Тема 3 Создание тяги в реактивном двигателе

3.0 Введение

Создание тяги – главное назначение двигателей, поэтому рассмотрим, как это происходит. Создание тяги - это простое следствие из законов движения Ньютона, применённое к установившемуся потоку. Тяга, требуемая для сообщения реактивному самолёту импульса, создается из того, что на выходе из двигателя поток имеет большую кинетическую энергию, чем на входе. Увеличение энергии в реактивном двигателе предполагает подвод энергии от горения топлива. Возникает необходимость определения тяговой эффективности (если рассматривать только механические аспекты) и полной эффективности (если рассматривать энергию, поступающую при сгорании топлива).

3.1 Изменение импульса

Рисунок 3.1. Двигатель с большой степенью двухконтурности, установленный под крылом.

В этой теме кратко рассмотрено создание тяги. На рисунке 3.1 показан двигатель, размещённый на пилоне под крылом. В зоне пилона, окружающей весь двигатель, находится контрольная поверхность. Единственная сила, приложенная к двигателю, передается через пилон. Предполагается, что статическое давление вокруг контрольной поверхности однородно, поэтому пилон должен иметь достаточную длину и слабо воздействовать на крыло. Фактически мы предполагаем, что только крыло создаёт подъёмную силу и лобовое сопротивление, не принимая во внимание наличие двигателя; это суждение не строгое, но допустимое для наших рассуждений. Топливо к двигателю поступает через пилон, но его скорость невысока и она не создает заметного импульса. Массовый поток воздуха входит в двигатель; - на два порядка больше величины .

При расчёте тяги рассматривается поток импульса перпендикулярный контрольной поверхности вокруг двигателя; давление по контрольной поверхности принято постоянным и оно не создаёт никакой силы. Мы рассматриваем импульс, совокупно перемещающийся с двигателем, следовательно, воздух, вошедший в контрольную поверхность, движется со скоростью полёта V. Большая часть воздуха, проходящая через контрольную поверхность, идёт вокруг двигателя, и только малая его часть попадает в двигатель. Рассматривая потоки, проходящие через контрольную поверхность и через весь двигатель, для каждого из них можно записать уравнение:

Поток импульса на входе в двигатель

Поток импульса на выходе из двигателя

Тяга нетто F_n, возникающая в полёте равна разности этих двух потоков импульса:

(3.1)

Если двигатель эксплуатируется на стенде (или на неподвижном самолёте), возникающая тяга называется тягой брутто (характерна для V = 0)

(3.2)

Тяги нетто и брутто различаются наличием величины импульса , который часто называется входным импульсом, таким образом:

Здесь (и далее) не принимается во внимание наличие сопротивления на внешней стороне мотогондолы, которое привело бы к сокращению полезной тяги. Поскольку величина сопротивления мотогондолы не может быть измерена и оценена полностью, это вызывает серьёзные споры между изготовителями двигателя и самолета.

К сожалению, сопротивление мотогондолы становится все более существенным по мере проектирования двигателей с большой тягой и большой степенью двухконтурности.