Основные параметры ТРД. Тяга ТРД

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ АВИАЦИОННЫХ

И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ 160100.62

«АВИА- И РАКЕТОСТРОЕНИЕ»

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

Автор А.А. Григорьев

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Классификация реактивных двигателей

Реактивные двигатели – 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. 1.1. Классификация реактивных двигателей

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

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) – 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).

Области применения реактивных двигателей

Ограничения по скорости и высоте полета летательного аппарата (ЛА) с реактивным двигателем (рис. 1.2) связаны с возможностью РД соответствующего типа создавать достаточную тягу, а также с аэродинамическими свойствами и конструкцией летательного аппарата.

Рис. 1.2. Области применения различных типов реактивных двигателей

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 = ρV ²/2, а значит, падает подъемная сила . Для осуществления горизонтального полета ЛА (Y = G_ЛА) на большей высоте необходимо увеличить скорость полета V .

При больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета  происходит значительный аэродинамический нагрев элементов конструкции ЛА и снижается прочность конструкционных материалов, а динамические нагрузки возрастают. Возникает необходимость ограничения скорости
и высоты полета.

ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ТРД)

Принцип создания тяги ТРД

Принцип создания тяги ТРД основан на увеличении количества движения рабочего тела, проходящего по тракту двигателя. На входе в двигатель (сечение 0–0) (рис. 2.1) секундное количество движения рабочего тела – М_вV, на выходе (сечение с–с) – М_гс_с, где: с_с – скорость истечения газа из ТРД; М_в и М_г – секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0–0) и выходное (с–с) сечения ТРД соответственно, связанные соотношением:

    М_г = М_в + М_т – М_в.отб,                           (2.1)

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

Так как М_г ≈ М_в, а с_с > V, то М_г с_с > М_вV, тогда тяга ТРД

    R = М_гс_с – М_вV = М_в(с_с – V).                          (2.2)

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

R_эф = R – Х_вн.                                        (2.3)

Рис. 2.1. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД

Из формулы (2.2) видно, что при V = 0 тяга имеет максимальное значение М_вс_с. При увеличении скорости полета  все большая часть кинетической энергии истекающей струи газа   превращается в полезную тяговую работу по увеличению скорости полета и величина избыточной тяги R уменьшается . При достижении скорости полета V = с_с вся  превратится в полезную тяговую работу, и дальнейшее увеличение скорости полета станет невозможным (R = 0). Скорость V = с_с называется скоростью «вырождения ТРД». Однако необходимо помнить, что на полезную тяговую работу  тратится только R_эф = R – Х_вн. Из этого следует, что скорость полета всегда меньше скорости истечения газа из сопла и скорость «вырождения ТРД» достижима только теоретически.

2.2. 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;

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 М_т.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.

Так как расход воздуха постоянный (М_в = const), а его объем уменьшается за счет существенного увеличения плотности  при сжатии, для сохранения неразрывности потока необходимо уменьшать площадь проходного сечения тракта ТРД  для исключения значительного снижения скорости потока .

От сечения к–к до сечения г–г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q_КС, выделяющаяся при сжигании в КС 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 , следовательно, резко возрастает энтальпия 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 крутящий момент М_т.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 энтальпии превращается в кинетическую энергию .

Основные параметры ТРД. Тяга ТРД

Основные параметры ТРД

Основными параметрами ТРД являются:

1) тяга R = (М_гс_с – М_вV) + F_c(р_с – р_н);

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

.

При расчетном режиме работы РС (р_с = р_н) R_уд = с_с – V. При V = 0
R_уд = с_с. С помощью R_уд оценивают эффективность ТРД как тепловой машины;

3) удельный расход топлива (масса топлива в килограммах, расходуемая в ТРД для создания тяги 1 Н/ч) c_R = М_т/R, где М_т – часовой расход топлива в ТРД. С помощью c_R оценивают экономичность ТРД;

4) удельная масса двигателя («сухая» масса двигателя, приходящаяся на единицу создаваемой им тяги) m_дв = М_дв/R. С помощью m_дв оценивают конструктивное совершенство ТРД;

5) тяговооруженность ТРД μ_дв = 1/m_дв = R/М_дв;

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

7) удельный объем двигателя (характеризует совершенство объемной компоновки двигателя) ;

8) удельная объемная тяга . R_V и  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 R_д во время его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей среды на внешние поверхности двигателя R_ст.

Принятые допущения:

– движение рабочего тела внутри двигателя установившееся;

– массовые силы отсутствуют;

– газ невязкий;

– течение газа – осевое;

– силы внешнего аэродинамического сопротивления не учитываются.

В соответствии с определением

R = R_д + R_ст.                                        (2.4)

Статическая составляющая тяги. Определяется по формуле

R_ст = (р_с – р_н)F_c.                                     (2.5)

Рис. 2.2. Распределение внешних сил

На рис. 2.2 видно, что силы от давления окружающей среды р_н, 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 р_с может быть как больше, так и меньше давления р_н.

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

В случае расчетного режима работы сопла (р_с = р_н) 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:

R_д = ma =  R_дΔt = m_гс_с – m_вV.           (2.6)

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

Преобразуем выражение (2.6):

                    (2.7)

При допущении, что М_г = М_в,

R_д = М_в(c_c – V).                                     (2.8)

Тяга ТРД определяется по формуле

R = М_гс_с – М_вV + (р_с – р_н)F_c.                        (2.9)

При расчетном режиме работы РС (р_с = р_н) величина тяги, определяемая как R = R_д = М_гс_с – М_вV, максимальна.

На режиме недорасширения (р_с > р_н) статическая составляющая тяги R_ст = (р_с – р_н)F_c  больше нуля, однако снижение R_д из-за «недоразгона» потока  превышает величину R_ст. Следовательно, тяга ТРД уменьшается вследствие более энергичного снижения R_д .

3. циклы ТРД