2. Газодинамические схемы газотурбинных двигателей
Сложным требованиям, предъявляемым к условиям функционирования сверхзвуковых многорежимных самолетов, в наибольшей степени удовлетворяют турбореактивные (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Общим у этих двигателей является характер формирования свободной энергии, различие –в характере ее использования.
У одноконтурного двигателя (рис. 4) свободная энергия, которой располагает рабочее тело за турбиной, непосредственно преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. У двухконтурного двигателя в кинетическую энергию вытекающей струи преобразуется лишь часть свободной энергии. Оставшаяся часть свободной энергии идет на повышение кинетической энергии дополнительной массы воздуха. Передача энергии дополнительной массе воздуха осуществляется турбиной и вентилятором.
Использование
части свободной энергии для ускорения
дополнительной массы воздуха при
определенных значениях параметров
рабочего процесса, а следовательно, и
при определенном часовом расходе топлива
позволяет повысить тягу двигателя и
снизить удельный расход топлива 
.
Пусть
расход воздуха ТРД будет 
а скорость истечения газа 
.
У двухконтурного двигателя во внутреннем
контуре расход воздуха тот же, что и у
одноконтурного двигателя 
,
а скорость истечения газа 
;
в наружном контуре соответственно 
и 
(см. рис. 4).
Будем
полагать, что расход воздуха 
и скорость истечения газа одноконтурного
двигателя 
,
которая характеризует уровень свободной
энергии, при каждом значении скорости
полета имеют определенные значения.
Условия баланса мощности потоков в ТРД и ТРДД при отсутствии потерь в элементах газовоздушного тракта, обеспечивающие повышение кинетической энергии дополнительной массы воздуха, можно представить выражениями
Рис. 4. Двухконтурный и одноконтурный двигатели с единым турбокомпрессорным контуром [3]
(1)
(2)
В
пояснение к последнему выражению
заметим, что часть свободной энергии,
передаваемая во внешний контур, повышает
энергию потока от уровня 
которым обладает набегающий поток, до
уровня 
.
Приравнивая правые части выражений (1) и (2), С учетом обозначений получим
, 
, 
.
(3)
Тяга двухконтурного двигателя определяется выражением
(4)
Если
выражение (3) разрешить относительно
и результат подставить в выражение (4),
то получим
.
(5)
Максимальная
тяга двигателя при данных значениях
и
т
достигается
при 
,
что следует из решения уравнения 
.
Выражение
(5) при 
приобретает вид
(6)
Наиболее
простым выражение для тяги двигателя
становится при 
Это выражение показывает, что повышение степени двухконтурности приводит к монотонному возрастанию тяги двигателя. И, в частности, можно видеть, что переход от одноконтурного двигателя (т = 0) к двухконтурному двигателю с т = 3 сопровождается увеличением тяги в два раза. А поскольку расход топлива в газогенераторе остается при этом неизменным, то удельный расход топлива уменьшается также в два раза. Но удельная тяга двухконтурного двигателя ниже, чем у одноконтурного. При V = 0 удельная тяга определяется выражением
которое свидетельствует, что при увеличении т удельная тяга уменьшается.
Одним из признаков различия схем двухконтурных двигателей является характер взаимодействия потоков внутреннего и наружного контуров.
Двухконтурный двигатель, у которого поток газа внутреннего контура смешивается с потоком воздуха за вентилятором – потоком наружного контура, – называется двухконтурным двигателем со смешением потоков.
Двухконтурный двигатель, у которого указанные потоки вытекают из двигателя раздельно, называется двухконтурным двигателем с раздельными контурами.