Схема и принцип действия газотурбинного двигателя.

Газотурбинным двигателем (ГТД) согласно стандарту 23851-79 (Авиационные газотурбинные двигатели. М.:Изд-во стандартов,1979.) называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина(рис.3.1).

Рис.3.1. Принципиальная схема газотурбинного двигателя:

к – компрессор; кс – камера сгорания; т – газовая турбина;

п – потребитель механической работы; G_т – расход топлива;

В-В – обозначение проходного сечения для воздуха на входе в

компрессор; К-К – то же на выходе из компрессора;

Г-Г – то же для газов на входе в турбину; Т-Т – то же для выхода из

турбины

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный (трение и теплообмен отсутствуют), то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе ( ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре: .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе: .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

В процессе расширения газа в турбине тепловая энергия преобразуется в механическую работу на валу, примерно 2/3 которой направляется для вращения компрессора, а 1/3 направляется потребителю (воздушному винту, для вращения дополнительного компрессора, для вращения электрогенератора и т.п.).

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона (рис.2.11, 2.12).

3.2. Схема и принцип действия турбореактивного двигателя.

Турбореактивным двигателем (или двигателем прямой реакции) в соответствии с ГОСТ 23851-79 называют ГТД, в котором преобладающая часть энергии сгорания топлива преобразуется в кинетическую энергию струи (рис.3.2). ТРД имеет следующие основные элементы: входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и выходное устройство.

Во входном устройстве ТРД в полете воздушного судна (ВС) происходит предварительное сжатие набегающего на двигатель воздушного потока (скорость уменьшается, плотность, давление и температура возрастают). В зависимости от скорости полета ВС входные устройства разделяются на дозвуковые ( ), трансзвуковые ( ) и сверхзвуковые ( ).

Рабочий процесс в компрессоре и камере сгорания ТРД совпадает с таким для ГТД. Расширение газа в турбине происходит до давления больше атмосферного , уровень которого определяется приближенно из

равенства развиваемой турбиной мощности ( ) и необходимой для вращения компрессора мощности ( ). Здесь расход газа в турбине и расход воздуха в компрессоре; механическая работа на валу турбины и на валу компрессора. Механическая работа на валу турбины

используется также для привода вспомогательных агрегатов обслуживающих двигатель систем.

В выходном устройстве ТРД осуществляется дальнейшее расширение газа (плотность, давление и температура уменьшаются, а скорость увеличивается). В зависимости от величины скорости истечения газа из реактивного сопла этого элемента ТРД они разделяются на дозвуковые ( ) и сверхзвуковые ( ).

Для иллюстрации рабочего процесса ТРД используются диаграммы «давление – удельный объём» и «энтальпия – энтропия» (рис.3.3).

Рис.3.2. Схема турбореактивного двигателя:

1 – входное устройство (воздухозаборник); 2 – компрессор;

3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – выходное устройство

(выходное сопло)

вх,в,к,г,т,с – обозначения контрольных сечений проточной

части двигателя

Рис.3.3. Изображение рабочего процесса ТРД в (а) и (б)

координатах.

диаграмма позволяет показать площади фигур, соответствующих механическим работам. Например, площадь фигуры на рис.3.3(а) эквивалентна работе предварительного сжатия во входном устройстве двигателя

, площадь фигуры на этом же рисунке соответствует работе сжатия в компрессоре , где степень повышения давления во входном устройстве и в компрессоре.

Площадь фигуры эквивалентна работе расширения газа в турбине , площадь фигуры эквивалентна работе расширения газа в реактивном сопле выходного устройства , где степень понижения (расширения) давления газа в турбине и в реактивном сопле выходного устройства.

диаграмма представляет те же написанные выше механические работы в виде разности энтальпий (теплосодержаний) или отрезков на рис.3.3(б). Например, количество теплоты, подведенное к потоку воздуха в камере сгорания; количество теплоты, отведенной в атмосферу с выхлопными газами.

При истечении газа в атмосферу согласно третьему закону Ньютона образуется реактивная сила, называемая тягой ТРД – равнодействующая сил

давления и трения, действующих на внутренние поверхности двигателя. Величина тяги определяется по формуле Б.С. Стечкина:

(3.1)

где тяга ТРД, Н; расход воздуха через двигатель, кг/с; средняя скорость истечения газа из реактивного сопла, м/с; скорость полета ВС.