16.6 Эффект дожигания (использования форсажа)
При включённой форсажной камере, температура истекающего потока определяется количеством топлива, сожжённого в двигателе и дожигателе. При дожигании величины удельной тяги и удельного расхода топлива определяются степенью повышения давления вентилятора P08 / Pa = P023 / Pa и истекающей температурой Т08 = T0ab (пренебрегая потерями в реактивном сопле и неполным сгоранием топлива в форсажной камере).
Если Cpe и ke - удельная теплоёмкость и отношение удельных теплоёмкостей для продуктов (которые здесь приняты за 1 244 Дж / кг · К и 1.30, соответственно), тогда реактивная скорость определяется как:
.
Существенно, что реактивное сопло открывается при включённой форсажной камере, и чаще всего это совершается так, что давление в реактивной трубе остаётся неизменным; при этом условии двигатель не ощущает эффекта дожигания. Отношение давлений вентилятора и массовый расход поэтому, не изменяются между максимальным «сухим» и «боевом» режимах с включённой форсажной камерой. Без учета изменений свойств газа, увеличение реактивной скорости с форсажом равно квадратному корню степени повышения температуры T0ab / Т06 (то есть отношению температуры после эффекта дожигания к температуре смеси перед этим).
Хотя массовый расход потока воздуха остаётся неизменным, при включённой форсажной камере, массовый поток топлива заметно повышается, а поток дополнительного топлива на единицу массы воздуха , проходящего через газогенератор, определяется через уравнение 16.9. Удельная тяга и тяга нетто, приходящаяся на единицу массы потока воздуха через двигатель, определяются как:
|
(16.12) |
,
где - массовый поток топлива в главной камере сгорания, а V - скорость полёта. Поскольку тяга нетто пропорциональна разнице между реактивной скоростью и скоростью полёта, тогда относительное увеличение тяги нетто, и удельная тяга от использования форсажной камеры будут намного больше, чем относительное увеличение реактивной скорости.
На рисунке 16.6 представлены графики удельной тяги и удельного расхода топлива для двигателя в трёх проектных точках с использованием форсажной камеры и без её использования; результаты, представленные для «сухого» режима, подобны тем, что изображены на графиках рисунка 16.5. Важное примечание: при использовании форсажной камеры происходит резкое повышение величин удельной тяги и удельного расхода топлива. Принимая во внимание, что при «сухом» режиме работы двигателя удельная тяга увеличивается довольно быстро с увеличением степени повышения давления вентилятора, увеличение при дожигании топлива происходит сравнительно медленно; в результате повышение от процесса дожигания заметно больше для двигателей с низкими степенями повышения давления вентилятора. Это происходит потому, что температура выхлопных газов более низка для высокой степени повышения давления в «сухом» состоянии, поэтому при использовании форсажной камеры увеличивается прирост температуры истекающего газа, потому и добавка топлива намного больше. При использовании процесса дожигания топлива, величина удельной тяги практически равна для всех трёх проектов (со своими скоростями полёта).
Рисунок 16.6. Графики функций зависимостей величин удельной тяги и удельного расхода топлива от степени повышения давления вентилятора.
Для двигателя, работающего на «сухом» режиме, величина удельного расхода топлива увеличивается с ростом степени повышения давления вентилятора, вместе с ростом реактивной скорости и удельной тяги. В двигателе, использующем дожигание топлива, происходит обратное; величина удельного расхода топлива понижается с ростом степени повышения давления вентилятора. Процесс падения происходит вследствие того, что температура торможения реактивного самолёта задана для включённой форсажной камеры, поэтому реактивная скорость и тяга, увеличиваются с увеличением степени повышения давления. В результате тяга для той же самой величины расхода топлива (или величины подаваемого топлива) увеличивается с увеличением степени повышения давления, и происходит падение удельного расхода топлива. Также может быть отмечено, что при совершении полёта с числом Маха М = 2.0, различие величинами «сухого» удельного расхода топлива и с использованием форсажа относительно мало.
Процесс дожигания топлива производит существенное повышение величины тяги, приблизительно пропорционально квадратному корню истекающей температуры с использованием форсажа и без него. Величина расхода топлива, при включенной форсажной камере, намного выше, но это различие сокращается при увеличении числа Маха полёта и увеличении степени повышения давления в реактивном сопле.
При совершении полёта на форсажном режиме, эффективность работы определяется отношением давления торможения вентилятора к окружающему статическому давлению и температурой в реактивном сопле.