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

чением отношения тяги внешнего контура к тяге внутреннего кон­ тура при уменьшении скорости вращения ротора.

При уменьшении скорости вращения ротора увеличивается сте­ пень двухконтурности вследствие более быстрого уменьшения рас­ хода воздуха через внутренний контур по сравнению с расходом

потоков из контуров в пользу внешнего контура. Известно, что у

зона устойчивой работы двигателя и улучшению его приемистости.

обеспечивается преимущество двухконтурного двигателя над одно­ контурным по удельному расходу топлива.

Высотная и скоростная характеристики ДТР Д в значительной мере определяются программой регулирования. Далее рассматри­ ваются особенности этих характеристик при условии п=const и 7* = const (закон регулирования на максимальную тягу).

Высотная характеристика двухконтурного двигателя не имеет существенных отличий от высотной характеристики ТРД, хотя по мере увеличения высоты полета тяга Д Т Р Д уменьшается несколь-

30

ко медленнее, а удельный расход топлива снижается несколько быстрее, чем у ТРД.

Изменение тяги двигателя определяется изменением его удель­ ной тяги и расхода воздуха. С увеличением высоты при постоян­ ной скорости полета степень повышения давления в компрессорах внешнего и внутреннего контуров возрастает. Вследствие постоян­ ства температуры газа перед-турбиной скорость истечения из реак­ тивного сопла внутреннего контура и удельная тяга его также несколько возрастают. Скорость истечения из реактивного сопла внешнего контура несколько уменьшается из-за некоторого сни­ жения температуры воздуха за компрессором этого контура, так как уменьшение температуры воздуха с увеличением высоты по­ лета не компенсируется увеличением его температуры из-за боль­ шей величины я* . Однако величина удельной тяги внешнего кон­ тура все же слабо увеличивается из-за большего влияния на / ? у д ц уменьшающейся скорости полета (М п =const), чем уменьшающейся скорости истечения. В результате этого удельная тяга Д Т Р Д с уве­ личением высоты полета повышается интенсивнее, чем удельная тяга ТРД.

Расход воздуха через внутренний контур с увеличением высоты полета снижается. Однако он уменьшается медленнее, чем сни­ жается атмосферное давление с подъемом на высоту. Это связана с увеличением суммарной степени повышения давления до высоты 11 км, обусловленное снижением температуры наружного воздуха.

Расход воздуха через внешний контур снижается более интен­ сивно, чем через внутренний. Из теории ВРД известно, что, чем выше степень повышения давления, тем меньше снижается расход воздуха с подъемом на высоту. Вследствие этого расход воздуха через внешний контур (имеющий меньшую степень повышения давления, чем внутренний контур) убывает быстрее, чем черезвнутренний контур, и, следовательно, степень двухконтурности с подъемом на высоту снижается, т. е. суммарный расход воздуха через Д Т Р Д снижается существеннее, чем через ТРД. В целом суммарная тяга двухконтурного двигателя, являющаяся произве­

31

с увеличением скорости полета снижается интенсивнее, чем у ТРД;

удельной тяги внешнего контура, так как даже при равных сте­ пенях расширения в реактивных соплах каждого контура темпе­ ратура за турбиной внутреннего контура выше, чем температура за компрессором внешнего контура, а значит, и скорость истечения из внутреннего контура выше, чем из внешнего.

С увеличением скорости полета степень повышения давления в двигателе возрастает, а степень расширения газа в турбине и температура за турбиной остаются постоянными и, следовательно, скорость истечения газа из реактивного сопла внутреннего контура увеличивается. Однако рост скорости полета превосходит рост скорости истечения, и удельная тяга этого контура снижается ка­ чественно так же, как и у ТРД.

Удельная тяга внешнего контура убывает в меньшей степени, чем удельная тяга внутреннего контура, так как с увеличением скорости полета кроме увеличения степени расширения воздуха во внешнем контуре увеличивается и температура воздуха. Вслед­ ствие этого скорость истечения воздуха из этого контура возрастает в несколько большей степени, чем скорость истечения газа из внут­ реннего контура. Поэтому относительная удельная тяга внешнего контура снижается в меньшей степени, чем относительная удельная тяга ТРД. Необходимо учитывать, что абсолютная удельная тяга ТРД значительно выше, чем удельная тяга внешнего контура ДТРД, причем с увеличением степени двухконтурности этот разрыв увеличивается.

В целом удельная тяга Д Т Р Д снижается с увеличением скоро­ сти полета интенсивнее, чем у ТРД. При больших степенях двух­ контурности Д Т Р Д скорости истечения из реактивных сопел кон­

С увеличением скорости полета расход воздуха через двигатель увеличивается, причем через внутренний контур так же, как и у ТРД (т. е. пропорционально степени повышения давления в дви­ гателе), а через внешний контур интенсивнее, чем через внутренний контур. Это объясняется тем, что степень повышения давления во внешнем контуре невелика и с увеличением скорости возрастает достаточно существенно. В результате степень двухконтурности

3 2

у ТРД, и более крутое протекание кривой тяги при больших ско­ ростях полета. Кроме того, нулевая тяга двухконтурного двигателя получается при меньшей скорости, чем для одноконтурного двига­ теля.

Следует отметить, что, чем выше степень двухконтурности ДТРД, тем интенсивнее уменьшение тяги ДТРД . По этой причине, в частности, у Д Т Р Д с большой степенью двухконтурности по мере увеличения скорости полета необходимо увеличивать Т* для под­ держания тяги неизменной. Однако на практике вследствие опре­ деленного соотношения между располагаемой и потребной тяга­ ми 7* на крейсерском режиме может быть снижена по сравнению с Т* на взлетном режиме.

Удельный расход топлива Д Т Р Д с увеличением скорости полета возрастает интенсивнее, чем у ТРД. Это объясняется более интен­ сивным снижением удельной тяги двухконтурного двигателя. С увеличением скорости полета экономичность Д Т Р Д ухудшается, сравнивается с экономичностью ТРД и, следовательно, преимуще­ ство двухконтурных двигателей по С н перед одноконтурными дви­ гателями, начиная с некоторой скорости полета, исчезает. При

одноконтурного двигателя при всех скоростях полета. Эта особен­ ность объясняется возрастающим влиянием потерь во внешнем кон­

симости от условий эксплуатации и режима работы. На рис. 21

и удельного расхода топлива двухконтурных двигателей с форси­ рованием, особенно у ДТРДФ с малой степенью двухконтурности,. качественно аналогично изменению этих же параметров у ТРДФ . Ранее было показано, что степень форсирования (отношение фор­ сированной тяги к тяге на максимальном бесфорсажном режиме) ДТРДФ выше, чем у ТРДФ, причем с увеличением степени двух­ контурности степень форсирования ДТРДФ увеличивается. В част­ ности, в сравнении с ТРД степень форсирования на взлете для ТРДФ составляет примерно 40%. Для ДТРДФ с /и==2 эта величи­ на достигает примерно 95% по отношению к ДТРД. Однако при равных расходах воздуха через ДТРДФ и ТРДФ тяга двухкон­

ДТРДФ), хотя эта разница не столь велика, чтобы существенно ухудшить условия взлета самолета с ДТРДФ .

Преимущество двухконтурного двигателя по степени форсиро­ вания с увеличением скорости полета возрастает. В результате этого с увеличением скорости полета разница в форсажной тяге

34

ТРДФ и ДТРДФ уменьшается и, начиная со скорости полета, со­

s

•< >—

^Максимал

Рис. 22. Зависимость тяги и удельного расхода топлива ДТРДФ и ТРДФ от числа M полета на форсажном и максимальном режимах

рис. 22). Ранее (см. рис. 15) было показано, что при форсировании тяги двухконтурного двигателя во внешнем контуре С% ДТРДФ при сверхзвуковых скоростях полета может быть ниже С$ ТРДФ.

На бесфорсажных режимах работы двухконтурный двигатель обеспечивает на дозвуковых скоростях полета лучшую экономич-

36

ность, чем одноконтурный двигатель с выключенным форсажем (см. рис. 22).

Из особенностей изменения тяг и удельных расходов топлива ДТРДФ на форсажном и бесфорсажном режимах следует, что двухконтурные двигатели с форсированием обеспечивают доста­ точно большую форсажную тягу для осуществления быстрого взле­ та, набора высоты и полета на сверхзвуковой скорости, а также малый удельный расход топлива при выключенном форсаже для крейсерского полета на дозвуковой скорости.

Для двухконтурных двигателей, так же как и для одноконтур­ ных двигателей, существуют эксплуатационные ограничения режи­ мов работы. Если эти ограничения нанести на характеристики, то можно определить диапазон работы двигателя. В целом эти огра­ ничения подобны ограничениям для ТРД (опасность термического или прочностного перенапряжения элементов конструкции двига­ теля, возможность нарушения устойчивой работы компрессоров, срыв пламени в камере сгорания или в форсажной камере).

В заключение следует отметить, что изменение тяги и удель­ ного расхода топлива Д Т Р Д и ДТРДФ на всех эксплуатационных режимах зависит от программы регулирования двигателя. В спе­ циальной литературе подробно изложены особенности регулиро­ вания двухконтурных двигателей. В настоящей работе кратко рас­ смотрим лишь некоторые вопросы регулирования Д Т Р Д и ДТРДФ.

Для достижения максимальной тяги двигателя при газодина­ мических и прочностных ограничениях применяется закон регу­ лирования /г = const и 7"£= const. В двухконтурном двухвальном двигателе, так же как и в одноконтурном ТРД, при изменении ус­ ловий полета изменяется соотношение скоростей вращения роторов низкого и высокого давления.

Характерной особенностью работы вентилятора и двухконтурного двигателя является изменение степени двухконтурности при изменении условий полета, и режима работы двигателя. Увеличение скорости полета или уменьшение высоты сопровождается увеличе­ нием степени двухконтурности, при этом скорость вращения ротора низкого давления несколько уменьшается (Т* = const).

С увеличением скорости полета для поддержания постоянства температуры газа перед турбиной необходимо существенно увели­ чить скорость вращения ротора высокого давления при степени повышения давления в компрессоре высокого давления до 4—4,5 (аналогично двухвальному ТРД) . При больших величинах * * в д для поддержания 7*= const достаточно сохранять постоянной ско­ рость вращения ротора высокого давления, что облегчает задачу регулирования двигателя и упрощает его автоматику. Однако при­ менение повышенных значений я*в д сопряжено с усложнением обеспечения устойчивой работы компрессора высокого давления. Как и для одноконтурных ТРД, для Д Т Р Д в каскаде высокого давления применяют регулируемые направляющие аппараты, а

37

Г л а в а I I

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДВУХКОНТУРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для создания двухконтурного двигателя с параметрами, опре­ деленными техническими условиями на проектирование, необходи­ мо применить оптимальные для заданных условий газодинамиче­ скую и конструктивную схемы Д Т Р Д или ДТРДФ. Определенная схема двигателя принимается при выборе параметров рабочего цикла и предварительном газодинамическом и прочностном расче­ те. Использование в Д Т Р Д и ДТРДФ более высоких величин •общей степени повышения давления и температуры газа перед турбиной по сравнению с одноконтурными двигателями, а также существование внешнего контура, гидравлически и механически связанного с внутренним контуром, вызывает необходимость при­ менять специфические газодинамические и конструктивные схемы двухконтурных двигателей. При этом следует учитывать взаимное влияние конструкции и газодинамики двигателя. Такое влияние •существует между степенью двухконтурности и схемой двигателя (со смешением или с раздельным истечением потоков), общей сте­ пенью повышения давления и числом валов турбокомпрессорной части, температурой газа перед турбиной и числом охлаждаемых •ее ступеней и т. д.

Влияние параметров рабочего процесса двухконтурного двигателя на его конструкцию

система форсирования и реверсирования тяги [37]. Двухконтурные двигатели со смешением потоков обладают и другими достоинст­ вами (одно реактивное сопло, что важно при необходимости его регулирования, и возможность использования пониженной вели­ чины я* „ в сравнении с оптимальным значением). Однако сни­ жения CR В Д Т Р Д со смешением можно добиться только при ма­ лых потерях в камере смешения.

39