12.4 Двухвальный турбовентиляторный двигатель большой степени двухконтурности.

Основа анализа изложена для рассмотрения двигателя с большой степенью двухконтурности. Что касается камеры сгорания, СА газовых турбин и основного сопла, то решения идентичны двухвальному турбореактивному двигателю. Анализ работы компрессора несколько сложнее, потому что в основной компрессор входит только малая доля потока через вентилятор.

Рисунок 12.7 Схема расположения и нумерации сечений двигателя с большой степенью двухконтурности.

Было показано, что есть практические трудности в использовании компрессоров с большими степенями сжатия на одном валу. И степень сжатия на одном валу обычно ограничивается величиной порядка 20. Причина трудности состоит в том, что безразмерный массовый расход на выходе из компрессора является почти постоянным, и снижение полной степени сжатия со снижением угловой скорости приводит к понижению массового расхода на входе в компрессор, большему по сравнению со снижением угловой скорости вращения. У двигателей, рассмотренных в предыдущем темах, была полная степень сжатия 40 в крейсерском полете, из которой 1.6 произведено в корне вентилятора и 25 в ядре. У упрощенного проекта, основного на этом, был один только вентилятор на валу низкого давления и все оставшееся сжатия совершалось в основном HPC, см. рис. 12.7 (а). глядя на проекты двухвальных двигателей выполненных Pratt и Whitney? Рис. 5.4 (b), и Дженерал Электрик, рис. 5.4 (с), можно заметить, что часть сжатия потока внутреннего контура производится на валу низкого давления в подпорных (бустерных) ступенях. Поэтому более реалистичное расположение сечений для двухвального двухконтурного двигателя показано схематично на рис. 12.7 (b).

Упражнение 12.12

Проверьте, что в уравнении (12.27) все величины можно изобразить, как зависимости от Т₀₄/Т₀₂; иными словами, что это единственная независимая переменная, которая определяет безразмерные рабочие точки.

(12.27)

Рисунок 12.6. Рабочие линии компрессора двигателя «Olympus 593». Степени повышения давления в КНД и КВД приняты соответствующими крейсерскому режиму полёта (T₀₄ / T₀₂ = 3.33), по отношению к которому нормализован безразмерный массовый поток.

Упражнение 12.13

Для двухвального двигателя с большой степенью двухконтурности, данного в упражнениях 7.1 и 7.2 найдите повышение температуры потока внутреннего контура в компрессорах на каждом валу в начале крейсерского режима, 31000 футов и М=0.85. Полная степень сжатия в двигателе при этих условиях 40, и степень сжатия для вентилятора и ступеней стартового двигателя (ускорителя) 2.5. Для случая со степенью двухконтурности 6 берут степень сжатия вентилятора при расчете равной 1.81 для воздуха во внешнем контуре. (Ответ: Т₀₁₃-Т₀₂=53.8К, Т₀₂₃-Т₀₂=87.6К, Т₀₃-Т₀₂₃=490.1К).

Найдите значения k_LP и k_HP, если температура газов на входе в турбину Т₀₄=1450К, когда Т₀₄/Т₀₂= 5.589. (Ответ: для bpr=6.0; k_LP=0.229, k_НP=0.273).

Для простоты вычислений политропическую эффективность берут равной 90% для всего компрессора и компонентов турбины. Возьмите k равным 1.4 для несгоревшего воздуха и 1.30 для продуктов сгорания.

12.14. Для двухвального двигателя с большой степенью двухконтурности, рассмотренного в предыдущем разделе покажите, что степень сжатия основного компрессора в расчетной точке равно 16.0, пересекает 95%-ую линию скорости для компрессора E3 показанного на рис. 11.6 близко к отмеченной рабочей линии. Проведите 95%-ую линию, чтобы была расчетная линия скорости для КВД нового двигателя, имеющее место, когда Т₀₄/Т₀₂=5.588. Возьмите комбинации степени сжатия и относительного массового расхода из рис.12.8 для Т₀₄/Т₀₂=4.0 и 6.0 и нанесите их на рис.11.5. Проведите прямую линию между этими точками, чтобы указать приблизительную рабочую линию нового двигателя. Дает ли простая модель рабочую линию двигателя близкую к измеренному Дженерал Электрик?

Используйте линии скорости, чтобы оценить скорость ВД когда Т₀₄/Т₀₂=4.0, как процент от скорости в расчетной точке двигателя.

(Ответ: Для Т₀₄/Т₀₂=4.0, N_LP/√Т₀₂≈95% от значения в расчетной точке).

Упражнение 12.14

Для двухвального двигателя с высокой степенью двухконтурности, обсужденного в предыдущем упражнении, покажите, что величина проектной степени повышения давления основного компрессора, составляющая 16.0, пересекает линию скорости на 95 % для «E³» компрессора, показанного на рисунке 11.6, близко к оговоренной рабочей линии. Используйте линию на 95 %, чтобы определить проектную линию скорости для компрессора ВД нового двигателя, при величине отношения температур Т₀₄ / Т₀₂ = 5.588. Используйте комбинацию величин степени повышения давления и нормализованного массового расхода, изображённых на рисунке 12.8 для Т₀₄ / Т₀₂ = 4.0 и 6.0, что подходит для рисунка 11.5. Изобразите прямую линию, соединяющую эти точки, чтобы определить приблизительную рабочую линию новых двигателей. На сколько подобную характеристику рабочей линии имеет упрощённая модель по сравнению с «GE»?

Используйте линии скорости, чтобы оценить величину скорость ВД при величине отношения температур Т₀₄ / Т₀₂ = 4.0.

(Ответ: для Т₀₄ / Т₀₂ = 4.0, значение в расчетной точке)

Рисунок 12.8. Рабочие линии компрессора НД (Вентилятора) и компрессора ВД для двухвального двигателя со степенью двухконтурности, равной 6.0.

Упражнение 12.15

Характеристика вентилятора показана на рисунке 11.4. В проектной точке для нового двигателя отношение давлений вентилятора - 1.81. Покажите, что, если вентилятор устанавливает размеры так, чтобы эта отношение давлений достигнутый близко к условия для максимальной эффективности, нормализованный массовый поток - приблизительно 1.005 и исправленный проект speed1 - приблизительно 101%. Берите отношение давлений вентилятора и нормализованный массовый поток для T₀₄ / T₀₂ = 4.0 и 6.0, показанный на рисунке 12.8, и налагают их на измеренную характеристику вентилятора, показанную в рисунке 11.3. нарисуйте прямую линию, чтобы указать приблизительную рабочую линию. Оцените скорость вала НД, соответствующую T₀₄ / T₀₂ от 02 до 4.

(Ответ: для T₀₄/T₀₂ = 4.0,

значения в расчетной точке для двигателя)

Упражнение 12.16

Массовый расход на крейсерском режиме дается в упражнении 7.2 с Т₀₄=1450К. Если температура на входе в турбину была увеличена на 100K, используйте рис.12.8, чтобы найти новое значение степени сжатия в вентиляторе P₀₁₃/P₀₂. (Использование рис. 12.8 рекомендуется для избегания необходимости в итерационных вычислениях.) Найдите новый массовый расход через ядро и внешний контур (не забывайте включать повышение давления прямоточной струи' на входе). Предполагая, что ускорение потока в реактивных соплах является обратимым, найдите реактивный скорость реактивной струи для ядра и внешнего контура и затем найдите брутто и нетто тяги. (Ответ: = 85.2 кг/с, = 471 кг/с, V_jC = 625 м/с, V_jb, = 424 м/с,

F_G =253 кН, F_N = 110 кН).

Примечание: увеличение результирующей тяги в упражнении 12.16, кажущееся большим относительно значения в упражнении 7.1, повысило использование кривой на рис.12.9. Это объясняется тем, что параметры, используемые в вычислении в упражнении 12.16, были изменены, чтобы сделать их более реалистичными, наиболее значительно использование различных с_Р и k для продуктов сгорания. С этими параметрами двигатель с его номинальными состоянии, Т₀₄/Т₀₂=5.588, дает Fn=92кН, по сравнению с F_N=75кН в упражнении 7.1. Различие обнаруживается наиболее ясно на более высокой скорости истечения струи из ядра.

Упражнение 12.17

Для двухвального двигателя с большой степенью двухконтурности, который рассматривают выше (в упражнениях 12.13-12.16) рассматривают эффект 5%-ого сокращения площади направляющего соплового аппарата ВД, другие площади остаются неизменными. Температура газов на входе в турбину остается равной 1450K. Найдите новые значения k_LP и k_HP и определите направление изменения в КНД и КВД.

(Ответ: k_HP=0.282, k_LP=0.226)