Рассмотрение законов энергообмена в ГТД.

Любой газотурбинный двигатель можно рассматривать, во-первых, как тепловую машину, в которой за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива (керосин), вырабатыва­ется определенная полезная работа цикла L_e;

во-вторых, как средство преобразования работы цикла в полезную работу силы тяги.

Анализируя газотурбинный двигатель с первой точки зре­ния, нет необходимости учитывать тип двигателя, так как в основе всех газотурбинных двигателей лежит один и тот же цикл: с изобарным (в идеальном случае) подводом и отводом тепла. Следовательно, газогенераторная часть (газогенера­торный модуль) всех ГТД должна содержать идентичные уз­лы, последовательность происходящих процессов в которых представляется следующим образом.

Воздух, предварительно сжатый за счет скоростного на­пора через входное устройство 1 (рис. 1.), поступает в ком­прессор 2, где происходит его дальнейшее сжатие. Сжатый до определенного давления воздух поступает в камеру 3, куда впрыскивается топливо и происходит сгорание топливо-воз­душной смеси: воздух + керосин.

Рис. 1. Турбореактивный двигатель:

1- Компрессор;

2- Камера сгорания;

3- Турбина;

4- Выходное устройство (сопло).

Образовавшиеся в камере сгорания газообразные продук­ты, имеющие высокие температуру и давление, поступают в рабочий тракт газовой турбины 4, где при расширении энер­гия продуктов сгорания преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. Дальнейшее преобразование энер­гии потока происходит в реактивном сопле 5.

В результате осуществления перечисленных процессов вы­рабатывается полезная работа цикла.

Различные типы ГТД отличаются способом преобразова­ния работы цикла в работу силы тяги.

В турбореактивном двигателе (ТРД) работа термодинами­ческого цикла используется только для увеличения кинетиче­ской энергии рабочего тела.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) полезная работа термо­динамического цикла используется в основном для вращения воздушного винта и лишь незначительная ее часть использу­ется для увеличения кинетической энергии рабочего тела.

При рассмотрении ГТД как тепловой маши­ны можно отвлечься от конкретного типа и назна­чения двигателя, т.к. в большинстве рассмотренных выше схем ГТД реализуется одинаковый термоди­намический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.

Простой цикл состоит из следующих термо­динамических процессов:

адиабатическое сжатие рабочего тела (возду­ха) в воздухозаборнике (отрезок Н-В на диаграмме) и в компрессоре (отрезок В-К) от атмосферного дав­ления ^Р_Н до давления Р*_К. В авиационных ГТД при скорости полета равной нулю (V_n = 0) и в наземных ГТД динамическое сжатие в воздухозаборнике от­сутствует и весь процесс сжатия осуществляется в компрессоре;

подвод тепла при постоянном давлении к по­току рабочего тела в камере сгорания (КС) за счет сгорания топлива (отрезок К-Г). Фактически дав­ление в камере сгорания несколько снижается от Рk* до Рг* из- за гидравлических и тепловых потерь;

адиабатическое расширение продуктов сго­рания в турбине (отрезок Г-Т) и сопле (Т-С) от дав­ления Рг* до атмосферного Р_н. Для вертолетных и наземных ГТД точки Т и С практически совпа­дают, т.к. расширение газа в турбине происходит до атмосферного давления;

отвод тепла к внешнему источнику (в атмос­феру) при постоянном давлении Р_н (отрезок С-Н).

Реальный газотурбинный цикл является ра­зомкнутым циклом - в дальнейшем выхлопные газы не участвуют в периодически совершаемой работе и не попадают на вход в двигатель. Цикл осуществляется рабочим телом с переменной теп­лоемкостью и химическим составом. Является переменным и расход рабочего тела из-за добавки массы топлива в камере сгорания во время цикла. Также влияние на объем рабочего тела оказывает система вторичных потоков внутри ГТД.

Основными показателями цикла являются удельная работа (работа, отнесенная к 1 кг ра­бочего тела) и эффективный к.п.д. равный от­ношению работы цикла L к количеству теплоты Q подведенному с топливом к камере сгорания.

Параметрами реального цикла, определяющи­ми уровень его показателей являются тем­пература газа перед турбиной (как правило, используется температура перед первым рабочим колесом - Т*_сд, суммарная степень сжатия (n*_Е), уровень аэродинамического совершенства лопаточ­ных машин и гидравлических потерь по тракту, а также расход циклового воздуха на охлаждение турбины.

Важнейшим параметром, определяющим со­вершенство цикла и ГТД в целом, как теплового двигателя, является температура газа перед турби­ной.

С увеличением температуры пропорциональ­но увеличивается удельная работа цикла, а также повышается эффективный к.п.д. Зависимость по­казателей цикла от степени сжатия более сложная: с увеличением удельная работа и эффективный к.п.д. цикла сначала увеличиваются, а затем, дос­тигнув максимума снижаются.