Лекция № 10 « Рабочий процесс газотурбинного авиационного двигателя »

К газотурбинным авиационным двигателям относятся турбореактивные двигатели (ТРД), двухконтурные (ДТРД) и турбовинтовые (ТВД). По организации рабочего процесса к этой же группе принадлежат и бескомпрессорные воздушно – реактивные двигатели: прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД).

Устройство и принцип действия газотурбинных авиационных двигателей.

Турбореактивный двигатель состоит из следующих основных элементов: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и реактивного сопла. Рабочий процесс организован так, что каждый процесс осуществляется в специально для этого предназначенном элементе двигателя: сжатие – во входном устройстве и компрессоре, сгорание – в камере сгорания, расширение – в газовой турбине и реактивном сопла.

При полете самолета воздух входит в двигатель. Во входном устройстве за счет использования скоростного напора повышается давление воздуха. В бескомпрессорных двигателях, которые эффективны только на больших сверхзвуковых скоростях полета, процесс сжатия на этом и заканчивается.

Эффективность процесса сжатия характеризуется степенью повышения давления

,

и выбирается для современных двигателей от до .

Эффективность организации процесса сжатия в двигателе характеризуется КПД процесса сжатия

,

- работа, которую необходимо затратить на сжатие воздуха от давления до давления в случае, если процесс сжатия протекал адиабатно.

КПД процесса сжатия может изменяться в пределах

Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива

Количество подводимого в двигателе тепла ограничивается допустимой температурой газа на выходе из камеры сгорания.

В наиболее совершенных современных двигателях температура достигает величины и более.

Степень подогрева воздуха в двигателе:

Соотношение между количеством воздуха, необходимого для сгорания, и количеством воздуха, в действительности протекающего через двигатель, называется коэффициентом избытка воздуха:

,

где – количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива. / .

В современных газотурбинных двигателях .

Получение тепловой энергии в камере сгорания характеризуется коэффициентом полноты сгорания:

.

У современных камер сгорания .

Аэродинамика камеры сгорания характеризуется коэффициентом восстановления полного напора:

,

который лежит в пределах

 

Из камеры сгорания газовый поток поступает в газовую турбину. Расширяясь в турбине, газ производит работу, которая расходуется на привод компрессора и всех вспомогательных агрегатов, обслуживающих двигатель.

Дальнейшее расширение газового потока происходит в реактивном сопле. При этом достигаемая на выходе из сопла скорость истечения оказывается большей, чем скорость полета, что обусловливает возникновение силы тяги.

Процесс расширения в двигателе характеризуется КПД процесса расширения:

,

где - работа расширения, которая могла бы быть получена, если бы расширение в газовой турбине и реактивном сопле происходило адиабатно, а в камере сгорания достигалась бы, та же конечная температура и отсутствовали потери давления.

Зависимость работы цикла от параметров рабочего процесса.

Работа и КПД цикла зависят от степени повышения давления и степени подогрева воздуха , а также от коэффициентов и , характеризующих потери в двигателе. Кроме того, работа цикла зависит от температуры , которая может изменяться при изменении высоты полета и атмосферных условий.

Коэффициенты и зависят от режима работы двигателя и скорости полета и могут быть определены с достаточной степенью точности только в том случае, если известны соответствующие характеристики всех элементов двигателя (; ).

Влияние степени повышения давления на величину работы цикла.

Какой характер имеет зависимость работы цикла от степени повышения давления при заданном режиме полета, постоянной степени повышения температуры газа и при постоянных и .

Работы цикла равно:

,

где

и

.

Коэффициент учитывает различие теплоемкостей воздуха и газа.

Как видно из уравнения, работы цикла обращается в нуль при значениях , соответствующих и т.е. при и . Между указанными значениями существует степень повышения давления, при которой работа цикла достигает максимального значения. Это степень повышения давления называется оптимальной .

Величина определяется путем исследования уравнения на максимум, т.е. из условия

,

откуда

.

Следовательно,

.

и связаны между собою соотношением .

увеличение степени подогрева и коэффициентов и увеличивает как , так и , т.е. приводит к расширению диапазона возможных рабочих значений и смещает максимум полезной работы цикла в сторону больших значений. Для современных двигателей достигнутые значения , , дают значение , и соответственно .

Тяговый КПД существенно зависят от конструкции движителя, однако для всех двигателей рассматриваемой группы имеет примерно один характер зависимости от , а именно, он приближается к единице в точках, где достигает максимального значения.

Так как полный КПД двигателя , то он обращается в нуль в тех же точках, где обращается в нуль , т.е. при и , а в промежутке имеет максимум. Так как полностью характеризует экономичность двигателя, то соответствующая его максимум степень повышения давления носит название экономической степени повышения давления . Для современных двигателей .

Степень повышения давления для двигателей современных самолетов выбирается в зависимости от назначения самолета, между и .

Полезная работа всякой тепловой машин зависит от двух факторов: от количества тепла, сообщаемого на каждый килограмм проходящего воздуха, от степени превращения этого тепла в полезную работу, т.е.

.

В результате влияния этих двух факторов работа цикла возрастает до тех пор, пока преобладающую роль играет рост , а затем начинает подать из – за уменьшения количества сообщаемого тепла.

При очень высокой степени повышения давления, равной , работа цикла обращается в нуль. В данном случае температура на выходе из компрессора становится близкой по величине к допустимой температуре газа перед турбиной и количество тепло становится столь малым, что его хватает только на преодоление гидравлических потерь в двигателе.

Влияние степени подогрева на величину работы цикла.

При увеличении степени подогрева работа цикла возрастает. С уменьшением , напротив, работа цикла падает и при некотором значении обращается в нуль. Объясняется в тем, что с понижением количество сообщаемого тепла резко уменьшается и при полностью расходуется на преодоление гидравлических потерь. можно быть найдена из уравнения работа цикла при условии , откуда

, т.е. тем выше, чем больше степень повышения давления и чем ниже и .

Так как КПД цикла определяется равенством , то при (поскольку а ). С увеличением непрерывно увеличивается. Объясняется это тем, что с ростом общее количество тепла, вносимого в двигатель, возрастает весьма интенсивно, а та часть его, которая затрачивается на преодоление гидравлических потерь, - остается практически неизменной.

При тяговой КПД , и постоянно падает с увеличением . Объясняется это тем, что увеличивается скорость истечения, что ведет к увеличению потерь с кинетической энергией.

Полный КПД, равный произведению тягового КПД и КПД цикла, с ростом сначала возрастает, пока преобладающую роль играет увеличение КПД цикла, а затем, достигнув максимального значения при , начинает уменьшаться.

Влияние КПД процессов сжатия и расширения на работу цикла.

С уменьшением потерь в процессах сжатия и расширения, т.е. с увеличением и , работа цикла возрастает. При некотором значении произведения работа цикла обращается в нуль. Очевидно, что это значение равно

.

Таким образом, создание экономичных ГТД с большой степенью сжатия возможно только при высоких значениях и . Чем ниже значение температуры газа перед турбиной, тем выше минимальные потребные значения и

Следует отметить, что работа расширения всегда больше работы сжатия. Поэтому увеличение оказывает численно большее влияние на , чем равное увеличение .