книги из ГПНТБ / Пономарев Б.А. Двухконтурные турбореактивные двигатели

колеса (внутренние лопатки — турбинные, внешние — вентилятор­ ные). Окружная скорость вращения на таком колесе невелика, а следовательно, невелики работа этой турбины и степень повышения

Рис. 4. Конструктивная схема двухконтурного двигателя с задним расположением вентилятора:

давления вентилятора. Вследствие этого выбор оптимального соот­ ношения между л* и m не всегда возможен. Кроме того, повыше­ ние давления во внешнем контуре не увеличивает общую степень повышения давления в двигателе, что также неблагоприятно ска­ зывается на параметрах двигателя, и в частности на его экономичности. По этим причинам Д Т Р Д с задним расположением вентилятора на вновь проектируемых летательных аппаратах по­

чти не применяется.

10

на самолетах с вертикальным взлетом и посадкой (СВВП) и са­ молетах с укороченным взлетом и посадкой (СУВП) — рис. 5. ТВА располагается вне корпуса двигателя (например, в крыле или в дополнительной гондоле), а газ на лопатки турбины турбовен­ тиляторной приставки подводится специальным газоводом. Д Т Р Д •с выносным вентилятором позволяют получать большие тяги дви­

в стадии экспериментальной разработки. В частности, для разве­ дывательного и связного армейского СВВП XV-5A американских ВВС исследуется Д Т Р Д с вентиляторной приставкой.

Термодинамические циклы ДТРД и ДТРДФ

В основе рабочего процесса в Д Т Р Д и ДТРДФ лежат термоди­ намические циклы, совершающиеся в обоих контурах. Термодина­ мический цикл реактивного газотурбинного двигателя представляет собой непрерывный процесс, в котором рабочему телу (воздуху или газу) сообщается внешняя энергия, преобразуемая двигателем в кинетическую энергию реактивной струи. Возникающая при этом сила реакции непосредственно используется как движущая сила — •сила тяги. Рассмотрим рабочий процесс Д Т Р Д на примере дви­ гателя с раздельным истечением.

Реальный термодинамический цикл внутреннего контура ДТРД, т. е. цикл с гидравлическими и тепловыми потерями, состоит из процессов последовательного сжатия воздуха в воздухозаборнике, компрессоре внешнего контура и компрессоре высокого давления, подвода тепла в камере сгорания, расширения газа в турбине и дальнейшего расширения его в реактивном сопле. Этот цикл подо­ бен термодинамическому циклу, происходящему в ТРД, и отличает­ ся от него тем, что мощность турбины затрачивается не только на привод компрессора высокого давления, но и на привод компрессо­ ра внешнего контура. Как известно, в ТРД мощность турбины ис­ пользуется для привода только компрессора газогенератора. На рис. 6 показана диаграмма реального термодинамического цикла внут­

11

воздуха окружающей атмосферы. Эта энергия характеризует по­ лезную работу термодинамического цикла, которая может быть использована для создания тяги двигателя.

Рис. 6. Реальный термодинамический цикл внутреннего конту­ ра ДТРД

где k -показатель адиабаты воздуха;

R•газовая постоянная воздуха; •температура воздуха, соответствующая высоте по­ лета;

•параметр, характеризующий степень повышения давления во внутреннем контуре;

12

Д Т Р Д, характеризующего общую степень повышения давления во внутреннем контуре я* 2 , на полезную работу цикла также совпадает с влиянием аналогичного параметра ТРД, т. е. с увеличением об-

t

чина полезной работы цикла уменьшается. В ТРД эта полезная

полезная работа распределяется между внутренним и внешним контурами, увеличивая кинетическую энергию реактивных струй каждого контура. Расширение газа в реактивном сопле внутрен­ него контура увеличивает скорость газового потока (процесс

г—Ci).

Реальный термодинамический цикл внешнего контура Д Т Р Д •состоит из динамического сжатия воздуха в воздухозаборнике и сжатия в компрессоре внешнего контура, при котором к воздуху подводится механическая энергия. В реактивном сопле внешнего контура осуществляется процесс расширения, в результате кото­ рого потенциальная энергия сжатого воздуха трансформируется в кинетическую энергию реактивной струи этого контура. На рис. 7

тие' в компрессоре внешнего контура). Расширение воздуха в реак­ тивном сопле внешнего контура изображается кривой кц—сц. На

13

этом же рисунке приведен реальный термодинамический цикл ДТРДФ при форсировании тяги сжиганием дополнительного топ­

Двухконтурный турбореактивный двигатель характеризуется следующими основными параметрами: тягой, расходом воздуха,, удельной тягой, удельным расходом топлива, удельным весом дви­ гателя, лобовой тягой и ресурсом.

потоков из реактивных сопел, скоростью полета и степенью двух-

вая тяга, отнесенная к наибольшей площади поперечного сечения двигателя.

Р е с у р с о м [ч] называется срок службы двигателя.

14

Параметры рабочего процесса ДТРД и ДТРДФ

В двухконтурном турбореактивном двигателе эффективность рабочего процесса определяют следующие параметры: общая сте­ пень повышения давления во внутреннем контуре я* s , темпера­ тура газа перед турбиной Т*, степень повышения давления во внешнем контуре я* п , степень двухконтурности m и к. п. д. элемен­ тов двигателя. Параметры я* 2 и Т* характеризуют работу внут­ реннего контура, а я* „ и m — работу, передаваемую во внешний контур. Для двигателя существуют определенные соотношения между его термодинамическими параметрами, позволяющие полу­ чить потребную тягу при наивыгоднейших значениях удельных параметров RyR и CR.

В процессе развития авиадвигателестроения параметры рабо­ чего цикла все время улучшаются, и в настоящее время для двухконтурных двигателей (при работе на стенде) величина обшей сте­ пени повышения давления достигает примерно 30, температура газа

внешнем контуре определяется другими параметрами рабочего цик­ ла и особенностями конструкции и изменяется в пределах пример­

двигателя) сопровождается увеличением тяги двигателя и сниже­ нием удельного расхода топлива. При возрастании степени двух­ контурности расход воздуха через внешний контур увеличивается, а скорость истечения газа из него уменьшается, так как мощность, передаваемая во внешний контур, остается неизменной. При этом рост расхода воздуха опережает падение скорости истечения и тяга двигателя, определяемая произведением расхода на скорость, увеличивается.

пература газа перед турбиной Т* определяют количество подводи­ мого в камере сгорания тепла, т. е. расход топлива. Следовательно, при увеличении степени двухконтурности, когда тяга двигателя увеличивается, а расход топлива остается неизменным, удельный расход топлива снижается обратно пропорционально росту тяги.

15

контурности m справедливы для условий работы двигателя на стенде. Если степень двухконтурности увеличивается, а механиче­

теля снижается интенсивнее, а удельный расход топлива умень­ шается в меньшей степени, чем при работе Д Т Р Д на стенде.

Рис. 8. Изменение удельной тяги и удельного расхода топлива ДТРД в за­ висимости от степени двухконтурности для взлетного и дозвукового крей­ серского режимов полета

Возможен и другой подход к исследованию параметров ДТРД {при неизменных величинах т, я* 2 , 7*, к. п. д. и гидравлических потерях элементов двигателя), при котором величина механиче­ ской энергии, передаваемой из внутреннего контура во внешний, может изменяться от нуля до всей энергии, располагаемой в газо­ генераторе. При передаче некоторой части энергии во внешний контур, т. е. при увеличении степени повышения давления в ком­ прессоре внешнего контура, скорость истечения из реактивного сопла этого контура ш с ц увеличивается, а скорость истечения из внутреннего контура ш С І уменьшается. При этом если скорости

16

истечения из контуров отличаются друг от друга существенно, то скорость wai уменьшается в меньшей степени, чем возрастает ско­ рость wcn- В результате тяга и удельная тяга двигателя увеличи­ ваются, а удельный расход топлива уменьшается. При увеличении

Существует оптимальное распределение полезной работы тер­ модинамического цикла Ьцх между внутренним и внешним конту­ рами, характеризуемое величиной оптимальной степени повышения давления во внешнем контуре я* „ о п т или зависимыми от нее опти­ мальными скоростями истечения из реактивных сопел К У С І І И wcï. Это оптимальное распределение соответствует максимальному зна­ чению удельной тяги. Обычно такое распределение определяется при неизменных параметрах цикла внутреннего контура, неизмен­ ных условиях полета и постоянных величинах степени двухконтурностн, к. п. д. и гидравлических потерь.

Полезная работа внутреннего контура затрачивается на при­ ращение кинетической энергии потока, проходящего через этот кон­ тур, и на привод компрессора внешнего контура. С учетом разницы расходов воздуха через внутренний и внешний контуры уравнение распределения полезной работы Ьщ для 1 кгс рабочего тела можно записать в таком виде:

2g

Работа компрессора внешнего контура Ькц затрачивается на увеличение кинетической энергии потока, проходящего через этот контур, и на преодоление гидравлических сопротивлений в нем. Влияние гидравлических сопротивлений оценивается коэффициен­ том т)п, который условно называется к. п. д. внешнего контура. Вследствие этого

Из уравнений (4) и (5) определяется уравнение распределения полезной работы цикла

С помощью уравнений (2) и (6) для удельной тяги и распре­ деления полезной работы цикла можно получить условие достиже­ ния максимальной удельной тяги RyRmax- Это условие имеет вид

т ,

СІ / о п т

внешнего контура аус ц должна быть ниже скорости истечения из внутреннего контура а'0 і, а численное соотношение между величи­

удельного расхода топлива ДТРД в зависимости от степени повы­ шения давления во внешнем контуре.

Из уравнений (5), (6) и (7) можно получить формулу для оп­ ределения оптимальной величины работы компрессора внешнегоконтура

Кроме того, между степенью повышения давления во внешнем:

18

Анализ выражений (8) и (9) позволяет сделать некоторые вы­ воды.

1. Увеличение степени двухконтурности сопровождается сниже­ нием оптимальной степени повышения давления во внешнем кон­ туре я* „ (рис. 10) [21], [39].

2. С увеличением полезной работы цикла увеличивается опти­ мальное значение я* и .

3. С увеличением скорости полета л* „ о п т снижается, что может

Рис. 10. Зависимость оптимальной степени повышения давления во внешнем контуре от степени двухконтурности (Н = 11 км; М п = 0,9;

^ 2 = 2 4 )

быть объяснено уменьшением эффективности механического сжа­

ясняется увеличением полезной работы цикла при увеличении сте­

величина оптимальной степени повышения давления во внешнем контуре несколько ниже, чем для Д Т Р Д с раздельным истечением. Это объясняется следующим: для Д Т Р Д со смешением важно ра­ венство статических давлений при малых скоростях смешиваемых потоков, так как при этом обеспечиваются минимальные потери в процессе смешения-. В результате полные давления за компрес­

смешением и Д Т Р Д с раздельным истечением потоков оказываются практически одинаковыми. Вместе с тем возможность использова­ ния пониженных значений я* „ позволяет сократить число ступе-