17.7 Работа двигателя при пониженной тяге

В разделе 14.3 было уделено внимание поведению самолёта, испытывающего сопротивление по величине гораздо меньше, чем максимальное, что приводило в свою очередь к меньшей по величине, потребности в тяге. В Упражнении 14.6 высота, требуемая для полёта при числе Маха M = 0.6, составляла приблизительно 5.6 км, что требовало создания каждым двигателем тяги, величиной 7.1 кН. А для высоты, в Упражнении 14.7, требуемой для полёта при числе Маха M = 0.8, равной 5.7 км, необходимо наличие величины тяги в 8.1 кН. В связи с этим, уменьшение расхода топлива является первоначальной задачей для обоих условий полета, когда двигатель работает на «сухом» режиме, без использования форсажа.

Чтобы определить состояние, при котором двигатель должен создавать максимальную величину тяги, требуется определить необходимую величину температуры на входе в турбину и выполнить повторный анализ и перерасчёт, подобный тому, что был описан ранее, в разделе 17.4. Также возможно использовать идеи, рассмотренные в разделе 17.5, чтобы обобщить несколько результатов и использовать графическое решение, избегая тем самым потребности в выполнении повторного расчёта.

Рисунок 17.9. Проект 1: графики зависимостей функций параметров на входе от величины отношения температур Т₀₄ / Т₀₂.

Для режима работы двигателя с запертым реактивным соплом, которое изоэнтропически расширяет истекающий поток, расхождение реактивного сопла должно измениться со степенью повышения давления в реактивном сопле по формуле P₀₈ / Р_a, а отношение давлений определяться эксплуатационным режимом и числом Маха полёта (последний, является определяющим при формировании величины давления). Изменение площади расширения реактивного сопла предполагает изменение геометрии всего двигателя, что позволяет получить простые безразмерные отношения, необходимые для подстановки при решении задач, связанных с горлом реактивного сопла. Первоначальные отношения степени повышения давления P₀₈ / P₀₂ = Р₀₁₃ / Р₀₂ и степени повышения температуры Т₀₈ / Т₀₂, примут форму уже знакомого выражения Т₀₄ / Т₀₂; что изображено на рисунке 17.6. Зная величину степени повышения давления P₀₈ / P_а и число Маха полёта можно вычислить реактивную скорость; но облегчить процесс вычисления, если известна величина средней удельной теплоёмкости и величина среднего отношения удельной теплоёмкости, рассчитанные для величин отношений температур Т₀₄ / Т₀₂. Чтобы получить величину удельной тяги, необходимо определить величину массового расхода потока воздуха, увеличивающегося в связи с добавлением дополнительного топлива, рассчитанного для каждой величины отношения температур T₀₄ / T₀₂:

Знание одной величины удельной тяги не достаточно, для определения величины тяги нетто, так как необходимо знание величины полной массы потока, но величина безразмерного массового потока может быть определена через функцию от отношения температур Т₀₄ / Т₀₂. Все эти кривые представлены на рисунке 17.9, через графики функций величины отношения температур Т₀₄ / Т₀₂, при постоянных величинах C_P и k для Проекта 1.

Упражнение 17.7

В упражнении 14.6 было рассчитано, что новый самолет-истребитель будет нуждаться в тяге 7.1 кН от каждого двигателя при полете с М = 0.6 на высоте 5.6 км. (На такой высоте берут окружающее давление и температуру, равными 50.5 кПа и 251.75 K.) Покажите, что двигатель в случае 1 произведет эту тягу с температурой входа турбины 1075 K. (Это может быть достигнуто использованием кривых на Рис.17.6 и 17.9.) Если степень двухконтурности - 0.958, найти удельное топливное потребление.

(Ответ: 0.87 кг/ч/кг)

Резюме темы 17

Изложение материала в данной теме происходит в стиле, принятом в Теме 12, что позволяет довольно легко определить поведение двигателя при изменении условий и параметров на входе, а также изменении количества подаваемого топлива. Изменение входных параметров наиболее полно характеризуется температурой торможения, которая является функцией высоты и числа Маха полёта. При числе Маха, превышающем единицу, величина температуры на входе резко повышается. При этом условии, величина температуры на входе в турбину понижается, что предотвращает повышение величины температуры в компрессоре за пределы, переносимые материалом; кроме того, безразмерное состояние определяется степенью повышения температуры T₀₄ / T₀₂, и как только величина температуры Т₀₂ начинает повышаться, величина отношения тут же падает. Вследствие этого, все степени повышения давления, безразмерные массовые потоки и безразмерные угловые скорости вращения так же понижаются.

Вычисление работы двигателя на нерасчётном режиме, не предусмотренном проектом, здесь основано на двух существенных упрощениях. Во-первых, принимается, что турбины и ВД и НД, как и реактивное сопло являются запертыми. А во-вторых, принимается, что политропическая эффективность турбины постоянна. Вычисление операционной точки двигателя на нерасчётном режиме требует циклически повторяющегося вычисления. Для расчёта величины тяги нетто, при рассмотрении работы двигателя на нерасчётном режиме, кроме величины удельной тяги необходимо знать величину массового расхода потока воздуха, проходящего через весь двигатель. Величина массового расхода потока воздуха понижается с высотой пропорционально величине окружающего давления, но резко повышается с увеличением скорости из-за быстрого повышения давления торможения на входе, так же повышается и величина степени двухконтурности.

Проектировщик может выбирать операционную точку проекта. Обычно она выбирается на высоте уровня моря при статических условиях и специально выбранной величине температуры окружающей среды. Оптимальный проект двигателя выбирается только после проведения полного цикла исследований, которые отображают каждый режим работы (расчётный и нерасчётный), из которых видно, какой из типов двигателей наиболее подходит для выполнения заданных операций, а для какого двигателя необходим дальнейший поиск компромиссов.

Тема 18

Турбомашины для боевых двигателей