Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Основные параметры ТРД. Тяга ТРДСтр 1 из 8Следующая ⇒
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 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 = GЛА) 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 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 – МвV, на выходе (сечение с–с) – Мгсс, где: сс – скорость истечения газа из ТРД; Мв и Мг – секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0–0) и выходное (с–с) сечения ТРД соответственно, связанные соотношением: Мг = Мв + Мт – Мв.отб, (2.1)
где Мт – секундный массовый расход топлива, поступающего в камеру сгорания; Мв.отб – масса воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двигателя и другие цели. Так как Мг ≈ Мв, а сс > V, то Мг сс > МвV, тогда тяга ТРД R = Мгсс – МвV = Мв(сс – V). (2.2) Величина R является тягой, определенной по внутренним параметрам ТРД. Часть этой тяги тратится на преодоление внешнего сопротивления ТРД с мотогондолой Хвн, оставшаяся часть Rэф (эффективная тяга) расходуется на совершение полезной тяговой работы (увеличение скорости полета V): Rэф = R – Хвн. (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 Мвсс. 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 = сс вся превратится в полезную тяговую работу, и дальнейшее увеличение скорости полета станет невозможным (R = 0). Скорость V = сс называется скоростью «вырождения ТРД». Однако необходимо помнить, что на полезную тяговую работу тратится только Rэф = R – Хвн. 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
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 Мт.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 (Мв = 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 QКС, 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 Мт.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 = (Мгсс – МвV) + Fc(рс – рн); 2) удельная тяга (тяга, создаваемая 1 кг газа в 1 с): . При расчетном режиме работы РС (рс = рн) Rуд = сс – V. При V = 0 3) удельный расход топлива (масса топлива в килограммах, расходуемая в ТРД для создания тяги 1 Н/ч) cR = Мт/R, где Мт – часовой расход топлива в ТРД. С помощью cR оценивают экономичность ТРД; 4) удельная масса двигателя («сухая» масса двигателя, приходящаяся на единицу создаваемой им тяги) mдв = Мдв/R. С помощью mдв оценивают конструктивное совершенство ТРД; 5) тяговооруженность ТРД μдв = 1/mдв = R/Мдв; 6) удельная лобовая тяга RF = R/Fдв, где Fдв – сечение миделя. RF 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 . RV 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 Rд во время его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей среды на внешние поверхности двигателя Rст. 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 = Rд + Rст. (2.4) Статическая составляющая тяги. Определяется по формуле Rст = (рс – рн)Fc. (2.5)
Рис. 2.2. Распределение внешних сил
На рис. 2.2 видно, что силы от давления окружающей среды рн, 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 рс может быть как больше, так и меньше давления рн. Сила, равная произведению разности давления на срезе сопла и давления окружающей среды (рс – рн) на площадь среза сопла Fc, будет действовать в направлении полета, если рс > рн (режим недорасширения), и против направления полета, если рс < рн (режим перерасширения). В случае расчетного режима работы сопла (рс = рн) 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: Rд = ma = RдΔt = mгсс – mвV. (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 Мг = Мв, Rд = Мв(cc – V). (2.8) Тяга ТРД определяется по формуле R = Мгсс – МвV + (рс – рн)Fc. (2.9)
При расчетном режиме работы РС (рс = рн) величина тяги, определяемая как R = Rд = Мгсс – МвV, максимальна. На режиме недорасширения (рс > рн) статическая составляющая тяги Rст = (рс – рн)Fc больше нуля, однако снижение Rд из-за «недоразгона» потока превышает величину Rст. Следовательно, тяга ТРД уменьшается вследствие более энергичного снижения Rд . 3. циклы ТРД |
||
Последнее изменение этой страницы: 2018-06-01; просмотров: 268. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |