Характеристики двухконтурных трд (трдд)

В ТРДД, используемых на дозвуковых транспортных и гражданских самолетах, характерно применение сравнительно высоких степеней двухконтурности. Это обусловлено требованием получения хорошей экономичности и соответственно низких удельных расходов топлива. У этих ТРДД, по мере их развития, степени двухконтурности m = G_вII/G_вI и параметры рабочего процесса иувеличивались (как показано на рис. 4.10) и в настоящее время они достигают:m₀ ≈ 4,5…5,5; ≈ 1500…1600 К;≈ 25…35.

Рис. 4.10. Изменение параметров рабочего процесса и удельных параметров ТРДД в ходе их развития: I, II, III – поколения

Повышение степени двухконтурности m приводит к возрастанию тягового КПД двигателя за счет снижения потерь с выходной скоростью. Вследствие увеличения параметров рабочего процесса, при условии сохранения высоких КПД элементов, достигается увеличение внутреннего КПД двигателя. В итоге повышается полный КПД двигателя_п=_вн_тяг и снижается удельный расход топлива С_уд.

Но увеличение степени двухконтурности неизбежно приводит к уменьшению удельной тяги двигателя, а вследствие этого увеличивается расход воздуха, требуемый для получения заданной тяги. Это вызывает увеличение габаритных размеров и в первую очередь миделя таких ТРДД.

Рис. 4.11. Влияние режима работы

двигателя (а) и условий полета (б)

на степень двухконтурности ТРДД

Степень двухконтурности m у ТРДД является функцией от приведенной частоты вращения компрессора n_к.пр и при этом весьма существенно изменяется при изменении скорости, высоты полета и частоты вращения ротора двигателя. Качественный характер изменения m от представлен на рис. 4.11а. С уменьшением величинаm возрастает, а это, как видно из рис. 4.11 б, приводит к повышению m с увеличением скорости (числа M_Н) полета и к ее снижению с увеличением высоты полета Н до 11 км.

Весьма значительная зависимость степени двухконтурности от режима работы двигателя, скорости и высоты полета наряду с низкими абсолютными значениями удельных тяг являются теми отличительными особенностями, которые влияют на протекание высотно-скоростных и дроссельных характеристик ТРДД по сравнению с соответствующими характеристиками ТРД.

Ниже дается объяснение характеру протекания характеристик двухконтурных двигателей двух основных типов: ТРДД (без смешения и со смешением потоков контуров), а также производится сравнение их характеристик с характеристиками ГТД прямой реакции других типов.

4.4. Скоростные характеристики трдд

Характеристики ТРДД без смешения и со смешением потоков контуров при равных значениях степени двухконтурности почти не различаются между собой. Поэтому в последующем изложении, если нет оговорок, под аббревиатурой ТРДД будут подразумеваться как ТРДД, так и ТРДДсм.

Согласно определению, скоростной характеристикой ТРДД называется зависимость тяги Р и удельного расхода топлива С_уд от скорости полета на заданной высоте полета при принятой программе управления.

Тяга равна произведению расхода воздуха G_в и удельной тяги Р_уд, т.е. Р = G_в Р_уд. Рассмотрим последовательно влияние на величины G_в и Р_уд, а следовательно, и на тягу Р, скорости полета V (и соответственно числа М полета – М_Н) на заданной высоте полета.

Зависимость расхода воздуха от скорости (числа М) полета определяется из соотношения

G_в = m_в q(_в)F_в. (4.5)

Условия полета оказывают влияние на G_в через давление и температуру воздуха на входе в двигатель, причем и. Величинаq(_в) при этом изменяется в соответствии с изменением приведенной частоты вращения вентилятора ТРДД, поскольку q(_в) = f (n_в.пр), и определяется по рабочей линии на характеристике вентилятора.

На изменение G_в по скорости полета влияют расчетные значения иm₀, а также характер их зависимостей от М_Н. Уравнение расхода для ТРДД в форме G_в = G_вI (1+m), учитывая, что

G_вI = const , (4.6)

можно привести к виду

G_в = const (1+m). (4.7)

Если принимать ≈const, то из формул (4.6) и (4.7) видно, что расход воздуха через внутренний контур ТРДДG_вI пропорционален давлению ==_вх, а расход воздуха через наружный контур G_вII пропорционален (1+m), а следовательно, на него, помимо, влияет изменение степени двухконтурностиm.

Расход воздуха через внутренний контур ТРДД G_вI при возрастании скорости полета V (и соответственно числа М полета) как и у ТРД увеличивается медленнее, чем повышается давление на входе в двигатель. Это объясняется уменьшениемс ростом температуры, поскольку при≈ const

G_вI ≈ const=const. (4.8)

Чем более высокое расчетное значение имеет двигатель, тем интенсивнее снижаетсяпри увеличении, а это замедляет темп возрастания по скорости полета давления, а следовательно, иG_вI.

Расход воздуха через наружный контур ТРДД G_вII вследствие увеличения степени двухконтурности m (рис. 4.11 б) увеличивается с ростом скорости полета быстрее, чем расход воздуха через внутренний контур G_вI, что в соответствии с (4.7) приводит (при одинаковых параметрах рабочего процесса) к более интенсивному увеличению G_в у двухконтурных двигателей по сравнению с одноконтурными, у которых m = 0.

На рис. 4.12 представлены зависимости =/от числа М полета для ТРД (m₀ = 0) и для ТРДД, имеющих m₀ = 1,0; 2,0; 4,0 при одинаковых параметрах рабочего процесса (= 24;= 1500 К) для высот полетаН = 0 и

Н = 11 км. Видно, что темп возрастания G_в по М_Н повышается с увеличением m₀.

На рис. 4.13 показано влияние на характер изменения G_в расчетного значения суммарной степени повышения давления воздуха в компрессоре у ТРДД для значений, равных 15 и 30, приm₀ = 4,0. С ростом , как и у ТРД, интенсивность ростаG_в по М_Н замедляется, что вызвано более значительным снижением у них q(_в) с ростом и с уменьшением.

Рис. 4.12. Изменение по МН при различных m0	Рис. 4.13. Изменение по МН при различных иm0 = 4

Зависимость удельной тяги ТРДД от скорости полета будем рассматривать для простоты при равенстве скоростей истечения газа из сопел кон туров,

т.е. при условии =. Это качественно приемлемо для ТРДД с раздельными контурами (из-за малого различия у них величини). Тогда удельная тяга для всех ГТД прямой реакции будет определяться по одной и той же формуле:

Р_уд = с_с – V. (4.9)

Различие в схемах двигателей и режимах их работы будет влиять на Р_уд только через скорость истечения с_с из реактивного сопла. Скорости с_с зависят от располагаемой степени понижения давления в реактивном сопле _с.расп и температуры газа перед соплом . У ТРДД значения скоростей истечения и удельных тяг при заданных параметрах рабочего процесса зависят от степени двухконтурности двигателяm. При увеличении m уменьшаются давление и температура перед соплами, а это приводит к снижению с_с и Р_уд.

Таблица 4.1

№ п/п	Тип ГТД		, К	m0	Руд=сс,	Суд,
1	ТРД	20	1500	0	900	0,09
2	ТРДД	20	1400	2,0	700	0,072
3	ТРДД	24	1500	4,0	500	0,056
4	ТРДД	28	1600	6,0	300	0,035

Рис. 4.14. Характер изменения Р_уд и по числу М полета у ГТД прямой реакции

Порядок величин удельных тяг и удельных расходов топлива для основных типов ГТД прямой реакции в стендовых условиях (в данном случае Р_уд=с_с) на режиме «М» при характерных параметрах рабочего процесса указан в табл. 4.1. Снижение скорости истечения выгодно с точки зрения уменьшения удельного расхода топлива, но оно ведет к снижению удельных тяг и к их более интенсивному падению при увеличении числа М полета.

Удельная тяга с ростом М_Н падает тем интенсивнее, чем меньшую скорость истечения с_со имеет двигатель в стендовых условиях. Качественный характер зависимостей Р_уд от М_Н для ГТД прямой реакции различных типов, приведенных в табл. 4.1, показан на рис. 4.14 а. На рис. 4.14 б дано относительное протекание от М_Н. За исходный для сравнения относительного протекания скоростных характеристик двигателей принят режим полета на высоте 11км с М_Н = 0,5.

Как видно, во всех случаях удельная тяга тем ниже и падает тем быстрее, чем меньшую скорость истечения в стендовых условиях имеет двигатель. Заштрихованная область на рис. 4.14 б относится к двухконтурным двигателям, причем ее нижняя граница соответствует ТРДД с высокими расчетными значениями m₀ и , а верхняя граница относится к малым расчетным значениям этих величин.

Зависимость тяги двигателя от М_Н для ТРД и ТРДД, имеющих различные m₀, для высоты Н = 11 км представлены на рис. 4.15. Как видно, у двигателей с высокими скоростями истечения газа из сопла возрастание расхода воздуха с ростом М_Н преобладает над снижением удельной тяги, и тяга двигателя с увеличением М_Н возрастает. Для ТРД характерно наличие в зависимости тяги от числа М полета трех участков: снижения тяги (из-за преобладающего влияния уменьшения Р_уд), затем ее увеличения (где рост G_в превышает падение Р_уд) и резкого падения тяги вплоть до «вырождения» двигателя (в области больших сверхзвуковых скоростей полета).

Видно также влияние на скоростные характеристики ТРДД расчетной

степени двухконтурности. При малых степенях двухконтурности характер

зависимости Р от М_Н является качественно таким же, как у ТРД (при m₀ = 0), но с увеличением m₀ преимущественную роль начинает играть снижение Р_уд с ростом М_Н. При высоких степенях двухконтурности, несмотря на значительное повышение G_в с увеличением М_Н (рис. 4.12), тяга все время снижается, вначале круто, затем более полого и снова круто (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Сравнение скоростных характеристик ГТД прямой реакции	Рис. 4.16. Характер изменения Суд по числу МН полета у ГТД прямой реакции

Удельный расход топлива для ТРДД определяется из соотношения

С_уд = . (4.10)

Как видно, он зависит от характера изменения удельной тяги Р_уд, степени двухконтурности m₀ и количества подводимой теплоты на 1 кг воздуха в газогенераторном контуре Q. С ростом М_Н подводимая теплота Q уменьшается, а степень двухконтурности m возрастает, что благоприятно сказывается на C_уд. Но определяющую роль в зависимости C_уд от М_Н играет изменение Р_уд.

Из-за падения Р_уд при увеличении М_Н удельный расход топлива повышается. Это свойственно всем ГТД прямой реакции (рис. 4.16), но у ТРДД, у которых Р_уд снижается с ростом М_Н более интенсивно и тем значительнее, чем выше m₀, величины C_уд круто увеличиваются и уже при скоростях полета, близких к скорости звука, ТРДД с высокими m₀ по экономичности начинают проигрывать ТРД.