Файл: Наумец С.М. Основы теории и устройства авиационных силовых установок конспект лекций.pdf

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД)

Двигатели этого типа являются разновидностью турбовин­ товых двигателей, в которых избыточная мощность газовой турбины передается не па винт, а на вентилятор, заключенный в кольцевом туннеле.

Принципиальная схема ДТРД показана на рис. 8. ДТРД при одинаковом расходе топлива (в сравнении с ТРД) обеспе­ чивает получение больших тяг на небольших сверхзвуковых скоростях полета.

Рис. 8. Схема двухконтурного ТРД:

/ —входное устройство; 2 —вентилятор; ,3—кольцевой туннель; 4—компрессор; 7 камера сгорания; //—турбина; 7-реактивное сопло; ^-форсунки второго контура

ДТРД до последнего времени широко не применялись. Однако в настоящее время наблюдается тенденция все боль­ шего распространения ,их в качестве двигателей дозвуковых и сверхзвуковых самолетов, а также самолетов вертикального взлета и посадки.

§ 4. СХЕМА, ПРИНЦИП РАБОТЫ И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

16

ходе, чем на входе. Подача воздуха в камеру сгорания обеспе­ чивается компрессором, а в полете также за счет скоростного напора в результате движения летательного аппарата. В воз­ душный поток в камеру сгорания посредством специальных форсунок впрыскивается топливо, нагнетаемое под большим давлением (ризб до 100 кГ/см2) топливной аппаратурой двига­ теля.

В комплект топливной аппаратуры входят:

— насос-регулятор, конструктивно представляющий собой плунжерный насос переменной производительности. Насос-ре­ гулятор „ снабжен различными устройствами, обеспечивающими автоматическую настройку производительности насоса на ре­ жим работы двигателя, устанавливаемый по желанию летчика, и автоматическое поддержание его неизменным при изменении эксплуатационных условий (высоты, скорости полета и др.). Насос-регулятор имеет также автоматы, обеспечивающие на­ дежный запуск двигателя как на земле, так и в полете, устой­ чивую работу на переходных режимах, и ряд ограничителей. Приводится во вращение насос-регулятор от ротора двигателя;

— системы жестких и гибких топливных трубопроводов высокого и низкого давления, обеспечивающих подвод топлива от насоса-регулятора к форсункам;

— топливные форсунки, обеспечивающие тонкий распыл топлива и впрыск его в воздушный поток в камере сгорания.

Горение распыленного топлива в камере сгорания происхо­ дит за счет кислорода, имеющегося в составе воздуха. Ускоре­ ние проходящего через двигатель потока осуществляется бла­ годаря подогреву воздуха в камере сгорания, возрастанию его потенциальной энергии и последующего расширения в реактив­ ном сопле, т. е. превращения потенциальной энергии в кине­ тическую.

При этом скорость истечения газов на выходе из реактив­ ного сопла оказывается значительно большей, чем на входе в двигатель. Характер изменения параметров р, Т и С газового потока вдоль двигателя показан на рис. 6.

2 С. М. Наумец

»«АуЧно-т«.хнмч£;са*д

БИ БЛ И О Т ЕКА СО С Р

При работе двигателя на месте и на взлете давление и тем­ пература на участке Н — 1 падают, а скорость потока возра­ стает, достигая на входе в компрессор 200 мкек и более. Раз­ гон воздуха в данном случае осуществляется в результате подсасывающего действия компрессора. На больших скоростях полета на участке Н— 1 поток тормозится, т. е. скорость умень­ шается, а давление и температура возрастают. В компрессоре воздуху сообщается механическая работа. Вследствие этого давление и температура возрастают. Скорость потока вдоль компрессора обычно снижается незначительно.

В камере сгорания за счет подвода тепла температура газа возрастает, достигая перед турбиной 850—950°С и выше.

Скорость движения газа в камере сгорания увеличивается примерно от 80 до 170—200 мкек, а давление падает.

Втурбине происходит расширение газа, сопровождающееся падением давления и температуры.

Вфорсажной камере на первом ее'участке поток приторма­ живается с целью обеспечения устойчивого горения, затем в процессе нагрева его скорость вдоль камеры несколько увели­ чивается. Температура газа возрастает, достигая примерно

1700—1800°С.

Вреактивном сопле происходит дальнейшее расширение газа. При этом давление и температура падают, а скорость потока возрастает.

Изменение параметров газа в ТРД можно изобразить гра­ фически в координатах р— v в виде совокупности термодинами­ ческих процессов, происходящих в двигателе.

Совокупность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное положение, называется круговым процессом, или циклом.

Для выявления и анализа главных свойств и особенностей ТРД как тепловой машины воспользуемся сначала идеальным термодинамическим циклом.

Для идеальных циклов принимаются следующие допуще­ ния:

—рабочим телом на протяжении всего цикла является воздух;

—теплоемкость воздуха не зависит от температуры;

—во всех элементах двигателя отсутствуют какие-либо

потери (тепловые, гидравлические, механические).

В основе рабочих процессов всех существующих ТРД лежат термодинамические циклы с подводом тепла при постоянном давлении.

Для современных ТРД основными разновидностями термо­ динамических циклов с подводом тепла при постоянном давле-

18

нии являются простые циклы с адиабатическим сжатием и рас­ ширением воздуха (рис. 9).

р * г /'* 'г

и\ Я г

V -V А

Рис. 9. Идеальный цикл с подводом тепла при адиабати­ ческом сжатии:

Н—1 — адиабата сжатия во входном устройстве за счет скоростного

газо на турбине; 4—5—адиабата расширения газа в реактивном сопле; 5—Й — отвод тепла (фактически выброс газов в атмосферу) Площадью Н12345 изображается полезная работа цикла 1 Ц:

Полезная работа цикла ТРД получается за счет разности подводимого и обводимого тепла газу в двигателе и использует­ ся для ускорения газового потока.

Экономичность идеального цикла или степень превращения подводимого тепла в полезную работу оценивается термиче­ ским к. п. д., равным отношению тепла, превращенного в полез­ ную работу идеального цикла, к теплу, подводимому извне в данном цикле:

Qi Q2__ 1 _ Qi

Qi Qi'

Термический к. п.д. всегда меньше единицы, так как для осуществления замкнутого цикла согласно второму закону термодинамики необходимо отводить тепло, т. е. Q2>0. Одна из формулировок второго закона термодинамики такова: невоз­ можно построить периодически действующую машину, которая все подведенное тепло превращала бы в работу. Другими сло­ вами, для периодического преобразования тепла в работу надо

иметь не только источник тепла и рабочее тело, но еще и среду с температурой более низкой (холодильник), чем температуру источника тепла, куда рабочее тело отдавало бы ту часть под­ веденного к нему тепла, которую оно (рабочее тело) не в со­ стоянии превратить в работу.

Действительные процессы в ТРД протекают при наличии гидравлических и тепловых потерь. При этом изменяются хи­ мический состав газов и теплоемкость. По этим причинам дей­ ствительный цикл значительно отличается от идеального. Рас­

Q 2

Рис. 10. Действительный цикл

Процессы сжатия Н— 1 и 1—2 и расширения 3—4 и 4—5 проходят по политропам. В камере сгорания процесс 2—3 про­

Н12345 и называется индикаторной работой Lj. В действитель­ ном цикле не вся индикаторная работа идет на ускорение газо­ вого тока, т. е. на эффективную работу Le. Часть ее (меньшая) расходуется на вращение турбины и всякого рода потери (ме­ ханические потери на трение в деталях, привод агрегатов, гидравлические потери) Lr. Тогда эффективная работа будет:

Связь между эффективной работой двигателя и приростом кинетической энергии газовой струи определяется уравнением:

(2)

20

среды.

§ 5. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРД И ИХ АНАЛИЗ

При рассмотрении требований, предъявляемых к авиацион­ ным двигателям, мы ограничились их качественной характери­ стикой. Однако на практике для оценки тактико-технических данных летательных аппаратов и их боевых возможностей не­ обходима не только качественная, но и количественная харак­

В качестве относительных показателей рассматривают отно­ сительные значения тех же величин: удельную тягу Рул, удель­ ный вес двигателя чдв, удельный расход топлива Суд и удель­ ную лобовую гягу Рлоб.

Абсолютные показатели

Сила тяги. Осевая составляющая равнодействующей сил воздействия на двигатель газовоздушного потока, протекающе­ го внутри него, и воздушного потока, обтекающего двигатель снаружи, называется силой тяги ТРД.

Для определения силы тяги ТРД расчетным путем восполь­ зуемся уравнением количества движения, так как определение тяги путем суммирования сил, распределенных по поверхно­ стям двигателя, практически не представляется возможным ввиду сложности их определения. При этом предположим отсутствие трения и скачков уплотнения во внешнем потоке, а также отсутствие смешения и теплообмена между выходящим газом и внешним потоком.

Выделим вокруг двигателя соосную с ним цилиндрическую область (рис. 11), у которой передняя торцовая / — 1 и боковая (образующая) 1—2 границы лежат полностью за пределами возмущенного воздействием двигателя воздуха, а задняя тор­ цовая граничная поверхность 2—2 совпадает с плоскостью вы­ ходного сечения реактивного сопла.

21