Принципиальная схема турбореактивного двигателя с форсажной камерой

Н'-В – входное устройство;

В-К – компрессор;

К-Г – камера сгорания;

Г-Т – турбина;

Т-Ф – форсажная камера;

Ф-С – выходное сопло.

В большинстве случаев применение форсажной камеры (Т - Ф) требует устройства за ней выходного сопла с регулируемой (изменяемой) площадью проходного сечения для дозвукового и сверхзвукового режимов полета. Это объясняется тем, что при работающей форсажной камере вследствие роста температуры сильно повышается объемный расход газа, для чего проходное сечение сопла должно быть увеличено (сопло раскрывается).

Если двигатель вышел на форсажный режим работы, а площадь выходного сечения сопла осталась прежней, как для дозвукового режима, то сложится следующая ситуация. В форсажной камере осуществляется дожигание газовой смеси: несгоревшего воздуха и дополнительной порции керосина, поданного через свечи. В результате этого скорость истечения газового потока на срезе сопла будет увеличиваться. Так как площадь выходного сечения сопла осталась прежней, то на выходе из сопла в сечении С - С произойдет торможение газового потока. Торможение приводит к повышению давления на срезе сопла. Волна повышения давления доходит до сечения на выходе из турбины. Так как давление на выходе из турбины повысилось, следовательно, изменился перепад давления на турбине, что привело в свою очередь к уменьшению расхода воздуха, проходящего через турбину. Так как расход воздуха уменьшился, повысилась температура газа на входе в турбину, что приводит к прожиганию и выходу из строя лопаточной машины турбины.

Возможен и более худший вариант, когда давление за турбиной превышает давление перед турбиной, т.е. произойдет противоток воздуха и двигатель работать не будет.

Поэтому при выходе двигателя на форсажный режим необходимо увеличить площадь проходного сечения сопла. Этим объясняется установка сопла с регулируемой площадью проходного сечения.

Применение форсажных камер позволило поднять стартовую тягу на 30 - 50% при относительно небольшом утяжелении двигателя и тем самым решило задачу улучшения взлетных характеристик самолетов. Вместе с тем сжигание в форсажной камере дополнительного топлива при более низком давлении, чем основного, приводит к худшему преобразованию выделяющегося тепла в работу, а более высокие скорости выходящего газового потока обуславливают менее совершенное использование полученной работы на создание тяги. Все это сильно снижает экономичность двигателя на взлетном форсированном режиме, так что выигрыш в тяге достигается очень большим перерасходом топлива.

В дальнейшем форсажные камеры стали использоваться как мощное средство улучшения летных качеств самолетов – максимальной скорости и высоты полета, маневренности и др. В настоящее время ТРДФ является основным типом двигателя для самолетов с большими сверхзвуковыми скоростями полета, которые достигли порядка 3000 км/ч на высотах 18-20 км. Подобные скорости полета и обусловленное ими высокое скоростное сжатие позволяют сохранять удовлетворительную экономичность и при работе двигателя на форсированном режиме.

Худшая экономичность ТРД, чем поршневых двигателей с винтом, делала невыгодным их применение на пассажирских и транспортных самолетах, летающих на большие расстояния: снижение веса конструкции не компенсировало сильно возрастающий вес запаса топлива на полет, поэтому удельный вес силовой установки при использовании ТРД увеличивался.

§ 1.6. Турбовинтовые двигатели.

Поскольку основной причиной лучшей экономичности силовой установки с поршневым двигателем, чем с ТРД, было применение винта, то вскоре после создания ТРД с целью использования преимуществ их более легкой конструкции были разработаны на их основе газотурбинные двигатели, предназначенные для вращения винта. Эти двигатели получили название турбовинтовых (ТВД).