Что такое компрессор авиационного двигателя

Книга может оказаться полезной при изучении принципа работы, конструкции и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория газотурбинных двигателей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Теория ступени компрессора ГТД

Компрессор газотурбинного двигателя служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Применение компрессора в ГТД позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя.

Компрессор ГТД должен удовлетворять следующим требованиям:

а) сжатие воздуха должно происходить при возможно большем КПД;

б) обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

в) подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости потока;

г) обеспечение наименьшего веса и габаритов двигателя;

д) обеспечивается высокую надежность авиадвигателя.

Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые [1] или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия воздуха в отдельных его ступенях.

В современных газотурбинных двигателях наиболее часто используются осевые компрессоры, как наиболее полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах авиадвигателя по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления воздуха и большие расходы воздуха при высоких КПД и сравнительно малых габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор ГТД имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом.

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (направляющих аппаратов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

а) направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на рабочие лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

б) спрямление потока, закрученного лопатками впереди находящегося рабочего колеса, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу по повышению давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе рабочего колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся (диффузорным) каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение его скорости.

Преобразование кинетической энергии воздушного потока, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления воздуха, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени компрессора.

Разрез лопаток ступени компрессора цилиндрической поверхностью образует решетку профилей рабочего колеса.

На входе в рабочее колесо скорость воздуха может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени компрессора или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки с окружной скоростью «u». Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. Переносной скоростью будет окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов «c», «u» и «w», является треугольником скоростей на входе в рабочее колесо.

Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы передние кромки их были направлены по направлению вектора «w» или под небольшим углом к нему. Кривизна профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа потока.

Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в углом установки задней кромки лопатки.

Разворот потока воздуха в рабочем колесе компрессора приводит к возникновению на каждой лопатке аэродинамической силы «P» направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Можно разложить силу «P» на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной, а составляющую, направленную параллельно оси компрессора — осевой составляющей. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и противодействует их вращению. Для поддержания частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии потока, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость потока за колесом оказывается больше скорости потока перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления.

Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.

Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.

Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта — сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.

Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.

В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.

Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.

Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.

В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.

С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.

Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД — 0,75—0,80.

Читайте также: Стук в компрессоре холодильника при выключении

Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.

Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.

По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.

В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.

Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.

На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.

Основные параметры многоступенчатого компрессора

В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:

а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);

б) секундный расход воздуха через компрессор;

в) частота вращения pотоpа компрессора;

г) адиабатический КПД компрессора.

Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.

В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.

Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).

При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается — во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.

Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.

Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.

В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.

Видео:ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬСкачать

Какое основное предназначение у компрессора авиационного двигателя

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Компрессор газотурбинного двигателя предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. Сжатие воздуха необходимо для более полного преоб­разования подводимого в камеру сгорания тепла в ки­нетическую энергию газового потока. Это наглядно вид­но из формулы, выражающей зависимость термическо­го коэффициента полезного действия двигателя (щ) от степени повышения давления компрессора

где лк — степень повышения давления в компрессоре; к — показатель адиабаты.

Анализ формулы показывает, что при отсутствии сжатия (лк=1) термический КПД равен нулю и, сле­довательно, введенное в двигатель тепло в результате сгорания топлива не идет на увеличение кинетической энергии газа. С увеличением степени повышения дав­ления повышается термический КПД, возрастает эф­фективность использования подводимого в двигатель тепла. Поэтому одним из основных требований, предъ­являемых к компрессорам, наряду с требованиями обес­печения надежной и устойчивой работы на всех эксплуа­тационных* режимах, предъявляются требования обес­печить возможность получения больших степеней сжа­тия при малой массе и габаритах.

Возможность удовлетворения этих требований в зна­чительной степени определяется конструкцией компрес­сора. По конструкции компрессоры современных авиационных двигателей разделяются на два типа: центробежные и осевые.

Центробежные компрессоры имеют целый ряд пре­имуществ перед осевыми: простота конструкции и ма­лая трудоемкость в изготовлении, удовлетворительная характеристика при переменных режимах работы, воз­можность получения больших степеней повышения дав­ления в одной ступени (яСт = 3…6).

Основные недостатки центробежных компрессоров по сравнению с осевыми — меньший КПД, небольшая пропускная способность и большие габаритные разме­ры в поперечном направлении.

Осевые компрессоры имеют более высокий коэффи­циент полезного действия, большую пропускную способ­ность, выполняются многоступенчатыми, а потому име­ют более высокую степень повышения давления и, сле­довательно, более высокий КПД, однако они более сложны и дороги в изготовлении, менее устойчивы в газодинамическом отношении и менее надежны в экс­плуатации.

Высокая надежность, простота конструкции и боль­шая газодинамическая устойчивость предопределили использование на двигателе М701 центробежного ком­прессора.

Центробежный компрессор (рис. 85) состоит из ро­тора и статора. Лопатки вращающегося направляюще­го аппарата (воздухозаборника) совместно с лопатками рабочего колеса образуют межлопаточные каналы и вместе с корпусом — проточную часть компрессора.

Рабочее колесо с вращающимся направляющим ап­паратом (ВНА) и валом образуют ротор компрессора, а корпус компрессора с диффузором — его статор. Вра­щающийся направляющий аппарат — это спрофилиро­ванный лопаточный венец, обеспечивающий безударный вход воздуха на лопатки рабочего колеса.

На входе во ВНА величина и направление относи­тельной скорости W определяются величинами абсо­лютной скорости С и изменяющейся по высоте лопаток окружной скорости U (рис. 86).

Для обеспечения безударного входа углы загиба ло­паток ВНА делают близкими к углам направле­ния относительной скорости Wi. Поскольку направле­ние относительной скорости меняется по высоте лопат­ки, углы загиба лопаток ВНА также изменяются про­порционально высоте лопатки, увеличиваясь от втулки к периферии.

Рис. 85. Про­дольный раз­рез компрессо­ра двигателя М70ІС-500:

1—входной кор­пус компрессо­ра; 2—передняя стенка компрес­сора; 3—перед­нее опорное кольцо лопаточ­ного диффузо­ра; 4 — фланец отбора воздуха для охлажде­ния узла тур­бины; 5—заднее опорное кольцо лопаточного диффузора; 6— крыльчатка компрессора;

7 — передний вал; 8 — основ­ной вал ротора; 9 — силовой ко­нус; 10—задний корпус компрес­сора; 11 — гор­ловина заднего корпуса ком­прессора; 12— нижний узел крепления дви­гателя; 13—ло­патка диффузо­ра; 14—штифт; 15 — передний подшипник с корпусом пе­реднего уплот­нения; 16—вра­щающийся на­правляющий ап­парат крыль­чатки компрес­сора

В межлопаточных каналах происходит поворот воз­душного потока, вращающийся направляющий аппарат вовлекает воздушный поток во вращение, закручивает его и сообщает ему кинетическую энергию вращатель­ного движения.

Рис. 86. Треугольник ско-
ростей воздуха на входе В;
колесо центробежного ком-
прессора

В межлопаточных каналах колеса центро­бежного компрессора.: поток воздуха, посту — ^ лающий из ВНА, дви­жется в направлении от центра к периферии с непрерывным возра­станием окружной ско­рости. На двигателе М701 окружная ско­рость колеса компрес­сора меняется от 130 м/с у втулки до 450 м/с на периферии (на максимальном режиме работы дви­гателя). Вращение потока вызывает появление центро­бежных сил, повышающих давление воздуха. Таким образом, из колеса выходит закрученный воздушный поток с большой скоростью, т. е. обладающий большой кинетической энергией.

Из колеса воздушный поток поступает в диффузор, в котором полученная кинетическая энергия превраща­ется в работу сжатия. Поэтому на выходе из диффу­зора скорость воздуха уменьшается, а давление и тем­пература увеличиваются.

Читайте также: Автомобильный компрессор goodyear gy 45l case

Процесс сжатия воздуха в компрессоре происходит с определенными потерями. Так, вследствие вязкости воздуха при вращении колеса происходит трение возду­ха, окружающего колесо, и воздуха, движущегося по межлопаточным каналам, о стенки колеса. Это трение создает дополнительный момент сопротивления враще­нию колеса и требует на его преодоление затрат допол­нительной работы, которая входит составной частью в работу, затрачиваемую на вращение компрессора. Ос­новную часть потерь вызывает трение торцевых повен ч — ностей лопаток колеса и воздуха, движущегося по э:» му колесу, о воздух, находящийся в осевых зазорах между колесом и корпусом компрессора.

Кроме трения воздуха, увлеченного во вращение ло­патками колеса, о стенки корпуса значительное влия­ние на величину потерь оказывает перетекание воздуха по зазорам между торцами лопаток и стенкой корпуса. Это приводит к возникновению дополнительных гидрав­лических потерь. Перетекание воздуха обусловливается наличием разности давлений с обеих сторон лопатки колеса, которая, в свою очередь, является следствием радиального относительного движения воздуха в коле­се и абсолютного движения по спирали с возрастающей окружной скоростью, вызывающих появление сил, дей­ствующих перпендикулярно относительной скорости в сторону, обратную направлению движения. Действие этих сил создает перепад давления по обе стороны ло­паток, что является источником возникновения момен­та сопротивления, на преодоление которого необходимо затратить работу. Поскольку величина зазора между лопатками колеса компрессора и корпусом существенно влияет на величину потерь, а следовательно, и на коэф­фициент полезного действия компрессора, этот зазор конструктивно стараются сделать минимальным.

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР В АВИАЦИОННЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

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 коленообразные патрубки 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 с 1 (рис. 15). Треугольник скоростей на входе в колесо составляют:

с 1 — абсолютная скорость входа воздуха на лопатки;

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

w 1 — 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 в колесо 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.

Турбореактивные двигатели, или сокращенно ТРД, по праву можно считать основой современной авиации. Именно ими оснащены практически все военные и большинство гражданских самолетов, хотя есть и исключения. ТРД относятся к семейству газотурбинных двигателей (ГТД) – тепловых машин, вырабатывающих энергию за счет сжигания топлива в камере сгорания. Все моторы этого семейства объединяет общий принцип работы и схожая конструкция с обязательным наличием турбины, о чем легко догадаться по их названиям.

Читайте также: Компрессор для скважины почистить

История авиационных реактивных двигателей началась в 30-хх годах, когда стало понятно, что возможности поршневых двигателей, первоначально устанавливаемых на самолеты, далеко не безграничны и уже достигли своего предела. Громоздкие и тяжелые ДВЗ стали обузой для конструкций самолетов, в которых играет роль каждый лишний килограмм, а использование воздушного винта для создания тяги не давало возможности преодолеть звуковой барьер. Именно тогда конструкторы и обратили свое внимание на небольшие и легкие газотурбинные двигатели в целом и турбореактивные двигатели в частности. Отсутствие у них воздушного винта, создание тяги только за счет реактивных сил, а также небольшой вес и компактные размеры сделали ТРД основными силовыми установками в авиастроении, и они остаются таковыми и сейчас.

Видео:Анохин В. Г. Компрессор ТРД. ПомпажСкачать

Устройство и принцип работы

Как и все газотурбинные двигатели, ТРД состоит из следующих основных узлов: компрессора, камеры сгорания, приводной турбины и сопла. Среди видов ГТД есть моторы, оснащенные также рабочим валом, который использует свободную энергию, не потраченную на вращение турбины, для вращения воздушных винтов или других элементов, создающих тягу. У ТРД такого вала нет, что значительно упрощает его конструкцию и снижает вес.

Компрессор турбореактивного двигателя может быть осевым или центробежным. Первый меньше по размерам и более эффективный, поэтому в большинстве случаев именно ему и отдается предпочтение. Центробежный компрессор постепенно уходит в прошлое авиации из-за своей громоздкости, единственное его преимущество – более простая конструкция (в случае, когда он одноступенчатый). Именно центробежным компрессорам оснащались первые реактивные двигатели, но при появлении их осевых конкурентов им пришлось уступить свое место.

Центробежный компрессор – это колесо с закрепленными на нем лопатками, которые при вращении захватывают воздух и, придавая ему угловое вращение, отбрасывают его на периферию – к стенкам корпуса. Это действие центробежных сил, отталкивающих поток воздуха от центра вращения.

В центре центробежного компрессора установлен ротор с лопатками, который находится в корпусе (диффузоре). Корпус в свою очередь тоже оснащен лопатками, только уже неподвижными, и помещен в еще один, внешний, корпус, выполненный в форме улитки. Воздух сначала попадает в ротор, где под действием подвижных лопаток закручивается и сжимается. Затем он попадает на неподвижные лопатки и при этом еще больше сжимается, после чего под давлением проходит «улитку» и попадает в камеру сгорания.

Камера сгорания ТРД может быть кольцевой, трубчатой или комбинированной. Кольцевая камера «обволакивает» корпус, ее формируют стенки наружного и внутреннего кожуха. На входе установлена жаровая труба, на конце которой – завихрители с форсунками.

Трубчатая камера сгорания представляет собой отдельную жаровую трубу, соединенную с наружным кожухом. В ее передней части размещаются завихрители и форсунки, а вся ее поверхность имеет перфорацию для более качественного сжигания топлива и воздушного охлаждения. В случае, если жаровых труб несколько, они соединяются между собой патрубками, обеспечивающими одновременный процесс горения во всех трубах. Для воспламенения топливного заряда используются запальные устройства, расположенные в камерах.

Комбинированная камера сгорания – это кольцевая камера, в которой размещаются жаровые трубы.

Основой любого ГТД является турбина – вал, на котором закреплены металлические диски с рабочими лопатками на концах. Перед рабочими лопатками устанавливаются неподвижные, которые обеспечивают осевую подачу газов, выпрямляя их движение. Совокупность направляющих и рабочих лопаток – это одна ступень, и таких ступеней на турбине может быть несколько: от 1 до 6. Как несложно заметить, принципы работы компрессора и турбины похожи, только в первом случае лопасти компрессора сами приводят в движение поток воздуха, а во втором – газы вращают лопатки турбины. Скорость вращение турбины, а значит и компрессора, составляет 20-30 тыс. об//мин.

Ступень турбины (статор и ротор в сборе). 1 Колесо турбины, 2 Вал, 3 Лопатки, 4 Направляющий аппарат.

Выпуск продуктов сгорания наружу обеспечивается выпускным устройством, которое состоит из конусоподобной выпускной трубы, стойки и сопла. Обычные реактивные сопла имеют постоянный диаметр и направлены в определенную сторону. На некоторых двигателях используются регулируемые сопла, в которых можно менять сечение в зависимости от режимов работы, а также контролировать направление реактивной тяги за счет их поворотов.

Но не только механика дает возможность управлять ТРД. Современные моторы оснащены сложнейшей системой автоматики, которая постоянно контролирует параметры работы, устанавливает нужные режимы в зависимости от нагрузок. Пилот управляет двигателем с помощью одного только рычага, но на каждое его движение отзываются множество датчиков.

Принцип работы ТРД характерный для двигателей всего семейства ГТД. Компрессор затягивает воздух в корпус, сжимает его и направляет в камеру сгорания. От количества воздуха и его давления на выходе из компрессора напрямую зависит степень сжатия, а значит и мощность мотора. В камере сгорания устанавливаются топливные форсунки, через которые подается топливо – авиационный керосин. Топливо воспламеняется, образуя газы, обладающие высоким зарядом энергии. Расширяясь, продукты сгорания действуют на лопасти турбины, вращая их, а сама турбина при этом вращает компрессор, закрепленный с ней на одном валу. Но далеко не вся энергия потребляется турбиной, большая ее часть под давлением вырывается наружу, проходя через сопло, что создает реактивную тягу.

Процесс сжигания топлива в ТРД непрерывный, что отличает эти типы двигателей от поршневых 2- или 4-тактных моторов, у которых в каждом рабочем цикле есть рабочий такт, которому предшествует воспламенение топливного заряда.

Видео:Турбовентиляторный двигатель. Просто о сложномСкачать

Использование двигателя. Преимущества и недостатки

Современные ТРД практически не оснащаются центробежными компрессорами. В сравнение с осевым у центробежного компрессора каждая ступень сжатия более эффективная, но общее КПД при этом ниже. Это объясняется тем, что многоступенчатые центробежные компрессоры имеют очень сложную конструкцию и большие габариты, что увеличивает и их вес, тогда как многоступенчатость осевых компрессоров – не проблема. Именно поэтому они нашли широкое применение не в авиации, а «на земле» в силовых установках, используемых в системах вентиляции, на газотранспортных магистралях и т.д. Из самолетов, на которых использовались реактивные двигатели с центробежными компрессорами, можно отметить HeS 3, которым был оснащен первый реактивный самолет, английский Power Jets W.1, который использовался в первом британском истребителе, Rolls-Royce Nene, ставшим в последствии прототипом советского РД-45. Использование таких двигателей было характерным для «зари» авиастроения, сейчас же практически везде используются двигатели с осевыми компрессорами.

Несмотря на то, что реактивные двигатели устанавливаются на большинстве современных самолетов, все же и они далеко не идеальные. Есть у них и недостатки: высокая себестоимость и повышенный расход топлива. Первый недостаток объясняется тем, что для изготовления отдельных элементов реактивного двигателя нужны сверхпрочные и жаростойкие материалы, которые бы могли работать при очень высоких давлениях и температурах. Что касается расхода топлива, он действительно выше, чем, например, у его ближайшего «родственника» турбовинтового двигателя, ну а от расхода топлива напрямую зависит стоимость перелетов. Поэтому в случаях, когда нет необходимости развивать сверхзвуковые скорости, самолеты оснащаются ТВД, что дает возможность снизить цены на перелет. В основном это пассажирские и грузовые самолеты, которые летают на большие расстояния. А вот в военной авиации практически всегда используются ТРД, ведь здесь не так важна экономия, как скорость.

• Свежие записи
  • Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
  • Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
  • Какие моторы бывают у стиральных машин
  • Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
  • Как снять стопорную шайбу с вала

  
  

  источники:

  https://evakuatorinfo.ru/chto-takoe-kompressor-aviatsionnogo-dvigatelya

  📽️ Видео

  Реактивный двигатель: как он работает?Скачать

  

  Работа двухконтурного реактивного двигателяСкачать

  

  Как делают лопатки струйного компрессора реактивного двигателяСкачать

  

  Все что нужно знать о мощности компрессора!Скачать

  

  КАК РАБОТАЮТ АВИАДВИГАТЕЛИ? Вопросы о самолетах, которые задавал себе каждыйСкачать

  

  Как работаетй осевой компрессор или вентиляторСкачать

  

  Компрессор гудит но не запускается. Ремонтируем сами...Скачать

  

  Увеличение производительности воздушного компрессора своими руками .Скачать

  

  Устройство и принцип работы винтового компрессораСкачать

  

  Компрессор ПАТРИОТ, ремонт электромотора.Скачать

  

  Ремонт китайского компрессора своими рукамиСкачать

  

  Центробежный компрессорСкачать

  

  Застучал мотор воздушного компрессора. Диагностируем.Скачать

  

  Как настроить КОМПРЕССОР правильноСкачать

  

  Перестал качать выше 4 bar, взялся за ремонт второй раз за год поломка компрессора FubagСкачать

  

  Компрессорное масло | Какое масло подходит для воздушных компрессоров?Скачать

  

  Компрессор FUBAG OLS 280/50 CM2 31381. Причина поломки. Важно знать о безмасляных компрессорах.Скачать