Устройство турбореактивного двигателя - часть 10

 

 

Рис. 36. Схема двухступенчатой газовой турбины и примерное изменение параметров газа 

в ее элементах Рис. 37. Нагрузки на лопатку 

 

Если нагреть железо до красного каления, го оно становится мягким, пластичным — 

хорошо куется. Если бы изготовить лопатки турбины из железа, то они от действия тем-
пературы и нагрузок быстро бы деформировались и разрушились. 

Создание жаропрочных сплавов — дело очень трудное. Долгое время не могли соз-

дать надежно работающей газовой турбины из-за отсутствий материала для лопаток и ка-
мер сгорания. 

Усилиями  советских  ученых  и  производственников  были  созданы  жаропрочные 

сплавы, из которых изготовлены лопатки газовых турбин, надежно работающие в течение 
сотен часов. 

При  высокой  температуре  под  нагрузкой  у  металлов  особенно  резко  проявляется 

свойство ползучести. 

Ползучесть — это  появление  остаточной  деформации  в  металлической  детали  под 

действием нагрузки. 

Если на стержень (рис. 38) подвесить груз и длительное время стержень нагревать, 

то он удлинится. После снятия груза и охлаждения стержня его длина оказывается не рав-
ной исходной длине — она будет несколько больше. Величина, на которую стержень вы-
тянулся, и называется ползучестью. 

 

Рис. 38. Ползучесть материала. 

Ползучесть  незначительна  при  обычной  температуре.  Но  при  длительном  пребыва-

нии материала при высокой температуре под нагрузкой она может достичь значительной 
величины. 

При работе турбины лопатки нагреваются до светло-красного каления (850—900° С) 

и растягиваются центробежной силой, при этом они ползут (удлиняются), и зазор между 
торцом лопаток и корпусом турбины уменьшается. Поэтому в эксплуатации через каждые 
25—50  часов  работы  двигателя  проверяют  величину  зазора  между  торцами  лопаток  и 
корпусом  турбины,  чтобы  убедиться,  что  зазор  есть  и  обеспечивает  безопасную  работу 
турбины.  Наконец,  материал  лопаток  не  должен  коррозировать  ни  в  газовом  потоке,  ни 
при атмосферных условиях {когда двигатель не работает). 

 

ПОТЕРИ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ 

Нет, и не может быть ни одного типа двигателя, в котором преобразование энергии в 

механическую работу происходило бы без потерь. 

В газовой турбине имеют место следующие потери энергии: 
—  гидравлические; 
—  тепловые; 
—  механические. 
Гидравлические потери возникают при движении потока газа по каналам соплового 

аппарата  и  колеса.  Они  складываются  из  потерь  на  трение  газов  о  стенки  лопаток  (про-
фильные потери), на образование вихрей и на перетекание газа из области повышенного 
давления в область пониженного давления. С этими потерями мы уже познакомились, ко-
гда рассматривали потери в ступени осевого компрессора. 

Но не весь поток газов, вытекающий из соплового аппарата, попадает на лопатки ко-

леса. Часть газов протекает мимо лопаток по радиальному зазору и работы не совершает. 
Это увеличивает потери в турбине. 

Для обеспечения надежной и длительной работы турбины почти во всех турбореак-

тивных двигателях применяется охлаждение воздухом соплового аппарата, диска турбины 
и иногда лопаток колеса. При этом воздух уносит часть тепла; это будут тепловые потери. 

Перечисленные потери энергии в турбине составляют 8—12% от работы расширения 

газов. 

Газы, покидающие турбину, обладают большой скоростью (с

4

 = 400 л/сек). Для тур-

бины  это — потерянная  энергия.  В  ТРД  газы  после  турбины  подводятся  к  реактивному 
насадку, где дополнительно разгоняются и создают, вытекая в атмосферу, реактивную тя-
гу. Поэтому потери с выходной скоростью относятся к потерям турбины условно. 

Общий  коэффициент  полезного  действия  одноступенчатой  турбины  равен 0,72—

0,76. 

Механические потери — это потери на трение в подшипниках турбины, они невели-

ки и составляют около 1% от мощности турбины. Но этот 1% составляет в рассмотренном 
нами случае около 140 л.с. 

 

4. ИСТЕЧЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ 

РЕАКТИВНЫЙ НАСАДОК 

Газы, покидающие газовую турбину, имеют большой запас потенциальной энергии. 

Так, давление газов за турбиной равно 1,5—1,8 

кг/см

2

, а температура 600—700° С. 

Поток горячих газов подводится по выхлопной трубе к реактивному насадку, в кото-

ром часть энергии газов используется на создание реактивной тяги. 

Реактивный насадок преобразует давление и температуру протекающего по нему га-

зового потока в скорость увеличивает скорость истечения газового потока. 

Сила воздействия вытекающего газового потока на двигатель и есть реактивная тяга 

двигателя. 

В  зависимости  от  типа  самолета  между  выхлопной  трубой  и  реактивным  насадком 

может устанавливаться удлинительная труба. 

На бомбардировщиках длина ее достигает нескольких метров. 
Удлинительная труба сваривается из листов жаростойкого сплава и покрывается те-

пловой  изоляцией  для  уменьшения  потерь  тепла  газами  в  окружающую  среду  и  предо-
хранения от нагрева деталей самолета, расположенных вблизи турбины. 

Для уменьшения потерь при движении газового поток; по удлинительной трубе она 

делается  расширяющейся.  Скорость  течения  газа  по  расширяющемуся  каналу  умень-
шается, а это приводит к уменьшению потерь на трение стенки трубы. 

Реактивный насадок (его часто называют реактивным соплом) представляет кониче-

скую трубу со специально подобранной для данного двигателя площадью выходного от-
верстия. 

Изменение площади выходного отверстия изменяет тягу двигателя (так как при этом 

изменяется  скорость  истечения  газов).  На  одном  из выполненных ТРД уменьшение диа-
метра реактивного насадка на 1 

мм уменьшает тягу двигателя примерно на 15 кг. 

Скорость истечения газов из реактивного насадка тем больше, чем больше давление 

и температура газов за турбиной. 

Изменение  параметров  газа  в  выхлопной  трубе  и  реактивном  насадке  показано  на 

рис. 39. При движении газа по выхлопной трубе скорость его уменьшается (за счет увели-
чения площади сечения трубы), а температура и давление немного увеличиваются. 

 

 

Рис. 39. Изменение параметров газа в выхлопной трубе и реактивном насадке 

И только в реактивном насадке за счет падения температуры и давления резко уве-

личивается скорость истечения, достигая на выходе 550—600 

м[сек. 

При полном расширении давление газов на выходе из насадка равно давлению окру-

жающей среды. Обычно же давление на выходе Р

5

 немного больше давления окружающей 

среды, так как

 газ в реактивном насадке расширяется не полностью. 

Площадь  выходного  сечения  реактивного  насадка  оказывает  значительное  влияние 

на работу всего двигателя и на величину развиваемой силы тяги. Поэтому на реактивных 
двигателях,  имеющих  форсаж,  устанавливают  реактивный  насадок  с  регулируемой  пло-
щадью выходного сечения. 

 

ФОРСИРОВАНИЕ ТЯГИ ТРД 

Форсирование  тяги — это  кратковременное  увеличение  тяги  данного  двигателя  по 

сравнению с расчетной (номинальной). 

Повышение тяги необходимо при взлете и в воздушном бою, где нужно быстро дог-

нать и атаковать противника или выйти из зоны огня зенитной артиллерии. 

Известны следующие способы форсирования: 
1.  Повышение температуры газов перед турбиной. 
2.  Дополнительное сжигание топлива за турбиной. 
3.  Охлаждение воздуха, сжимаемого в компрессоре.  
Рассмотрим эти способы.