Газовые турбины авиационных двигателей

Один из признаков, при помощи которого подразделяют авиационные двигатели, является наличие у них центробежного компрессора или осевого компрессора. В самых общих чертах, центробежный компрессор предлагает больше возможностей в плане простоты и прочности. Однако осевой компрессор используется в большинстве высокопроизводительных, более сложных конструкций.

Авиационные двигатели можно еще подразделять по тому признаку, приводят ли они в движение воздушный винт (через вал газогенератора или свободную турбину), или выталкивают выхлопные газы из выхлопного отсека и тем самым толкают самолет вперед (реактивное движение). Этот режим функционирования (турбовальный или турбореактивный) не зависит от типа компрессора газовой турбины, как мы видим на рисунке дерева семейств турбин (смотрите Рисунок 1-5). Турбовальный двигатель, у которого спереди имеется большой вентилятор (забор воздуха), называют турбовентиляторным двигателем.

Рисунок 1-5. a.Дерево семейств турбин

Gas turbine engines	Газотурбинные двигатели
Centrifugal flow	Центробежные
Axial - centrifugal flow	Центробежно-осевые
Single-stage	одноступенчатая
Two-stage series compressor	Двухступенчатый последовательный компрессор
Two-stage parallel compressor	Двухступенчатый параллельный компрессор
Axial flow	осевые
Free-power turbine	Свободная силовая турбина
Single-spool	одноконтурный
Two-spool	двухконтурный
Three-spool turbofan (Front fan)	Трехконтурный турбовентиляторный двигатель (передний вентилятор)
Turbojet	турбореактивный
Turboshaft turboprop	Турбовальный турбовинтовой
Exhaust	Выхлопные газы
Inlet	Впускное отверстие
Single shaft	С одним валом
Single-spool turbojet	Одноконтурный турбореактивный
Front shaft	Передний вал
Reverse-flow combustion	Сгорание обратного потока
Fuel	Топливо
Bypass	Байпас
Two-spool turbojet	Двухконтурный турбореактивный
Gas generator with auxiliary compressor	Газовый генератор с дополнительным компрессором
Turbofan	турбовентиляторный
Mixed exhaust	Смешанные выхлопные газы
Air tube	Воздушный шланг
Rear shaft	Задний вал
Nonmixed exhaust	Несмешанные выхлопные газы
Oversize compressor	Негабаритный компрессор

Рисунок 1-5. (Продолжение) b. Распределение энергии в турбореактивных, турбовинтовых и турбовентиляторных двигателях. (Источник: Treager, Aircraft Gas Turbine Engine Technology, Third Edition. New York: McGraw-Hill, 1996)

Turbojet	турбореактивный
Compressor energy	Энергия компрессора
Air	Воздух
Compressor	Компрессор
Fuel	Топливо
Combustion	Сгорание
Turbine	Турбина
Jet energy	Энергия струи
Turboprop	турбовинтовой
Fan energy	Энергия вентилятора
Compressor energy	Энергия компрессора
Turbofan	турбовентиляторный

Двумя примерами турбовентиляторных двигателей являются семейство двигателей CF-6 (General Electric) и JT-8D (Pratt and Whitney) (рис. 1-6 и 1-7).

Соотношения между давлением, объемом, и температурой [1]

Обратите внимание, что эти соотношения в основном не изменяются, независимо от того, используется ли газовая турбина на земле, на море или в воздухе.

Во время рабочего цикла газотурбинного двигателя, поток воздуха или "рабочей жидкости" принимает и отдает тепло, таким образом, изменяя свое давление, объем и температуру. Эти изменения тесно связаны между собой, поскольку они следуют общему принципу, заключенному в сочетании законов Бойля и Шарля. Короче говоря, это означает, что произведение давления и объема воздуха на различных стадиях рабочего цикла пропорционально абсолютной температуре воздуха на этих этапах. Это соотношение распространяется на любые средства, используемые для изменения состояния воздуха. Например, в зависимости от того, будет ли энергия добавляться вследствие сгорания или сжатия, или извлекаться турбиной, изменение нагрева прямо пропорционально работе, добавленной или извлеченной из газа.

Легенда

1. Конус обтекателя втулки

2. Лопасти вентилятора (7 из 38)

3. Передний корпус вентилятора

4. Статор стартового двигателя компрессора низкого давления (КНД)

5. Ротор стартового двигателя КНД

6. Вал вентилятора

7. Корпус вентилятора, задний корпус, и выпускные направляющие лопатки

8. Статор компрессора высокого давления (КВД)

9. Ротор КВД

10. Задняя стенка компрессора

11. Камера сгорания

12. Сопло турбины высокого давления (ТВД) ступень 1

13. Ротор ТВД

14. Сопло ТВД ступень 2

15. Турбина низкого давления (ТНД)

16. Задняя стенка турбины

17. Дополнительное оборудование: редуктор и защитный экран

Рисунок 1-6. Двигатель серии General Electric CF6 был разработан на основе двигателя TF39, который использовался в Lockheed Georgia C-5A Galaxy. a. Общий внешний вид GE CF6-80C2 с вентилятором очень большого диаметра b. Вид в разрезе турбовентиляторного двигателя GE CF6-6 с высокой степенью двухконтурности. c. Вид в разрезе GE CF6-50. d. Вид в разрезе турбовентиляторного двигателя GE CF6-80C2 с высокой степенью двухконтурности. e. Турбовентиляторный двигатель GE CF6-80C2 с высокой степенью двухконтурности в разобранном виде. (Источник: Treager, Aircraft Gas Turbine Engine Technology, Third Edition. New York: McGraw-Hill, 1996)

Эти изменения происходят при наличии трех основных условий в рабочем цикле двигателя. Во время сжатия, когда работа двигателя направлена на увеличение давления и уменьшение объема воздуха, происходит соответствующее повышение температуры. Во время горения, когда топливо добавляется к воздуху и поджигается для увеличения температуры, происходит соответствующее увеличение объема, а давление остается почти постоянным. Во время расширения, когда турбина извлекает энергию из потока газа, происходит снижение температуры и давления с соответствующим увеличением объема.

Изменения температуры и давления воздуха в двигателе можно проследить с помощью диаграммы воздушного потока, представленной на рисунке 1-8. При непрерывном воздушном потоке изменения объема отображаются как изменения скорости.

Эффективность, с которой осуществляются эти изменения, будет определять, в какой степени достигается желаемое соотношение между давлением, объемом и температурой. Чем эффективнее компрессор, тем выше давление, создаваемое для заданной работы, то есть для заданного повышения температуры воздуха. С другой стороны, чем эффективнее турбина использует расширяющийся газ, тем больше мощность для заданного перепада давления в газе.

Когда воздух сжимается или расширяется при 100% эффективности, процесс называется адиабатическим. Поскольку такое изменение означает отсутствие в процессе потерь энергии, обусловленных трением, теплопроводностью, или турбулентностью, очевидно, что достичь этого на практике невозможно; 90% является хорошим адиабатическим КПД для компрессора и турбины.