Турбореактивный двигатель
Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин -- turbojet engine) -- воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счет совместного действия встречного потока воздуха и компрессора, размещенного в тракте ТРД сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Компрессор приводится в движение турбиной, смонтированной на одном валу с ним и работающей на том же рабочем теле, нагретом в камере сгорания, из которого образуется реактивная струя. Во входном устройстве осуществляется рост статического давления воздуха за счет торможения воздушного потока. В компрессоре осуществляется рост полного давления воздуха за счет совершаемой компрессором механической работы. В камере сгорания производится подвод теплоты. Часть энергии рабочего тела отнимается турбиной. В реактивном сопле формируется реактивная струя.
Ключевые характеристики:
Ключевые характеристики ТРД следующие:
Создаваемая двигателем тяга.
Удельный расход топлива. (Масса топлива потребляемая за единицу времени для создания единицы тяги/мощности)
Расход воздуха. (Масса воздуха проходящего через каждое из сечений двигателя за единицу времени)
Степень повышения полного давления в компрессоре
Температура газа на выходе из камеры сгорания.
Масса и габариты.
Степень повышения полного давления в компрессоре является одним из важнейших параметров ТРД, поскольку от него зависит эффективный КПД двигателя. Если у первых образцов ТРД (Jumo-004) этот показатель составлял 3, то у современных он достигает 40 (General Electric GE90).
Для повышения газодинамической устойчивости компрессоров они выполняются двухкаскадными (НК-22) или трехкаскадными (НК-25). Каждый из каскадов работает со своей скоростью вращения и приводится в движение своим каскадом турбины. При этом вал 1-го каскада компрессора (низкого давления), вращаемого последним (самым низкооборотным) каскадом турбины, проходит внутри полого вала компрессора второго каскада (каскада высокого давления для двухкаскадного двигателя, каскада среднего давления для трехкаскадного). Каскады двигателя также именуют роторами низкого, среднего и высокого давления.
Турбореактивный компрессор двигатель
ТРД J85 производства компании General Electric. Между 8 ступенями компрессора и 2 ступенями турбины расположена кольцевая камера сгорания.
Камера сгорания большинства ТРД имеет кольцевую форму и вал турбина-компрессор проходит внутри кольца камеры. При поступлении в камеру сгорания воздух разделяется на 3 потока.
Первичный воздух -- поступает через фронтальные отверстия в камере сгорания, тормозится перед форсунками и принимает непосредственное участие в формировании топливно-воздушной смеси. Непосредственно участвует в сгорании топлива. Топливо-воздушная смесь в зоне сгорания топлива в ВРД по своему составу близка к стехиометрической.
Вторичный воздух -- поступает через боковые отверстия в средней части стенок камеры сгорания и служит для их охлаждения путем создания потока воздуха с гораздо более низкой температурой, чем в зоне горения.
Третичный воздух -- поступает через специальные воздушные каналы в выходной части стенок камеры сгорания и служит для выравнивания поля температур рабочего тела перед турбиной.
Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину, расширяется, приводя ее в движение и отдавая ей часть своей энергии, а после нее расширяется в сопле и истекает из него, создавая реактивную тягу.
ТРД ВК-1 КБ Климова, с редко использующимися центробежным компрессором и трубчатой камерой сгорания. Использовался на самолетах МиГ-15, МиГ-17
Благодаря компрессору ТРД (в отличие от ПВРД) может "трогать с места" и работать при низких скоростях полета, что для двигателя самолета является совершенно необходимым, при этом давление в тракте двигателя и расход воздуха обеспечиваются только за счет компрессора.
При повышении скорости полета давление в камере сгорания и расход рабочего тела растут за счет роста напора встречного потока воздуха, который затормаживается во входном устройстве (так же, как в ПВРД) и поступает на вход низшего каскада компрессора под давлением более высоким, чем атмосферное, при этом повышается и тяга двигателя.
Диапазон скоростей, в котором ТРД эффективен, смещен в сторону меньших значений, по сравнению с ПВРД. Агрегат "турбина-компрессор", позволяющий создавать большой расход и высокую степень сжатия рабочего тела в области низких и средних скоростей полета, является препятствием на пути повышения эффективности двигателя в зоне высоких скоростей:
Температура, которую может выдерживать турбина, ограничена, что накладывает ограничение на количество тепловой энергии, подводимой к рабочему телу в камере сгорания, а это ведет к уменьшению работы, производимой им при расширении.
Повышение допустимой температуры рабочего тела на входе в турбину является одним из главных направлений совершенствования ТРД. Если для первых ТРД эта температура едва достигала 1000 К, то в современных двигателях она приближается к 2000 К. Это обеспечивается как за счет применения особо жаропрочных материалов, из которых изготовляются лопатки и диски турбин, так и за счет организации их охлаждения: воздух из средних ступеней компрессора (гораздо более холодный, чем продукты сгорания топлива) подается на турбину и проходит сквозь сложные каналы внутри турбинных лопаток.
Турбина поглощает часть энергии рабочего тела перед поступлением его в сопло.
В результате максимальная скорость истечения реактивной струи у ТРД меньше, чем у ПВРД, что в соответствии с формулой для реактивной тяги ВРД на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды,
{displaystyle P=Gcdot (c-v)}
Где {displaystyle P} -- сила тяги,
{displaystyle G} -- секундный расход массы рабочего тела через двигатель,
{displaystyle c} -- скорость истечения реактивной струи (относительно двигателя),
{displaystyle v} -- скорость полета, ограничивает сверху диапазон скоростей, на которых ТРД эффективен, значениями M = 2,5 -- 3 (M -- число Маха).
На этих и более высоких скоростях полета торможение встречного потока воздуха создает степень повышения давления, измеряемую десятками единиц, такую же, или даже более высокую, чем у высоконапорных компрессоров, и еще бомльшее сжатие становится нежелательным, так как воздух при этом нагревается, а это ограничивает количество тепла, которое можно сообщить ему в камере сгорания. Таким образом, на высоких скоростях полета (при M > 3) агрегат турбина-компрессор становится бесполезным, и даже контрпродуктивным, поскольку только создает дополнительное сопротивление в тракте двигателя, и в этих условиях более эффективными становятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Форсажная камера:
Хотя в ТРД имеет место избыток кислорода в камере сгорания, этот резерв мощности не удается реализовать напрямую -- увеличением расхода горючего в камере -- из-за ограничения температуры рабочего тела, поступающего на турбину. Этот резерв используется в двигателях, оборудованных форсажной камерой, расположенной между турбиной и соплом. В режиме форсажа в этой камере сжигается дополнительное количество горючего, внутренняя энергия рабочего тела перед расширением в сопле повышается, в результате чего скорость его истечения возрастает, и тяга двигателя увеличивается, в некоторых случаях, более, чем в 1,5 раза, что используется боевыми самолетами при полетах на высоких скоростях. В форсажной камере применяется стабилизатор, функция которого состоит в снижении скорости за ним до околонулевых значений, что обеспечивает стабильное горение топливной смеси. При форсаже значительно повышается расход топлива, ТРД с форсажной камерой практически не нашли применения в коммерческой авиации, за исключением самолетов Ту-144 и Конкорд, полеты которых уже прекратились.
Область применения:
ТРД наиболее активно развивались в качестве двигателей для всевозможных военных и коммерческих самолетов до 70-80-х годов XX века. В настоящее время ТРД потеряли значительную часть своей ниши в авиастроении, будучи вытесненными более экономичными двухконтурными ТРД (ТРДД).
Образцы летательных аппаратов, оборудованных ТРД
Штурмовик Су-25 УБ с двумя ТРД Р-95Ш.
Истребитель МиГ-21 бис с ТРД Р-25-300
Сверхзвуковой авиалайнер Конкорд с четырьмя ТРДФ Rolls-Royce/Snecma Olympus 593
Сверхзвуковой авиалайнер -- летающая лаборатория Ту-144ЛЛ с четырьмя ТРДФ НК-321
Двухконтурный турбореактивный двигатель:
Схема ТРДД с малой степенью двухконтурности
На основе исследований, проводившихся с 1937, А. М. Люлька представил заявку на изобретение двухконтурного турбореактивного двигателя (авторское свидетельство вручили 22 апреля 1941 года). В основу двухконтурных ТРД (далее -- ТРДД), в англоязычной литературе -- Turbofan, положен принцип присоединения к ТРД дополнительной массы воздуха, проходящей через внешний контур двигателя, позволяющий получать двигатели с более высоким полетным КПД, по сравнению с обычными ТРД.
Пройдя через входное устройство, воздух попадает в компрессор низкого давления, именуемый вентилятором. После вентилятора воздух разделяется на 2 потока. Часть воздуха попадает во внешний контур и, минуя камеру сгорания, формирует реактивную струю в сопле. Другая часть воздуха проходит сквозь внутренний контур, полностью идентичный с ТРД, о котором говорилось выше, с той разницей, что последние ступени турбины в ТРДД являются приводом вентилятора. Таким образом, наиболее эффективные и мощные ТРДД делают трехкаскадными и трехвальными. К двум роторам внутреннего контура, называемого еще газогенератором, добавляется еще один, в котором вентилятор и последний каскад турбины соединены валом, расположенном внутри валов газогенератора.
Одним из важнейших параметров ТРДД является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур.
{displaystyle m=G_{2}/G_{1}}
Где {displaystyle m} -- степень двухконтурности,
{displaystyle G_{1}} и {displaystyle G_{2}} -- расход воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.
Принцип присоединения массы можно истолковать следующим образом.
Согласно формуле полетного КПД ВРД
{displaystyle eta _{n}={frac {2}{1+{frac {c}{v}}}}}, (3)
Его повышение в ТРДД достигается за счет уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла {displaystyle c} и скоростью полета {displaystyle v}
Уменьшение тяги, которое, согласно формуле (1), вызовет уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счет увеличения расхода воздуха через двигатель. Увеличение расхода воздуха через двигатель достигается увеличением площади фронтального сечения входного устройства двигателя (увеличением диаметра входа в двигатель), что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности -- тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.
Все ТРДД можно разбить на 2 группы: со смешением потоков за турбиной и без смешения.
В ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) потоки воздуха из внешнего и внутреннего контура попадают в единую камеру смешения. В камере смешения эти потоки смешиваются и покидают двигатель через единое сопло с единой температурой. ТРДДсм более эффективны, однако наличие камеры смешения приводит к увеличению габаритов и массы двигателя.
Например, длина ТРДД АИ-25, устанавливаемого на самолете Як-40 -- 2140 мм, а ТРДДсм АИ-25ТЛ, устанавливаемого на самолете L-39 -- 3358 мм.
ТРДД, как и ТРД, могут быть снабжены регулируемыми соплами и форсажными камерами. Как правило это ТРДДсм с малыми степенями двухконтурности для сверхзвуковых военных самолетов.
Похожие статьи
-
Турбореактивные двигатели - Элементы конструкции турбореактивных двигателей
Конструктивные схемы. Турбореактивный двигатель (рис. 100) состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины и выходного...
-
Введение - Элементы конструкции турбореактивных двигателей
Турбореактивный двигатель (ТРД, англоязычный термин -- turbojet engine) -- воздушно-реактивный двигатель (ВРД), в котором сжатие рабочего тела на входе в...
-
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС НА БАЗЕ "РАЗОМКНУТОЙ" СХЕМЫ СИСТЕМЫ РЕСИВЕР - ЦИЛИНДР - КОЛЛЕКТОР S = 77.0 D = 81.0 [мм]; Epsг = 9.5; Lam =...
-
Устройство, назначение двигателя - Устройство, назначение и диагностика двигателя
Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в...
-
Турбовинтовые двигатели - Элементы конструкции турбореактивных двигателей
Турбореактивный двигатель форсунка Устройство и принцип действия. Для современных самолетов, обладающих большой грузоподъемностью я дальностью полета,...
-
Топливо . В соответствии с ГОСТ 305-82 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо (для работы в летних условиях - марки Л и для работы в...
-
Двигатель, топливо и ходовая часть. - Гибридные экскаваторы
Модель 336E H оснащается двигателем Cat C9.3 ACERT, предназначенным для работы на дизельном топливе с очень низким содержанием серы или на смеси...
-
Дизельные двигатели (дизели) - Транспортные средства
Дизельными двигателями называются двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В дизельном двигателе, изобретенном Рудольфом Дизелем в...
-
Анализ вредных и опасных факторов Темой данного раздела является обеспечение безопасности при эксплуатации автомобильного бензинового поршневого...
-
К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относятся давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное...
-
Номинальная мощность Ne = 2447 кВт; Номинальная частота вращения n = 520 мин-1; Удельный расход топлива qе = 192 г / кВт ч. Водоизмещение судна D = 2400...
-
Введение - Тепловой расчет и построение индикаторной диаграммы двигателя судна
Современное развитие транспортного флота характеризуется созданием высокопроизводительных грузовых, буксирных и пассажирских судов; повышением их...
-
Тепловой расчет проектируемого двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Проектирование двигателей внутреннего сгорания начинается с расчета рабочего цикла. Этот расчет во многом определяет конструктивное исполнение узлов,...
-
Возможность изменения степени сжатия - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия был представлен на Женевском автосалоне в 2000 г. компанией Saab. Пятицилиндровый двигатель объемом 1,6 л...
-
При всем многообразии применяемых в производстве ремонтных операций все же многие из них можно сгруппировать в типовые группы с одинаковым...
-
Как отмечал А. И. Колчин и В. П. Демидов [ ] тепловой расчет позволяет с достаточной степенью точности аналитическим путем определить основные параметры...
-
Роторные двигатели, Инжекторныте двигатели - Транспортные средства
В роторном двигателе, созданном в 1957 г. немецким инженером и изобретателем Феликсом Ванкелем, используется ротор приблизительно треугольного сечения,...
-
Двухконтурные турбореактивные двигатели - Элементы конструкции турбореактивных двигателей
Стремление повысить тяговый коэффициент полезного действия ТРД на больших дозвуковых скоростях полета привело к созданию двухконтурных турбореактивных...
-
Особенности КШМ, ГРМ дизельного двигателя, ТО - Устройство и техническое обслуживание Мерседес 123
Легковой автомобиль "MERCEDES" приводится в движение 4- или 5-цилиндровым рядным двигателем, с жидкостным охлаждением. Двигатель расположен продольно в...
-
Проверка мощности двигателя Проверка технического состояния двигателя включает проверку его мощности, экономичности, расхода (угара) масла, компрессии в...
-
Карбюраторные поршневые двигатели - Транспортные средства
Карбюраторный двигатель состоит из Кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем питания, смазки, охлаждения и электрооборудования. В...
-
Диаметр цилиндра: D=0,081 м. Ход поршня: S=0,077 м. Степень сжатия - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия: е=9,5. Число цилиндров:...
-
Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в...
-
Шлифование - Восстановление клапанов двигателя ЗИЛ-4314
Шлифование является основным способом обработки износостойких покрытий, отличающихся высокой твердостью. Шлифование обеспечивает должное качество...
-
Краны отбора воздуха от двигателей - Оборудование самолета Ту-154
Краны Отбора Воздуха От Двигателей установлены непосредственно на двигателях, по одному на каждом. Для управления ими на щитке кондиционирования имеется...
-
Увеличение мощности двигателя - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Повышение мощности и снижение удельной массы двигателей внутреннего сгорания достигается с помощью применения наддува. Нагнетание в цилиндры...
-
Ремонт и восстановление канавок поршней двигателей внутреннего сгорания автомобилей
В большинстве случаев 40-50 % дефектуемых поршней двигателей внутреннего сгорания автомобилей подлежат вторичному использованию. Такая ситуация возможна...
-
Автоматический запуск двигателя - Средства обеспечения пуска двигателя
Автоматический запуск автомобиля с помощью дистанционного пульта управления представляет собой новую популярную опцию, реализованную с использованием...
-
Средства облегчения пуска - Средства обеспечения пуска двигателя
При низких температурах пуск двигателя затруднен. Это обусловлено следующими факторами: ухудшением характеристики аккумуляторной батареи и соответственно...
-
Окончательно, после уточнения : Температура конца расширения, К: , Давление конца расширения, МПа: . Проверка ранее принятой температуры остаточных газов...
-
Проверка крепления карбюратора. 1.2 Очистка приборов системы питания от грязи и пыли. 1.3 Проверка герметичности карбюратора. ТО-1=ЕО+п 2.1...2.2...
-
При проектировании двигателя предусмотрены следующие мероприятия: 1) Детали поршневой группы, коленчатый вал, газораспределительный механизм, зубчатые...
-
Выбор и обоснование исходных данных. Подготовка к расчету конвективного теплообмена в камере сгорания ДВС ведется с помощью программы podknv. exe....
-
Оптимизация рабочего процесса - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания
Оптимизация по углу закрытия впускного клапана Таблица 1. "Оптимизация рабочего процесса по углу закрытия впускного клапана" № Цзвп Pz, бар Ne, кВт Ge,...
-
Газоанализатор - Устройство, назначение и диагностика двигателя
Газоанализатор ГАИ-1 позволяет измерять СО в отработанных газах автомобиля. Принцип действия которого основан на оптико-абсорбционном методе, т. е. на...
-
Введение - Проверка состояния системы смазки двигателя, замена масла на соответствующий сезону сорт
Смазочные материалы впервые понадобились человеку около 6 тысяч лет назад. Многие ученые считают, что в те времена люди изобрели колесо, а потом и...
-
Снятие и установка Для снятия масляного насоса: -- поставьте автомобиль на смотровую канаву или подъемник, отсоедините провода от аккумуляторной батареи...
-
В автомобильных двигателях наибольшее распространение получила комбинированная смазочная система, при которой основные наиболее нагруженные трущиеся...
-
Введение, Общее устройство системы охлаждения двигателя автомобиля - Система охлаждения двигателя
ЗМЗ-402 - семейство бензиновых 4-цилиндровых автомобильных двигателей, производства ОАО "Заволжский моторный завод. Данное семейство двигателей...
-
Размер партии деталей запускаемой в обработку в год, определим по формуле: ,(1) Где Q - количество деталей в год, ремонтируемых по заданному маршруту,...
Турбореактивный двигатель