Газотурбинный двигатель
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД.
Содержание |
[править] Турбореактивный двигатель
 |
| Схема турбореактивного двигателя |
|
В полете поток воздуха тормозится во входном устройстве перед осевым компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.
Проходя через многоступенчатый осевой компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—40 раз.
Часть сжатого воздуха (25—35 %) попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы. Различается первичный и вторичный воздух. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки. Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая их, придавая форму факелу и участвуя в горении. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскаленного газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Остальная часть воздуха обтекает наружные поверхности жаровых труб, охлаждая их, и поддерживает температуру в камере сгорания на уровне 1100—1600 °С, а также заданную температуру перед направляющим аппаратом первой ступени турбины.
Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.
[править] Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая на боевых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50 %, но расход топлива резко возрастает.
[править] Турбовинтовой двигатель
 |
| Схема турбовинтового двигателя |
|
1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор. |
В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.
Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.
[править] Турбовальный двигатель
Турбовальный двигатель (ТВаД) — модификация ТВД с перпендикулярным расположением ведущего вала. Применяется в вертолётах.
[править] Двухконтурные двигатели
Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.
[править] Двухконтурный турбореактивный двигатель
 |
| Схема турбореактивного двухконтурного двигателя |
|
1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура. |
Турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) или Двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД).
Воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит сквозь внешний контур и на выходе в смесительной камере смешивается с горячим потоком, выходящим из турбины. В результате снижается температура и выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя.
В боевых самолётах может применяться турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой (ТРДДФ). Форсажная камера может быть установлена за турбиной, во внешнем контуре или в смесительной камере.
Степень двухконтурности определяется как m = G1 / G2, где G1 — массовый расход воздуха через внешний контур, а G2 через внутренний контур. Для обычного ТРД степень двухконтурности m=0.
Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
[править] Турбовентиляторный двигатель
 |
| Схема турбовентиляторного двигателя |
|
1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура. |
Турбовентиляторный двигатель (ТВлД) или Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор и горячая струя практически не смешивается с холодной.
[править] Турбовинтовентиляторный двигатель
Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20 — 90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти движителя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой движитель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем.
[править] Наземные двигательные установки
Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.
[править] Газовая турбина с замкнутым циклом
В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.
