В поршневом двигателе возможность увеличить частоту вращения вала ограничена: препятствуют силы инерции поступательно движущихся поршней, увеличиваются массы, поперечное сечение двигателя, а отсюда - рост аэродинамического сопротивления фюзеляжа или моторных гондол самолета. Увеличение среднего эффективного давления связано с огромными пиковыми нагрузками от газовых сил вблизи ВМТ.
Поэтому нужен двигатель, способный пропускать большую массу рабочего тела, но лишенный недостатков поршневого. Таким двигателем и стал ГТД. Если мы хотим иметь компактный двигатель большой мощности, скорость протекающего через него рабочего тела должна быть высокой, значит высокой будет и скорость струи, вытекающей из сопла двигателя.
Чем ближе к единице отношение скоростей полета и вытекающей из сопла реактивной струи, тем выше полезный КПД самолета. Но с ростом скорости увеличиваются аэродинамическое сопротивление и затраты мощности на его преодоление. Для сверхзвуковых истребителей, для которых важны скоростные характеристики, потерями мощности можно пренебречь, а для транспортных или пассажирских самолетов, для которых определяющими параметрами являются дальность полета и экономичность (величины взаимосвязанные), оптимальными являются скорости в пределах 850...900 км/ч. Поэтому, спустя 2...3 г. после появления турбореактивных двигателей, были созданы турбовинтовые двигатели, имеющие как турбину компрессора, так и силовую турбину, связанную через редуктор с валом винта.
Известно, что винт, помещенный в направляющий тоннель, имеет гораздо большую эффективность, чем открытый. Но помещать в тоннель тихоходный винт большого диаметра невыгодно, громоздко и аэродинамика ухудшается. Поэтому винт заменили многоступенчатым вентилятором, вращающимся с высокой частотой и способным прокачивать значительное количество рабочего тела - воздуха. И вот в начале 60-х гг. в авиации была реально воплощена идея Люлька - появились турбовентиляторные реактивные двигатели (рис. 128), или так называемые двухконтурные турбореактивные двигатели. Экономичность таких двигателей оказалась существенно выше - при значительной массе прокачивавшегося рабочего тела скорость струи, вытекавшей из сопла, уменьшилась, приблизилась к оптимальной скорости полета. Именно турбовентиляторные двигатели получили самое широкое распространение на самолетах гражданской авиации и на транспортных самолетах.
Рис. 128. Схема турбовентиляторного реактивного двигателя: 1 - вентилятор; 2 - компрессор; 3 - турбина компрессора; 4 - турбина вентилятора
Успешное внедрение ГТД в авиации уже в начале 50-х гг. привлекло к ним внимание создателей наземных транспортных средств и морских быстроходных судов. Однако непосредственное применение авиационных ГТД на наземные машины оказалось нецелесообразным по многим причинам.
Для наземных машин не так актуальна проблема соотношения массы, габаритов и мощности двигателя. Существующие поршневые двигатели, за редким исключением машин специального назначения или боевых, вполне обеспечивают выполнение возложенных на них задач.
Поэтому на наземном транспорте ГТД может конкурировать с поршневыми при условии, что его экономичность и стоимость производству не будут существенно отличаться от поршневого двигателя. Существенное повышение экономичности ГТД возможно за счет использования теплоты отработавших газов при подогреве в теплообменнике сжатого воздуха. На первых этапах развития транспортных ГТД в конце 50-х - начале 60-х гг. усилия конструкторов были направлены на создание эффективных теплообменников.
Исследования показали, что для двигателей с теплообменниками нецелесообразна слишком высокая степень повышения давления, ее можно ограничить значениями πк, равными 5...7. Для обеспечения такого πк оказалось достаточным использовать центробежный компрессор, который, кроме всего, оказался значительно меньше, чем осевой подвержен абразивному воздействию запыленного воздуха, неизбежного при эксплуатации ГТД в наземных условиях. Радиальный центробежный компрессор оказалось возможным применить для транспортных ГТД еще и потому, что на наземной машине отсутствует такое жесткое ограничение по поперечному сечению, как в авиации.
Если для авиационного двигателя характерна достаточно длительная работа на установившихся режимах при полете с крейсерской скоростью, то для наземных транспортных средств характерны резкопеременные режимы работы двигателя в широком диапазоне нагрузок и частот вращения вала. Поэтому наряду с решением общих для ГТД задач совершенствования проточной части за счет тщательного профилирования лопаток, повышения технологической дисциплины изготовления, повышения жаростойкости и жаропрочности конструкции, качества смесеобразования и т.п. конструкторы вынуждены были решать задачи оптимального регулирования мощности и обеспечения экономичности транспортных ГТД на переменных режимах.
Рассмотрим несколько подробнее комбинированные агрегаты с ГТД, которые пригодны только для наземного транспорта или судовых силовых агрегатов.
Даже в современном ГТД основная доля мощности турбины затрачивается на привод компрессора, причем сжатый воздух на входе в камеру сгорания выполняет функции крышки цилиндра. Если эту крышку сделать действительно жесткой? Если вернуться к идее, заложенной в первых конструкциях ГТД периодического сгорания. Такой "жесткой крышкой" с успехом может быть поршневой двигатель-дизель, который одновременно играет роль поршневого насоса (вместо турбокомпрессора) и избыточную часть мощности передает на вал. Причем дизель способен работать на весьма обедненных смесях, в которых избыток кислорода позволяет еще подогреть отработавшие газы перед входом на турбину за счет сжигания топлива в промежуточной камере сгорания.
Если часть мощности турбины использовать для привода компрессора, который обеспечит наддув дизеля, то получается еще более экономичный агрегат. Для наддува дизель-насоса не нужно высоких давлений: достаточно, чтобы степень повышения давления πк=2. Идея комбинированных агрегатов нашла очень широкое развитие, причем ГТД и поршневому двигателю отводились разные роли. В одном случае ГТД превращался просто в агрегат наддува, и он становился турбокомпрессором (мощность отбиралась только с вала поршневого двигателя). В другом, крайнем, случае поршневой двигатель играл роль только компрессора, и тогда отпадала необходимость в целом ряде механизмов. Поршневой двигатель превращался в свободно-поршневой генератор газа. Экономичность таких комбинированных установок оказалась существенно выше, чем у самых совершенных дизелей, не говоря уже об экономичности ГТД.