книги / Введение в авиационную и ракетную технику

лопаток последних ступеней ОК имеют маленькие значения. При изготовлении лопаток малой длины существуют технологиче-

ские ограничения. Поэтому для обеспечения заданной к.р по-

следние 2–3 ступени ОК можно заменить одной центробежной ступенью.

Применение на вспомогательных ГТД (ТВаД) комбинированных или центробежных компрессоров, особенно в сочетании с противоточной КС, позволяет значительно уменьшить длину двигателя при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик.

Камеры сгорания ТВаД существенно не отличаются от КС ТРД, хотя иногда

применяются противоточ- ные, как правило кольце- вые, или радиальные КС (рис. 3.21). Это позволяет снизить скорости в КС и

уменьшить их длину за счет увеличения диаметра КС. Применение радиальных КС позволяет улучшить условия охлаждения жаровых труб и повысить их эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность.

ГТ ТВД и ТВаД имеют большее число ступеней, чем у ТРД, так как основная работа расширения газа происходит в ГТ.

РС в ТВаД (за исключением ТВД) трансформировано в диффузорный выпускной патрубок, обычно повернутый в боковую сторону от оси двигателя.

Основные параметры ТВД:

1. Nвал = Lм Мв – мощность на валу ТВД, где Lм – механическая работа 1 кг газа, передаваемая на вал ВВ до входа в редуктор; Мв –

расход воздуха через двигатель, кг/с.

2. Nв = Nвалηм – винтовая мощность ТВД (мощность на выходном валу редуктора), где ηм – КПД редуктора (ηм ≈ 0,97…0,98),

учитывающий механические потери в трансмиссии.

131

3. Nтяг = Nвηв – тяговая мощность, где ηв – КПД ВВ, учитывающий потери на трение, отбрасывание и закрутку потока воздуха.

реактивная тяга, развиваемая соплом; RpV/ηв – мощность, которую потребовалось бы развить на валу ВВ для получения тяги, равной реактивной тяге Rp.

6.Nуд Ne – удельная эквивалентная мощность.

Мв

Основные параметры ТВаД:

1.Мощность СТ ТВаД NСТ = Lм Мг, где Lм – механическая работа, совершаемая 1 кг газа, при расширении в СТ ; Мг – расход газа через СТ.

2.Эффективная (полезная) мощность Nе=NСТηСТ – мощность, создаваемая на выходном валу СТ, где ηСТ – КПД СТ.

топлива, потребное для создания единицы мощности в течение 1 ч.

132

3.8.5. Прямоточные ВРД (ПВРД)

Сжатие (повышение давления) воздуха в ТРД происходит в ВЗ и ОК. Чем выше скорость полета V, тем выше степень повышения

давления в ВЗ V , следовательно, выше степень повышения давления в двигателе дв , выше давление на входе в РС, выше сте-

пень расширения газа в РС, больше работа расширения в РС и выше скорость истечения газа сс.

По достижении скорости полета Vопт дв становится равно

опт , при котором работа цикла Lц, а значит и сс, достигают макси-

мальных значений. При дальнейшем увеличении скорости полета работа цикла и сс начинают уменьшаться. У современных ЛА с ТРДФ при скорости полета V ≈ 3500 км/ч ↑V =↓cc. Дальнейшее уве-личение V становится невозможным, так как избыточная тяга R = Мв(сс – V) = 0, происходит «вырождение ТРДФ».

Для полета со скоростью V ≥ 3500 км/ч используют прямоточные ВРД (ПВРД).

В ПВРД, в отличие от ТРД, нет компрессора, следовательно, не нужна турбина (рис. 3.22). Основными узлами ПВРД являются сверхзвуковой воздухозаборник (СВЗ), камера сгорания КС и сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).

Рис. 3.22. Схема ПВРД

Отсутствие ГТ позволяет увеличить температуру за КС до температуры продуктов полного сгорания авиационного топлива Тг.max =

•бóльшие значения максимальной скорости полета Vmax. Недостатками ПВРД являются:

•невозможность запуска двигателя при V = 0, так как дв =

=V = 0;

•эффективная работа двигателя (создание значительной тяги) возможна только при числах М ≥ 1,5…2,0.

ПВРД, как правило, используется в комбинированных силовых установках гиперзвуковых ЛА в сочетании с ТРДФ или ракетными двигателями, способными работать при V ≥ 0. Возможно использование ПВРД в качестве двигателя гиперзвуковых ЛА, стартующих с самолета-разгонщика.

3.8.6. Турбопрямоточные ВРД (ТПД)

Совмещение достоинств ТРДФ и ПВРД возможно в турбопрямоточных двигателях (ТПД). ТПД – это комбинированный многорежимный ВРД для полетов с гиперзвуковыми скоростями до чисел М = 5 на керосине или до М = 6 на водороде

(рис. 3.24).

В ТПД с последовательной работой контуров (см. рис. 3.24, а):

• при 0 ≤ V ≤ (2,5…3,0) М работает только газотурбинный контур с форсажной камерой (ФК);

134

• при V ≥ (2,5…3,0) М подача топлива в КС газотурбинного контура прекращается, открывается прямоточный контур с ФК в качестве основной КС.

Рис. 3.24. Схемы ТПД: а – с последовательной работой контуров;

б– с параллельной работой контуров

ВТПД с параллельной работой контуров (см. рис. 3.24, б):

•при V ≥ (1,5…2,0) М запускается КС прямоточного контура

идо V = (2,5…3,0) М газотурбинный и прямоточный контуры работают одновременно, что позволяет повысить тягу R на промежуточных скоростях полета;

•при V ≈ 3,0 М КС газотурбинного контура отключается и тягу создает только прямоточный контур.

В ТПД при М > 3,0…3,5 газотурбинный контур переводится в режим авторотации (свободного вращения от набегающего потока воздуха) и используется для привода дополнительных агрегатов.

135

3.8.7. Двигатель изменяемого рабочего процесса

Идеальный ВРД должен трансформироваться в ВРД различных типов в зависимости от высоты и скорости полета.

Двигатель изменяемого рабочего процесса (ДИРП) – это авиационный ВРД, в котором путем широкого регулирования элементов проточного тракта, а также применением дополнительных узлов, отключаемых и переключаемых в процессе работы, осуществляется адаптация режима работы двигателя к условиям полета в широком диапазоне скоростей V и высот H полета.

ДИРП находится в стадии экспериментальных разработок и призван сочетать достоинства всех схем ВРД.

3.9. Наземное применение авиационных газотурбинных двигателей

Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 году швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4 %, которая находится в работоспособном состоянии и в настоящее время. В 1941 году вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) этой же фирмы. С конца 1940-х годов ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а c конца 1950-х годов – в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводахдляприводанагнетателейприродного газа.

Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками (паротурбинными, дизельными и др.):

•большая мощность в одном агрегате;

•компактность, малая масса (рис. 3.25);

•уравновешенность движущихся элементов;

•широкий диапазон применяемых топлив;

•легкийибыстрыйзапуск, втомчислепринизкихтемпературах;

•хорошие тяговые характеристики;

•высокая приемистость и хорошая управляемость.

136

Рис. 3.25. Сравнение габаритных размеров ГТД и дизельного двигателя мощностью 3 МВт

Наиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности для привода нагнетателей природного газа в составе газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 3.26). К примеру, только в ОАО «Газпром» к настоящему времени эксплуатируются около 3100 газотурбинных двигателей суммарной установленной мощностью свыше 36 000 МВт. ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.

Рис. 3.26. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа

137

Основная особенность приводимого оборудования – зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n, температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменной частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной – турбовальные двигатели (ТВаД).

ГТД для привода электрогенераторов используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок (в российской литературе они часто называются ГТУ-ТЭЦ), производящих совместно электрическую и тепловую энергию (рис. 3.27).

Современные ГТЭС простого цикла (рис. 3.28), имеющие относительно умеренный электрический КПД эл = 25…40 %,

восновном используются в пиковом режиме эксплуатации – для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуются высокой цикличностью (большим количеством циклов «пуск– нагружение–работа под нагрузкой–останов»). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе

впиковом режиме.

138

ботки электроэнергии эл = 58…60 % и являются к настоящему времени самыми совершенными энергосистемами большой мощности.

В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или для использования в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает ее себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90 %.

Электростанции комбинированного парогазового цикла и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами.

Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов – постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального) и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике.

139

3.10. Топлива, применяемые в ВРД

Топливо авиационное – вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата (ЛА) для получения тепловой энергии в процессе окисления кислородом воздуха (сжигания).

В ВРД используются реактивные топлива, вырабатываемые из среднедисциллятных фракций нефти, выкипающих при температуре 140–280 °С. По способу получения реактивные топлива делятся на прямоперегонные и гидрогенизационные. Первые (Т-1, ТС-1, Т-2) получаются непосредственно из отогнанных фракций нефти без их глубокой переработки. Технология получения вторых включает такие процессы, как гидроочистка (РТ, Т-8В, Т-6), глубокое гидрирование (Т-6), гидрокрекинг (Т-8В). При гидроочистке из нефтяного дисциллята удаляются агрессивные и содержащие серу, азот и кислород нестабильные соединения практически без изменения углеводородного состава топлива. При гидрокрекинге и гидрировании наряду с очисткой исходного сырья происходит изменение его углеводородного состава.

Применение гидрогенизации процессов при производстве реактивных топлив позволяет расширить сырьевую базу топлив

изначительно повысить их термостабильность.

Ккачеству реактивных топлив предъявляются следующие

требования:

• высокая теплотворная способность Hu (количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива). Hu = = 43 100…43 900 кДж/кг или 10 300…10 500 кал/кг – весовая теп-

лотворная способность (авиационный керосин);

•низкая температура начала кристаллизации (менее –60 °С);

•низкая вязкость при минусовых температурах;

•высокая термостойкость;

•высокие антикоррозионные свойства;

•отсутствие нагарообразования;

•большой срок хранения;

•отсутствие воды и механических примесей;

140