5.2 Двигатели большой степени двухконтурности

По договорённости, являющейся нормой для всех современных воздушных авиалайнеров, двигатели со степенью двухконтурности равной 5 и более являются двигателями с большой степенью двухконтурности. На рисунке 5.4 представлены три вида современных двигателей, предназначенных для эксплуатации на самолёте Boeing 777: (a) двигатель фирмы Rolls-Royce «RB211», (b) двигатель фирмы Pratt & Whitney «4084» и (c) двигатель марки «GE90», разработанный фирмой General Electric.

Рисунок 5.4 (a) Rolls-Royce «884», (диаметр вентилятора на входе 2.79 м).

Рисунок 5.4 (b). Двигатель Pratt & Whitney «4084», (диаметр вентилятора на входе 2.84м).

5.4 (C). Двигатель General Electric «ge90», (диаметр вентилятора на входе 3.12м).

Двигатели фирм Rolls-Royce «RB211» и Pratt & Whitney «4084» имеют степень двухконтурности равную 6 (обратим внимание на тот факт, что двигатель «GE90», имеет степень двухконтурности равную 9). Схема двигателя фирмы Rolls-Royce заметно отличается наличием трёх концентрических валов: НД, СД (среднего давления) и ВД, по сравнению с двигателями компаний Pratt & Whitney и General Electric, которые имеют только по два вала: НД и ВД. Из западных компаний только Rolls-Royce использовала схему с тремя валами; подобная конфигурация имеет аэродинамические преимущества, особенно в скорости, но уступает по стоимости и механической сложности. Для двигателей с высокой степенью двухконтурности передний компрессор именуется как вентилятор. Это - высоко специализированная ступень компрессора, для которой относительная скорость потока в роторе является сверхзвуковой в концевой части лопасти (для современных двигателей, скорость в концевой части вентилятора может составлять более 450 м / сек) и дозвуковой около центра лопасти.

Поток в ТРДД разделён на поток внешнего контура и основной поток, последний проходит компрессор ВД и камеру сгорания. Часть двигателя, в которую поступает основной поток, называется газогенератор. В двигателе с двумя валами вентилятор находится на валу НД, который приводится во вращение турбиной НД, а газогенератор находится на валу ВД. На крейсерском режиме вентилятор и газогенератор имеют отношение давлений равное 2.5, а компрессор ВД -16, чтобы полное отношение давлений равнялось 40. У двигателей фирм Rolls-Royce основной поток воздуха сжимается в трёх отдельных каскадах. При выполнении круиза, отношение давлений в вентиляторе составляет 1.6, а в компрессорах СД и ВД чуть более 5, чтобы получить отношение, составляющее 40.

В упрощённом виде принимается, что вся мощность от турбины ВД используется, компрессором ВД. На практике же, относительно малая доля мощности отнимается топливными насосами двигателя, на производство электричества и работу гидравлической системы летательного аппарата. Подобно этому весь сжатый воздух, проходит через турбину; но некоторая его часть отбирается на герметизацию кают и удаление льда с поверхностей крыла и мотогондолы. Большая часть мощности турбины НД используется для повышения давления потока внешнего контура, и только малая доля мощности используется для повышения давления в газогенераторе.

В этом разделе не рассматриваются схемы применения двигателей с двумя валами и подпорными ступенями (сторонниками которой являются компании Pratt & Whitney и General Electric) или выделение компрессоров СД и ВД в двигателях с трёхвальной схемой (чем занимаются представители Rolls-Royce).

Упражнение 5.1*

В начале крейсерского режима температура и давление воздуха, входящего в двигатель, могут быть взяты равными 259.5K и 46.0кПa. Примите отношение давлений 1.6 для потока через вентилятор и 25 в основном компрессоре. Примите кпд изоэнтропический 90 % в каждом компоненте. Найдите повышение температуры в потоке вентилятора, температуру входа в основной компрессор и отсюда температура на выходе из компрессора газогенератора.

(Ответ: 41.4 K; 300.9 К; 805.2К)

Мощность, произведенная основной турбиной должна равняться мощности основного компрессора; так как мы принимаем совершенный газ со свойствами воздуха, то снижение температуры в турбине должно равняться повышению температуры основного компрессора. Если температура газа за камерой сгорания (то есть на входе в турбину высокого давления (ТВД)) - 1450К, найдите температуру на выходе основной турбины, а также давление на выходе из основной турбины. Примите эффективность турбины 90%. (Пренебрегите возможным снижением давления в камере сгорания.)

( Ответ: 945.7 K, 333 кПa)

Объясните, почему отношение давления в основной турбине меньше, чем отношение давлений соответствующего компрессора. Тогда покажите (без вычислений), как влияет увеличение температуры входа турбины, или увеличение температуры на входе в компрессор.

Упражнение 5.2

Найти снижение температуры и отношение давлений в турбине низкого давления (ТНД), беря температуру на входе в него, как рассчитано в упражнении 5.1, и затем температуру и давление на выходе из турбины НД. Примите, что степень двухконтурности (то есть отношение массового потока обхода к массовому потоку через газогенератор) равняется 6. Берите отношение давлений и эффективность вентилятора для потока обхода равными соответственно 1.6 и 90 % (что относится и к вентилятору, работающему на газогенератор).

(Ответ: 290.0 K, 4.30; 655.7K, 77.5 кПa)

Обратите внимание: Это упражнение предполагает, что обе величины (степени двухконтурности и отношения давлений вентилятора) уже известны. Фактический выбор их выполнен в упражнении 5.1.