ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

На рис. 15.32 показана конструктивная схема турбовинтового авиационного двигателя. Воздух с помощью осевого многоступенчатого компрессора 3 (всего 7 ступеней) засасывается в проточную часть двигателя. В компрес­соре 3 происходит сжатие воздуха, а поэтому его давление и температу­ра увеличиваются. Чем больше давление воздуха за компрессором, тем быстрее газы будут выходить из двигателя. После компрессора 3 воздух направляется в камеру сгорания в которую подается топливо (керосин), В камере сгорания 4 топливо и воздух интенсивно смешиваются, что позволяет получить полное сгорание топлива. Температура газов в камере сгорания значительно увеличивается. В этом случае энтальпия продуктов сгорания топлива также возрастает. Из камеры сгорания 4 газы поступают в многоступенчатую турбину 5 (три ступени). Каждая ступень турбины 5 Имеет сопловой аппарат и рабочее колесо. Поэтому газы последовательно расширяются в каждой турбинной ступени. Двигаясь по криволинейному профилю лопаток, поток газов создает вращающий момент, благодаря которому вращаются рабочие лопатки компрессора 3 и воздушный винт 1. Выходящие из двигателя газы в сопле 6 создают дополнительную реак­тивную силу (незначительную), толкающую двигатель вместе с самолетом вперед.

Редуктор 2 служит для понижения частоты вращения винта, так как при больших оборотах возможно его разрушение под действием центро­бежных сил. Поворачивая лопасти винта 1 вокруг своей оси, изменяют количество воздуха, отбрасываемого им назад. В этом случае изменяется и сила тяги двигательной установки.

В рассматриваемом случае реактивная сила тяги создается воздушным винтом 1, а двигатель обеспечивает только его вращение. Такие двигатели называются двигателями непрямой реакции. Газотурбинный двигатель сам непосредственно не движет летательный аппарат. Движение возникает в результате вращения воздушного винта 1 (движителя). К двигателям непрямой реакции относятся турбовинтовые двигатели (ТВД) и вертолет­ные газотурбинные двигатели.

Положительные свойства ГТД обусловили их применение и в наземной технике, в том числе и на подвижных транспортных средствах. Газотур­бинные двигатели применяются в танках М-1 «Абраме» (США) и Т-80У (Россия). Широко ГТД применяют для привода генераторов мобильных энергетических установок. Многие авиационные ГТД адаптированы для работы в качестве компрессорной установки на газопроводах. Отбираемый из газопровода газ служит в качестве топлива. С помощью компрессора осуществляется перекачка газа.

Основным из достоинств ГТД являются его высокие тяговые свойства в качестве силовой установки многоцелевой гусеничной и колесной машины. Поэтому на базе авиационных ГТД были созданы двигатели для наземных транспортных машин. Конструктивно ГТД для наземной техники выпол­няются несколько проще, чем для авиационной техники.

Чтобы уяснить преимущества ГТД по тяговым свойствам в наземной транспортной технике, проанализируем на качественном уровне движение автомобиля.

Рис. 15.32. Схема турбовинтового двигателя

К колесу приложена сила сопротивления Fconp, которая препятствует его качению. Для качения колеса к его оси необходимо приложить такую же силу, но в противоположном направлении. Со стороны поршневого двигате­ля через трансмиссию к ведущим колесам (как правило, задним) приложен крутящий момент Мкр (рис. 15.33). Этот момент стремится вращать колесо против хода часовой стрелки. В точке А колесо находится в контакте с дорогой (опорной поверхностью). Между колесом и дорогой действует сила трения из-за стремления колеса перемещаться. Со стороны колеса к дороге будет приложена некоторая сила, равная силе трения (на рис. 15.33 она не показана). В соответствии с третьим законом механики Ньютона, к колесу со стороны дороги будет приложена такая сила трения Fxp, направленная в сторону движения. К поверхности дороги колесо прикладывает силу Л, равную

(15.161)

Г

Где г — радиус колеса.

Следовательно, в соответствии с третьим законом механики Ньютона можно записать: м

= (15.162)

Перенесем вектор силы FTp на ось вращения колеса, для чего добавим две взаимно противоположные силы FT и Fi, равные по величине, но противоположные по направлению (результирующая этих сил равна нулю):

FT — Fi= 0.

Таким образом, добавление сил FT и Fi не изменяет силовой характер взаимодействия колеса с дорогой.

В этом случае пара сил F^ и Fi на плече г создает момент сопротив­ления

Mconp = F1r, (15.163)

Препятствующий вращению колеса.

Сила FT в этом случае будет толкающей.

Легко установить, чем больше крутящий момент Мкр, тем больше силы Ftp, Fi и момент Мсопр. По мере увеличения Мкр наступает момент, когда выполняются условия:

MKD = Mct

КР~’"С°ПР }. (15.164)

FT — -^сопР

С этого момента колесо автомобиля будет равномерно катиться. Бели сила сопротивления качению колеса увеличивается Fconp, то вслед за ней должна увеличиваться толкающая сила Fconp, а это возможно только в результате увеличения крутящего момента Мкр на колесе. Крутящий момент Мкр на ступице колеса равен:

Мкр = Мег, (15.165)

Где Ме — крутящий момент двигателя; г = п/пк — передаточное отношение трансмиссии; п —частота вращения коленчатого вала двигателя; пк — Частота вращения ведущего колеса автомобиля.

Сила сопротивления

1 сонр

Рис. 15.33. Схема взаимодействия ведущего колеса автомобиля с опорной Поверхностью

На рис. 15.34 показано изменение крутящего момента Мкр на оси ве­дущего колеса в зависимости от частоты его вращения при неизменном Передаточном отношении трансмиссии.

Если сила сопротивления Fconp качению колеса увеличится, то частота его вращения пк уменьшится. Так как колесо через трансмиссию связано с коленчатым валом, то его частота вращения п также уменьшится. В этом случае, как видно на рис. 15.34, при уменьшении частоты вращения коленчатого вала п крутящий момент двигателя Ме будет увеличиваться, но лишь до некоторого максимального значения (точка 1). Крутящий момент Мкр на ведущем колесе также будет увеличиваться (но также до некоторого максимального значения). По мере увеличения Мкр также увеличивается сила тяги FT. Так как кривая Ме имеет очень пологая, то это означает, что при уменьшении частоты вращения коленчатого вала крутящий момент двигателя увеличивается незначительно. Максимальный крутящий момент двигателя (точка 1) превышает номинальный крутящий момент (при максимальных оборотах коленчатого вала) в поршневых двигателях не более чем в 1.12… 1.15 раза. Следовательно, крутящий момент Мкр на ведущем колесе может увеличиваться также не более чем в 1.12… 1.15 раза. Сила тяги на ведущих колесах автомобиля в этом случае также может увеличиться не более чем в 1.12… 1.15 раза (при неизменном передаточном отношении трансмиссии).

Свойство двигателя самостоятельно увеличивать крутящий момент при уменьшении частоты вращения коленчатого вала под действием внешней нагрузки называют приспособляемостью к преодолению этой нагрузки. Так как поршневые двигатели имеют очень пологую характеристику крутящего момента (рис. 15.34), то они очень слабо приспособлены к преодолению внешней нагрузки. Чтобы преодолеть возросшую нагрузку на колесо, водитель искусственно увеличивает крутящий момент Мкр на ведущем колесе путем увеличения передаточного отношения трансмиссии (путем переключения на низшую передачу). Поэтому наземные транспортные средства с поршневыми двигателями имеют многоступенчатые механи­ческие коробки передач. Поэтому для наземных транспортных средств с поршневыми двигателями, весьма слабо приспособленными к измене­нию внешней нагрузки, целесообразно применять трансмиссии, способные непрерывно изменять передаточное отношение в значительном диапазоне. Это позволит значительно изменять крутящий момент Мкр на ведущих колесах, что позволит значительно изменять силу тяги FT.

Рис. 15.34. Изменение кру­тящего момента на оси веду­щего колеса автомобиля

М

Диффузор

Топливо

Сопловой

Осевая турбина

Редуктор

Рис. 15.35. Конструктивная схема одновального ГТД

J___ L

-L

О »К

На рис. 15.35 показана схема одновального[74] ГТД. При вращении ком­прессора под действием центробежных сил воздух отбрасывается к перифе­рии рабочего колеса. В этом случае на воде в колесо создается разрежение, а поэтому воздух непрерывно поступает в компрессор. В компрессоре воздух сжимается в несколько раз, в результате чего повышается его дав­ление и температура. Так как давление воздуха после компрессора больше давления окружающей среды, то он стремится выйти в окружающую среду, двигаясь по каналу к выходу. После рабочего колеса воздух поступает в диффузор, представляющий собой расширяющиеся каналы (рис. 7.40). В диффузоре он тормозится, а поэтому его давление увеличивается (при торможении кинетическая энергия потока превращается в потенциальную энергию давления). Из диффузора воздух поступает в камеру сгорания, в которую через форсунку подается топливо. Топливо, смешиваясь с возду­хом, сгорает, выделяя большое количество тепловой энергии. Смесь газов (рабочее тело) сильно нагревается (повышается его температура). Так как камера сгорания открыта, то при сгорании топлива давление рабочего тела не повышается, хотя оно сильно нагревается. Давление рабочего тела почти такое же, как и на выходе из диффузора. Из камеры сгорания рабочее тело поступает на лопатки соплового аппарата, где расширяется. Давление рабочего тела на выходе из соплового аппарата равно давлению окружающей среды. В сопловом аппарате происходит преобразование по­тенциальной энергии давления (сжатое в компрессоре рабочее тело подобно пружине) в кинетическую энергию потока. С большой скоростью газовый поток поступает на рабочие лопатки турбины, имеющие криволинейный профиль, в результате чего возникает центробежная сила F (рис. 7.47), заставляющая рабочее колесо турбины вращаться. Принципиально работа газовой турбины не отличается от работы паровой турбины, рассмотренной ранее. Отличие состоит только в рабочем теле (водяной пар или смесь продуктов сгорания топлива).

Механическая энергия от рабочего колеса турбины отводится по двум направлениям:

• в сторону компрессора для его привода;

• в сторону редуктора к внешнему потребителю.

Редуктор понижает частоту вращения выходного вала двигателя, так как потребители механической энергии в большинстве случаев не могут работать при большой частоте вращения, с которой вращается рабочее колесо турбины.

Мощность, развиваемая газами в турбине, определяется по формуле (10.142). Затраты механической энергии в единицу времени (мощность) на привод компрессора определяются по формуле (10.129). Следовательно, мощность на выходном валу редуктора равна:

NBhSX = NT-NK. (15.166)

Проанализируем поведение одновального ГТД под нагрузкой.

Пусть нагрузка со стороны окружающей среды на выходной вал ре­дуктора увеличилась, т. е. увеличился момент сопротивления вращению турбины. В этом случае частота вращения турбины будет уменьшаться, так как она жестко связана с редуктором. Частота вращения рабочего колеса компрессора также уменьшится, так как он жестко связан валом с турби­ной. Устройство, представляющее жесткую связь турбины и компрессора с помощью вала, называется турбокомпрессором.

При уменьшении частоты вращения компрессора уменьшается давление воздуха на выходе из него. Чем меньше давление воздуха, тем с меньшей скоростью Ci (рис. 15.11) истекают газы из соплового аппарата турбины. Следовательно, абсолютная скорость газа С\ на входе в рабочее колесо турбины уменьшается. Чем меньше скорость Ci, тем меньше секундный расход газа тс через ступень турбины.

Таким образом, при увеличении нагрузки на турбину одновального ГТД (рис. 15.35) окружная скорость колеса и, абсолютная скорость сх газового потока на входе в рабочее колесо турбины уменьшается. Тогда уменьшается и скорость Wi газового потока относительно лопаток турбины. Тогда на основании соотношения (15.70) можно утверждать, что крутящий момент Ми на валу турбины также уменьшается. Мощность двигателя Nu, определяемая по формуле (15.71), уменьшается. Внешняя скоростная характеристика одновального ГТД приведена на рис. 15.36.

Так как при увеличении нагрузки на турбину ее мощность и крутящий момент уменьшаются, то двигатель не обладает способностью самостоя­тельно преодолевать возросшую нагрузку (он останавливается). Одноваль — ные ГТД применяют, как правило, для привода агрегатов с постоянной нагрузкой (электрические генераторы). В этом случае одновальный ГТД проектируется с учетом постоянной нагрузки на него и в процессе эксплу­атации он большую часть времени работает на этом расчетном режиме.

На рис. 15.37 приведена принципиальная схема двухвального ГТД. Двухвальный ГТД отличается от одновального (рис. 15.35) наличием вто­рой турбины Т2, называемой свободной (силовой, тяговой).

Диффузор

Камера сгорания

Газы

Турбины

Редуктор

Рис. 15.36. Внешняя ско — Рис. 15.37. Конструктивная схема двухвального

ГТД

				H^SL
				J-	* •
-А			* J	F
ГУ	/	Г

0.5 1.0 "1

М€

Ростная харатеристика одно­вального ГТД

Если внешняя нагрузка на двигатель увеличится, то частота враще­ния силовой турбины Т2 уменьшится. Частота вращения турбины Т1 не изменится, так как она не связана жесткой связью с турбиной Т2. Следовательно, компрессор двигателя будет работать на прежнем режиме. Давление воздуха и его расход через камеру сгорания не изменится. В этом случае расход газа через турбины Т1 и Т2 останется прежним.

Таким образом, при увеличении нагрузки на силовую турбину Т2 изме­нится только ее частота вращения п2. Так как частота вращения турбины уменьшилась, то уменьшится ее окружная скорость и на среднем радиусе лопаток. Скорость газа С\ на входе в турбину Т2 (после второго соплового аппарата) останется прежней. Газ будет входить на лопатки турбины Т2 под тем же углом c*i (рис. 15.11). В этом случае на основании правила параллелограмма, в соответствии с которым вектор С\ представляет собой сумму векторов и и Wu можно утверждать, что длина вектора W\ уве­личится, т. е. увеличится скорость газового потока относительно лопаток турбины Т2. Действительно, так как С\ не изменяется, а и уменьшается, то Wi должен увеличиваться.

При увеличении относительной скорости W\ увеличивается центробеж­ная сила, действующая на лопатки турбины Т2 со стороны газового потока. В этом случае крутящий момент на валу турбины Т2 будет увеличиваться при уменьшении частоты ее вращения. При этом мощность двигателя сначала несколько увеличивается, а затем резко уменьшается. Падение мощности двигателя вызвано в основном уменьшением частоты вращения силовой турбины Т2.

На рис. 15.38 показана внешняя скоростная характеристика двухваль­ного ГТД. При использовании в автомобиле силовой установки с двух — вальным ГТД повышаются его тяговые характеристики. При увеличении сопротивления качению ведущих колес автомобиля их частота враще­ния уменьшается. В этом случае будет уменьшаться частота вращения силовой турбины Т2 (рис. 15.37), а крутящий момент — увеличиваться. При увеличении крутящего момента на силовой турбине Т2 будет также увеличиваться крутящий момент Мкр на ведущих колесах. Сила тяги FT на

Аппараты Рис. 15.40. Схема двухвального ГТД с теплообменником

Ведущих колесах увеличится. Двигатель самостоятельно может преодолеть возросшую нагрузку.

На рис. 15.39 приведены характеристики крутящего момента порш­невого и двухвального газотурбинного двигателей, имеющих одинаковое значение крутящего момента Ме при максимальной мощности. При увели­чении нагрузки крутящий момент двухвального ГТД возрастает резче, чем поршневого двигателя. Это означает, что двухвальный ГТД может само­стоятельно преодолеть большую нагрузку, чем поршневой двигатель при прочих равных условиях. В этом случае говорят, что тяговые возможности двухвального ГТД лучше, чем поршневого двигателя.

Приспособляемость двигателя к самостоятельному преодолению внеш­ней нагрузки оценивают коэффициентом приспособляемости К, определя­емому по формуле (15.152). Бели у поршневых двигателей он не превышает 1.12… 1.15, то у ГТД (не одновальных) может превышать 4.

Эти положительные свойства обусловили применение ГТД в некоторой наземной транспортной технике.

Н (п^)

	1 1
-ГТД „
Л	К» "" JTt	«• Щ		Ч
Д

Рис. 15.39. Сравнительные характери­стики двигателей

				—v
N		/	Г		Ч
	N >	Г Ь
— Л /	/ Г Е —		S— — М	Е N
Г					Ч

Рис. 15.38. Внешняя скоростная харак­теристика двухвального ГТД

В некоторых конструкциях ГТД могут применяться дополнительные агрегаты и узлы, повышающие их энергетические и экономические пока­затели. На рис. 15.40 показана конструктивная схема двухвального ГТД с теплообменником. Теплообменник позволяет повысить экономичность работы двигателя (снизить удельный расход топлива).

Идея применения теплообменника состоит в следующем. Чем выше температура рабочего тела в камере сгорания, тем выше КПД двигателя. Поэтому на практике стремятся повысить температуру рабочего тела в камере сгорания. Однако существует предел повышения этой температуры, обусловленный термической прочностью материалов деталей камеры сго­рания и лопаток турбины. Для повышения температуры единицы массы ра­бочего тела в камере сгорания от исходного значения (после компрессора) до предельного значения Гпред требуется сжечь некоторую массу топлива т\. Так как выходящие из силовой турбины газы направляются в теп­лообменник, то идущий от компрессора в камеру сгорания поток воздуха нагревается. До этого воздух нагревается в компрессоре при сжатии. В результате нагрева воздуха в теплообменнике его температура повышается, а поэтому для достижения предельной температуры ГпрбД рабочего тела в камере сгорания уже требуется сжечь меньше топлива. В этом и состоит смысл применения теплообменников в ГТД.

Термический КПД цикла также зависит от степени повышения дав­ления воздуха за компрессором[75] 7rfc. Поэтому конструкторы стремятся повысить давление воздуха на выходе из компрессора. Для этого требуется увеличить частоту вращения или диаметр рабочего колеса компрессора. Оба способа имеют ограничения из-за роста инерционных сил, способных разрушить диски рабочих колес компрессоров. Более приемлемым в этом случае является применение многоступенчатого сжатия. Многоступенчатое сжатие дает и другие преимущества.

На рис. 15.41 показана схема трехвального транспортного ГТД с теп­лообменником (его назначение остается прежним) и охладителя воздуха между ступенями сжатия в компрессоре. При сжатии воздуха в первой сту­пени компрессора его температура повышается. При сжатии механическая энергия, подводимая к компрессору, превращается в тепловую энергию. Выходя из первой ступени компрессора, воздух поступает в охладитель. Через охладитель в поперечном направлении движется холодный воздух из окружающей среды, который охлаждает воздух, идущий из первой ступени компрессора. Потоки воздуха в охладителе не смешиваются. Следователь­но, температура воздуха, идущего во вторую ступень сжатия компрессора, в охладителе понижается, т. е. он охлаждается.

Как известно, тела при охлаждении сжимаются, т. е. их плотность увеличивается. Следовательно, воздух, выходящий из охладителя, будет иметь большую плотность, чем в случае, если бы не было охладителя. Теперь для достижения расчетного давления воздуха на выходе из второй ступени компрессора требуется затратить меньше механической энергии, получаемой в результате преобразования тепловой энергии в турбине ТК — 2. В этом случае требуется сжечь меньше топлива в основной камере сгорания.

Выше были рассмотрены лишь с качественной стороны процессы, про­текающие в различных транспортных ГТД. Реально очень много факторов влияют на эффективность работы ГТД. В определенных условиях эти
факторы могут быть решающими при принятии решения на использование ГТД в той или иной установке.

На рис. 15.42 приведена конструктивная схема трехвального ГТД-1250, применяемого в составе силовой установки танка Т-80У.

Турбина ТК-2 Газы

Теплообменник

Охладитель

Турбина ТК-1 Тяговая Дополнительная турбина камера сгорания Рис. 15.41. Конструктивная схема трехвального ГТД 4 * 6 7 8

Основная камера ч сгорания

Рис. 15.42. Конструктивная схема трехвального ГТД

Под действием разрежения, создаваемого компрессором 2 первой ступе­ни, воздух поступает в двигатель. В неподвижном направляющем аппара­те[76] (ННА) 1 воздух закручивается в сторону вращения колеса компрессора. На выходе из рабочего колеса компрессора 2 первой ступени установлен ло­паточный диффузор, в котором движущийся воздух тормозится. Давление воздуха в диффузоре возрастает. Из первой ступени компрессора воздух поступает во вторую ступень компрессора 13, проходя через ННА 3: В ННА воздух снова закручивается в сторону вращения колеса компрессора 13. За колесом 13 также установлен диффузор. В двухступенчатом компрессоре
воздух сжимается почти в 11 раз (7гк = 11). Из второй ступени компрессора воздух поступает в камеру сгорания 12, где смешивается с топливом. Топ­ливо в камеру сгорания подается через форсунки (18 шт.). При сгорании топлива в камере сгорания 12 рабочее тело сильно нагревается и поступает в сопловой аппарат 4 турбины 5, приводящей в движение колесо 13 второй ступени компрессора, называемой ступенью высокого давления. Турбину 5 Называют турбиной компрессора высокого давления. В сопловом аппарате 4 рабочее тело (смесь газов) частично расширяется. Кинетическая энергия газового потока увеличивается.

Из турбины 5 газ поступает на лопатки 11 соплового аппарата тур­бины 10 компрессора первой ступени, называемой ступенью низкого дав­ления. В сопловом аппарате 11 рабочее тело второй раз расширяется. Турбина 10 приводит в движение рабочее колесо 2 компрессора низкого давления (первой ступени).

Из турбины 10 рабочее тело поступает на лопатки тяговой турбины 8, проходя регулируемый сопловой аппарат (РСА) 7. Лопатки РСА могут синхронно поворачиваться вокруг свои осей. Конструктивно предусмотре­ны три положения лопаток РСА:

• лопатки направляют газовый поток на вогнутый профиль лопаток тяговой турбины 8. В этом случае газовый поток вращает турбину 8, которая через редуктор 9 и трансмиссию приводит в движение машину (тяговый режим);

• лопатки направляют газовый поток на выпуклую часть лопаток турби­ны 8, вызывая ее торможение (тормозной режим);

• лопатки направляют газовый поток через турбину 8 в осевом направле­нии. Газ почти не движется по криволинейному профилю лопаток тур­бины 8, а свободно проходит по межлопаточным каналам (нейтральный режим). В этом случае турбина 8 и не тормозится, и не приводит в движение машины.

Лопатками РСА управляет водитель с помощью специального гидроме­ханизма 6.

Первый режим работы РСА (тяговый режим) обеспечивает движение машины. Второй режим (тормозной режим) обеспечивает торможение машины с помощью двигателя. ГТД, в отличие от поршневого двигателя, не способен переходить в тормозной режим. Это обусловлено отсутствием механической связи тяговой турбины 8 с компрессором. Поэтому при дви­жении на спуске турбина 8 может свободно вращаться, в результате чего машина будет самопроизвольно ускоряться. Частое пользование механиче­скими тормозами приводит к быстрой утомляемости водителя. Поэтому с помощью гидромеханизма 6 привода РСА 7 водитель принудительно переводит тяговую турбину 8 в тормозной режим работы.

Сопловые аппараты 4 ъ 11 нерегулируемые. Рабочие колеса 2 и 13 Компрессора центробежного типа имеют ННА и ВНА. Все три турбины 5, 8 и 10 осевого типа.

Внутрь лопаток соплового аппарата 4 подается воздух от компрессора высокого давления. Подача воздуха необходима для охлаждения лопаток.

—®г! А

_ ЛШ\ dm

Рис. 15.44. Схема возникновения реактивной силы

Через специальные отверстия воздух из лопаток 4 выходит в газовый тракт двигателя.

Если поступающий на вход в двигатель воздух принять за 100%, то только 30% обеспечивает сгорание топлива. Остальные 70% воздуха пред­назначены для охлаждения деталей камеры сгорания 12, дисков турбин 5, 8 и 10. В результате такого повышенного расхода воздуха расходуется большое количество энергии на привод рабочих колес компрессора. При этом средняя температура рабочего тела в цикле ниже, чем в поршневом двигателе. Поэтому КПД ГТД ниже, чем поршневого двигателя.