19.2 Эффекты изменения параметров на стадии проектирования

В этом разделе будет оценено воздействие изменений параметров, составляющих работу в тот момент, когда они находятся на стадии проектирования. При установленных степенях повышения давления, определены и величины отношений температур на входе в турбину к температуре на входе в компрессор T₀₄ / T₀₂. Значит, изменение в работе одного компонента должно быть компенсировано изменением другого компонента. Это означает, что, если, например, произошло падение эффективности компрессора, величина подачи мощности на компрессор, должна быть увеличена, чтобы поддержать ту же величину полной степени повышения давления. Чистая мощность, производимая турбиной НД, будет уменьшена увеличением мощности компрессора; так как отношение давлений вентилятора поддерживается постоянной, величина степени двухконтурности должна быть понижена. При собранном двигателе подобных явлений, что происходят при проектировании, не наблюдается; при износе, повреждении или неправильном изготовлении, степени повышения давления не будут оставаться постоянными, (об этом пойдёт речь в разделе 19.4).

Для выполнения сравнения удобно использовать двигатель со смешением, потому как его ограничение по давлению торможения на выходе из турбины НД равняется давлению за вентилятором; если определена отношение давлений вентилятора, тогда определена и степень двухконтурности. Принятая выше процедура должна изменить параметры двигатель. Двигатель подобный тому, что был представлен в разделе 19.1, способен работать на высоте 31 000 футов при числе Маха полёта М. = 0.85 в 31000 футов, чему соответствует температура перед компрессором, равная Т₀₂ = 259.5 K. Полная отношение давлений остаётся постоянной при величине отношения давлений P₀₃ / P₀₂ = 40, а отношение давлений вентилятора, поддерживается постоянной при Р₀₁₃ / P₀₂ = 1.65, и степени повышения давления основного потока на валу НД - Р₀₂₃ / P₀₂ = 2.5. В неизменном двигателе данной размерности, составляющие политропических полезных действий, приняты равными 90 %, с 5 % воздуха, сжатого в газогенераторе, необходимого для охлаждения ротора турбины ВД и потерей давления, величиной в 5 %, происходящей в камере сгорания. Эти степени повышения давления соответствующие температуре на входе в турбину 1 450 К (что даёт вличину отношения температур Т₀₄ / Т₀₂ = 5.588), определяют величину степени двухконтурности, равную 5.99 (при наличии коэффициентов полезных действий характерных для данной величины). При этой комбинации параметров, величина реактивной скорости составляет - 432 м / сек, величина удельной тяги = 176 м / сек, величина тяги нетто, приходящаяся на единицу массы основного потока - 1 234 м / сек, а величина удельного расхода топлива - 0.583 кг / час / кг.

Сокращение эффективности вентилятора, например, на 1 % до 89 % приведёт к уменьшению величины степени двухконтурности от 5.99 до 5.92. Поэтому величина реактивной температуры немного поднимется, а так как величина степени повышения давления P₀₁₃ / P₀₂ поддерживается постоянной, величина реактивной скорости повысится от 431.8 до 432.4 м/сек, с соответственно малым увеличением удельной тяги. Через терминологию зависимости тяги от данного размера газогенератора, однако, понижение степени двухконтурности больше, чем при повышении реактивной скорости, поэтому при падении величины эффективности вентилятора на 1 %, уменьшение величины тяги составляет 0.6 %.

Величина тяги, приходящаяся на единицу потока воздуха в газогенераторе, является лучшим индикатором или мерой тяги двигателя для данного размера и веса. Величина удельного расхода топлива имеет первичное значение, и эффект её изменения также приведён в Таблице 19.1, в которой также показаны изменения величины степени двухконтурности, что позволяет объяснить некоторые из наблюдаемых изменений. Таблица 19.1 составлена для двигателя, совершающего полёт на крейсерском режиме при числе Маха полёта M = 0.85, на высоте в 31 000 футов. Отношение давлений в вентиляторе составляет P₀₁₃ / P₀₂ = 1.65, полная отношение давлений в двигателе P₀₃ / P₀₂ составляет 40. Исходные параметры: температура перед турбиной T₀₄ = 1 450 K, политропическая составляющая коэффициента полезного действия равна 90 %, 5 % воздуха идёт на охлаждение ротора ВД, отношение давлений P₀₄ / P₀₃ = 0.95, для воздуха принимается величина k = 1.40, для продуктов сгорания k = 1.30.

Из изложенного материала становится ясно, что результаты работы двигателя не чувствительны к параметрам на входе, а больше зависят от компрометирующего наличия неточной величины полезных действий или возникающих потерь. Изменение переменных на входе и на выходе достаточно малы, так, что изменение одного из параметров может быть связано с изменением другого прямолинейной зависимостью. Это означает, что для малых величин и эффектов может быть принята линейно-пропорциональная зависимость входа-выхода, а эффекты, произведённые несколькими параметрами на входе, могут быть суммированы.

Таблица19.1. Изменения величин в проектной точке.

Величины отношения давлений поддерживаются постоянными	(bpr):	Тяга (м / сек):	Δ (sfc), %:
Данные двигателя	5.99	1234	0
Сокращение КПД вентилятора второго контура до ηP = 0.89	5.92	1226	0.63
Сокращение КПД компрессора ВД до ηP = 0.89	5.80	1209	1.13
Сокращение КПД основного вентилятора и компрессора до 0.89	5.93	1226	0.36
Сокращение КПД турбины ВД до ηP = 0.89	5.92	1226	0.69
Сокращение КПД турбины НД до ηP = 0.89	5.92	1226	0.66
Уменьшение подачи охлаждающего воздуха турбине ВД на 2.5 %	6.36	1287 -	1.61
Уменьшение потерь в камере сгорания до 0	6.21	1258 -	1.90
Увеличение температуры перед турбиной от 25 К до 1 475 К	6.33	1288 -	0.78

Для этого двигателя, компоненты турбомашин, имеющие самое большое воздействие на величину удельного расхода топлива и изменение степеней повышения давления в проектной точке, как и для компрессора ВД, поддерживаются постоянными.

Величина потерь в 1 % от эффективности компрессора приводит увеличению в 1.1 % удельного расхода топлива и потере 2 % тяге для того же количества воздуха, проходящего через газогенератор. Изменения, связанные с вентилятором ВД и турбиной НД подобны друг другу. Увеличение температуры перед турбиной предполагает наличие выгодного эффекта на расход топлива и величину тяги, что происходит в значительной степени из-за увеличения величины степени двухконтурности. Если на стадиях проектирования и разработки определяют, что эффективность компонента низка, необходимо исправить эту проблему путём повышения величины температуры на входе в турбину. Таблица 19.1, показывает, как можно обращаясь с представленными выше линейно-зависимыми эффектами, определить величину потери тяги, последовавшей после сокращения величины эффективности компрессора ВД на 1 %, а так же, как можно восстановить эту величину путём, увеличения температуры перед турбиной 11.6 K. Однако возможно рассчитать и чистое увеличение удельного расхода топлива, которое равно %.

Из Таблицы также видно, насколько важно наличие охлаждающего потока воздуха и потерь давления в камере сгорания. В спецификации эксплуатационных режимов турбины существует взаимосвязь между выгодой от наличия более высокой температуры и проявления вредных эффектов от увеличенной нормы охлаждения. Эффект охлаждения проиллюстрирован на графиках рисунка 19.4, где в одном случае отображается величина удельного расхода топлива, зависящий от величины температуры T₀₄, а в другом - степень двухконтурности, так же зависящая от величины температуры перед турбиной Т₀₄. Для построения графиков, изображённых на рисунке 19.4 были приняты условия Таблицы 19.2. Через терминологию степени двухконтурности может быть замечено, что выгоды от повышения величины температуры на 50 К перед турбины, нейтрализуются увеличением количества подаваемого воздуха для охлаждения ротора турбины ВД на 5 %. Для величины удельного расхода топлива, эффект становится вдвое больше, при увеличении температуры перед турбиной T₀₄ на 100 К, что даёт компенсацию за увеличение количества подаваемого воздуха для охлаждения ротора в 5 %. Альтернативой может служить увеличение на 4% величины удельного расхода топлива при постоянной температуре на входе в турбину, что приведёт к увеличению охлаждения ротора на 5%.

Рисунок 19.4. Графики функций изменения величин удельного расхода топлива и степеней двухконтурности от изменения величины температуры на входе в турбину.

В Темах 1 – 13 наличие охлаждающего потока игнорировалось, что помогало при недостаточной оценке мощности турбины (когда для турбины принималась постоянная величина k = 1.40).Сейчас же это проиллюстрировано в Таблице 19.2, где учтены отдельные эффекты степени охлаждения, влияние величины k на степень двухконтурности и изменение величины расхода воздуха, а так же на величину тяги, приходящуюся на единицу массы воздуха, проходящую через газогенератор и величину удельного расхода топлива.

Таблица 19.2. Эффект газовых свойств и охлаждение турбины.

Величины отношения давлений поддерживаются постоянными		(bpr):	Тяга (м / сек):	Δ (sfc), %:
Данные:	k = 1.30, охлаждение воздухом ротора ВД-5%	5.99	1234	0.0
	k = 1.30, без охлаждения ротора ВД	6.72	1340	- 3.0
	k = 1.40, без охлаждения ротора ВД	5.30	1027	- 13.2
	k = 1.40, охлаждение воздухом ротора ВД-5%	4.68	944	- 10.0

Также становится ясно, что пренебрежение охлаждающим потоком ведёт к существенному завышению оценки тяги и занижению оценки удельного расхода топлива.