В. Двигатель работает в полете

Процесс сжатия воздуха

Для работы турбореактивного двигателя необходима непрерывная подача сжатого воздуха в камеры сгорания. Сжатие воздуха в этих типах двигателей происходит в специальных лопаточных машинах — компрессорах.

Лопаточными машинами компрессоры называются потому, что рабочими элементами в них являются лопатки. Компрессор турбореактивного двигателя приводится во вра­щение газовой турбиной.

При сжатии воздуха температура его повышается на 100—200° С.

В сжатом и подогретом воздухе топливо хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает.

На современных турбореактивных двигателях применяются два типа компрессоров: центробежные и осевые. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ

Главной величиной, характеризующей компрессор турбо­реактивного двигателя, является степень повышения давления воздуха в компрессоре, называемая еще степенью сжатия; обозначают ее греческой буквой “эпсилон” - ε.

Степень сжатия компрессора - это отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

 

 

Где Р₂ – давление на выходе компрессора, Р₁ – давление на входе компрессора.

Степень сжатии — величина безразмерная, она показы­вает, во сколько раз повышается давление воздуха в ком­прессоре по сравнению с давлением воздуха перед ним.

Если взять отношение давления воздуха за компрессором к давлению воздуха, окружающего двигатель, то получим степень сжатия двигателя:

 

 

Где Р₀ – давление атмосферного воздуха.

Чтобы представить себе разницу между этими двумя величинами, подсчитаем их для следующих условий: - ско­рость полета с₀ = 0; давление окружающего воздуха Р_О = 1,033 кг/см²; давление перед компрессором Р₁ = 0,92 кг/см²; давление за компрессором Р₂ = 4,35 кг/см². Тогда:

 

 

Как видно, ε_ДВИГ меньше ε_КОМП.

Для современных ТРД величина степени сжатия ком­прессора лежит в пределах от 4,2 до 7,1 (иногда 8).

Степень сжатия двигателя зависит от скорости вращения колеса (ротора) компрессора, от высоты полета (от темпе­ратуры окружающего воздуха) и от скорости полета.

С увеличением скорости вращения колеса компрессора степень сжатия компрессора увеличивается.

В осевом компрессоре с увеличением числа его оборо­тов окружная скорость движения лопаток растет. Вслед­ствие этого увеличиваются силы, сжимающие воздух, и, сле­довательно, давление воздуха, выходящего из компрес­сора.

Так как давление воздуха на входе в компрессор остается постоянным (оно не зависит от скорости вращения колеса компрессора), то степень сжатия компрессора увеличивается.

В центробежном компрессоре с увеличением числа его оборотов растет окружная скорость колеса компрессора. Вследствие этого увеличиваются центробежные силы, сжи­мающие воздух, и, следовательно, давление воздуха, выхо­дящего из компрессора. В результате степень сжатия ком­прессора увеличивается.

 

ВХОД ВОЗДУХА В ДВИГАТЕЛЬ

Имея общее представление о работе турбореактивного двигателя и процессах, которые происходят в воздушно-газовом потоке, протекающей через двигатель, рассмотрим теперь более подробно работу отдельных элементов ТРД и процессы, происходящие в них.

Воздухоподводящие или входные каналы служат для подвода воздуха к компрессору с возможно меньшими поте­рями.

Входной канал является частью конструкции самолета или образуется обводами капотов двигателя и самого дви­гателя.

Изменение параметров воздуха во входном канале будет различно в зависимости от условий работы двигателя: на месте или в полете.

Поэтому рассмотрим отдельно эти два случая.

 

А. Двигатель работает на месте (скорость полета с₀ = 0)

При работе двигателя на месте компрессор засасывает воздух из окружающей атмосферы. Скорость воздушного потока при подходе к двигателю возрастает от нуля у невозмущенного воздуха впереди двигателя (сечение 0-0) до скорости с₁ на входе в компрессор (сечение 1-1, рис. 1).

Для различных турбореактивных двигателей величина скорости с₁ лежит в пределах от 70 до 180 м/сек.

Как показывает опыт, температура и давление воздуха во входном канале падают.

Чтобы понять, почему это происходит, напишем уравне­ние энергии движущегося потока воздуха для сечений 0-0 и 1-1

 

Где k – показатель адиабаты, R – газовая постоянная, g – ускорение свободного падения.

Так как двигатель работает на месте (неподвижен), то скорость с₀ = 0. В этом случае уравнение энергии будет:

 

 

Подставив в последнее уравнение численное значение k, g, R, определим температуру Т_{1 .}. Она будет равна:

 

 

Из уравнения видно, что температура воздуха на входе в компрессор Т₁ должна быть ниже, чем температура окру­жающего воздуха Т₀. Для существующих ТРД это падение температуры составляет 8—10°. Разделив все члены этого уравнения на Т₀, получим:

 

 

Рис.1 Изменение параметров воздуха при работе двигателя на месте.

 

Заменим отношение температур отношением давлений (считая процесс адиабатическим) и опреде­лим давление воздуха на входе в компрессор:

 

 

Так как с₁ = 70-180 м/сек, то численная величина ква­дратной скобки будет меньше единицы. Следовательно, дав­ление на входе в компрессор Р₁будет меньше давления окружающего воздуха Р₀. Для выполненных ТРД падение давления во входном канале составляет 0,1-0,16 кг/см^г.

 

ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР

Осевой компрессор — лопаточная машина, которая засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и принудительно подает (нагнетает) в камеры сгорания. Он состоит из двух элементов: неподвижного корпуса, где крепятся спрямляющие лопатки, и вращающегося ротора, несущего рабочие лопатки (рис. 4).

Рис. 4. Ротор и корпус 11-ти ступенчатого осевого компрессора

Сочетание одного ряда подвижных рабочих лопаток и одного ряда неподвижных спрямляющих лопаток назы­вается ступенью осевого компрессора.

Воздух всасывается в осевой компрессор через кольцевую щель, образуемую корпусом и ротором, ипри сжатии движется параллельно оси вращения ротора, потому компрессор и называется осевым.

Процесс сжатия воздуха в осевом компрессоре состоит из ряда последовательных процессов сжатия его в каждой ступени.

Рис. 5. Сжатие воздуха в осевом компрессоре

Воздух, сжатый в первой ступени, перегоняется во вто­рую ступень, где сжимается, перегоняется в третью ступень и сжимается и т. д., пока не пройдет сжатие во всех сту­пенях компрессора. Высота лопаток ступеней 2, 3, 4, 5 и т. д. уменьшается, так как удельный объем воздухавслед­ствие сжатия его уменьшается.

В каждой ступени воздух сжимается незначительно поэтому для получения давления воздуха на выходе из ком­прессора порядка 5 - 7 кг/см² осевые компрессоры современ­ных ТРД имеют 8 - 12 ступеней.

Схематически повышение давления воздуха в осевом компрессоре показано на рис.5.

В осевом компрессоре каждая ступень имеет свою сте­пень сжатия (для разных ступеней она может быть численно различной). Степень сжатия ступени - это отношение дав­ления воздуха за ступенью к давлению воздуха до ступени:

 

 

Где Р_ЗА – давление воздуха за ступенью компрессора, Р_ДО – давление воздуха до ступени компрессора.

Численно ε_СТУП = 1,20 - 1,35 (для тех ступеней, где скорость движения воздуха не превышает скорости звука). Степень сжатия осевого компрессора - это отношение (давления воздуха, выходящего из последней ступени ком­прессора, к давлению воздуха, входящего в первую ступень компрессора.

Для выполненных осевых компрессоров степень сжатия равна 6,2 - 8.

Познакомимся с принципом работы ступени осевого ком­прессора.

Каждая ступень осевого компрессора состоит из вращаю­щегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппарата.

Иногда перед первой ступенью современных осевых ком­прессоров устанавливается еще один ряд лопаток - входной направляющий аппарат или входное устройство.

Работа каждого из этих устройств в процессе сжатия воздуха различна, поэтому рассмотрим ее раздельно.

 

Б. Рабочее колесо

Газовая турбина вращает ротор рабочего колеса компpeccopa, а лопатки колеса передают полученную энергию потоку воздуха.

Частицы, воздуха со скоростью с₁ подходят к лопаткам рабочего колеса (см. рис. 6). Рабочая лопатка вращается со скоростью u, равной окружной скорости вращения колеса.

Если бы поток воздуха был неподвижен, а двигались только рабочие лопатки, то скорость движения частиц воздуха относительно лопаток была бы –u.

Но поток воздуха имеет скорость с₁. В результате сложе­ния скоростей с₁ и - u частицы воздуха приобретают отно­сительную скорость w₁ (скорость, с которой поток воздуха движется относительно лопаток).

Скорости с₁, - u, w₁ образуют треугольник скоростей на входе в рабочее колесо ступени. Треугольник скоростей на входе изменяется в зависимости от величины секундного расхода воздуха через компрессор (изменяется скорость с₁) иот скорости вращения колеса компрессора (изменяется скорость и).

Форма лопаток рабочего колеса и их взаимное располо­жение подобраны так, что между лопатками образуются расширяющиеся каналы.

Воздух, двигаясь в расширяющемся канале, уменьшает свою скорость движения, поэтому относительная скорость на выходе из канала w₂ меньше относительной скорости воздуха w₁ на входе в канал.

За счет уменьшения относительной скорости давление воздуха в каналах колеса повышается.

Рабочие лопатки сжимают воздух, поворачивают поток воздуха и увеличивают абсолютную скорость движения воз­духа до величины с₂. Абсолютная скорость воздуха на вы­ходе из рабочего с₂ колеса больше скорости на входе с₁ на 50—70 м/сек за счет энергии, получаемой воздухом от рабо­чих лопаток.

Таким образом, энергия, получаемая рабочим колесом, расходуется на сжатие воздуха, на увеличение его скоро­стной энергии и на преодоление гидравлических потерь в ка­налах между рабочими лопатками.

В. Спрямляющий аппарат

Лопатки спрямляющего аппарата неподвижно закреплены в корпусе компрессора. Они имеют хорошо обтекаемую форму и специально изогнуты для изменения направления потока воздуха. Между лопатками спрямляющего аппарата получаются расширяющиеся каналы - диффузоры.

Частицы воздуха со скоростью w₂ (рис. 6) отбра­сываются рабочим колесом к спрямляющему аппарату. Вра­щаясь вместе с колесом, они получил окружную ско­рость - и. Попадая в каналы спрямляющего аппарата, частицы воздуха тормозятся, их окружная скорость умень­шается. Поэтому на треугольнике скоростей на входе в спрямляющий аппарат окружная скорость и направлена в другую сторону, чем было на треугольнике скоростей на входе в рабочие колесо, хотя величина ее осталась без изме­нения.

В результате сложения скоростей w₂, и и получается абсолютная скорость c₂. Имея эту скорость, поток воздуха входит в каналы спрямляющего аппарата.

В каналах спрямляющего аппарата скорость потока воз­духа уменьшается от с₂ до с_ВЫХ, а давление увеличивается.

Напишем для этого случая уравнение, которым мы поль­зовались при рассмотрении входа воздуха в двигатель во время полета:

 

Скорость на выходе из направляющего аппарата с_ВЫХ меньше скорости на входе с₂. Поэтому дробь, стоящая вскобках, всегда будет иметь положительную величину, т. е. Рвых будет больше Р_{2 .}

Лопатки спрямляющего аппарата изогнуты так, чтобы направление скорости с_ВЫХ с которой воздух покидает ступень, совпадало или немного отличалось от направления ско­рости с₁ с которой воздух входит в ступень. Этим обеспечи­вается подход воздуха под нужным углом к лопаткам рабо­чего колеса следующей ступени.

Скоростная энергия воздуха при его движении в спрям­ляющем аппарате расходуется на совершение работы сжатия воздуха, на поворот потока воздуха и на преодоление гидрав­лических потерь в каналах спрямляющего аппарата.

Окружная скорость и различна по высоте лопатки. У корня лопатки она меньше, чем у ее конца. Поэтому тре­угольники скоростей будут различными по высоте лопатки.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР

Рассмотрим устройство центробежного компрессора (рис. 13, 14). В литом корпусе на специальных подшипниках вращается колесо. Перед колесом укреплены неподвижные направляющие аппараты, которые создают предварительную накрутку потока воздуха перед входом в колесо - отклоняют поток воздуха от осевого направления движения, при этом уменьшается скорость воздуха относительно колеса. Назна­чение закрутки воздуха -увеличить быстроходность колеса (повысить число оборотов).

Рис. 13. Принципиальное устройство центробежного компрессора

Колесо состоит из крыльчатки и заборных лопаток.

Крыльчатка представляет собой диск, имеющий лопатки (идущие по радиусу) с одной или обеих сторон диска.

Если лопатки имеются на одной стороне, то такое колесо называется колесом с односторонним входом воздуха. Если лопатки имеются с. обеих сторон колеса, то оно назы­вается колесом с двухсторонним входом воздуха.

Чаще всего колесо делают с двухсторонним входом воздуха для увеличения количества воздуха, прогоняемого компрессором в одну секунду,

К крыльчатке наглухо крепятся заборные стальные ло­патки, загнутые в сторону вращения колеса, для обеспечения безударного входа воздуха в колесо.

Воздух из колеса попадает в диффузор, а из него через коленообразныепатрубки поступает в камеры сгорания.

Рис. 14. Детали колеса компрессора

Главная рабочая часть центробежного компрессора - ко­лесо. Оно получает энергию от газовой турбины и передает ее воздуху. За счет этой энергии повышается давление воз­духа о колесе и увеличивается абсолютная скорость его дви­жения.

Часть энергии, передаваемая колесом воздуху, тратится на преодоление гидравлических сопротивлений, возникаю­щих при движении воздуха.

Рассмотрим подробнее движение воздуха по колесу. Поток воздуха закручивается неподвижным направляю­щим аппаратом и подходит к колесу со скоростью с₁ (рис. 15). Треугольник скоростей на входе в колесо составляют:

с₁ - абсолютная скорость входа воздуха на лопатки;

- и - окружная скорость вращения лопатки (знак минус показывает, что вращение колеса происходит навстречу дви­жения частиц воздуха);

w₁ - скорость движения частиц воздуха относительна лопатки.

Колесо вращается с очень большими оборотами: 10000—15000 в минуту (160—250 оборотов в секунду). Окружная скорость на ободе колеса достигает 450— 500 м/сек и более.

Лопатки колеса, захватив частицы воздуха, увлекают их и заставляют вращаться с такой же большой скоростью.

Обозначим через т массу частички воздуха и через r радиус, где находится эта частичка.

Величина радиуса будет все время увеличиваться при движении частички от входа вколесо до выхода из него.

Центробежная сила, отбрасывающая частичку воздуха к краю колеса, определяется по известному из физики уравнению:

 

 

Значит, чем дальше будет частица воздуха удаляться от оси вращения колеса, тем больше будет ее окружная скорость и, следовательно, больше будет центробежная сила, дей­ствующая на частицу воздуха и сжимающая ее. Масса же воздуха состоит из бесчисленного количества этих элемен­тарных частиц.

 

Рис. 15. Треугольники скоростей воздуха на входе и выходе колеса

Таким образом, воздух, прогоняемый колесом, сжимается, кроме того, увеличивается абсолютная скорость его дви­жений.

Треугольник скоростей на выходе из колеса будет состав­лен скоростями:

с_к - абсолютная окружная скорость воздуха на выходе из колеса;

u_k - окружная скорость лопатки на краю колеса;

w_k - относительная скорость выхода воздуха из колеса.

Вектор относительной скорости отклонен против враще­ния колеса, так как воздух отстает от вращающегося колеса. Величина отставания воздушного потока на выходе из колеса зависит главным образом от числа и длины лопаток колеса. Чем больше лопаток, тем труднее частице воздуха отклониться от радиального направления. Но чем больше лопаток, тем меньше канал для прохода воздуха и тем труд­нее воздуху проходить по этому каналу.

На выходе из колеса воздух имеет давление 2,2 - 2,5 кг/см и абсолютную скорость порядка 450 - 550 м/сек, полученные за счет энергии, сообщенной воздуху колесом. С такими параметрами воздух поступает в диффузор. Диффузор пред­ставляет расширяющийся канал, в котором происходит уменьшение скорости потока воздуха. Он служит для преоб­разования скоростной энергии в потенциальную, т. е. в энер­гию давления воздуха.

Рис. 16. Лопаточный диффузор

Диффузоры делятся на два типа: щелевые и лопаточные. Конструктивно они выполняются вместе (рис. 16, 17).

Щелевой диффузор представляет собой кольцевую щель между колесом и лопаточным диффузором; вели­чина щели колеблется (в различных ТРД) в пределах 12 - 30 мм.

В щелевом диффузоре происходит некоторое выравнива­ние скоростей воздушного потока, (что улучшает устойчивость работы компрессора) и понижение скорости движения воз­духа.

Рис. 17. Схема щелевого и лопаточного диффузоров

Лопаточный диффузор.представляет решетку из лопаток, расположенных по окружности.

Между лопатками образуются расширяющиеся каналы.

Установка лопаток сокращает путь частиц воздуха, что уменьшает потери на трение. При движении воздуха по рас­ширяющемуся каналу лопаточного диффузора уменьшается скорость и повышается давление воздуха (так же как в спрямляющем аппарате осевого компрессора).

Параметры воздуха (с, р, Т) в элементах центробежного компрессора изменяются следующим образом (рис. 18). В неподвижном направляющем аппарате скорость воздуха увеличивается, давление и температура падают - участок а - 1.

В колесе за счет затраты энергии происходят сжатие воздуха и увеличение скорости его движения; температура воз­духа повышается как за счет сжатия, так и за счет тепла тре­ния (сечение в — в).

Наконец в диффузоре и коленообразных патрубках за счет уменьшения скорости потока воздуха его давление и тем­пература увеличиваются (сечение 2 - 2).

Рис. 18. Изменение параметров воздуха в элементах центробежного компрессора

Примерные величины давления, температуры и скорости воздушного потока и элементах центробежного компрессора показаны на рис. 18.

 

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ

ПОНЯТИЕ О СГОРАНИИ

Тепловая энергия выделяется в результате реакции горе­ния (сгорания) топлива, т. е. соединения топлива с кисло­родом воздуха. Реакция сгорания топлива протекает между парами топлива и кислородом воздуха. Топливо, прежде чем сгореть, должно перейти в газообразное состояние - испа­риться, хотя происходит горение и с поверхности капелек топлива.

В турбореактивном двигателе сгорание топлива происхо­дит в камерах сгорания в потоке сжатого и нагретого воздуха, подаваемого компрессором. Обычно топливо состоит из жид­ких углеводородов, т. е. из соединений углерода и водорода.

Рассмотрим сгорание водорода. Реакция сгорания водо­рода протекает так:

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Но такое протекание реакции маловероятно, так как должны одновременно встретиться, столкнуться три моле­кулы.

Более вероятно, что под действием постороннего источ­ника энергии (электрическая искра, факел пламени, луч света) молекула водорода распадается на два активных атома, которые и вступают в реакцию. Будем обозначать активные атомы + сверху. Тогда цепь реакции сгорания можно представить так, как изображено на рис. 21.

Активный атом водорода Н⁺, обладающий избыткам энергии, сталкивается с молекулой кислорода О₂. В результате образуются: активная группа ОН⁺ и активный атом кисло­рода О⁺.

Группа ОН⁺ при встрече с молекулой водорода Н₂ обра­зует молекулу воды и активный атом водорода Н⁺.

Активный атом кислорода О⁺ встречается с молекулой водорода, образует еще одну активную группу ОН⁺ и активный атом водорода Н⁺.

Рис. 21. Схема цепной реакции горения водорода

Получается цепь реакции, идущая или до конца, пока не сгорят все молекулы топлива, или до обрыва цепи.

Обрыв цепи - это столкновение активного атома с инерт­ной молекулой азота или встреча (удар) со стенкой камеры сгорания.

Реакция сгорания обязательно начинается от посторон­него источника энергии. Горючую смесь надо поджечь. Этим посторонним источником энергии в турбореактивном двига­теле является мощная электрическая искра. В дальнейшем смесь топлива с воздухом воспламеняется от факела пла­мени.

При низких температурах реакция окисления идет медленно - много тепла уходит в окружающую среду и мало на активацию молекул.

С ростом температуры и давления реакция окисления протекает очень быстро с большим выделением тепла и рез­ким повышением температуры.

Реакция сгорания сопровождается бурным выделением тепла, процесс сгорания становится видимым - молекулы продуктов сгорания излучают световые и тепловые лучи. При сгорании изменяются параметры газа - резко повышается его температура, увеличивается удельный объем (газ расши­ряется), изменяется скорость движения.

Сгорание топлива может быть полное и неполное.

При полном сгорании выделяется наибольшее количество тепла и получаются такие продукты сгорании, который неспособны к дальнейшему соединению с кисло­родом.

При полном сгорании углерода (С) образуется углекислый газ:

С + О₂ = СО₂

Углекислый газ не горит, горение не поддерживает. При сгорании водорода образуются пары воды, которые, как известно, горение не поддерживают.

При неполном сгорании топлива выделяется не все тепло топлива, и образуются продукты сгорания, способ­ные к дальнейшему соединению с кислородом, - они могут еще гореть и выделять тепло, но часто они пропадают без использования.

При неполном сгорании углерода образуется окись угле­рода:

2С + О₂ = 2СО

Окись углерода или угарный газ способен гореть (соеди­няться с кислородом), при этом будет выделяться тепло и образовываться углекислый газ. Неполное сгорание указы­вает, что в двигателе топливо используется не полностью.

КАМЕРА СГОРАНИЯ

Камера сгорания - элемент ТРД, где происходит непре­рывное образование и сгорание топливовоздушной смеси и повышение температуры газов. Камера сгорания является очень ответственным элементом двигателя. От ее устройства и осуществления процесса сгорания зависят экономичность двигателя, надежность работы и длительность эксплуатации как самой камеры сгорания, так и двигателя.

Камера сгорания должна удовлетворять следующим тре­бованиям:

1. Объем камеры сгорания должен обеспечивать возмож­но высокую теплонапряженность, т. е. камера должна иметь малый объем, что уменьшает ее размеры и вес. Под теплонапряженностью камеры сгорания понимают количество тепла, выделяющееся единице объема (1 м³) камеры в течение 1 часа. Ждя современных камер сгорания (середина 50-х) теплонапряженность достигает 150000000 кал/м³ в час.

2. Топливо в камере сгорания должно сгорать полностью, В современных камерах полнота сгорания достигает 97 - 98%.

3. При запуске двигателя на земле и в воздухе должно обеспечиваться надежное поджигание смеси.

4. Нагретые детали камеры сгорания должны хорошо охлаждаться, это обеспечивает их работу длительное время без дефектов (прогаров, коробления, трещин и нагара от действия пламени).

5. Камера сгорания должна иметь небольшое гидравли­ческое сопротивление движению воздушного потока (давле­ние газов в камере сгорания должно уменьшаться незначи­тельно).

6. В камере должно обеспечиваться устойчивое горение смеси, т.е. не должно быть колебаний, затухания и срывом пламени при всех режимах работы двигателя.

7. Горение должно заканчиваться в жаровой трубе. Факел пламени не должен доходить до лопаток газовой тур­бины во избежание перегрева и обгорания их.

8. Температура газового потока на выходе из камеры сго­рания должна быть одинаковой по всему сечению, чтобы не получилось местного обгорания или оплавления сопловых лопаток турбины.

На современных ТРД наибольшее распространении получили трубчатые камеры сгорания. Они просты по конструк­ции, надежны о работе и удобны в эксплуатации - легко снимаются для осмотра, ремонта и замены без разборки дви­гатели.

Трубчатая камера сгорания (рис. 23) состоит из внутрен­ней жаровой трубы и внешнего кожуха сгорловиной.

Жаровая труба сварена из листов жаростойкого сплава. В передней части жаровой трубы приварены конус для за­бора первичного воздуха, диск и конус с отверстиями для прохода воздуха. В конусе помещается лопаточный завихритель - для придания потоку воздуха вращательного дви­жения.

Внутри завихрителя помещается форсунка, впрыскиваю­щая топливо в завихренный поток воздуха; этим достигается хорошее перемешивание топлива с воздухом.

На конической части жаровой трубы сделаны отверстия большого размера для подвода вторичного воздуха внутрь жаровой трубы.

Жаровые трубы соединяются между собой соединитель­ными патрубками, через которые передается пламя при за­пуске и выравнивается давление газов в соседних камерах сгорания.

Рис. 23. Трубчатая камера сгорания

ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ ГАЗА

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, который преобразует тепловую энергию и давление рабочих газов в механическую работу.

Газовая турбина имеет два лопаточных элемента:

1. Неподвижный сопловой аппарат, который служит для преобразования скрытой,потенциальной энергии газов в ско­ростную энергию и для направления потока газов на рабо­чие лопатки под наивыгоднейшим углом.

2. Рабочие лопатки, укрепленные на вращающемся диске. Лопатки преобразуют скоростную энергию газов в механическую работу.

По сравнению двигателями других типов газовая тур­бина имеет ряд преимуществ. Она проста по конструкции, надежна в эксплуатации, имеет высокий коэффициент полез­ного действий, обеспечивает получение больших мощностей в одном агрегате при небольшом весе и размерах (имеются турбореактивные двигатели, у которых газовая турбина раз­вивает мощность больше 50 000 л. с.).

Эти качества газовой турбины обеспечили широкое при­менение ее в ТРД для вращения компрессоров (нагнета­телей).

КРУЧЕНИЕ ЛОПАТОК

Реактивные газовые турбины имеют длинные крученые, лопатки, которые характеризуются тем, что сечения их по высоте смещены (повернуты, закручены) друг относительно друга. При этом профиль лопаток от сечения к сечению меняется.

На рис. 32 показаны сечения лопаток соплового аппарата и рабочего колеса на периферии (у вершины лопаток) — сплошной линией, и у корня — пунктиром.

При течении газа по каналам колеса у частиц газа воз­никают центробежные силы, стремящиеся переместить частички газа от корня лопатки к ее вершине. Возникает воз­можность течения частичек газа по радиусу в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом. Это радиальное перетекание газа является дополнительной потерей энергии в турбине.

Для устранения радиального перетекания газов действие центробежных сил уравновешивается разностью давлений газов по высоте лопатки — давление газов увеличивается от корня к вершине лопатки.

Рис. 32. Сечение лопаток у корня и к вершины. Рис. 33. Силы, действующие на объем газа в зазоре турбины.

На рис. 33 изображен небольшой объем газа, движуще­гося в зазоре между сопловым аппаратом и колесом. На этот объем газа снизу действует давление Ри центробежная сила, возникшая от вращения этого объема газа. Чтобы этот объем газа не мог перемещаться от корня лопаток к вер­шине, давление сверху должно быть больше давления снизу. Избыток давления сверху ΔРуравновешивает центробеж­ную силу.

Увеличение давления по высоте лопатки достигается за счет различного распределения перепада давлений между сопловым аппаратом и колесом. Общий перепад давления, срабатываемый в каждом сечении, остается постоянным по высоте лопаток.

В корневом сечении турбины примерно треть общего пе­репада давления срабатывается в каналах соплового аппа­рата, а остальная часть перепада давления в каналах рабо­чего колеса.

Изменяя профиль лопаток по высоте и поворачивая про­фили друг относительно друга (закручивая лопатку), изме­няют форму каналов между лопатками соплового аппарата и рабочего колеса. Этим изменением формы каналов по вы­соте добиваются того, что доля перепада давления, срабатываемого в сопловом аппарате, уменьшается.

Следовательно, изменением формы каналов по высоте добиваются того, что газы, выходящие из соплового аппа­рата, имеют большее давление у вершины и меньшее у корня лопаток.

Увеличение давления газов в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом и соответствующее этому увеличению уменьшение скорости течения газов показаны на рис. 34. Это увеличение давления достигнуто за счет круче ния (крутки) лопаток соплового аппарата; оно предохраняет газы от перетекания в радиальном направлении в зазоре.

Рис. 34. Изменение скорости и давления газов по высоте лопаток турбины

Круткой рабочих лопаток добиваются того, что в каналах рабочего колеса срабатывается оставшаяся доля перепада давления после соплового аппарата, поэтому давление за рабочим колесом по высоте лопаток остается постоянным.

Примерное изменение параметров газа в реактивной турбине (на среднем радиусе) показано на рис. 35.

Рис. 35. Изменение параметров газа в элементах газовой турбины

 

ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА

Для получения хорошей экономичности турбореактивные двигателей приходится применять компрессоры, имеющие высокие степени сжатия.

Давление воздуха, создаваемое таким компрессором, на Земле составляет 7 - 8 кг/см². Преобразовать это давление в механическую работу в одноступенчатой турбине очень трудно, так как эта турбина может использовать давление только 5 - 6 кг/см² с допустимыми потерями.

Для возможности использования всего давления, создаваемого современными осевыми компрессорами, применяются двухступенчатые газовые турбины. Двухступенчатая турбина имеет последовательно чередующиеся два сопловых аппарата и два ряда рабочих лопаток.

Двухступенчатая турбина имеет следующие преимущества перед одноступенчатой:

- позволяет преобразовывать в механическую работу более высокие перепады давлений; в каждой ступени исполь­зуется меньший перепад давления и температур; следовательно, скорости течения газов будут меньшие, благодаря этому потери в турбине уменьшаются и коэффициент полез­ного действия двухступенчатой турбины будет более высоким;

- небольшие перепады давлений в ступенях позволяют применить сужающиеся каналы сопловых аппаратов, кото­рые вполне удовлетворительно работают на всех режимах (числах оборотов) двигателя.

К недостаткам двухступенчатых турбин относятся:

- конструктивная сложность и большой вес;

- первая ступень работает при более высоких темпера­турах, нежели последующие, поэтому требуется надежное охлаждение ее, что увеличивает потери тепла;

- большая сложность в производстве.

На рис. 36 показана схема двухступенчатой осевой реак­тивной газовой турбины и графики изменения давления, тем­пературы и скорости газов в ее элементах.

Поток газа, пройдя через сопловой аппарат первой сту­пени, за счет понижения давления и температуры разго­няется - увеличивается его абсолютная скорость движения.

На рабочих лопатках первой ступени вследствие умень­шения абсолютной скорости движения газа, падения его дав­ления и температуры возникает окружное усилие, вращающее колесо.

В сопловом аппарате второй ступени продолжается падение давления и температуры и происходит вторичный разгон потока газа. Полученная скорость используется в рабочих лопатках второй ступени, где за счет ее уменьшения и дальнейшего падения давления и температуры тоже возникает окружное усилие.

В двухступенчатой реактивной турбине падение давления и температуры газа, приходящееся на каждую ступень, значительно меньше, чем в одноступенчатой турбине. Поэтому потери энергии в ней имеют сравнительно небольшую величиy.

ПОТЕРИ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ

Нет, и не может быть ни одного типа двигателя, в кото­ром преобразование энергии в механическую работу про­исходило бы без потерь.

В газовой турбине имеют место следующие потери энергии:

— гидравлические;

— тепловые;

— механические.

Гидравлические потери возникают при дви­жении потока газа по каналам соплового аппарата и колеса. Они складываются из потерь на трение газов о стенки лопа­ток (профильные потери), на образование вихрей и на перетекание газа из области повышенного давления в область пониженного давления. С этими потерями мы уже познакомились, когда рассматривали потери в ступени осевого компрессора.

Но не весь поток газов, вытекающий из соплового аппа­рата, попадает на лопатки колеса. Часть газов протекает мимо лопаток по радиальному зазору и работы не совер­шает. Это увеличивает потери в турбине.