Назначение и место лопаточных машин в системе ГТД

Для современной авиации, освоившей большие высоты H_п и скорости полета V_п, требуются силовые установки, в которых реализуется термодинамический цикл с непрерывным характером рабочего процесса. Таким циклом является цикл Брайтона, или, как его чаще называют, цикл с подводом тепла при p=const. Схема этого цикла приведена на рис. 1.1. Для реализации цикла необходимо осуществить следующие процессы:

н-к - непрерывное сжатие;

к-г - изобарический подвод тепла;

г-с - непрерывное расширение с целью организации реактивной струи;

с-н - изобарический отвод тепла от реактивной струи во внешнюю среду.

Наиболее простой тип устройства авиационного газотурбинного двигателя, в котором реализуется p=const, представлен на рис. 1.2.

Входное устройство (ВУ) ТРД выполняется в виде дозвукового или сверхзвукового диффузора и служит для предварительного поджатия поступающего в двигатель рабочего тела - воздуха (участок н-в, см. рис. 1.1) за счёт изменения его кинетической энергии, которой оно обладает на входе.

Компрессор (К) представляет собой агрегат, предназначенный для непрерывного сжатия поступающего рабочего тела до расчётного уровня степени повышения давления p_к (участок в-к, см. рис. 1.1). Для осуществления сжатия к компрессору подводится извне механическая работа L_к, в результате чего полное давление и полная температура рабочего тела возрастают, достигая на выходе значений p_к^* и T_к^*.

Камера сгорания (КС) - это устройство, в котором происходит непрерывное сгорание топлива (керосина) при p=const в потоке сжатого рабочего тела, в результате чего подводится потребное количество тепла Q₁, а температура возрастает до расчётного значения T_г^* (участок к-г, см. рис. 1.1).

Турбина (Т) предназначена для выработки мощности, необходимой для привода компрессора. При этом сжатое и нагретое рабочее тело, расширяясь в Т (участок г-т, см. рис. 1.1), совершает работу L_т = L_к + L_пр, где L_пр - работа, необходимая для привода бортовых агрегатов самолета и агрегатов самого ГТД.

В результате совершения работы давление и температура рабочего тела в турбине уменьшаются, достигая на выходе значений p_т^* и T_т^*.

Реактивное сопло (РС) представляет собой суживающийся конфузор при дозвуковых перепадах давления; иногда оно имеет форму сопла Лаваля, если срабатывается сверхзвуковой перепад давления.

В РС осуществляется дальнейший процесс расширения сжатого и нагретого рабочего тела (участок т-с, см. рис. 1.1), при этом его потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию струи, вытекающей из РС, и используется как движущая сила (тяга) самолета.

И, наконец, в результате тепломассообмена струи с атмосферой происходит изобарический отвод тепла Q₂ (участок с-н, см. рис. 1.1). Это условный процесс, замыкающий цикл p=const.

Как следует из сказанного, основными узлами ГТД являются компрессор и турбина, в которых реализуются термодинамические процессы сжатия и расширения рабочего тела. Для обеспечения их непрерывности в современных ГТД К и Т выполняются в виде лопаточных машин.

Лопаточной машиной (ЛМ) называется устройство, в проточной части которого осуществляется подвод (или отвод) механической энергии к потоку рабочего тела, проходящего через машину. Это взаимодействие с потоком рабочего тела осуществляется системой вращающихся и неподвижных лопаток специальной формы.

Принцип действия лопаточных машин основан на эффекте взаимодейст­вия лопасти с потоком рабочего тела (рис. 1.3).

Если лопасть закреплена в ободе вращающегося с окружной скоростью u диска и находится в потоке рабочего тела, то действующая на неё аэродинамическая сила может быть определена как равнодействующая всех сил давления p_i и трения t_i, приложенных в точках её поверхности s_i (см. рис. 1.3). Если известно распределение p_i = f(s_i) и t_i = f(s_i), то определится из соотношения

(1.1)

Сила , с которой лопасть воздействует на поток рабочего тела, будет противоположна силе , а величины их одинаковы, т.е. ½ ½=½ ½.

Нетрудно видеть, что осевая составляющая R_a в этом случае будет выполнять функцию проталкивающей силы, а окружная составляющая R_u осуществлять подвод работы к потоку рабочего тела. В результате скорость c₂ потока в сечении 2-2 будет отлична от скорости c₁ в сечении 1-1 как по величине, так и по направлению. Из этого следует, что вращающаяся лопасть позволяет одновременно осуществлять непрерывную подачу рабочего тела (за счёт действия проталкивающей силы R_a) и обмен механической энергией с потоком рабочего тела (за счёт действия силы R_u). Таким образом, ЛМ является именно тем устройством, которое необходимо для реализации термодинамического цикла p=const в современных авиационных ГТД.