книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

Условие (14.4) означает, что полетный вес самолета на ядерной энергии равен или меньше полетного веса самолета на хими­ ческой энергии при одинаковой величине суммарной тяги двига­ телей. Это заключение достаточно точное для сравнительных рас­ четов, хотя и не учитывает особенностей замены обычных ТРД на ядерные и обусловленное этим Влияние на конструкцию само­ го самолета, например, тот факт, что посадочный вес самолета на

желых самолетов, начиная с некоторого достаточно большого веса.

Для получения на ядерном самолете той же скорости полета, что и на химической энергии, при одинаковой суммарной тяге двигателей, нужно выполнить еще одно условие: лобовая тяга ядерных ТРД не должна быть меньше лобовой тяги ТРД на хи­ мической энергии, т. е.

X с у

или, так как суммарные тяги обоих самолетов одинаковы,

При написании формулы (14.5) учитывалось, что лобовая поверхность силовой установки на химической энергии опреде­ ляется только самими двигателями, так как горючее содержится в баках, размещенных в фюзеляже и крыльях. В случае ядерных ТРД габаритный диаметр силовой установки может определяться не двигателем, а теплообменником или реактором-теплообменни­ ком при непосредственном нагреве воздуха.

Одновременное удовлетворение верхней границы условий (14.4) и (14.5) будет обеспечивать равенство скоростей и высот полета обоих типов самолетов, имеющих одинаковый полетный вес и одинаковую тяговооруженность.

Переходя от абсолютных величин к удельным, можно запи­ сать два условия для ядерных ТРД, при выполнении которых ядерный самолет по скорости и высоте полета будет таким же или даже лучше, чем самолет на химической энергии:

(14.6)

здесь, очевидно, ~(ясу и / ясу— удельный вес и удельный лоб ядерных ТРД, определяемые по формулам

373

§ 14.3. ВЛИЯНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРД НА ПОВЕРХНОСТЬ ТЕПЛООТДАЧИ

ИЛОБОВУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ТЕПЛООБМЕННИКА

Впредыдущем параграфе мы исключили критерий экономич­ ности ядерного ТРД при оценке тактико-технических данных са­ молета. Это правильно, если параметры процесса ядерного ТРД выбраны такими, что они определяют минимальные размеры (и, следовательно, вес) реактора-теплообменника или реактора и теплообменника.

Теплообменник или сам реактор, выполняющий функции на­

воздуха до заданной температуры Т3*, от плотности и скорости воздуха в теплообменнике. Величина лобовой поверхности теп­ лообменника или реактора-теплообменника зависит От конст­ рукции и применяемых материалов, от плотности и скорости воз­ духа на входе в теплообменник или на выходе из него.

И поверхность нагрева и лоб теплообменника зависят от плотности воздуха, а поверхность нагрева, кроме того, от величи­

поэтому можно заранее предположить, что для ядерного ТРД должна существовать оптимальная степень повышения давления кк* воздуха в компрессоре, определяющая минимальные поверх­ ности нагрева, лоб и вес теплообменника или реактора-теплооб­ менника*).

На фиг. 14.5 дан график зависимости удельной тяги Руя и ко­ личества тепла Яв, необходимого для нагрева 1 кг воздуха в теп­ лообменнике, в зависимости от тск*. Величина Ру1 относится толь­

звх — коэффициент сохранения давления во входном диффузоре ТРД, ат — то же для теплообменника. Чем больше потери давле­ ния во входном устройстве и в реакторе, тем меньше суммарный коэффициент и тем меньше Р уд •

*) Материалы данного параграфа основаны' на исследованиях, проведен­ ных автором в сотрудничества с В. Я. Артамасовым и Л. С. Колосовым.

374

На фиг. 14.6 дан график z~~ = f (^к*) апя тех же условий.

уд Видно, что количество тепла для нагрева воздуха на 1 кг тяги за­

висит от лк* и достигает минимума при определенных его значе-

Руп

мое для значение itK*?«6,0; при этом irK* величина затраты

Рул

тепла на 1 кг тяги примерно на 25% меньше, чем при icK* = 1,0.

375

Необходимая поверхность теплообменника для сообщения се­ кундному расходу воздуха О0 количества тепла

стенкой теплообменника и воздухом, протекающим через него.

Средний расчетный перепад температур требует более тща­ тельного определения, при этом необходимо знать изменение тем­ пературы стенки теплообменника.

376

Из (14.8) следует, что поверхность теплообмена sT является функцией 1гк*. так "как числитель и знаменатель зависят от этой величины. На фиг. 14.7 при М — пост, и Т3* = пост, дано относи­ тельное изменение поверхности нагрева в зависимости от tv*для

Фиг. 14.7. Влияние на относительное из­ менение поверхности теплоотдачи

чина sT сильно зависит от тск* в области малых значений послед­

Изменение исходных величин (числа М полета и температу­ ры Т3*) должно оказать влияние и на оптимальное значение v * для поверхности теплообмена.

Лобовая площадь FT теплообменника определится из урав­ нения

СзТзФ ^уд сз ТзФ

377

где с3 и Тз — соответственно скорость и весовая плотность возду­ ха на выходе из теплообменника, Ф— доля лобового сечения, за­ нятая воздушными каналами (коэффициент пористости теплооб­ менника).

Относя лобовую площадь теплообменника к 1 кг тяги и вы­ ражая весовую плотность тока (с3 т3) с помощью газодинамиче­ ских функций, можно написать

Р Р у д / > з * ? ( ха ) ' Я ф ’

где

Так как

Р * = Рц* kic*0t .

то

________ / т*________

(14.9)

Р ужРн*ашх«к* °т Ч(Хз) "I ф

Для определенного числа М полета на заданной высоте по­ стоянны р н *и авх ; если, кроме того, принять 7’3*= пост. и X, =5 пост., а величина m практически постоянна, то можно полу­ чить

1

/ х — const

уд Так как при прочих равных условиях Р уд зависит' от «к*» то

Л = / ( * Л »т).

На фиг. 14.8 приведен график относительного изменения пло­ щади / тот «к* для двух значений потерь давления во входном

величины отношения давлений в компрессоре заметно уменьшает

полета после определенного значения приближает наивыгодней­ шее ’г** к 1,0 из-за резкого уменьшения опх, несмотря на некото­ рое увеличение ах вследствие понижения степени подогрева воз­ духа в теплообменнике при Т3* = пост.

378

График фиг. 14.8 относился к случаю Т3* — пост. Если изменитьТз*, это повлечет за собой изменение / т при прочих постоян-

.ных условиях. Так, увеличение Т3* приводит к увеличению Руа и наивыгоднейшего пк* , но несколько уменьшает ат ; в результате уменьшения расхода воздуха и увеличения плотности его на входе

менение лобовой поверхности теплообменника

в теплообменник следует ожидать уменьшения лобовой поверхно­ сти теплообменника.

Изложенные выше данные позволяют сделать общий вывод: для химической энергии выбор параметров процесса ТРД свя­ зан с его экономичностью и имеет большое значение для улучше­ ния летно-технических показателей самолета при имеющемся на нем запасе горючего (увеличение дальности или продолжитель­ ности полета); для ядерного ТРД параметры его процесса опре­ деляют поверхность нагрева и лоб теплообменника или реакто--

379

ра-теплообменника и, следовательно, оказывают существенное влияние на вес и габариты силовой установки.

Большое значение для процесса имеет выбор скорости входа

Таким образом, имеются все необходимые данные для расче­ та процесса ядерного ТРД. Определяются также необходимые поверхности нагрева и лобовая поверхность теплообменника или реактора-теплообменника.

Изложенное в этом параграфе относится к ядерному ТРД

нагрева воздуха.

§14.4. ЯДЕРНЫЙ ТРД С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ НАГРЕВОМ ВОЗДУХА

ВРЕАКТОРЕ.

Приведенные в § 14.3 данные показывают целесообразность увеличения до известных пределов степени повышения давления як*в компрессоре для уменьшения поверхности нагрева и лба теплообменника. Наивыгоднейшая величина лк* зависит от ско­ рости полета (или температуры на входе в компрессор), от темпе­ ратуры воздуха перед турбиной и от температуры стенок тепло­

380

Фи г. 14.9. Относительное изменение веса реактора и веса ТРД (без реактора) 'в зависимости от лк*

лета на постоянной высоте Я и при постоянных значениях темпе­ ратур Т3* и реактора. Характер изменения Gp и GaB с увеличени­ ем не вызывает сомнений; однако количественное влияние «к* на вес двигателя и реактора в действительности может быть не­ сколько отличным от графика; это связано с уровнем конструиро­ вания,.технологией и точностью расчета весов.

381

На фиг. 14.10 дано относительное изменение веса всей сило­ вой установки Оясу = С?р + GiB от величины як* для случая ре­ актора-теплообменника в системе ТРД. Как видно, в данном примере минимальный вес силовой установки достигается при

«к* = 4 - 5 .

Если суммарный вес силовой установки остается''практически постоянным в некотором интервале значений я Д то предпочти­ тельно выбрать наибольшее из этих значений, так как при этом уменьшаются необходимая тепловая мощность, а следовательно, размеры и вес реактора.

Фиг. 14.10. Влияние “*к на относительное изменение веса силовой установки ядерного ТРД

Оптимальная степень повышения давления тск* в компрессоре ТРД в случае использования реактора с непосредственным нагре­ вом воздуха получается несколько больше, чем для ТРД с приме­ нением химической энергии.

§ 14.5. ЯДЕРНЫЙ ТРД С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

■Реактор, как и в случае непосредственного нагрева воздуха, должен быть высокотемпературным. Реактор на основе графита может удовлетворить этому условию, так как температура плавления графита равна ~3900°С. Однако чистый графит при температуре около 500°С и выше окисляется в среде воздуха; следовательно, при непосредственном нагреве воздуха требуется

3 8 2