Двухконтурный турбореактивный двигатель ТРДД и ТРДДФ

Отличительные черты газотурбинных двигателей

Сегодня наиболее широко подобный тип моторов используется в авиации. Увы, но из-за особенностей устройства они не могут применяться для обычных легковых автомобилей.

По сравнению с другими агрегатами внутреннего сгорания газотурбинный движок обладает наибольшей удельной мощностью, что является его основным плюсом. Помимо этого такой двигатель способен функционировать не только на бензине, но и на множества других видах жидкого горючего. Как правило, он работает на керосине либо на дизельном горючем.

Газотурбинный и поршневой двигатель, которые устанавливаются на «легковушках» за счет сжигания топлива изменяют химическую энергию горючего в тепловую, а затем и в механическую.

Но сам процесс у данных агрегатов немного различается. И в том и в другом движке сначала осуществляется забор (то есть воздушный поток поступает в мотор), затем происходит сжатие и впрыск горючего, после этого ТВС загорается, вследствие чего сильно расширяется и в результате выбрасывается в атмосферу.

Различие состоит в том, что в газотурбинных аппаратах все это проходит в одно время, но в различных частях агрегата. В поршневом же все осуществляется в одной точке, но по очередности.

Проходя через турбинный мотор, воздух сильно сжимается в объеме и благодаря этому увеличивает давление почти в сорок раз.

Единственное движение в турбине это вращательное, когда как в иных агрегатах внутреннего сгорания, помимо вращения коленвала также происходит движение поршня.

КПД и мощность газотурбинного двигателя выше чем у поршневого, несмотря на то, что вес и размеры меньше.

Для экономного потребления топлива газовая турбина оснащена теплообменником — диском из керамики, который функционирует от двигателя с небольшой частотой вращения.

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Казалось бы, если газотурбинный двигатель на столько мощный, то логично было бы увидеть его и под капотом какой-нибудь гоночной машины, однако даже болиды Формулы 1 все равно ездят как раз на всем том же поршневом моторе.

Недостатки газотурбинных двигателей

Высокая инертность. Для того чтобы вывести газотурбинный двигатель на максимальную мощность требуется несравнимо больше времени чем классическому бензиновому или даже дизельному мотору. Этот недостаток отчетливо проявится при трогании с места на светофоре.

Низкий КПД. Если вы хорошо знаете теорию строения классического ДВС, то понимаете, что перед сгоранием воздух в камере сжимается в 10-13 раз. Для поршневой схемы проделать подобный трюк не составляет большого труда, а вот лопатки турбины могут обеспечить аналогичную степень сжатия только после достижения предельных оборотов ротора. Следовательно, высокий КПД достижим только на предельных мощностях, в остальных случаях газотурбинный двигатель будет просто пожирать топливо литрами.

Высокий уровень шума. Исходя из особенностей восприятия человеческого уха, высокие частоты кажутся куда более громкими чем низкие. Но газотурбинный двигатель как раз и генерирует огромное разнообразие высокочастотных звуковых колебаний, которые очень сильно раздражающий слух. Именно по этой причине пилоты вертолетов одевают наушники, чтобы поговорить с другими членом экипажа.

Высокая стоимость. Так ротор газотурбинного двигателя вращается просто с бешеной скоростью, то малейшая ошибка в балансировки неминуемо приведет к развалу всей конструкции. Более того, высокие температуры требует применения особых конструкционных материалов, которые стоят в несколько раз дороже обычной стали.

Проблемы в обслуживании. Если классический мотор еще можно кое-как починить, не имея сложного оборудования, то вод с газотурбинным такой фокус не пройдет, а значит, потребуются дорогие услуги специалистов и их техника.

Сложность устройства трансмиссии. Вал ротора ГТД вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, колеса авто же делают пару сотен об/мин. Следовательно, для преобразования момента потребуется коробка передач с очень большим передаточным числом. Это выливается в сложность конструкции и потери на трение.

Достоинства газотурбинных двигателей

Высокий КПД на предельных мощностях. Для того чтобы в полной мере реализовать это преимущество автомобиль приходится строить по гибридной схеме.

Многотопливность. Двигатель может работать практически на любом жидком горючем топливе.

Простота запуска при экстремальных минусовых температурах. Чтобы завести рассматриваемый двигатель в лютый холод нужно на порядок меньше усилий. Из рассмотренного материала можно сделать вывод, что будущее применение газотурбинных двигателей в автотранспорте перспективно только в схеме гибридов. Но, однако, кардинальное преимущество ГТД даже и в этом случае тоже не очевидно, а вот разница в стоимости вполне.

Устройство и принцип работы агрегата

По своей конструкции движок не очень сложный, он представлен камерой сгорания, где оборудованы форсунки и свечи зажигания, которые необходимы для подачи горючего и добычи искрового заряда. Компрессор оснащен на валу вместе с колесом, обладающим особыми лопатками.

Помимо этого мотор состоит из таких составляющих как — редуктор, канал впуска, теплообменник, игла, диффузор и выпускной трубопровод.

Во время вращения компрессорного вала, воздушный поток, поступающий через канал впуска, захватывается его лопастями. После увеличения скорости компрессора до пятисот м в секунду, он нагнетается в диффузор. Скорость у воздуха на выходе диффузора снижается, но давление увеличивается. Затем воздушный поток оказывается в теплообменнике, где происходит его нагрев за счет отработанных газов, а после этого воздух подается в камеру сгорания.

Вместе с ним туда попадает горючее, которое распыляется через форсунок. После того как топливо перемешивается с воздухом, создается топливно-воздушная смесь, которая загорается благодаря искре получаемой от свечи зажигания. Давление в камере при этом начинает увеличиваться, а турбинное колесо приводится в действие за счет газов попадающих на лопатки колеса.

В итоге осуществляется передача крутящего момента колеса на трансмиссию авто, а отходящие газы выбрасываются в атмосферу.

Все о транспорте газа

3. Основные параметры, характеризующие ступень и осевой компрессор в целом

Такими параметрами являются:

а) степень реактивности ступени ρ; б) коэффициент полезного действия ступени и компрессора ηст и ηк; в) степень повышения давления воздуха в ступени и ком­прессоре πст, и πк; г) окружная скорость и U закрутка воздуха в РК ΔWu или ΔCu. д) производительность ступениGв. е) мощность, потребная на вращение РК компрессора Nк. а). Степень реактивности ступени ρ. Степень реактивности ступени показывает распределение работы сжатия между элементами ступени ОК, РК и СА; Она равна отношению адиабатических работ сжатия воздуха в РК Lад рк к ступени Lадст — т.е. ρ =

Величина ρ может изменяться от 0 до 1. Если ρ = 1, то L адрк = Lадст — Это означает, что сжа­тие воздуха осуществляется только в РК, а в СА осуществ­ляется лишь поворот (раскрутка) потока. СА при этом вы­полняет функции только направляющего аппарата. При ρ=0 ; Lадрк = 0. Все сжатие воздуха осуществляется в СА. В РК производится только увеличение кинетической энергии потока. Наиболее оптимальной является величина ρ = 0,5 — 0,8.

б). Коэффициент полезного действия ступени и компрессора (ηст и ηк)

Коэффициентом полезного действия ступени называется отношение адиабатической работы сжатия 1 кг воздуха Lадст к эффективной работе Lэст т.е. к работе, подведенной к валу рабочего колеса ступени.

ηст =

Кпд ступени учитывает все потери на пути преобразова­ния механической работы на валу компрессора в энергию давления воздуха: потери на трение, вихреобразование и на перетекание воздуха в зазорах. У современных ОК ηст = 0,88—0,91. Кпд ступени центробежного компрессора (центробежные компрессоры, как правило, одноступенчатые) много ниже, чем у осевого компрессора, и равен ηцк =0,73—0,78. Это объясняется тем, что у ОК отсутствуют такие резкие пово­роты потока как в ЦК, а аэродинамика лопаток ОК также много лучше, чем ЦК. В целом у ОК кпд меньше, чем у его ступени на 3 —5 % и равен ηк = 0,82—0,85.

в). Степень повышения давления воздуха в ступени и компрессоре

Степень повышения давления воздуха — важнейший па­раметр, характеризующий компрессор. Степенью повышения давления воздуха в ступени назы­вается отношение давления на выходе из ступени (выход из СА) Р2 к давлению на входе в ступень (вход в РК) Р1 (рис. 14).

Рис. 14

πст = У выполненных ОК

πст = 1,2—1,3.

Степенью повышения давления воздуха, в компрессоре назы­вается отношение давления на выходеиз последней ступени компрессора Рк к давлению на входе в первую ступень Р1. πк =

Нетрудно показать, что степень повышения давления воз­духа в компрессоре равна произведению степеней повыше­ния давления воздуха в ступенях πк = πст1 · πст2 · πст3 · · · πст к Из этого следует,что напорность компрессора зависит от числа ступеней. У выполненныхОК число ступеней от 5 до 15, а πк = 5—16. У ЦК напорность ограничивается величинами πк = 4—5. Воспользовавшись зависимостью Lадст = ηст · Lэст, вы­ведем формулу для анализа зависимости πст от различных факторов

Учитывая, что для воздуха а ,получим

Из полученного уравнения видно, что степень повы­шения давления воздуха в ступени компрессора πст (напорность ступени) тем больше, чем больше окружная скорость рабочего колеса или число оборотов ротора U =, за­крутка воздуха в РК (ΔСu) и кпд ступени ηст и чем мень­ше температура воздуха на входе в ступень.

г). Окружная скорость u и закрутка воздуха в рабочем колесе Δсu. Эти параметры, в основном, определя­ют напорность ступени. Повысить напорность можно за счет увеличения окружной скорости U. Однако, увеличение окружной скорости U, с одной стороны, ограничивается условиями прочности ротора, с другой стороны, максимальной величиной относительной скорости W1max, при которой число М1≤0,8. В связи с этим у выполненных ОК окружная скорость на внешнем диаметре равна U = 300-370 м/с На некоторых компрессорах с целью увеличения окружной скорости U без увеличения относительной скорости W1 max создают предварительную закрутку воздуха перед входом в РК. Предварительная закрутка воздуха создаётся направляющим аппаратом (НА), установленным на входе в ступень. Величина закрутки воздуха в РК ΔWu = ΔCu оценивается с помощью коэффициента закрутки

Подставив значение коэффициента μ , получим

Чем больше закрутка воздуха в РК или коэффициент закрутки, тем больше величина эффективной работы ступени Lэст , а следовательно, и больше напорность ступени πст. Однако чрезмерное увеличение коэффициента μ ведет к росту гидравлических сопротивлений, так как повороты потока становятся более резкими. Это снижает КПД ступени и компрессора. Поэтому на выполненных ОК μ = 0,4 – 0,5.

1.5. НЕУСТОЙЧИВАЯ РАБОТА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА И БОРЬБА С НЕЙ 1. Сущность помпажа Ступени осевого компрессора

Неустойчивая работа ступени осевого компрессора может возникнуть, также как в центробежном компрессоре, только при уменьшении расхода воздуха от расчетно­го.Уменьшение расхода воздуха от расчетной величины (уменьшение осевой составляющей абсолютной скорости С1а) ведет к расширению вихревой зоны, образовавшейся в области пониженного давления на спинках лопаток, распро­страняясь по всей длине канала (см. рис. 15). То же про­исходит и при обтекании лопаток спрямляющего аппарата. Признаки возникновения помпажа такие же, как у центро­бежного компрессора/

Рис. 15

2. Помпаж многоступенчатого осевого компрессора

Чтобы выяснить условия возникновения помпажа на сту­пенях, необходимо рассмотреть как изменяются осевые ско­рости вдоль компрессора на нерасчетных режимах, помня, что уменьшение их от расчетных может привести к срывам и помпажу. Площади проходных сечений, ступеней подобраны для расчетного режима. Изменение расхода воздуха или числа оборотов от расчетных значений приводит к перераспреде­лению величины осевых скоростей по ступеням компрессора.

Из условия равенства расходов на входе в первую сту­пень I и выходе из компрессора II следует (рис. 16)

Рис. 16

GВ = С1а· γI·f1= C2а· γII и ; но из уравнения политропы или

Пусть точка А на рабочей характеристике компрессора (рис. 17) соответствует расчетному режиму. Проанализируем как меняется отношение скоростей СIа / СIIa при измене­нии режимов работы двигателя.

Рис. 17

а). Дросселирование двигателя (уменьшение nпр. на ха­рактеристике компрессора (рис. 17а) рабочая точка А дви­жется к напорной кривой nпр3< nпр2) ведет к уменьше­нию приведенного весового расхода воздуха Gвпр. и πk. Уменьшение πk приводит к уменьшению отношения СIа / СIIa . Уменьшение отношения СIа / СIIa происходит, главным образом, за счет уменьшения СIа, величина которой умень­шается интенсивнее, чем СIIa . Объясняется это следующим. На первой ступени компрессора величина πk мала и поэтому ее уменьшение при дросселировании почти не вли­яет на величину удельного веса воздуха γI. Уменьшение же весового расхода воздуха Gв = VвI γI происходит, в ос­новном, за счет уменьшения объемного расхода воздуха VвI = СIа • f1 ,- т. е. уменьшения скорости СIа, так как площадь сечения f1 величина постоянная. Рабочая точка на характеристике первых ступеней компрессора приближается к границе помпажа. Уменьшение скорости СIа при­водит к росту углов атаки на лопатках рабочего колеса первых ступеней, ступени, как говорят, «затяжеляются» (рис. 17б). На последних ступенях, где величина πk большая, ее уменьшение приводит к значительному уменьшению γII. По­этому уменьшение Gв происходит за счет уменьшения γII при увеличении объемного расхода VвII = СIIa · γII (или умень­шении гораздо в меньшей степени, чем VвI ), т. е. увеличе­нии СIIa , т. к. f II = Const. Углы атаки на лопатках рабо­чего колеса последних ступеней уменьшаются, ступени «об­легчаются» (рис. 17б). Рабочая точка на характеристике последних ступеней компрессора удаляется от границы помпажа. Вывод: при дросселировании двигателя помпаж мо­жет возникнуть в первую очередь на первых ступенях компрессора.

б). Разгон двигателя (увеличение nпр — на характери­стике компрессора рис. 17а рабочая точка А движется к на­порной кривой nпр1> nпр2 ) приводит к увеличению отно­шения скоростей СIа / СIIа за счет увеличения СIа и некото­рого уменьшения СIIа. Рабочая точка характеристики пер­вых ступеней отдаляется от границы помпажа, а последних ступеней приближается к ней. Вывод — при разгоне двигателя вероятность возникновения помпажа больше на последних ступе­нях. В практике помпаж последних ступеней почти не наблюдается.

3. Конструктивные меры борьбы с помпажом

а). Перепуск воздуха при дросселировании двигателя из-за соседних ступеней компрессора в атмосферу через противопомпажные клапана, (рис. 18), с целью сохранения постоянным (близким к расчетному) расхода воздуха через первые ступени, в то время как общий расход воздуха через компрессор уменьшается. Открытие противопомпажных клапанов происходит автоматически при дросселировании двигателя до определенных приведенных оборотов. При дросселировании двигателя рабочая точка на характеристике компрессов переходит из А в Б (рис. 18), причем рабочая точка характеристики первых ступеней приближается, к границе помпажа

Рис. 18

Рис. 19

(точка «Б»), а последних ступеней удаляется от нее (точка «Б»). При открытии КПВ точка «Б» удаляется от границы помпажа, а точка «Б» переходит в область больших πk и ηк. Вывод: перепуск воздуха из средних ступеней в атмосферу устраняет возможность возникновения помпажа на пониженных режимах работы двигателя. Недостатком метода является потеря мощности, расходуемой на сжатие выпускаемого в атмосферу воздуха. б). Применение поворотных лопаток направляющего аппарата. Изменение установочного угла наклона лопаток направляющего аппарата производится автоматически в зависимости от режима работы двигателя, обеспечивая безударный вход воздуха в рабочее колесо компрессора. Это повышает кпд компрессора и сдвигает область неустойчивой работы компрессора на не эксплуатационные режимы работы двигателя. При большой величине степени повышения давления воздуха в компрессоре (πк > применяется комбинация указанных методов борьбы с помпажом. в). Эффективным методом борьбы с помпажом является применение двухкаскадного (двухвального) компрессора.

4. Двухкаскадный (двухвальный) компрессор

Высоконапорный, многоступенчатый осевой компрессор разделен на две части: каскад низкого давления и каскад высокого давления. Рабочие колеса каскадов низкого и высокого давления вращаются каждое своей турбиной. Рабочее колесо и турбина каскада низкого давления представляют собой ротор низкого давления (РНД), а рабочее колесо и турбина каскада высокого давления — ротор высокого дав­ления (РВД) (рис. 20).

Рис. 20

Между РНД и РВД имеется только газодинамическая связь и в общем случае обороты nрнд ≠nрвд . Обычно обо­роты nрвд > nрнд на 30—50 %.

Применением двухвального компрессора фактически один высоконапорный компрессор заменен двумя последовательно расположенными низконапорными, имеющими более благоприятные характеристики. Напорность каждого каскада πкрнд и πкрвд не превышает 3—4, при общей напорности компрессора πк = 9—16. У высоконапорного осевого компрессора, как было показано, уменьшение πк (дросселирование двигателя) ведет к «затяжелению» первых и «облегчению» последних ступеней, т. е. потребная мощность для вращения первых ступеней Nкрнд увеличивается, а последних ступеней Nкрвд уменьшается. При дросселировании двигателя мощность, развиваемая турбиной РНД Nтрнд уменьшается, а турбиной РВД Nтрвд в некотором диапазоне режимов остается неизменной. Рост потребной мощности Nкрнд при уменьшающейся располагаемой мощности турбины Nтрнд приводит к уменьшению оборотов ротора низкого давления nрнд , а уменьшение Nкрвд при неизменной мощности турбины Nтрвд ведет к увеличению оборотов ротора высокого давления nрвд. Такое автоматическое изменение оборотов роторов низкого и высокого давлений при изменении режимов работы, двигателя (в данном случае дросселировании) способствует сохранению безударного входа воздуха в рабочее колесо компрессора, обеспечивая его устойчивую работу с высоким значением кпд (рис. 21). В связи с тем, что в результате дросселирования двигателя nрвд > nрнд первый каскад компрессора будет работать при относительно большем расходе воздуха за счет просасывания через него воздуха ротором второго каскада. Вывод: применение двухкаскадного компрессора устраняет возможность возникновения помпажных режимов в широком диапазоне режимов работы двигателя.

Рис. 21

Теоретически целесообразно, чтобы при изменении режимов работы двигателя рабочее колесо каждой ступени вращалось со своей окружной скоростью, т. е., чтобы число каскадов равнялось числу ступеней. Конструктивно это выполнить трудно. Поэтому в практике нашли применение двух и гораздо реже трехкаскадные компрессоры.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТРД

В главе рассматриваются следующие вопросы: — назначение камер сгорания; — основные требования к камерам сгорания и оценка их выполнения; — типы камер сгорания и их устройство; — принцип действия и рабочий процесс камеры сгорания; — зависимость полноты и устойчивости сгорания от условий эксплуатации.

2.1. НАЗНАЧЕНИЕ КАМЕР СГОРАНИЯ

Камера сгорания является одним из самых ответственных и теплонапряженных узлов двигателя. В камерах сгорания совершается процесс подвода тепла к рабочему телу. Этот процесс осуществляется в результате протекания реакции горения топлива. В качестве топлива для ТРД используется природный газ. Процесс сгорания топлива — сложный физико-химиче­ский процесс, эффективность которого влияет на экономичность двигателя (определяющий фактор—полнота сгорания) и на его надежность (определяющий фактор — устойчивость горения на различных режимах). Сгорание будет полным, если продукты сгорания не способны дальше окисляться.

2.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ

Основными требованиями, которые предъявляются к камерам сгорания ТРД являются:

1. Максимально-возможная полнота сгорания (экономичность процесса сгорания).
2. Малые габаритные размеры и небольшой вес камеры сгорания.
3. Высокая устойчивость горения во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя.
4. Оптимальный закон распределения температуры газов на выходе из камеры сгорания.

Рассмотрим, как производится оценка и обеспечивается выполнение перечисленных требований:

1. Максимально-возможная полнота сгорания обеспечивается конструктивным выполнением и организацией рабочего процесса в камере сгорания. Полнота сгорания оценивается коэффициентом полноты сгорания (иногда называют коэффициентом выделения тепла) ξкс , который определяется отношением действительно выделившегося количества тепла при сгорании 1 кг топлива к низшей теплотворности этого топлива, т. е. ξкс = где:Qд — количество тепла, выделившегося в единицу времени ; Gт — часовой расход топлива ; Нu — низшая теплотворность топлива . Для основных камер сгорания современных ТРД на расчетных режимах ξкс = 0,95—0,98.

2. Малые габаритные размеры и небольшой вес камерсгорания достигается их большой теплонапряженностью. Теплонапряженность камеры сгорания характеризуется количеством тепла, приходящегося в единицу времени на единицу объема камеры, отнесенное к давлению газов в ней, т. е.

где: q — теплонапряженность камеры сгорания; Vкс — объем камеры сгорания [м3]; р2* — полное давление на входе в камеру сгорания [атм.]. тогда теплонапряженность камеры сгорания будет равна Теплонапряженность камер сгорания современныхТРД q = (40—50) • 106 , что в 10—15 раз больше,чему обычных паровозных топок.

3. Обеспечение высокой устойчивости горения во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя является основным требованием к камерам сгорания. Устойчивость горения зависит в основном от двух факторов: а) состав топливовоздушной смеси; б) соотношения скоростей распространения пламени и движения топливовоздушной смеси в камере сгорания. Рассмотрим каждый из этих факторов. а). Состав топливовоздушной смеси Для полного сгорания топлива к нему должно подводиться строго определенное количество кислорода или воздуха. Минимальное количество кислорода в кг, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, называется теоретически необходимым количеством кислорода. ОбозначаетсяQ0. Так как доля кислорода в воздухе равна 0,232, то теоретически необходимым количеством воздуха для полного сгорания 1 кг топлива будет

В реальных условиях к топливу подводится, как правило, количество воздуха, отличающееся от теоретически необходимого. Отношение количества воздуха, которое в действительности подается для сгорания 1 кг топлива Lд к теоретически необходимому количеству воздуха для полного сгорания 1 кг топлива L0 называется коэффициентом избытка воздуха α. Таким образом, Коэффициент α определяет качественный состав топливовоздушной смеси. При α =1 — смесь теоретического состава; а >1 —смесь бедная (топливом); а <1 — смесь богатая (топливом). Воспламенение и горение топливо-воздушной смеси происходит при определенных значениях α. Смесь будет горючей при условии αmin < α < αmax

αmах и αmin называются пределами воспламеняемости смеси. В стендовых условиях αmin=0,4; αmax=1,6 От качественного состава смеси сильно зависит величина температуры продуктов сгорания Тпс (рис. 22). Максимальная температура Тпсmax: будет при α =1, так как при этом выделяется максимальное количество тепла. При увеличении α (обеднении смеси) Тпс уменьшается вследствие охлаждения газов воздухом, не принимающем участие в сгорании. При уменьшении α (обогащении смеси) Тпс уменьшается из-за неполноты сгорания.

Рис. 22

б). Соотношение скоростей распространения пламени и движения топливовоздушной смеси в камере сгорания

Если поджечь топливовоздушную смесь, находящуюся взамкнутой камере, то через определенное время τ3 (рис. 23), называемое периодом задержки воспламенения, вокруг воспламенителя образуется очаг пламени. Очаг пламени, распространяясь по объему смеси, образует фронт пламени, отделяющий несгоревшую смесь от продуктов сгорания. Фронт пламени со средней скоростью Uср перемещается по камере. Причинами движения фронта пламени являются расширение продуктов сгорания из-за роста температуры и распространения пламени по несгоревшей смеси.

Рис. 23

Средней скоростью распространения фронта пламени или скоростью сгорания называется отношение наибольшего пути, проходимого фронтом пламени к времени полного сгорания топливовоздушной смеси τполн т.е. где τпол— время полного сгорания смеси, которое складывается из периода задержки воспламенения τ3 и периода видимого сгорания. Характер нарастания давления в камере в зависимости от времени горения показан на графике (рис. 23). На графике точка а — момент запала смеси; ав — задержка воспламенения; вс — процесс распространения пламени. От величины скорости сгорания зависит устойчивость процесса сгорания и возможность его осуществления в камере сгорания ТРД. Для устойчивого горения смеси скорость сгорания должна быть большей или равной скорости движения топливовоздушной смеси. Величина скорости сгорания смеси определяется скоростью протекания химической реакции, которая зависит от рода топлива, качественного состава смеси (величины α) и начальной температуры смеси. Наибольшая скорость сгорания получается при α = 0,8—0,9. Скорость сгорания нетурбулизированной смеси (при на­чальной температуре 20—25°С) очень мала и составляет 0,3—0,5 м/сек. С целью увеличения скорости сгорания производится интенсивная турбулизация топливо-воздушной смеси. Турбулизация искривляет фронт пламени, резко увеличивая его поверхность, повышая количество вещества, сгорающего в единицу времени. При большой турбулентности потока фронт пламени разрушается, горение приобретает объемный характер. Скорость сгорания увеличивается до 30—50 м/сек. Таким образом, для устойчивого горения смеси в камере сгорания скорость потока в ней не должна превышать указанные величины скорости сгорания.

4. Получением оптимального закона распределения температур газа на выходе из камеры сгорания обеспечивается надежная работа лопаток турбины. Поле температур газа на выходеиз камеры сгорания неравномерно. Следует различать окружную и радиальную неравномерность температурного поля. Окружная неравномерность вредна. При проектировании и эксплуатационной доводке камеры сгорания стремятся сделать ее минимальной. Радиальную неравномерность (распределение температуры вдоль радиуса) подчиняют определенному закону. Делают так, чтобы максимальная температура приходилась на расстояние, равное примерно 2/3 высоты лопатки. Это объясняется тем, что корневые элементы лопаток турбины, подверженные действию наибольших напряжений разрыва, а концевые, Имеющие наименьшую толщину и поэтому легче поддающиеся обгоранию, должны омываться потоком газа меньшей температуры.

2.3. ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ И ИХ УСТРОЙСТВО

В ТРД используются камеры сгорания трех типов: — трубчатые (индивидуальные); — кольцевые; — трубчато-кольцевые. Конструктивно камеры сгорания всех типов выполнены из следующих элементов (рис. 24): диффузора 1; жаровой трубы 2; наружного кожуха 3; фронтового устройства 4, состоящего из топливной форсунки, лопаточного завихрителя и стабилизатора; системы перфорации 5, состоящей из отверстий различного диаметра, обеспечивающих получение топливовоздушной смеси нужного состава и смешение воздуха с продуктами сгорания для их охлаждения.

Рис. 24

Дадим краткую характеристику каждого типа камер сгорания.

а). Трубчатые (индивидуальные) камеры сгорания просты по конструкции, удобны в эксплуатации, надежны в работе. Их недостатки: большие поперечные размеры двигателя за счет неиспользуемого пространства между камерами; не входят в силовую схему двигателя; трудность распространения пламени между камерами. Конструктивное выполнение трубчатой камеры сгорания показано на рис. 24. Такие камеры сгорания устанавливаются на ТРД с центробежными компрессорами и на ГПА с регенерацией тепла. б). Кольцевая камера сгорания образована кольцевым пространством, заключенным между наружным и внутренним корпусами двигателя. Она компактна, входит в силовую схему двигателя, пламя легко распространяетсяпо всей камере. Недостатки: неудобство эксплуатации, трудность эксплуатационной доводки. Кольцевые камеры сгорания используютсяв ТРД с осевыми компрессорами; в). Трубчато-кольцевые камеры сгорания. В таких камерах отдельные жаровые трубы заключены в общий корпус, придающий жесткость всей конструкции. Они имеют преимущества трубчатых камер сгорания и свободны от недостатков кольцевых камер сгорания. Широко используются в ТРД с осевыми компрес­сорами.

2.4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Рабочий процесс в камере сгорания протекает следующим образом.

На выходе из компрессора скорость воздуха 100— 120 м/сек. При такой скорости потока поджечь топливовоздушную смесь и организовать устойчивое горение трудно. Поэтому воздух направляется в диффузор камеры 1 (рис. 24), в котором скорость потока снижается до 50 —70 м/сек. Топливо подается в камеры сгорания через форсунки, обеспечивающие тонкий распыл топлива на всех режимах работы двигателя. Топливо распыляется из форсунки, образуя сплошную тонкую коническую пелену. Для образования рабочей топливовоздушной смеси необхо­димо, чтобы распыленное топливо перемеша­лось с воздухом в строго определенных соотношениях. На выходе из камеры сгорания температура газов для обеспечения прочности лопаток турбины не должна превы­шать 1100—1300°К. В связи с этим приходится сначала организовать сгора­ние топлива при высокой температуре в зоне горения (рис. 24), где температура газов Тзг =2000 — 2400˚К и ко­эффициент избытка воздуха α =0,8— 0,9, а затем в зоне смешения разбавлять продукты сгорания холодным возду­хом, доводя коэффициент избытка воздуха до α =3,5—5,0 н температуру газов до 1100—1300°К на выходеиз камеры сгорания. С этой целью воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, разделяют на два потока: первичный воз­дух Gв1 (воздух горения), составляющий 25—30 % от всего количества воздуха, введенного в камеру сгорания, и вто­ричный воздух GвII (воздух охлаждения), составляющий 70—75 %. Первичный воздух Gв1, проходя через завихритель, за­кручивается и затормаживается до скорости 15—25 м/сек. За счет вращения потока топливовоздушной смеси происхо­дит лучшее смесеобразование, а у оси жаровой трубы из-за пониженного давления образуется зона обратных токов (по­ток движется навстречу завихрителю). Это способствует стабильному, устойчивому горению. В центре зоны горения αзг= 0,8—0,9, а ближе к периферии за счет подмешивания свежих порций воздуха через пер­форированные отверстия смесь обедняется до αзг= 1,5 — 1,7 , что охлаждает продукты сгорания и предохраняет внутрен­ние стенки жаровой трубы от перегрева. Вторичный воздух GвII понижает температуру продук­тов сгорания в зоне смешения, производит дожиг несгорев­шего топлива и укорачивает факел пламени, предохраняя ло­патки турбины от перегрева. Определенной дозировкой вто­ричного воздуха через перфорированные отверстия добива­ются необходимого распределения поля температур на выхо­де из камеры сгорания.

2.5. ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛНОТЫ И УСТОЙЧИВОСТИ СГОРАНИЯ ОТ УСЛОВИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В условиях эксплуатации меняются давление Р2, температура Т2 и скорость С2 воздуха на входе в камеру сго­рания. Изменение величин этих параметров влияет на пол­ноту и устойчивость сгорания. а). Влияние давления воздуха Р2. Уменьшение давления до Р2≈1 атм. мало сказывается на полноте сгорания. При дальнейшем понижении давления (Р2<1 атм.) полнота сгорания уменьшается (уменьшается коэффициент полноты сгорания ξкс) из-за снижения скоро­сти горения и ухудшения распыла топлива. Зависимость ξкс = f(Р2*) показана на рис. 25;

б). Влияние температуры воздуха Т2 С понижением температуры воздуха на входе в камеру сгорания ухудшаются условия смесеобразования (медленнее протекает процесс испарения топлива), возрастает период задержки воспламенения τ3 что снижает скорость сгора­ния. Уменьшается полнота сгорания;

Рис. 25

в). Влияние скорости воздушного потокаС2 При заданном составе смеси увеличение скорости воздуха на входе в камеру сгорания приводит к уменьшению времени пребывания порций свежей топливо-воздушной смеси в зоне обратных токов, что снижает полноту сгорания, а при даль­нейшем увеличении скорости воздуха может привести к сры­ву пламени.

Прежде чем прочитайте: FAQ

Плюсы и минусы двигателя

Газовая турбина, как и паровая, развивает большие обороты, что позволяет ей набирать хорошую мощность, несмотря на свои компактные размеры.

Охлаждается турбина очень просто и эффективно, для этого не нужно каких-либо дополнительных приборов. У нее нет трущихся элементов, а подшипников совсем немного, за счет чего движок способен функционировать надежно и долгое время без поломок.

Главный минус подобных агрегатов в том, что стоимость материалов, из которых они изготавливаются довольно высокая. Цена на ремонт газотурбинных двигателей тоже немалая. Но, несмотря на это они постоянно совершенствуются и разрабатываются во многих странах мира, включая нашу.

Газовую турбину не устанавливают на легковые автомобили, прежде всего из-за постоянной нужды в ограничении температуры газов, которые поступают на турбинные лопатки. Вследствие этого понижается КПД аппарата и повышается потребление горючего.

Сегодня уже придуманы некоторые методы, которые позволяют повысить КПД турбинных двигателей, например, с помощью охлаждения лопаток или применения тепла выхлопных газов для обогрева воздушного потока, который поступает в камеру. Поэтому вполне возможно, что через некоторое время разработчики смогут создать экономичный двигатель своими руками для автомобиля.

Среди главных преимуществ агрегата можно также выделить:

• Низкое содержание вредоносных веществ в выхлопных газах;
• Простота в обслуживании (не нужно менять масло, а все детали обладают износостойкостью и долговечностью);
• Нет вибраций, поскольку есть возможность запросто сбалансировать вращающейся элементы;
• Низкий уровень шума во время работы;
• Хорошая характеристика кривой крутящего момента;
• Заводиться быстро и без затруднений, а отклик двигателя на газ не запаздывает;
• Повышенная удельная мощность.

Минус и плюс мотора

Газотурбинный агрегат способен вырабатывать большой момент, а значит повышенные показатели мощности. Для охлаждения сопутствующих элементов нет каких-либо устройств, поскольку соприкасающихся поверхностей мало. В то же время, подшипников используется не много, а качество деталей свидетельствует о надёжности и безотказности агрегата.

Отрицательный аспект, это дороговизна используемых материалов при изготовлении деталей и, как следствие, немалые вложения в починку механизма. Несмотря на недостатки, конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется.

Газотурбинный двигатель используют в авиации, на автомобилях установку применяют как эксперимент. Это произошло по причине постоянной потребности в охлаждении газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает полезное действие агрегата, увеличивая потребление горючего.

Главные преимущества мотора:

• Пониженная степень загрязнения выхлопных газов;
• Починка простая и лёгкая (не содержит расходных материалов);
• Отсутствие вибрации;
• Пониженный шум при эксплуатации агрегата;
• Повышенные характеристики импульса;
• Включение и отклик на педаль акселератора без задержек;
• Повышено соотношение мощности и веса.

Танковая установка «ГТД-1500»:

Виды газотурбинных двигателей

По своему строению данные агрегаты разделяются на четыре типа. Первый из них это турбореактивный, его в большинстве своем устанавливают на военные самолеты, обладающие высокой скоростью. Принцип работы заключается в том, что газы, выходящие на большой скорости из мотора, через сопло толкают самолет вперед.

Другой тип — турбиновинтовой. Его устройство от первого отличается тем, что он имеет еще одну секцию турбины. Данная турбина составлена из ряда лопаток, которые забирают остаток энергии у газов, прошедших через турбину компрессора и благодаря этому осуществляют вращение воздушного винта.

Винт может располагаться как в задней части агрегата, так и в передней. Отходящие газы выводятся через выхлопные трубы. Такой реактивный аппарат оснащается на самолетах, летающих на низкой скорости и на малой высоте.

Третий тип — турбовентиляторный, который похож по своей конструкции на предыдущий двигатель, но у него 2-я турбинная секция забирает энергию у газов не полностью и поэтому подобные движки также обладают выхлопными трубами.

Главная особенность такого двигателя в том, что его вентилятор, закрытый в кожух, работает от турбины низкого давления. Поэтому движок называют еще 2-х контурным, поскольку воздушный поток проходит через агрегат, являющейся внутренним контуром и через свой внешний контур, необходимый только лишь для направления потока воздуха, который толкает мотор вперед.

Самые новейшие самолеты оборудованы именно турбовентиляторными двигателями. Они эффективно функционируют на большой высоте, а также отличаются экономичностью.

Последний тип — турбовальный. Схема и устройство газотурбинного двигателя этого типа почти такая же, как и у прошлого движка, но от его вала, который присоединен к турбине, приводится в действие практически все. Чаще всего его устанавливают в вертолеты, и даже на современные танки.

Двухпоршневой и малоразмерный двигатель

Наиболее распространен двигатель с двумя валами, оборудованный теплообменником. В сравнении с агрегатами, у которых всего 1 вал, такие аппараты более эффективные и мощные. 2-х вальный двигатель оснащен турбинами, одна из которых предназначена для привода компрессора, а другая для привода осей.

Подобный агрегат обеспечивает машине хорошие динамические характеристики и сокращает кол-во скоростей в трансмиссии.

Также существуют малоразмерные газотурбинные двигатели. Они состоят из компрессора, газо-воздушного теплообменника, камеры сгорания и двух турбин, одна из которых находятся в одном корпусе со сборником газа.

Малоразмерные газотурбинные двигатели применяются в основном на самолетах и вертолетах, которые преодолевают большие расстояние, а также на беспилотных летательных устройств и ВСУ.

Агрегат со свободно поршневым генератором

На сегодняшний день аппараты этого типа являются наиболее перспективными для авто. Устройство движка представлено блоком, который соединяет поршневой компрессор и 2-х тактовый дизель. В середине находится цилиндр с наличием двух поршней объединенных друг с другом с помощью специального приспособления.

Работа движка начинается с того, что воздух сжимается во время схождения поршней и происходит возгорание горючего. Газы образуются за счет сгоревшей смеси, они способствуют расхождению поршней при повышенной температуре. Затем газы оказываются в газо-сборнике. За счет продувочных щелей в цилиндр попадает пережатый воздух, помогающий очистить агрегат от отработанных газов. Затем цикл начинается заново.