15.2 Особенности двигателей с высокой удельной тягой

Схема двигателя, представленная на рисунке 15.1, отражает многие из важных особенностей военного двигателя. Можно заметить, что компрессор НД (жаргонно называемый вентилятором) приводится во вращение единственной ступенью турбины НД, так же и компрессор ВД приводится во вращение единственный ступенью турбины ВД.

Одна из наиболее отличительных особенностей большинства военных двигателей - это смешение потоков газогенератора и внешнего контура до реактивного сопла. В этой теме газовые свойства смешанного потока рассчитываются приблизительным методом, основанным на относительной массе основного газа (C_P = 1 244 Дж / кг · К для газа, прошедшего камеру сгорания) и воздуха внешнего контура (для которого C_P = 1 005 Дж / кг · К). Удельная теплоёмкость смешанного газа на выходе C_pm определяется как:

.

Величина k_m может быть получена через уравнение где R = 287 Дж / кг · К. При включенной форсажной камере принимаются величины k = 1.30 и C_P = 1 244 Дж / кг · К, для выхлопного газа.

15.2.1 Смешение потоков газогенератора и внешнего контура

Все военные самолеты, за редким исключением, имеет двигатели, в которых потоки газогенератора и внешнего контура смешиваются прежде, чем попадут в реактивное сопло. Для этого предусмотрена относительно длинная форсажная камера, сопоставимая с длиной остальной части двигателя, позволяющая смешивать потоки перед входом в реактивное сопло.

Условие смешения наиболее точно моделируется, если принять равные статические давления для обоих потоков. Однако, для анализа цикла используется давление торможения, так как достаточно сложно использовать статическую величину. Фактически число Маха в газогенераторе и в канале внешнего контура обычно относительно низко, так что приравнивание статического давления и давления торможения для этой цели не приводит к появлению ошибки.

Так как принято, что газогенератор и внешний контур имеют равное давление торможения во время смешения, повышение давления в вентиляторе должно быть достаточным, чтобы поток на его выходе имел равное давление торможения с давлением на выходе из турбины НД. Это создаёт дополнительное ограничение на согласование вентилятора и основного потока.

Эти потоки смешивают для увеличения тяги. Простое объяснение увеличения тяги от процесса смешения может быть получено при рассмотрении двух потоков с равными давлениями торможения при наличии одинаковой величины массы. Для данного давления торможения, реактивная скорость пропорциональна , а тяга брутто пропорциональна реактивной скорости. Представьте, что, имея одинаковое давление, оба потока истекают не смешиваясь отдельно, но есть постоянная передача теплоты от горячего основного потока к относительно прохладному потоку внешнего контура, до того момента, пока оба потока не примут одинаковую температуру. Если бы степень двухконтурности равнялась единице, температурное изменение каждого потока было бы одинаковым (для простоты принимается, что величина C_P одинакова для обоих потоков). Относительное увеличение температуры торможения, однако, для более прохладного потока внешнего контура было бы неизбежно больше, чем относительное снижение температуры более тёплого основного потока. Это даёт большее увеличение в V_j для внешнего контура, чем соответствующее понижение V_j для газогенератора, что приводит к увеличению тяги. На практике ситуация более сложна, чем рассматриваемая здесь. Смешение потоков неизбежно ведёт к потере давления торможения. Нагревание движущегося газа также понижает давление торможения, но для низкого числа Маха, эта потеря мала.