовинтовые (ТВД) и турбовинтовентиляторные (ТВВД), газотурбинные двигатели со свободной турбиной (ГТДСТ). В ТВВД удалось совместить лучше свойств ТРДД и ТВД.
Рис.1.1. Классификация авиационных ВРД
Газотурбинным двигателем (ГТД) называют двигатель, состоящий из входного устройства, воздушного компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и сопла. Турбина служит для привода компрессора, с помощью которого осуществляется повышение давления воздуха, а также для привода агрегатов.
Тяга авиационных ГТД возникает при истечении газов из сопла двигателя за счет, так называемой, прямой реакции. Тяга также может быть получена посредством непрямой реакции при передаче механической энергии от газовой турбины, например, на воздушный винт, который при вращении отбрасывает назад большие массы воздуха; при этом возникает противоположно направленная движущая сила – тяга винта.
Наиболее простым типом ГТД прямой реакции является турбореактивный (ТРД).
| Рис.1.2. Упрощенная схема ТРД(а), термодинамический цикл ТРД в координатах р-V(б) и в координатах T-S(в) |
набегающая струя воздуха частично сжимается в воздухозаборнике. В результате уменьшения кинетической энергии воздуха происходит его динамическое сжатие. Дальнейшее повышение давления воздуха происходит в компрессоре (см. рис.1.2, точка К). При больших сверхзвуковых скоростях динамическое повышение давления так возрастает, что может сравниться или даже превысить степень повышения давления в компрессоре.
Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где в него впрыскивается горючее (как правило, авиационный керосин), и затем происходит сгорание топливно-воздушной смеси. К продуктам горения подмешивается, так называемый, вторичный холодный воздух, в результате получаем температуру 
, (точка Г). В турбине часть потенциальной энергии газов преобразуется в механическую работу на валу, передаваемую компрессору. Обычно в ТРД 
.
Степень понижения давления газа в турбине меньше степени повышения давления в компрессоре 
, из-за возрастания работоспособности продуктов сгорания в связи с их высокой температурой. Следовательно, перед реактивным (выхлопным) соплом давление всегда больше давления перед компрессором, а температура перед соплом выше температуры набегающего потока. Поэтому скорость истечения продуктов сгорания из реактивного сопла ТРД больше скорости полета, что и обусловливает появление реактивной тяги двигателя.
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (точка Ф) отличается наличием форсажной камеры между турбиной и реактивным соплом. В эту камеру подается дополнительное количество горючего через специальные форсунки. Горение происходит благодаря наличию в газах за турбиной некоторого количества кислорода, не использованного при сгорании топлива в основной камере. Повышение температуры обеспечивает дополнительное увеличение скорости истечения и, как следствие, рост тяги.
Более сложным типом ГТД является двухконтурный турбореактивный двигатель ТРДД (рис.1.3) и его форсированный вариант ТРДДФ.
Рис.1.3 Схема двухвального ТРДД по смешениям
В этом двигателе воздух, выходящий из воздухозаборника, сжимается вентилятором и разделяется на 2 потока. Внутренний поток сжимается последующими ступенями компрессора (вначале подпорными, а затем компрессором высокого давления). Далее осуществляется подогрев в камере сгорания. Турбина состоит из турбины высокого давления (одно- или двухступенчатой) и турбины низкого давления (обычно многоступенчатой).
В результате, продукты сгорания расширяются до давления более низкого, чем в ТРД, т. к. требуется дополнительная работа на привод вентилятора. В силу этого скорость истечения из внутреннего сопла меньше, чем у ТРД. Вместе с тем, дополнительная масса воздуха, поступающая из вентилятора во внешний контур и смешивающаяся с горячим газом в камере смешения, создает дополнительную тягу, и общая тяга двигателя возрастает.
Находят применение двухконтурные двигатели с форсажными камерами (рис.1.4)
Рис.1.4 Схема ТРДДФ
Продукты сгорания, выходящие из турбины, смешиваются с воздухом, поступающим из внешнего контура, а затем к общему потоку подводится тепло в форсажной камере. Продукты сгорания в этом двигателе истекают из одного общего реактивного сопла.
Весьма распространенным двигателем является турбовинтовой (классический) ТВД, схема которого показана на рис.1.5.
Рис.1.5. Схема классического ТВД
В нем потенциальная энергия газов расходуется на расширении в турбине (85…90%) и расширение в выходном устройстве (10…15%). Работа турбины при этом используется на привод компрессора и воздушного винта.
Газотурбинный двигатель со свободной турбиной (рис.1.6). В нем вся избыточная энергия (после получения работы турбины для привода компрессора) идет на создание работы свободной турбины, работающей на потребителя.
Рис.1.6. Схема вертолетного ГТД СТ
Области применения различных типов ВРД
Примерные области применения различных ВРД в так называемом “коридоре” полета по скорости и высоте показаны на рис.1.7.