Как известно, газотурбинный двигатель (рисунки 1.28 и 1.29) является тепловой машиной, работающей по замкнутому термодинамическому циклу (циклу Брайтона, рисунок 1.30), в результате чего возникает полезная работа. Она затем преобразуется в работу передвижения летательного аппарата (в случае авиационного ГТД), либо в полезную работу на выходном валу (в случае наземной ГТУ).
Рисунок 1.27 – Области применения лопаточных машин
Рисунок 1.27 – Области применения лопаточных машин
Рисунок 1.28 – Внешний вид газотурбинного двигателя авиационного назначения
Рисунок 1.29 – Внешний вид энергетической газотурбинной установки
| Рисунок 1.30 - Идеальный цикл p=const (Брайтона) в p-V- координатах |
Здесь – расход рабочего тела через двигатель, кг/с;
- скорость истечения газа из двигателя, м/с;
- скорость полета, м/с;
- коэффициент, учитывающий изменение массы рабочего тела в двигателе.
Высокоскоростной поток газа создается с помощью сопла, которое представляет собой сужающийся канал (конфузор) при дозвуковых перепадах давления. В случае сверхзвуковых перепадов давления сопло имеет форму сопла Лаваля.
Для того, чтобы сопло ускоряло поток необходимо создать разность давления между его входом и выходом. Учитывая, что выход газа осуществляется в атмосферу, то для получения высокоскоростного потока на входе в сопло необходимо создать повышенное давление.
Результатом работы наземной ГТУ (а также авиационных двигателей непрямой реакции) является мощность и крутящий момент на выходном валу, которые затем передается потребителю (на привод генератора, ГПА, воздушного винта и т.п.). Полезная мощность в таких двигателях создается турбиной. Для ее функционирования, как и в случае сопла авиационного ГТД, необходимо создать перепад давления между входом и выходом.
Таким образом, для работы, как авиационного ГТД, так и наземной энергоустановки необходимо создать повышенное давление на входе в узел, являющийся ключевым для функционирования изделия. Повышенное давление в случае ГТУ и ГТД формируется одинаковым образом с помощью турбокомпрессора. Рассмотрим его работу подробнее.
Необходимое для работы двигателя повышенное давление может быть получено с помощью компрессора. Строго говоря, для этих целей можно использовать любое сжимающее устройство (объемные, винтовые и т.п. компрессоры). Однако лопаточные компрессоры сжимают воздух непрерывно, а не порциями как другие типы. Это обстоятельство позволяет осуществлять процессы во всех узлах двигателя одновременно, а не последовательно как, например, в поршневом двигателе. Последнее в свою очередь позволяет на несколько порядков повысить секундный расход рабочего тела и пропорционально повысить мощность при малых размерах установки.
Для функционирования компрессора к нему обязательно необходимо подводить энергию от стороннего источника. Для привода компрессора может использоваться любой генератор энергии (электродвигатель, ДВС и т.д.), однако газовая турбина позволяет получить высокую мощность при наименьших собственных размерах, что особенно важно для авиационных ГТД.
Вместе с тем компрессора и турбины не достаточно для работы газогенератора. Если пренебречь изменением массы рабочего тела в проточной части и потерями энергии, то работы компрессора и турбины можно считать равными:
где – идеальная работа компрессора;
- идеальная работа турбины (*);
- степень расширения газа в турбине.
Примечание. Следует помнить, что указанное равенство справедливо только при описанных выше допущениях. Для других случаев корректно говорить о равенстве мощностей компрессора и турбины .
В случае если турбокомпрессор состоит только из компрессора и турбины, оба узла имеют одинаковое рабочее тело – воздух, а температура воздуха на входе в турбину равна температуре на выходе из компрессора:
Приравняв выражения для работ и подставив значение температуры на входе в турбину легко прийти к выражению:
Очевидно, это равенство будет справедливо только в одном случае, когда . То есть, в турбокомпрессоре, состоящем только из компрессора и турбины степень сжатия в компрессоре равна степени расширения в турбине и давление на выходе из нее равно давлению на входе в изделие. То есть газогенератор такого типа не создает повышенного давления на выходе и не пригоден для установки на ГТД.
Для нормального функционирования турбокомпрессора на входе в турбину газ подогревают с помощью камеры сгорания. Данное обстоятельство позволяет повысить работоспособность газа и достигнуть работы, необходимой для привода компрессора с меньшей степенью расширения (что видно из уравнения (*)). В результате, на выходе из турбины остается значительное остаточное давление, которое может быть использовано для получения высокоскоростной струи в сопле или работы в приводной турбине наземного ГТУ.
Анализируя сказанное выше можно окончательно сформировать схему ГТД (ГТУ) (рисунок 1.31). Она состоит из следующих узлов: