2. Турбореактивный двигатель (трд)

2.1. Принцип создания тяги трд

Принцип создания тяги ТРД основан на увеличении количества движения рабочего тела, проходящего по тракту двигателя. На входе в двигатель (сечение 0–0) (рис. 2.1) секундное количество движения рабочего тела – М_вV, на выходе (сечение с–с) – М_гс_с, где: с_с – скорость истечения газа из ТРД; М_в и М_г – секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0–0) и выходное (с–с) сечения ТРД соответственно, связанные соотношением:

М_г = М_в + М_т – М_в.отб, (2.1)

где М_т – секундный массовый расход топлива, поступающего в камеру сгорания; М_в.отб – масса воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двигателя и другие цели.

Так как М_г ≈ М_в, а с_с > V, то М_г с_с > М_вV, тогда тяга ТРД

R = М_гс_с – М_вV = М_в(с_с – V). (2.2)

Величина R является тягой, определенной по внутренним параметрам ТРД. Часть этой тяги тратится на преодоление внешнего сопротивления ТРД с мотогондолой Х_вн, оставшаяся часть R_эф (эффективная тяга) расходуется на совершение полезной тяговой работы (увеличение скорости полета V):

R_эф = R – Х_вн. (2.3)

Рис. 2.1. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД

Из формулы (2.2) видно, что при V = 0 тяга имеет максимальное значение М_вс_с. При увеличении скорости полета все большая часть кинетической энергии истекающей струи газапревращается в полезную тяговую работу по увеличению скорости полета и величина избыточной тягиR уменьшается . При достижении скорости полетаV = с_с вся превратится в полезную тяговую работу, и дальнейшее увеличение скорости полета станет невозможным (R = 0). Скорость V = с_с называется скоростью «вырождения ТРД». Однако необходимо помнить, что на полезную тяговую работу тратится толькоR_эф = R – Х_вн. Из этого следует, что скорость полета всегда меньше скорости истечения газа из сопла и скорость «вырождения ТРД» достижима только теоретически.

2.2. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту трд

ТРД включает в себя (см. рис. 2.1):

– воздухозаборник (ВЗ);

– осевой компрессор (ОК);

– камеру сгорания (КС);

– газовую турбину (ГТ);

– реактивное сопло (РС).

В cечении н–н – невозмущенный воздушный поток (см. рис. 2.1).

Далее по тракту двигателя происходят следующие процессы:

между сечениями н–0 – предварительное сжатие за счет торможения воздушного потока в свободно расширяющейся струе газа перед входом в ВЗ;

между сечениями 0–вх – предварительное сжатие (торможение), выравнивание и стабилизация воздушного потока в расширяющемся канале ВЗ;

между сечениями вх–к – основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;

между сечениями к–г – подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (авиационный керосин);

между сечениями г–т – расширение газа в ГТ и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент М_т.расп на валу турбины, передаваемый через общий вал на вращение компрессора и привод дополнительных агрегатов;

между сечениями т–с – расширение газа в сопловом канале РС и превращение части энтальпии в кинетическую энергию истекающей струи газа (создание реактивной тяги R).

До сечения н–н (см. рис. 2.1) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н–н до сечения вх–вх поток воздуха первоначально тормозится в свободно расширяющейся струе, а затем – в диффузоре ВЗ. Скорость потока с уменьшается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия c²/2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, уменьшение кинетической энергии c²/2 приводит к возрастанию энтальпии i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх–вх до сечения к–к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воздушный поток сжимается, следовательно, возрастает его давление и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незна­чительно.

Так как расход воздуха постоянный (М_в = const), а его объем уменьшается за счет существенного увеличения плотности при сжатии, для сохранения неразрывности потока необходимо уменьшать площадь проходного сечения тракта ТРДдля исключения значительного снижения скорости потока.

От сечения к–к до сечения г–г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q_КС, выделяющаяся при сжигании в КС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина.

Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает , следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г–г до сечения т–т рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ГТ. Часть энтальпии превращается в крутящий момент М_т.расп на валу ГТ, который необходим для привода ОК (благодаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0).

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то располагаемая работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одноступенчатой ГТ вращать многоступенчатый компрессор.

От сечения т–т до сечения с–с происходит расширение рабочего тела (газа) в РС. Так как РС – энергоизолированная система (отсутствует подвод энергии извне и отвод энергии в окружающую среду), то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть энтальпии превращается в кинетическую энергию .