Путь, который воздух проходит через газотурбинный двигатель, варьируется в зависимости от конструкции двигателя. Система прямого потока (рис. 1-8) является базовой конструкцией, так как она предусмотрена для двигателей с относительно небольшой фронтальной площадью, а также подходит для использования принципа байпаса. В отличие от этого, система обратного потока дает двигатель с большей фронтальной площадью, но с уменьшенной габаритной длиной. Однако, функционирование всех двигателей сходно. Изменения, обусловленные различиями в конструкции, описаны в последующих параграфах.
Основное отличие турбовинтового двигателя состоит в преобразовании энергии газа в механическую энергию для привода винта.
Рисунок 1-7. Двигатель серии Pratt & Whitney JT8D. a. Внешний вид Pratt & Whitney JT8D-200. b.Схематическое изображение, показывающее расположение внутренних частей, а также давление и температуру в различных точках двигателя JT8D.
1 противообледенительные отверстия для выпуска воздуха
2 вход вентилятора
3 лопасти вентилятора первой ступени
4 ротор переднего компрессора
5 крылья выпускного отверстия вентилятора
6 промежуточный корпус выпускного отверстия вентилятора
7 распорка промежуточного корпуса выпускного отверстия вентилятора
8 масляное сопло - подшипники № 2 и 3
9 ротор заднего компрессора
10 задняя втулка ротора заднего компрессора
11 воздуховод диффузора
12 топливное сопло
13 масляное сопло - подшипник № 4
14 камера сгорания
15 внутренний корпус камеры сгорания
16 лопасти турбины первой ступени
17 диск и лопасти турбины второй ступени
18 диск и лопасти турбины третьей ступени
19 диск и лопасти турбины четвертой ступени
20 распорка выхлопного отверстия
21 теплозащитный экран – подшипник № 6
22 лопатки турбины четвертой ступени
23 лопатки турбины третьей ступени
24 лопатки турбины второй ступени
25 лопатки турбины первой ступени
26 заглушка воспламенителя
27 КПП Привод конический редуктор
28 соединитель трубок - подшипник №1
Рисунок 1-7. (Продолжение) с. Вид в разрезе ранней версии турбовентиляторного двигателя JT8D с названиями некоторых внешних и внутренних частей, d. Схематическое изображение двигателя серии JT8D-200 с одноступенчатым вентилятором на передней панели и смесителем на задней панели. е. Вид в разрезе JTD8-200. (Источник: Treager, Aircraft Gas Turbine Engine Technology, Third Edition. New York: McGraw-Hill, 1996)
SINGLE-STAGE FAN | Одноступенчатый вентилятор |
ACOUSTIC TREATMENT | Акустическая обработка |
AIR-COOLED FIRST TURBINE BLADE | Лопатки первой турбины с воздушным охлаждением |
MIXER | смеситель |
Только небольшое количество "реактивной тяги" можно получить в выхлопной системе. Большая часть энергии потока газа поглощается дополнительными ступенями турбины, которые приводят в действие винт через внутренние валы.
Как видно на рисунке 1-8, принцип байпаса предполагает разделение воздушного потока. Всему поступившему воздуху придается начальная низкая степень сжатия, и часть его направляется в байпас, а остальная часть подается в систему сгорания в обычном порядке. Этот принцип способствует улучшению пропульсивной эффективности и удельного расхода топлива.
Важной особенностью конструкции двигателя с байпасом является степень двухконтурности, то есть отношение прохладного воздуха, отведенного через внешний контур, к потоку воздуха, проходящего через систему высокого давления. При низких степенях двухконтурности, т.е. порядка, 1:1, два потока, как правило, смешиваются перед выхлопом из двигателя. Вентиляторный двигатель можно рассматривать как расширение принципа байпаса. Потребность в высокой степени двухконтурности, до 5:1, в значительной степени реализуется с помощью переднего вентилятора в двух или трех контурной конфигурации (в этом случае вентилятор, на самом деле, является компрессором низкого давления), с перемешиванием и без перемешивания воздушных потоков. Очень высокие степени двухконтурности, порядка 15:1, достигаются благодаря использованию винтовентиляторов. Это вариация на турбовинтовую тему, но с винтами по последнему слову передовой технологии, которые способны работать с высокой эффективностью при высокой скорости самолета.
На некоторых двигателях с передними вентиляторами, воздушный поток из внешнего контура направляется за борт, либо непосредственно за вентилятором через короткие каналы или в задней части двигателя через более длинные трубки; отсюда термин "вентилятор в кольцевом обтекателе". Другим, хотя и редко используемым вариантом, является кормовой вентилятор.
Рисунок 1-8. Системы воздушного потока (Источник: Rolls Royce)
AIR INTAKE | воздухозаборник |
PROPELLING NOZZLE | Реактивное сопло |
COMPRESSION | Сжатие |
COMBUSTION | Сгорание |
EXPANSION | Расширение |
EXHAUST | Выхлоп |
TOTAL PRESSURE | Полное давление |
Flame temperature | Температура факела |
AXIAL VELOCITY | Осевая скорость |
TEMPERATURE | температура |
TYPICAL SINGLE-SPOOL AXIAL FLOW TURBO-JET ENGINE | Типичный одноконтурный турбореактивный двигатель с осевым компрессором |
LOW PRESSURE COMPRESSOR | Компрессор низкого давления |
HIGH PRESSURE COMPRESSOR | Компрессор высокого давления |
TWO-STAGE CENTRIFUGAL FLOW TURBO-PROPELLER ENGINE | Двухступенчатый турбовинтовой двигатель с центробежным компрессором |
TWIN-SPOOL AXIAL FLOW TURBO-PROPELLER ENGINE | Двухконтурный турбовинтовой двигатель с осевым компрессором |
REVERSE FLOW COMBUSTION SYSTEM | Система сгорания обратного потока |
FREE POWER TURBINE | Свободная силовая турбина |
TWIN-SPOOL TURBO-SHAFT ENGINE(with free power turbine) | Двухконтурный турбовальный двигатель (со свободной силовой турбиной) |
При определении термодинамических циклов, необходимо указать вид двигателя или позиции, используемые для измерения давления и температуры, с целью детализации теплового цикла. Кроме того, нужно в простейшем виде определить протекание цикла: другими словами, что именно протекает (воздух, топливо, горячие газы, закачиваемая жидкость, потоки теплообменника), где и как. Эта информация помогает определить конфигурацию и эффективность газовой турбины.