История развития авиационных ВРД

Газотурбинные двигатели (ГТД) во 2-й половине ХХ века стали доминирующими в военной и гражданской авиации, как обеспечившие значительно бóльшие отношения тяги к массе двигателя по сравнению с предшествовавшими поршневыми двигателями.

Применение газотурбинных двигателей позволило совершить качественный скачок в грузоподъемности авиации, высоте и скорости полета, освоить сверхзвуковые полеты с числом Маха до 3,0…3,3.

Несмотря на то, что принципиальные схемы турбовинтовых и турбореактивных двигателей были предложены в ряде стран еще в первой четверти ХХ века, они могли быть реализованы как эффективные и надежные двигатели лишь после Второй Мировой войны как синтез достижений одновременно и в аэродинамическом совершенстве лопаточных машин, и в металлургии.

Речь идет о достаточных коэффициентах полезного действия компрессоров и турбин и длительной термопрочности конструкционных материалов, допускающей достаточно высокий уровень температуры газа перед турбиной.

Наиболее серьезными новыми проблемами, которые пришлось преодолевать всем конструкторам-первопроходцам при создании турбореактивных двигателей были также:

- организация устойчивого горения;

- вибропрочность лопаток компрессоров и турбин;

- помпаж компрессора;

- высокий удельный расход топлива;

- психологический фактор недоверия.

Создание турбореактивных двигателей различных схем нельзя приписать одному изобретателю или одной стране, их создание является результатом исследований и экспериментов, начатых почти одновременно в ряде развитых государств.

Не умаляя роли передовых промышленных стран, таких как Германия и Англия, в создании первых газотурбинных авиационных двигателей, следует отметить достойный вклад русских ученых и инженеров в создание и развитие авиационной газотурбинной техники.

Основополагающими теоретическими разработками в области реактивного движения и лопаточных машин были еще дореволюционные труды ученых И.В. Мещерского, Н.Е. Жуковского, К.Э. Циолковского. К началу ХХ века относятся первые проекты ГТД русских инженеров: П. Кузьминского (1900г.), В. Караводина (1908г.), Н. Герасимова (1909г.), А. Горохова (1911г.), М. Никольского (1914г.). Однако в дореволюционной России не появились какие-либо серийные авиационные двигатели собственной разработки.

После 1917 года развитию авиации со стороны государства уделялось повышенное внимание. 22 мая 1919г. в ЦАГИ было создано винтомоторное отделение во главе с инженером-механиком Б.С.Стечкиным.

Уже в 1929г. Б.С. Стечкин (племянник Н.Е. Жуковского)

разработал и опубликовал теорию воздушно-реактивного двигателя, получившую всеобщее признание в нашей стране и за рубежом. В 1923г. инженер-конструктор В.И. Базаров подал заявку на вполне современную схему одновального ТРД с центробежным компрессором.

В 1925г. преподаватели МВТУ Н.Р. Бриллинг и В.В. Уваров обосновали возможность создания мощного авиационного ТВД и приступили к его проектированию.

В 1935г. под руководством В.В. Уварова был разработан первый проект высокопараметрического авиационного ТВД ГТУ-3 (рис. 2.6) с расчетной мощностью 1500 л.с., испытания которого проходили в 1937…39 гг.

ГТУ-3 имел три центробежные ступени компрессора с =8 и двухступенчатую осевую турбину, охлаждаемую дистиллированной водой, так как расчетная температура газа перед турбиной была 1470 K.

В 1940г. группу В.В. Уварова перевели в ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения), созданный 3 декабря 1930г. на базе винтомоторного отдела ЦАГИ.

Работы над проектированием и созданием турбореактивных двигателей
(ТРД), не имевших винта и способных обеспечить в несколько раз бóльшие скорости полета, чем ТВД, начал в 1937 году сотрудник Харьковского авиационного института А.М. Люлька – специалист по паротурбинной технике.

А.М. Люлька в инициативном порядке разработал проекты ТРД с центробежным одно- и двухступенчатым компрессором РТД-1 в 1937г.рис. (2.7,а) и с осевым компрессором РД-1 в 1938г.(рис. 2.7,б)

В конце 1945 года на заводе «Салют» г. Москва было организовано новое конструкторское бюро ОКБ‑165 во главе с А.М. Люлькой.

В 1950-е годы под руководством А.М. Люльки

был создан ряд ТРД типа АЛ-7Ф с тягой (6500…10000) кгс, а в 1966 г. появились высокопараметрические одновальные ТРД типа АЛ-21Ф с тягой (8900…11400) кгс, установленные на самолетах Су-17М, МиГ-23Б, Су-24М.

В 1985 г. был создан один из лучших военных ТРДД с форсажной камерой АЛ-31Ф имевший тягу 12500 кгс, установленный на лучший в мире истребитель Су-27 и созданные на его основе Су-30, Су-33, Су-34,
Су-35.

Первые отечественные двухконтурные двигатели начали создаваться в 1950-х годах в Пермском ОКБ под руководствомП.А. Соловьева (ТРД-20) и в Куйбышевском (Самара) ОКБ под руководством Н.Д. Кузнецова (НК-6). Д-20 и НК-6, не выпускались серийно, но послужили базой для создания многих широко известных ТРДД и ТРДДФ различного назначения, выпускавшихся большими сериями: Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30Ф6, НК-8, НК-86, НК-144-22, НК-32.

Первым отечественным серийным двухконтурным двигателем был двухвальный ТРДД Д-20П конструкции П.А. Соловьева, прошедший испытания в декабре 1959 г. и устанавливавшийся на самолете ТУ-124.

Выдвинутая еще в предвоенные годы техническая идея А. М. Люльки во 2-й половине ХХ века была широко реализована во всем мировом авиадвигателестроении – двухконтурные двигатели стали доминирующими как в гражданской, так и в военной авиации.

Таким образом, бесспорно, что российские ученые и конструкторы и, прежде всего, Б.С. Стечкин, В.В. Уваров, А.М. Люлька, А.А. Микулин, В.Я. Климов, С.К. Туманский, В.А. Добрынин, А.Г. Ивченко, Н.Д. Кузнецов, П.А. Соловьев и другие, внесли выдающийся вклад в развитие современного мирового газотурбинного авиадвигателестроения.

Идеальный цикл ТРД

 

2.7.1. Сущность второго закона термодинамики

 

В ТРД как и в любой другой тепловой машине (ТМ) основным энергетическим преобразованием является превращение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в механическую работу – реактивную тягу. Посредником в данном превращении является рабочее тело – газ (воздух плюс газообразные продукты сгорания топлива) к которому это тепло подводится.

В соответствие со вторым законом термодинамики применительно к тепловым машинам (ТМ) не все тепло, подведенное к газу, превращается в полезную работу, часть тепла обязательно необходимо отвести в «холодильник» – среду с более низкой температурой.

Второй закон термодинамики дополняет первый закон термодинамики, указывая условия преобразования теплоты в работу.

Действительно, превращение работы в теплоту не связано с какими-либо трудностями, так как вся работа полностью переходит в теплоту. Превращение же теплоты в работу возможно только при отводе части теплоты в среду с более низкой температурой (t _x < t _г). Эта теплота полезно не используется и является неизбежной потерей в соответствии со вторым законом термодинамики.

В реальных ТМ отвод тепла осуществляется в атмосферу и, чем выше температура газа на выходе из ТМ по сравнению с температурой окружающей среды, тем эти потери тепла больше.

Иная формулировка второго закона термодинамики: невозможно построить вечный двигатель второго рода. Это означает, что для преобразования тепла в работу необходимы специально созданные условия – наличие хотя бы двух тел с разной температурой, между которыми посредник (газ) мог бы осуществлять цикл и производить работу.

Второй закон термодинамики сформулирован на основе обобщения таких явлений природы, как:

– стремление всех естественных процессов протекать в определенном направлении (газ всегда перетекает из области с более высоким давлением в область с пониженным давлением, тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому телу);

– все самопроизвольные процессы продолжаются до тех пор, пока не наступает энергетическое равновесие между телами, участвующими в процессе.

Для осуществления искусственного, циклически повторяющегося процесса необходимо затратить внешнюю энергию. Для работы ТРД необходимо подводить к газу теплоту в КС, иначе работа расширения газа, полученная в ГТ, будет полностью расходоваться на сжатие воздуха в компрессоре, а полезная (внешняя) работа будет равняться нулю.

 

2.7.2. Условия и диаграммы идеального цикла

 

Последовательность процессов, в результате которых рабочее тело приходит в исходное состояние, называется циклом (рис. 2.7, 2.8).

Обычно диаграммы циклов изображают в системах координат давление – удельный объем(объем, занимаемый одним килограммом газа при данной температуре) р – или температура – энтропия Т – S. Техническая энтропия возрастает (убывает) если в термодинамическом процессе имеет место подвод (отвод) тепла к газу.

Рис. 2.7. Диаграмма цикла ТРД: н-вх – адиабатное сжатие в ВЗ; вх-к – адиабатное сжатие в ОК; к-г – изобарный подвод тепла в КС; г-т – адиабатное расширение в ГТ; т-с – адиабатное расширение в РС; с-н – отвод тепла в «холодильник» (выброс газа в атмосферу)	Рис. 2.8. Диаграмма цикла ТРД: н-вх – изоэнтропное сжатие в ВЗ; вх-к – изоэнтропное сжатие в ОК; к-г – изобарный подвод тепла в КС; г-т – изоэнтропное расширение в ГТ; т-с – изоэнтропное расширение в РС; с-н – отвод тепла в «холодильник» (выброс газа в атмосферу)

 

Условия идеального цикла:

- процесс обратим;

- нет потерь тепла, кроме отдачи тепла в «холодильник»;

- отсутствуют трение, гидравлические и механические потери;

- рабочее тело неизменно по составу (химическим и физическим свойствам);

- состояние рабочего тела рассматривается в характерных сечениях: н-н; вх-вх; к-к; г-г; т-т; с-с за узлами ТРД, в которых происходят энергетические преобразования.

 

2.7.3. Работа идеального цикла

 

Работа идеального цикла ТРД соответствует площади фигуры н-к-г-с-н, ограниченной кривыми процессов подвода и отвода тепла (см. рис. 2.8) и равняется работе, которую при расширении может совершить один килограмм газа.

Разность между подведенной к рабочему телу (газу) теплотой Q ₁ и отведенной (в соответствие со вторым законом термодинамики) – Q ₂ является той частью теплоты, которая превратилась в работу цикла:

 

L _ц = Q ₁ – Q ₂, (2.12)

где: – эквивалентна площади фигуры S _н-н-к-г-с- S _с;

– эквивалентна площади фигуры S _н-н-с- S _с.

Работа идеального цикла ТРД так же соответствует площади фигуры н-к-г-с-н, ограниченной кривыми процессов расширения и сжатия (см. рис. 2.7).

То есть работа цикла ТРД определяется как разность между работой, совершаемой газом при его расширении (площадь фигуры с р _н р _к г), и работой, потребной на сжатие воздуха (площадь фигуры н р _н р _к к):

L _ц = L _рас – L _сж. (2.13)

Работа цикла L _ц расходуется на приращение кинетической энергии (скорости) газа в реактивном сопле ТРД с целью создания реактивной тяги. Физически L _ц – это работа, которую может при расширении в РС совершить газ, имеющий температуру и давление на выходе из турбины ТРД:

(2.14)

 

2.7.4. Термический КПД идеального цикла

 

Эффективность превращения подведенной к рабочему телу теплоты в полезную работу (работу идеального цикла) оценивается термическим коэффициентом полезного действия (КПД) η_t, показывающим, какая часть подведенной теплоты Q ₁ превратилась в работу цикла L _ц

, (2.16)

где – полная степень повышения давления в двигателе.

Таким образом, при помощи η_t оценивают совершенство двигателя как тепловой машины.

Так как, в соответствии со вторым законом термодинамики, Q ₂ > 0, то
η_t < 1. Величина η_t тем больше, чем меньше Q ₂ по отношению к Q ₁. В свою очередь Q ₂ тем меньше, чем ниже температура газов на выходе из двигателя.

С увеличением степени понижения давления в процессе расширения газа в двигателе , при неизменной температуре в начале процесса расширения , температура газа на выходе из двигателя Т _с снижается, следовательно, уменьшается . Увеличить степень понижения давления можно, увеличив степень повышения давления в двигателе . Однако, при увеличении степени повышении давления, увеличивается температура сжатого воздуха , следовательно, уменьшается количество подведенного к нему тепла:

При увеличении степени повышения давления от единицы до оптимального значения , увеличивается работа цикла L _ц вследствие преобладания темпа снижения потерь тепла Q ₂ с выходящими газами, над снижением Q ₁ (рис. 2.9). При этом интенсивно возрастает термический кпд η_t (рис. 2.10).

 

Рис. 2.9. Диаграмма цикла ТРД при и	Рис. 2.10. Зависимость

При дальнейшем увеличении , из-за преобладающего снижения Q ₁ над снижением Q ₂, начинает уменьшаться L _ц (см. рис. 2.10), темп роста η_t замедляется, и он стремится к своему максимальному значению η_t.max.

При , η_t = 0, так как вся, подведенная к рабочему телу теплота, отводится в «холодильник».

При , .

 

При , .

При .

При увеличении максимальная работа цикла будет достигнута при больших значениях (см. рис.2.10), то есть оптимальная степень повышения давления в двигателе, а, следовательно, максимальная работа цикла, тем выше, чем выше температура газа вначале процесса расширения (температура на выходе из КС). Однако величина ограничена прочностью деталей ГТ.