Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

где Мт – секундный массовый расход топлива, поступающего в камеру сгорания; Мв.отб – масса воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двигателя и другие цели.

Рис. 2.1. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД

Так как Мг ≈ Мв, а сс > V, то Мг сс > МвV, тогда тяга ТРД

Величина R является тягой, определенной по внутренним параметрам ТРД. Часть этой тяги тратится на преодоление внешнего сопротивления ТРД с мотогондолой Хвн, оставшаяся часть Rэф (эффективная тяга) расходуется на совершение полезной тяговой работы (увеличение скорости полета V):

71

Из формулы (2.2) видно, что при V = 0 тяга имеет максимальное значение Мвсс. При увеличении скорости полета

(↑V ) все большая часть кинетической энергии истекающей струи газа (cc2 2) превращается в полезную тяговую работу по увеличению скорости полета и величина избыточной тя-

скорости полета V = сс вся (cc2 2) превратится в полезную

тяговую работу, и дальнейшее увеличение скорости полета станет невозможным (R = 0). Скорость V = сс называется скоростью «вырождения ТРД». Однако необходимо помнить,

что на полезную тяговую работу (↑V ) тратится только Rэф =

= R – Хвн. Из этого следует, что скорость полета всегда меньше скорости истечения газа из сопла и скорость «вырождения ТРД» достижима только теоретически.

2.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД

ТРД включает в себя (см. рис. 2.1):

–воздухозаборник (ВЗ);

–осевой компрессор (ОК);

–камеру сгорания (КС);

–газовую турбину (ГТ);

–реактивное сопло (РС).

В cечении н–н – невозмущенный воздушный поток (см.

рис. 2.1).

Далее по тракту двигателя происходят следующие процессы:

между сечениями н–0 – предварительное сжатие за счет торможения воздушного потока в свободно расширяющейся струе газа перед входом в ВЗ;

72

между сечениями 0–вх – предварительное сжатие (торможение), выравнивание и стабилизация воздушного потока в расширяющемся канале ВЗ;

между сечениями вх–к – основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;

между сечениями к–г – подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (авиационный керосин);

между сечениями г–т – расширение газа в ГТ и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент Мт.расп на валу турбины, передаваемый через общий вал на вращение компрессора и привод дополнительных агрегатов; между сечениями т–с – расширение газа в сопловом канале РС и превращение части энтальпии в кинетическую энергию истекающей струи газа (создание реактивной тяги R). До сечения н–н (см. рис. 2.1) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н–н до сечения вх–вх поток воздуха первоначально тормозится в свободно расширяющейся струе, а затем – в диффузоре ВЗ. Скорость потока с уменьшается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия c2/2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, уменьшение кинетической энергии c2/2 приводит к возрастанию энтальпии i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры

рабочего тела (воздуха).

От сечения вх–вх до сечения к–к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воздушный поток сжимается, следовательно, возрастает его давление и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно.

73

Так как расход воздуха постоянный (Мв = const), а его объем уменьшается за счет существенного увеличения плот-

ности (↑↑ρ) при сжатии, для сохранения неразрывности потока необходимо уменьшать площадь проходного сечения тракта ТРД (↓ F ) для исключения значительного снижения скорости потока(Мв =↑↑ρ ↓ с ↓ F = const) .

От сечения к–к до сечения г–г к рабочему телу, сжатому

вОК, подводится теплота QКС, выделяющаяся при сжигании

вКС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина.

Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, а температура

резко возрастает (↑↑T ), следовательно, резко возрастает эн-

тальпия за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г–г до сечения т–т рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ГТ. Часть энтальпии превращается в кру-

тящий момент Мт.расп на валу ГТ, который необходим для привода ОК (благодаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0).

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то располагаемая работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одноступенчатой ГТ вращать многоступенчатый компрессор.

От сечения т–т до сечения с–с происходит расширение рабочего тела (газа) в РС. Так как РС – энергоизолированная система (отсутствует подвод энергии извне и отвод энергии в окружающую среду), то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть эн-

74

тальпии превращается в кинетическую энергию (↓ p;

↓Т; ↑↑ с).

2.4.Основные параметры ТРД. Тяга ТРД

Основные параметры ТРД

Основными параметрами ТРД являются:

1)тяга R = (Мгсс – МвV) + Fc(рс – рн);

2)удельная тяга (тяга, создаваемая 1 кг газа в 1 с):

При расчетном режиме работы РС (рс = рн) Rуд = сс – V. При V = 0 Rуд = сс. С помощью Rуд оценивают эффективность ТРД как тепловой машины;

3)удельный расход топлива (масса топлива в килограм-

мах, расходуемая в ТРД для создания тяги 1 Н/ч) cR = Мт/R, где Мт – часовой расход топлива в ТРД. С помощью cR оценивают экономичность ТРД;

4)удельная масса двигателя («сухая» масса двигателя, приходящаяся на единицу создаваемой им тяги) mдв = Мдв/R.

Спомощью mдв оценивают конструктивное совершенство ТРД;

5)тяговооруженность ТРД µдв = 1/mдв = R/Мдв;

6)удельная лобовая тяга RF = R/Fдв, где Fдв – сечение миделя. RF характеризует поперечные размеры двигателя и, следовательно, величину внешнего сопротивления его мотогондолы, а при размещении внутри фюзеляжа – внешнее сопротивление ЛА;

7)удельный объем двигателя (характеризует совершен-

ство объемной компоновки двигателя) ϑдв =Vдв / R ;

75

8) удельная объемная тяга RV =1/ ϑдв = R /Vдв . RV и ϑдв особенно важно учитывать при проектировании подъемных двигателей для самолетов с вертикальным взлетом и посадкой.

Тяга ТРД

Тяга ТРД – это результирующая газодинамических сил, действующих на внутренние поверхности двигателя Rд во время его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей среды на внешние поверхности двигателя Rст.

Принятые допущения:

–движение рабочего тела внутри двигателя установив-

шееся;

–массовые силы отсутствуют;

–газ невязкий;

–течение газа – осевое;

Рис. 2.2. Распределение внешних сил

76

На рис. 2.2 видно, что силы от давления окружающей среды рн, действующие по внешним границам контура ТРД, в общем случае взаимно уравновешивают друг друга, за исключением среза сопла. Это объясняется тем, что при нерасчетных режимах работы РС давление на срезе рс может быть как больше, так и меньше давления рн.

Сила, равная произведению разности давления на срезе сопла и давления окружающей среды (рс – рн) на площадь среза сопла Fc, будет действовать в направлении полета, если рс > рн (режим недорасширения), и против направления полета, если рс < рн (режим перерасширения).

В случае расчетного режима работы сопла (рс = рн) статическая составляющая тяги будет равна нулю.

Динамическая составляющая тяги. Для ее определения воспользуемся теоремой импульсов (уравнение Эйлера о количестве движения). Уравнение Эйлера является следствием второго закона Ньютона:

Изменение количества движения тела массой m за некоторое время ∆τ равно импульсу равнодействующей всех сил, действующих на тело за то же время.

Преобразуем выражение (2.6):

77

При расчетном режиме работы РС (рс = рн) величина тяги, определяемая как R = Rд = Мгсс – МвV, максимальна.

На режиме недорасширения (рс > рн) статическая составляющая тяги Rст = (рс – рн)Fc больше нуля, однако сни-

жение Rд из-за «недоразгона» потока (↓ cc ) превышает величину Rст. Следовательно, тяга ТРД уменьшается вследствие более энергичного снижения Rд (↓ R =↓↓ Rд + ↑ Rст ) .

2.5. Классификация и области применения реактивных двигателей

2.5.1. Классификация реактивных двигателей

Реактивные двигатели (РД) – это двигатели внутреннего сгорания, в которых химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из двигателя, а получающаяся при этом сила реакции используется непосредственно как движущая сила – тяга.

Рис. 2.3. Классификация реактивных двигателей

78

Ракетные двигатели – это реактивные двигатели, использующие только вещества и источники энергии, находящиеся на перемещающемся аппарате.

Воздушно-реактивные двигатели – это реактивные двигатели, в которых атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а кислород, находящийся в воздухе, – как окислитель горючего.

Реактивные двигатели имеют следующую классификацию:

Ракетные:

–жидкостные ракетные двигатели (ЖРД);

–ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ);

–комбинированные двигательные установки (КДУ).

Воздушно-реактивные:

Комбинированные:

–турбопрямоточные двигатели (ТПД);

–ракетно-прямоточные двигатели (РПД);

–ракетно-турбинные двигатели (РТД). Бескомпрессорные:

–прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);

–пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД).

Компрессорные:

а) ВРД прямой реакции:

–турбореактивные двигатели (ТРД);

–турбореактивные двигатели с форсажной камерой (ТРДФ);

–турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД);

–турбореактивные двухконтурные двигатели с форсажной камерой (ТРДДФ);

б) ВРД непрямой реакции:

–турбовинтовые двигатели (ТВД);

–турбовальные двигатели (ТВаД).

79

2.5.2. Области применения РД

Ограничения по скорости и высоте полета летательного аппарата (ЛА) с реактивным двигателем (рис. 2.4) связаны с возможностью РД соответствующего типа создавать достаточную тягу, а также с аэродинамическими свойствами и конструкцией летательного аппарата.

Наименьшую скорость полета имеют вертолеты с ТВаД, за ними следуют самолеты с ТВД, имеющие ограничения скорости из-за использования в качестве движителя воздушного винта. У самолетов с двигателями прямой реакции (ТРД) ограничение скорости полета наступает из-за «вырождения» двигателя.

При увеличении высоты полета, с уменьшением плотности воздуха ρ уменьшается скоростной напор q = ρV2/2,

а значит, падает подъемная сила (↓Y = cY ↓ qS ) . Для осуществления горизонтального полета ЛА (Y = GЛА) на большей

80