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

fcо~г о

#UJjCOSC £H*JB

чески без специальных дополнительных устройств ликвидируют рассогласование между первыми и последними ступенями.

Например, при дросселировании двигателя на входе в пер­ вые ступени С] уменьшается и угол подхода струи к лопаткам увеличивается (см. г на рис. 30), а это приводит к росту со­ противления вращению ротора низкого давления (РНД), и обороты его падают (так как мощность турбины РНД неизмен­

жиме, т. е. заставляют ротор высокого давления (РВД) увели­ чивать обороты опять-таки до тех пор, пока угол подхода струи не достигнет наивыгоднейшего значения (вектор скорости IFj будет направлен по касательной к средней линии межлопаточпого канала).

Ввиду описанного выше явления при снижении числа обо­ ротов двухвального двигателя темп падения оборотов РВД отстает от темпа падения оборотов РНД.

Таким образом, используя двухроторную схему, можно создать ТРД с высоконапорным компрессором, устойчиво ра­ ботающим в широком диапазоне режимов без специальной автоматики регулирования.

§ 3. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Камера сгорания служит для образования топливовоздушнон смеси и организации эффективного ее сгорания.

К камерам сгорания ТРД предъявляются следующие основ­

ные требования:

— устойчивое горение топлива на всех рабочих режимах двигателя и при всех возможных условиях эксплуатации;

54

— безотказное воспламенение топлива при запуске двига­ теля как на зем'ле, так и в полете на больших высотах;

— высокая полнота сгорания топлива при всех условиях эксплуатации;

■— малое гидравлическое сопротивление;

—поле температур на выходе, обеспечивающее надежную работу турбинных лопаток;

—возможно малый вес и размеры при данном расходе

воздуха и топлива.

Принципиальная схема камеры сгорания показана на рис. 34.

Рис. 34. Схема трубчатой камеры сгорания

Основными элементами всех типов камер сгорания совре­ менных двигателей являются: жаровая труба /, стабилизато­ ры пламени 5, 6, форсунки для распыла топлива 3, наружный корпус (кожух) 2, завихритель 4.

Камеры сгорания ТРД по своим конструктивным схемам разделяются на трубчатые (индивидуальные), кольцевые п трубчато-кольцевые.

Воздух, подаваемый компрессором в камеру сгорания, раз­ деляется на два основных потока: первичный, входящий в жа­ ровую трубу через головную часть и смешиваемый с топливом, и вторичный, протекающий в пространстве между кожухом и жаровой трубой и подмешиваемый в конце жаровой трубы к продуктам сгорания. Первичный воздух в стабилизаторах пла­ мени тормозится до величины, не превышающей 40—60 м/сек. Такая скорость потока необходима для устойчивого горения топлива, подаваемого в камеру сгорания специальными фор­ сунками, обеспечивающими хорошее его распыление.

Количество первичного воздуха не превышает 20—30% от всего воздуха, проходящего через двигатель, и устанавливается

55

с таким расчетом, чтобы в зоне сгорания коэффициент избытка воздуха составлял а<П,2-У 1,5. При таком избытке воздуха температура в зоне горения достигает 2 0 0 0 —2200°К и более.

Вторичной воздух охлаждает стенки жаровой трубы и, подмепшваясь в конце жаровой трубы к продуктам сгорания, сни­ жает их температуру до 850—950°С, обеспечивающую нормаль­ ные условия работы лопаток турбины.

Высокая объемная теплонапряженность камеры сгорания (количество тепла, выделяемого в единице объема) предъяв­ ляет повышенные требования к материалам, из которых изго­ тавливаются жаровые трубы. Материал должен обладать высо­ кой жаропрочностью и жаростойкостью.

На работу камеры сгорания в значительной степени оказы­ вают влияние температура и давление окружающего воздуха. Снижение температуры и особенно давления воздуха, поступа­ ющего в камеры сгорания, затрудняет воспламенение топлива, способствует неустойчивому горению, а при определенных условиях ведет и к срыву пламени.

С увеличением высоты полета давление и температура воз­ духа, поступающего в двигатель, уменьшаются, поэтому сужа­ ются и пределы значений коэффициента избытка воздуха, при которых возможны воспламенение топливовоздушной смеси и устойчивая работа камер сгорания.

§ 4. ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

Газовые турбины представляют собой лопаточные машины, в которых энергия газа преобразуется в механическую работу. Мощность, развиваемая газовой турбиной, в ГРД потребляется

ния:

— газовые турбины должны обеспечивать получение необ­ ходимой мощности при наименьших потерях механической энергии (высокий к. п.д.);

—иметь достаточную надежность при максимально воз­ можной температуре газа;

—иметь наименьшие размеры и вес.

Газовые турбины могут быть одноступенчатыми, двухсту­

колесо, на лопатках которого образуются аэродинамические силы, создающие вращающий момент; сопловой аппарат, в котором происходит увеличение скорости потока и направление его под нужным углом к лопаткам рабочего колеса; корпус,

56

р #

Рис. с5. Принципиальная схема ступени реактивной турбины

По схеме преобразования энергии газовая турбина — обрат­ ная компрессору. Поступающий на турбину сжатый и нагретый газ в сопловом аппарате турбины расширяется, скорость его увеличивается, а давление и температура падают. Кинетиче­ ская энергия газового потока, вытекающего из соплового аппа­ рата, воспринимается лопатками турбины, которые установле­ ны под некоторым углом к потоку, при этом окружная состав­ ляющая скоростного напора газового потока создает враща­ тельный момент на рабочем колесе. Турбина, у которой рабочее колесо приводится во вращение только от скоростного напора газовой струи, т. е. у которой теплосодержание газа преобразуется в кинетическую энергию только в сопловом аппарате, называется активной. Если лопатки турбины спроек­ тированы так, что в межлопаточных каналах происходит даль­ нейшее расширение газа (ускорение потока), то окружная составляющая силы реакции этого газового потока создает

так и на лопатках рабочего колеса, называется реактивной. Межлопаточные каналы соплового аппарата выполнены

суживающимися. Площадь поперечного сечения, перпендику­ лярного к направлению движения потока, постепенно умень­ шается вдоль канала, достигая в сечении /с наименьшего зна­ чения. По выходе из канала поток оказывается ограниченным лишь с одной стороны (спинкой лопатки). Пространство, огра­ ниченное сечением /с и спинкой лопатки, называется косым срезом. Такая конструкция каналов соплового аппарата напо­ минает сопло Лаваля и при сверхкритических перепадах

57

давления на турбине (обычно имеющих место на эксплуатацион­ ных режимах двигателей) обеспечивает разгон потока до сверх­ звуковой скорости.

Таким образом, самым узким сечением у ТРД («горлом»), является сопловой аппарат турбины.

Степень совершенства турбины как машины, преобразу­ ющей тепловую энергию в механическую работу, оценивается эффективным к. п.д. или к. п.д. процесса расширения т|т (см. формулу (7).

Физически эффективный к. п.д. турбины представляет собой отношение работы, передаваемой на вал компрессора реальной турбиной, к работе, передаваемой на вал идеальной турбиной при одинаковых степенях расширения газа (падения полного давления).

Эффективный к. п.д. учитывает гидравлические потери в турбине, потери, связанные с утечкой газа через радиальный зазор между корпусом турбины и торцами рабочих лопаток, потери на трение.

Мощностью турбины называется работа, совершаемая га­ зом в турбине за 1 секунду.

Допустим, что через турбину в течение 1 сек проходит Gr килограммов газа. Каждый килограмм газа совершает дей­ ствительную работу £д.

Тогда мощность турбины будет:

tfT= Gtf ^ \л. с.\.

С погрешностью 1,5—2% можно считать, что Gr ~G„, тогда:

Мощность турбины современных ГРД достигает значитель­ ных величин. Так, на двигателе ВК-1 она составляет

~ 14 000 л. с.

§ 5. РЕАКТИВНОЕ СОПЛО. РЕВЕРС ТЯГИ ТРД

Реактивное сопло,по конструкции весьма простая, но очень важная часть двигателя. Оно предназначено для преобразова­ ния теплосодержания поступающего из турбины газа в кинети­ ческую энергию с целью создания реактивной тяги. У боль­ шинства двигателей реактивное сопло (PC) располагается на некотором удалении от турбины и ему предшествует переход­ ная камера. У двигателей с применением форсажа между тур­ биной и реактивным соплом устанавливается форсажная каме­

58

ра. В некоторых случаях при установке двигателя на самолет между турбиной и реактивным соплом устанавливается удли­ нительная труба с целью отвода газа из двигателя в нужное место.

Скорость истечения газов из реактивного сопла определяет­ ся прежде всего величиной перепада давления в реактивном сопле ир* с и температурой газов Т*:

сопла.

Взависимости от формы канала реактивные сопла могут быть дозвуковыми и сверхзвуковыми.

Всоответствии со свойством дозвукового потока — разго­ няться в сужающихся каналах — сопло суживающейся формы называется дозвуковым (рис. 36).

Рис. 36. Принципиальная схема регулируемого дозвукового реактивного сопла

Максимально возможный перепад давления, который может быть сработан в дозвуковом сопле, равен критическому. В со­ ответствии с этим при любом перепаде давления скорость на выходе из дозвукового сопла не может быть больше местной скорости звука.

59

При отсутствии потерь механической энергии критический перепал давления газов, выходящих из сопла ВРД, равен:

1,82-1,85.

В дозвуковом сопле угол конусности обычно составляет:

2 3=10-15°.

Если располагаемый перепад на реактивном сопле больше

водит к снижению, а уменьшение — к повышению T*v Програм­

ма независимого регулирования температуры газов перед турбиной изменением площади проходного сечения PC позво­ ляет получить наивыгоднейшие режимы работы двигателя в различных условиях эксплуатации и используется во многих современных ТРД.

Применение регулируемых реактивных сопел совершенно необходимо для двигателей, имеющих форсажную камеру.

Реверс тяги ТРД. Реактивные сопла могут снабжаться ре­ версивными устройствами, обеспечивающими создание отрица­ тельной тяги без снижения режима работы двигателя.

Применение реверса обеспечивает:

—сокращение длины пробега самолета после посадки;

—повышение безопасности посадки;

—увеличение ресурса колес;

—улучшение маневренных свойств самолетов.

60