Найпростіший газотурбінний двигун має тільки одну турбіну, яка приводить компресор і одночасно є джерелом корисної потужності. Це накладає обмеження на режими роботи двигуна.
Іноді двигун виконується многовальним. В цьому випадку є кілька послідовно розташованих турбін, кожна з яких призводить свій вал. Турбіна високого тиску (перша після камери згоряння) завжди призводить компресор двигуна, а наступні можуть призводити як зовнішнє навантаження (гвинти вертольота або корабля, потужні електрогенератори і т.д.), так і додаткові компресори самого двигуна, розташовані перед основним.
Перевага многовального двигуна в тому, що кожна турбіна працює при оптимальному числі оборотів і навантаження. При навантаженні, що приводиться від вала одновального двигуна, була б дуже погана прийомистість двигуна, тобто здатність до швидкої розкрутки, так як турбіні потрібно поставляти потужність і для забезпечення двигуна великою кількістю повітря (потужність обмежується кількістю повітря), і для розгону навантаження. При двохвальною схемою легкий ротор високого тиску швидко виходить на режим, забезпечуючи двигун повітрям, а турбіну низького тиску великою кількістю газів для розгону. Також є можливість використовувати менш потужний стартер для розгону при пуску тільки ротора високого тиску.
Турбореактивний двигун (ТРД)
Турбореактивний двигун (англ. Turbojet engine) - тепловий двигун, в якому використовується газова турбіна, а реактивна тяга утворюється при закінченні продуктів згоряння з реактивного сопла. Частина роботи турбіни витрачається на стиснення і нагрівання повітря (в компресорі).
Схема турбореактивного двигуна:
1. вхідний пристрій;
2. осьовий компресор;
3. камера згоряння;
4. робочі лопатки турбіни;
5. сопло.
У турбореактивних двигунів стиснення робочого тіла на вході в камеру згоряння і високе значення витрати повітря через двигун досягається за рахунок спільної дії зустрічного потоку повітря і компресора, розміщеного в тракті ТРД відразу після вхідного пристрою, перед камерою згоряння. Компресор приводиться в рух турбіною, змонтованої на одному валу з ним, і що працює на тому ж робочому тілі, нагрітому в камері згоряння, з якого утворюється реактивна струмінь. У вхідному пристрої здійснюється зростання статичного тиску повітря за рахунок гальмування повітряного потоку. У компресорі здійснюється зростання повного тиску повітря за рахунок яку здійснюють компресором механічної роботи.
Ступінь підвищення тиску в компресорі є одним з найважливіших параметрів ТРД, оскільки від нього залежить ефективний ККД двигуна. Якщо у перших зразків ТРД цей показник становив 3, то у сучасних він досягає 40. Для підвищення газодинамічної стійкості компресорів вони виконуються двохкаскадний. Кожен з каскадів працює зі своєю швидкістю обертання і приводиться в рух своєї турбіною. При цьому вал 1-го каскаду компресора (низького тиску), що обертається останньої (самої низькооборотної) турбіною, проходить всередині порожнього вала компресора другого каскаду (високого тиску). Каскади двигуна так само називають роторами низького і високого тиску.
Камера згоряння більшості ТРД має кільцеву форму і вал турбіна-компресор проходить всередині кільця камери. При надходженні в камеру згоряння повітря розділяється на 3 потоку:
- Первинне повітря - надходить через фронтальні отвори в камері згоряння, гальмується перед форсунками і бере безпосередню участь у формуванні паливно-повітряної суміші. Безпосередньо бере участь в згорянні палива. Паливо-повітряна суміш в зоні згоряння палива в ВРД за своїм складом близька до стехіометричної.
- Вторинне повітря - надходить через бічні отвори в середній частині стінок камери згоряння і служить для їх охолодження шляхом створення потоку повітря з набагато більш низькою температурою, ніж в зоні горіння.
- Третинний повітря - надходить через спеціальні повітряні канали в вихідний частини стінок камери згоряння і служить для вирівнювання поля температур робочого тіла перед турбіною.
Двигун Junkers Jumo-004 - перший в світі крупносерійним ТРД.
Газоповітряна суміш розширюється і частина її енергії перетворюється в турбіні через робочі лопатки в механічну енергію обертання основного валу. Ця енергія витрачається, в першу чергу, на роботу компресора, а також використовується для приводу агрегатів двигуна (паливних підкачувальних насосів, масляних насосів і т. П.) І приводу електрогенераторів, що забезпечують енергією різні бортові системи.
Основна частина енергії, що розширюється газоповітряної суміші йде на прискорення газового потоку в соплі, який закінчується з нього, створюючи реактивну тягу.
Форсажна камера ТРДФ GE J79. Вид з боку сопла. У торці знаходиться стабілізатор горіння з встановленими на ньому паливними форсунками.
Чим вище температура згоряння, тим вище ККД двигуна. Для попередження руйнування деталей двигуна використовують жароміцні сплави, оснащені системами охолодження, і термобарьерние покриття.
Турбореактивний двигун з форсажною камерою (ТРДФ)
Турбореактивний двигун з форсажною камерою - модифікація ТРД, що застосовується в основному на надзвукових літаках. Відрізняється від ТРД наявністю форсажній камери між турбіною і реактивним соплом. У цю камеру подається додаткова кількість палива через спеціальні форсунки, яке спалюється. Процес горіння організовується і стабілізується за допомогою фронтового пристрою, що забезпечує перемішування випаруваного палива і основного потоку. Підвищення температури, пов'язане з підведенням тепла в форсажній камері, збільшує располагаемую енергію продуктів згоряння і, отже, швидкість витікання з реактивного сопла. Відповідно, зростає і реактивна тяга (форсаж) до 50%, але витрата палива різко зростає. Двигуни з форсажною камерою, як правило, не використовуються в комерційній авіації через їх низьку економічності.
Двоконтурний турбореактивний двигун (ТРДД)
Можна сказати, що з 1960-х і донині, в літакової авіадвигунобудуванні - ера ТРДД. ТРДД різних типів є найбільш поширеним класом ВРД, використовуваних на літаках, від високошвидкісних винищувачів-перехоплювачів з ТРДДФсм з малим ступенем двоконтурного, до гігантських комерційних і військово-транспортних літаків з ТРДД з високим ступенем двоконтурного.
Схема турбореактивного двоконтурного двигуна:
1. компресор низького тиску;
2. внутрішній контур;
3. вихідний потік внутрішнього контуру;
4. вихідний потік зовнішнього контуру.
В основу двоконтурних турбореактивних двигунів покладено принцип приєднання до ТРД додаткової маси повітря, що проходить через зовнішній контур двигуна, що дозволяє отримувати двигуни з більш високим польотним ККД, порівняно зі звичайними ТРД.
Пройшовши через вхідний пристрій, повітря потрапляє в компресор низького тиску, іменований вентилятором. Після вентилятора повітря розділяється на 2 потоку. Частина повітря потрапляє у зовнішній контур і, минаючи камеру згоряння, формує реактивний струмінь в соплі. Інша частина повітря проходить крізь внутрішній контур, повністю ідентичний з ТРД, про який говорилося вище, з тією різницею, що останні ступені турбіни в ТРДД є приводом вентилятора.
Одним з найважливіших параметрів ТРДД, є ступінь двоконтурного (m), тобто відношення витрат повітря через зовнішній контур до витрати повітря через внутрішній контур. (M = G2 / G1. Де G1 і G2 витрата повітря через внутрішній і зовнішній контури відповідно.)
При ступеня двоконтурності менше 4 (m<4) потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 - потоки викидаються окремо, так як через значну різницю тисків і швидкостей змішання важко.
У ТРДД закладений принцип підвищення польотного ККД двигуна, за рахунок зменшення різниці між швидкістю витікання робочого тіла з сопла і швидкістю польоту. Зменшення тяги, яке викличе зменшення цієї різниці між швидкостями, компенсується за рахунок збільшення витрати повітря через двигун. Наслідком збільшення витрати повітря через двигун є збільшення площі фронтального перетину вхідного пристрою двигуна, наслідком чого є збільшення діаметра входу в двигун, що веде до збільшення його лобового опору і маси. Іншими словами, чим вище ступінь двоконтурного - тим більшого діаметру буде двигун при інших рівних умовах.
Все ТРДД можна розбити на 2 групи:
У ТРДД зі змішанням потоків (ТРДДсм) потоки повітря з зовнішнього і внутрішнього контуру потрапляють в єдину камеру змішання. У камері змішання ці потоки змішуються і залишають двигун через єдине сопло з єдиної температурою. ТРДДсм більш ефективні, однак наявність камери змішання призводить до збільшення габаритів і маси двигуна
ТРДД як і ТРД можуть бути забезпечені регульованими соплами і форсажними камерами. Як правило це ТРДДсм з малими ступенями двоконтурності для надзвукових військових літаків.
Військовий ТРДДФ EJ200 (m = 0,4)
Двоконтурний турбореактивний двигун з форсажною камерою (ТРДДФ)
Двоконтурний турбореактивний двигун з форсажною камерою - модифікація ТРДД. Відрізняється наявністю форсажній камери. Знайшов широке застосування.
Відпрацьовані гази, що виходять з турбіни, змішуються з повітрям, що поступає із зовнішнього контуру, а потім до загального потоку підводиться тепло в форсажній камері, що працює за таким же принципом, як і в ТРДФ. Відпрацьовані гази в цьому двигуні закінчуються з одного загального реактивного сопла. Такий двигун називається двоконтурним двигуном із загальною форсажною камерою.
ТРДДФ з відхиляється вектором тяги (ОВТ).
Управління вектором тяги (УВТ) / Відхилення вектора тяги (ОВТ)
Спеціальні поворотні сопла, на некоторох ТРДД (Ф), дозволяють відхиляти закінчується з сопла потік робочого тіла щодо осі двигуна. ОВТ призводить до додаткових втрат тяги двигуна за рахунок виконання додаткової роботи по повороту потоку і ускладнюють керування літаком. Але ці недоліки повністю компенсуються значним підвищенням маневреності і скороченням розбігу літака при зльоті та пробігу при посадці, до вертикальних зльоту і посадки включно. ОВТ використовується виключно у військовій авіації.