книги / Введение в авиационную и ракетную технику
..pdfлопаток последних ступеней ОК имеют маленькие значения. При изготовлении лопаток малой длины существуют технологиче-
ские ограничения. Поэтому для обеспечения заданной к.р по-
следние 2–3 ступени ОК можно заменить одной центробежной ступенью.
Применение на вспомогательных ГТД (ТВаД) комбинированных или центробежных компрессоров, особенно в сочетании с противоточной КС, позволяет значительно уменьшить длину двигателя при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик.
Камеры сгорания ТВаД существенно не отличаются от КС ТРД, хотя иногда
применяются противоточ- ные, как правило кольце- вые, или радиальные КС (рис. 3.21). Это позволяет снизить скорости в КС и
уменьшить их длину за счет увеличения диаметра КС. Применение радиальных КС позволяет улучшить условия охлаждения жаровых труб и повысить их эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность.
ГТ ТВД и ТВаД имеют большее число ступеней, чем у ТРД, так как основная работа расширения газа происходит в ГТ.
РС в ТВаД (за исключением ТВД) трансформировано в диффузорный выпускной патрубок, обычно повернутый в боковую сторону от оси двигателя.
Основные параметры ТВД:
1. Nвал = Lм Мв – мощность на валу ТВД, где Lм – механическая работа 1 кг газа, передаваемая на вал ВВ до входа в редуктор; Мв –
расход воздуха через двигатель, кг/с.
2. Nв = Nвалηм – винтовая мощность ТВД (мощность на выходном валу редуктора), где ηм – КПД редуктора (ηм ≈ 0,97…0,98),
учитывающий механические потери в трансмиссии.
131
3. Nтяг = Nвηв – тяговая мощность, где ηв – КПД ВВ, учитывающий потери на трение, отбрасывание и закрутку потока воздуха.
4. |
Rв |
|
Nтяг |
|
|
Nв в |
– тяга ВВ. |
|||||||
V |
|
|
V |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5. |
N |
|
N |
|
|
RpV |
L М |
|
– эквивалентная мощность, где R – |
|||||
e |
в |
|
в |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
e |
p |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реактивная тяга, развиваемая соплом; RpV/ηв – мощность, которую потребовалось бы развить на валу ВВ для получения тяги, равной реактивной тяге Rp.
6.Nуд Ne – удельная эквивалентная мощность.
Мв
7. |
ce |
Мт.ч 3600Q0 |
– удельный расход топлива. |
|||
|
|
Ne |
гHu Le |
|
||
8. |
Rуд |
|
Rв Rр |
– удельная тяга ТВД. |
||
|
|
|||||
|
|
|
|
Мв |
|
Основные параметры ТВаД:
1.Мощность СТ ТВаД NСТ = Lм Мг, где Lм – механическая работа, совершаемая 1 кг газа, при расширении в СТ ; Мг – расход газа через СТ.
2.Эффективная (полезная) мощность Nе=NСТηСТ – мощность, создаваемая на выходном валу СТ, где ηСТ – КПД СТ.
3. |
Удельная эффективная мощность |
N |
|
L |
|
Nе |
– эффек- |
|
|
|
|||||
|
|
|
уд |
e |
Мв |
||
тивная мощность, создаваемая в ТВаД 1 кг воздуха. |
|
|
|
||||
4. |
Удельный расход топлива ce Мт.ч |
|
3600Q0 |
|
– количество |
||
г Hu Nуд |
|
||||||
|
Ne |
|
|
|
|
топлива, потребное для создания единицы мощности в течение 1 ч.
132
3.8.5. Прямоточные ВРД (ПВРД)
Сжатие (повышение давления) воздуха в ТРД происходит в ВЗ и ОК. Чем выше скорость полета V, тем выше степень повышения
давления в ВЗ V , следовательно, выше степень повышения давления в двигателе дв , выше давление на входе в РС, выше сте-
пень расширения газа в РС, больше работа расширения в РС и выше скорость истечения газа сс.
По достижении скорости полета Vопт дв становится равно
опт , при котором работа цикла Lц, а значит и сс, достигают макси-
мальных значений. При дальнейшем увеличении скорости полета работа цикла и сс начинают уменьшаться. У современных ЛА с ТРДФ при скорости полета V ≈ 3500 км/ч ↑V =↓cc. Дальнейшее уве-личение V становится невозможным, так как избыточная тяга R = Мв(сс – V) = 0, происходит «вырождение ТРДФ».
Для полета со скоростью V ≥ 3500 км/ч используют прямоточные ВРД (ПВРД).
В ПВРД, в отличие от ТРД, нет компрессора, следовательно, не нужна турбина (рис. 3.22). Основными узлами ПВРД являются сверхзвуковой воздухозаборник (СВЗ), камера сгорания КС и сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).
Рис. 3.22. Схема ПВРД
Отсутствие ГТ позволяет увеличить температуру за КС до температуры продуктов полного сгорания авиационного топлива Тг.max =
2400…2600 К и дв до |
соответствующей ей опт . В то же время |
дв = опт достигается |
при больших скоростях полета, так как |
|
133 |
|
|
все сжатие |
воздуха |
происходит |
|
|
|
в воздухозаборнике |
( дв = V ). |
||
|
|
Вследствие |
вышеизложенного |
||
|
|
в ПВРД удается получить значи- |
|||
|
|
тельно бóльшую Lц (рис. 3.23), |
|||
|
|
следовательно, бóльшую вели- |
|||
|
|
чину сс.max и максимальную ско- |
|||
|
|
рость полета. |
|
||
|
|
ПВРД имеет по сравне- |
|||
|
|
нию с ТРД следующие преиму- |
|||
|
|
щества: |
|
|
|
Рис. 3.23. |
Диаграмма цикла ПВРД |
• простота конструкции; |
|||
• малый удельный вес Рдв/R; |
|||||
|
|
•бóльшие значения максимальной скорости полета Vmax. Недостатками ПВРД являются:
•невозможность запуска двигателя при V = 0, так как дв =
=V = 0;
•эффективная работа двигателя (создание значительной тяги) возможна только при числах М ≥ 1,5…2,0.
ПВРД, как правило, используется в комбинированных силовых установках гиперзвуковых ЛА в сочетании с ТРДФ или ракетными двигателями, способными работать при V ≥ 0. Возможно использование ПВРД в качестве двигателя гиперзвуковых ЛА, стартующих с самолета-разгонщика.
3.8.6. Турбопрямоточные ВРД (ТПД)
Совмещение достоинств ТРДФ и ПВРД возможно в турбопрямоточных двигателях (ТПД). ТПД – это комбинированный многорежимный ВРД для полетов с гиперзвуковыми скоростями до чисел М = 5 на керосине или до М = 6 на водороде
(рис. 3.24).
В ТПД с последовательной работой контуров (см. рис. 3.24, а):
• при 0 ≤ V ≤ (2,5…3,0) М работает только газотурбинный контур с форсажной камерой (ФК);
134
• при V ≥ (2,5…3,0) М подача топлива в КС газотурбинного контура прекращается, открывается прямоточный контур с ФК в качестве основной КС.
Рис. 3.24. Схемы ТПД: а – с последовательной работой контуров;
б– с параллельной работой контуров
ВТПД с параллельной работой контуров (см. рис. 3.24, б):
•при V ≥ (1,5…2,0) М запускается КС прямоточного контура
идо V = (2,5…3,0) М газотурбинный и прямоточный контуры работают одновременно, что позволяет повысить тягу R на промежуточных скоростях полета;
•при V ≈ 3,0 М КС газотурбинного контура отключается и тягу создает только прямоточный контур.
В ТПД при М > 3,0…3,5 газотурбинный контур переводится в режим авторотации (свободного вращения от набегающего потока воздуха) и используется для привода дополнительных агрегатов.
135
3.8.7. Двигатель изменяемого рабочего процесса
Идеальный ВРД должен трансформироваться в ВРД различных типов в зависимости от высоты и скорости полета.
Двигатель изменяемого рабочего процесса (ДИРП) – это авиационный ВРД, в котором путем широкого регулирования элементов проточного тракта, а также применением дополнительных узлов, отключаемых и переключаемых в процессе работы, осуществляется адаптация режима работы двигателя к условиям полета в широком диапазоне скоростей V и высот H полета.
ДИРП находится в стадии экспериментальных разработок и призван сочетать достоинства всех схем ВРД.
3.9. Наземное применение авиационных газотурбинных двигателей
Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 году швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4 %, которая находится в работоспособном состоянии и в настоящее время. В 1941 году вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) этой же фирмы. С конца 1940-х годов ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а c конца 1950-х годов – в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводахдляприводанагнетателейприродного газа.
Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками (паротурбинными, дизельными и др.):
•большая мощность в одном агрегате;
•компактность, малая масса (рис. 3.25);
•уравновешенность движущихся элементов;
•широкий диапазон применяемых топлив;
•легкийибыстрыйзапуск, втомчислепринизкихтемпературах;
•хорошие тяговые характеристики;
•высокая приемистость и хорошая управляемость.
136
Рис. 3.25. Сравнение габаритных размеров ГТД и дизельного двигателя мощностью 3 МВт
Наиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности для привода нагнетателей природного газа в составе газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 3.26). К примеру, только в ОАО «Газпром» к настоящему времени эксплуатируются около 3100 газотурбинных двигателей суммарной установленной мощностью свыше 36 000 МВт. ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.
Рис. 3.26. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа
137
Основная особенность приводимого оборудования – зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n, температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменной частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной – турбовальные двигатели (ТВаД).
ГТД для привода электрогенераторов используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок (в российской литературе они часто называются ГТУ-ТЭЦ), производящих совместно электрическую и тепловую энергию (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Принципиальная схема газотурбинной электростанции |
Современные ГТЭС простого цикла (рис. 3.28), имеющие относительно умеренный электрический КПД эл = 25…40 %,
восновном используются в пиковом режиме эксплуатации – для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуются высокой цикличностью (большим количеством циклов «пуск– нагружение–работа под нагрузкой–останов»). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе
впиковом режиме.
138
|
Электростанции |
комби- |
|
|
нированного |
парогазового |
|
||
цикла (см. рис. 3.27) исполь- |
|
|||
зуются в базовом |
режиме |
|
||
(постоянная работа с нагруз- |
|
|||
кой, близкой к номинальной, |
|
|||
с минимальным количеством |
|
|||
циклов «пуск–останов» для |
|
|||
проведения |
регламентных |
|
||
и ремонтных работ). Совре- |
|
|||
менные ПГУ, |
базирующиеся |
Рис. 3.28. Электростанция «Урал-2500» |
||
на |
газотурбинных |
двигате- |
|
|
лях |
большой |
мощности (N > 150 МВт), достигают КПД выра- |
ботки электроэнергии эл = 58…60 % и являются к настоящему времени самыми совершенными энергосистемами большой мощности.
В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или для использования в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает ее себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90 %.
Электростанции комбинированного парогазового цикла и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами.
Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов – постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального) и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике.
139
3.10. Топлива, применяемые в ВРД
Топливо авиационное – вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата (ЛА) для получения тепловой энергии в процессе окисления кислородом воздуха (сжигания).
В ВРД используются реактивные топлива, вырабатываемые из среднедисциллятных фракций нефти, выкипающих при температуре 140–280 °С. По способу получения реактивные топлива делятся на прямоперегонные и гидрогенизационные. Первые (Т-1, ТС-1, Т-2) получаются непосредственно из отогнанных фракций нефти без их глубокой переработки. Технология получения вторых включает такие процессы, как гидроочистка (РТ, Т-8В, Т-6), глубокое гидрирование (Т-6), гидрокрекинг (Т-8В). При гидроочистке из нефтяного дисциллята удаляются агрессивные и содержащие серу, азот и кислород нестабильные соединения практически без изменения углеводородного состава топлива. При гидрокрекинге и гидрировании наряду с очисткой исходного сырья происходит изменение его углеводородного состава.
Применение гидрогенизации процессов при производстве реактивных топлив позволяет расширить сырьевую базу топлив
изначительно повысить их термостабильность.
Ккачеству реактивных топлив предъявляются следующие
требования:
• высокая теплотворная способность Hu (количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива). Hu = = 43 100…43 900 кДж/кг или 10 300…10 500 кал/кг – весовая теп-
лотворная способность (авиационный керосин);
•низкая температура начала кристаллизации (менее –60 °С);
•низкая вязкость при минусовых температурах;
•высокая термостойкость;
•высокие антикоррозионные свойства;
•отсутствие нагарообразования;
•большой срок хранения;
•отсутствие воды и механических примесей;
140