3.3 Полная эффективность

Тяговая эффективность связывает величину работы по перемещению самолёта с величиной кинетической энергии, которая действует на поток в двигателе, но никак не связана с тепловой энергией, затраченной при сжигании топлива. Определим тепловую эффективность (т.е. термическую эффективность):

,

(3.7)

где ΔKE - величина кинетической энергии, подведенной к воздуху, которая характеризует работу воздуха, проходящего через двигатель. Тепловая эффективность – это отношение работы газовой турбины к энергии сгоревшего топлива. Здесь LCV - это низшая теплотворная способность, которая является химической энергией, как более низкая тепловая величина топлива, преобразованная в тепловую энергию, когда несконденсированная вода в воздухе остаётся как пар. (Поток газа, на выходе из турбины, имеет высокую температуру) и тепловая эффективность для этого процесса выглядит таким образом:

(3.8)

Полная эффективность представлена как:

(3.9)

Что можно дополнить, подставляя в сформулированные ранее выражения:

(3.10)

Так как полная эффективность обратно пропорциональна удельному расходу топлива, следовательно, полная эффективность η₀ не прямо пропорциональна скорости полета, т. к. удельный расход топлива сам есть функция от скорости полета. Чтобы завершить анализ полной эффективности необходимо понять, что определяет тепловую эффективность η_th.

БИЛЕТ № 7

1. Задание характеристик вентилятора ТРДД. (11.3)

11.3 Вентилятор

Вентилятор это видоизменённый компрессор. Для гражданского двигателя вентилятор состоит из одной ступени, создающей отношение давлений не более 1.8. Для вентиляторов военных двигателей характерно отношение давлений равное 4 для двух или трёх ступеней. Вентилятор должен пропускать максимально возможное количество воздуха через единицу площади, т.е. лопатки должны быть длинными, а радиус втулки очень маленьким; отношение втулки к радиусу корпуса, на входе в вентилятор, должно быть не больше 0.4. В современных гражданских двигателях на входе в вентилятор, как правило, нет лопаток статора (обычно, называемых как входные направляющие аппараты или ВНА), но для вентиляторов военных двигателей входные направляющие аппараты получили широкое применение. На рисунке 11.4 показана характеристика вентилятора гражданского двигателя, которая выражает зависимость отношения давления торможения от безразмерного удельного массового расхода для различных безразмерных скоростей. (Здесь применена распространённая система счисления, проиллюстрированная на рисунке 7.1; где - это среднее давление потока, - массовый расход потока, проходящего через вентилятор). Как отмечено в теме 8, принято не учитывать постоянные для данного процесса, как правило, это касается свойств воздуха (R, C_P и k) и площади А. Масса потока тогда выражается, как:

,

а для угловой скорости вращения:

.

Рисунок 11.4. Характеристика изменения отношения давлений и изоэнтропической эффективности от массового расхода для постоянных безразмерных угловых скоростей.

_{Результаты, как правило, представлены в виде массы потока и скорости, где} и N отображают стандартное состояние на входе, применив выражения и а численные значения P_02ref = 1.01 бар и T_02ref = 288 K.

_{Тогда пересчитанные выражения массового расхода и скорости примут вид:}

и .

В этой системе единицы измерения сохраняются (например, кг/сек и об/мин) и, так как элементы δ и θ довольно близки к общепринятым физическим постоянным, это является удобным.

Графики зависимости степени повышения давления от массового расхода при постоянной частоте вращения отображают ряд общих свойств, характерных для всех компрессоров. При уменьшении массового расхода, давление увеличивается. Уменьшение массового расхода подобно уменьшению осевой скорости в вентиляторе или компрессоре и, для постоянной частоты вращения, снижение осевой скорости даёт увеличение угла атаки. Все это связано с увеличением степени повышения давления по мере того как падает величина массового расхода. Отношение давлений, и массовый расход одновременно быстро растут со скоростью, поэтому линии постоянной скорости отчётливо разделены. Если этот темп поддерживать постоянным, тогда массовый расход будет пропорционален частоте вращения вентилятора, а рост давления будет пропорционален квадрату частоты вращения.

Линии зависимости степени повышения давления от постоянной скорости, изображённые на рисунке11.4, изменяются по кривизне при увеличении скорости. При низкой частоте вращения вентилятора, по мере того как скорость потока уменьшается, линии постепенно закручиваются, пока не станут почти горизонтальными, но при более высоких скоростях и низких степенях повышения давления линии становятся вертикальными, что соответствует запиранию роторных лопаток. Массовый расход, при котором происходит это запирание, возрастает вместе с частотой вращения потому, что увеличение скорости приводит к увеличению заторможенного давления. С уменьшением степени повышения давления при запертых скоростях, быстро уменьшается эффективность. Отсюда можно судит о том, что эффективность сильно зависит и от массового расхода и от скорости.

На графике зависимости степени повышения давления от массового расхода, изображённом на рисунке 11.4, есть две линии, добавленные к линиям постоянной частоты вращения вентилятора. Самой высокой является линия помпажа компрессора, которая показывает максимальное увеличение давления, которое вентилятор может произвести при любой частоте вращения. Попытка работы со значениями выше или левее этой линии приведет или к падению степени повышения давления (при этом двигатель остановится), или к интенсивному колебанию потока (что приведёт к срыву потока с лопаток), и то и другое неприемлемо. Другой кривой является геометрическое место точек максимальной эффективности при уменьшении скорости (этот процесс более подробно описан в разделе 19.1). Выходное сопло гражданских двигателей, при работе на стендовых режимах, не запирается, но при крейсерских режимах работы высокое заторможенное давление на входе в вентилятор по отношению к статическому давлению, запирает сопло, и рабочая кривая линия, соответствующая этому процессу, расположена в самом низу графика.

Так же на рисунке 11.4 показаны кривые зависимости адиабатической эффективности от массового расхода при различных скоростях. Адиабатический эффективностКПД для компрессора или вентилятора определяется по следующей формуле:

(11.1)

где _{. На рисунке 11.4 изображена обычная форма представления работы компрессора или вентилятора, было бы не точно, если вместо заданных величин степени повышения давления, на данном графике, отображались бы величины отношений T013 – T02 или ( T013 – T02 ) / T02.}

_{Внешний вид вентилятора военного двигателя подобен тому, что изображён на рисунке 11.4, но его максимальное отношение давлений составляет 4, а эффективность значительно ниже.}

2. Важнейшие параметры современных самолётов истребителей Параметры изучаемого проекта . (13.3)