Введение

Газотурбинный двигатель является типично тепловым двигателем, используя воздух в качестве рабочего тела для создания тяги. Для достижения этого, воздух, проходящий через двигатель должен разгоняться; это значит, что скорость или кинетическая энергия воздуха нарастает. Для получения этого прироста, увеличивается, прежде всего, давление, с последующим добавлением тепловой энергии, перед окончательным преобразованием вновь в кинетическую энергию в форме выброса реактивной струи с высокой скоростью.

Рабочий цикл

Рабочий цикл газотурбинного двигателя аналогичен тому, что и в четырехтактном поршневом двигателе. Однако, в газотурбинном двигателе, горение происходит при постоянном давлении, в то время как в поршневом, это происходит при постоянном объеме. Оба цикла двигателей  показывают, что в каждом случае есть впрыск, сжатие, горение и выброс. Эти процессы разделены в случае поршневого двигателя, в то время, как в газотурбинном двигателе происходят непрерывно.

Соотношения между давлением, объемом и температурой

В рабочем цикле турбинного двигателя поток воздуха или «рабочее тело» получает и отдает тепло, создавая, таким образом, изменения в его давлении, объеме и температуре. Эти изменения по мере их возникновения тесно связаны, по общеизвестному принципу, который выражается в сочетании законов Бойля и Чарли. Вкратце, он означает, что давление и объем воздуха на разных стадиях рабочего цикла пропорциональны абсолютной температуре воздуха на этих стадиях.

Это соотношение применимо для любых средств, используемых для изменения состояния воздуха. Например, давление добавляется за счет горения или при сжатии, или срабатывается на турбине, изменение нагрева прямо пропорционально добавленной работе или отнятой энергии газа.

Существуют три основных состояния в рабочем цикле двигателя, в процессе которых возникают эти изменения. При сжатии, когда совершена работа по увеличению давления и уменьшению объема воздуха, соответственно возрастает температура. При горении, когда добавляется топливо к воздуху и горение наращивает температуру, соответственно растет объем при почти постоянном давлении. При расширении, когда работа затрачивается газовым потоком, происходит снижение температуры и давления при соответствующем росте объема.

Изменения в температуре и давлении воздуха можно проследить по всему тракту двигателя с использованием диаграммы воздушного потока при постоянстве расхода воздуха изменения объема его показаны как изменения в скорости.

Эффективность, с какой происходят эти изменения, определяет до какой степени требуемые соотношения между давлением, объемом и температурой достижимы. При повышении КПД компрессора, большее давление создается при заданных затратах работы; т.е. для данного прироста температуры газа. И наоборот, больший КПД турбины использующей газ, большая работа для данного перепада давления на турбине.

Если воздух сжимается или расширяется с КПД =100%, процесс считается адиабатическим. Поскольку такие изменения означают, что в процессе нет потерь на трение, проводимость или турбулентность, очевидно, что практически этого достичь невозможно; 90% для адиабатического процесса является хорошим КПД как для компрессора , так и для турбины.

Изменения скорости и давления

При проходе воздуха через двигатель, аэродинамические и энергетические требования требуют изменений в его скорости и давлении. Например, при сжатии, рост давления воздуха, а не его скорости требуется. После нагрева воздуха и нарастания его внутренней энергии за счет горения, необходим рост скорости газа для привода турбины во вращение. В реактивном сопле высокая скорость выхода требуется, по этой причине изменения в моменте воздуха создают тягу двигателя.

Местные торможения воздушного потока также требуются, как например, в камере сгорания для создания пониженной скорости в зоне горения

Эти изменения, несомненно, влияют на размер и форму канала, по которому проходит воздух через двигатель. При превращении скорости (кинетической энергии) в давление требуется сужение канала по форме. И наоборот, при превращении энергии, накопленной в газах при горении в энергию скорости, требуются расширяющиеся каналы или сопла для получения максимального превращения энергии газов при горении в кинетическую энергию.

Конструкция каналов и сопел является очень важной, от того насколько хорошо они выполнены, зависит КПД, с которым происходит превращение энергии. Любое препятствие плавности протекания создает потери в КПД и может привести к отказу компонента из-за вибраций за счет вихрей и турбулентности потока.

Расход воздуха

Воздушный канал двигателя изменяется согласно конструкции самого двигателя. Сквозной проход потока (рис. 2-5) является основой конструкции, поскольку он обеспечивает для двигателя относительно малую фронтальную площадь (мидель) и также удобен для использования принципа двухконтурности. Напротив, система с поворотом потока увеличивает площадь лобового сечения двигателя, но снижает общую длину.

Основное отличие турбовинтовых двигателей состоит в превращении энергии газа в механическую мощность путем привода пропеллера. И только небольшая часть «реактивной тяги» используется в системе выходных газов. Большая часть энергии потока газа поглощается на ступенях турбины, которые приводят в действие пропеллер через внутренний вал.

Принцип двухконтурности требует разделения воздушного потока. Обычно, весь полученный воздух подается на переднюю ступень компрессора низкого давления и часть его, затем отводится на второй контур, остальной посылается в камеру сгорания обычным путем. Этот принцип применим для повышения КПД силовой установки и снижения удельного расхода топлива.

Важной чертой конструкции является степень двухконтурности двигателя; т.е. отношение воздуха для охлаждения к потоку , проходящему через основной канал с высоким давлением. При соотношении порядка 1:1 (низкая степень двухконтурности) два потока обычно смешиваются перед выходом из двигателя. Вентиляторный двигатель может рассматриваться как с высокой степенью двухконтурности вплоть до 5:1 и в основном отвечает требованиям использования фронтального вентилятора при двух- и трех каскадной конфигурации ( в которых вентилятор, фактически является компрессором низкого давления), как при смешивании воздушных потоков, так и без этого. Очень высокая степень двухконтурности порядка 15:1 достигается за счет использования вентилятора как пропеллера. Они являются разновидностью турбовинтовой схемы, но передовая технология позволяет эксплуатировать их с высоким КПД при больших скоростях полета.

В некоторых двигателях с фронтальным вентилятором обводной поток воздуха направляется за борт напрямую за вентилятором через короткий канал или в концевой части двигателя через удлиненный канал; отсюда термин «вентилятор с обечайкой». Другим, хотя и редко используемым, является вариант с вентилятором в задней части.

материал с http://turbo-club.3dn.ru