УДК 629.7.036.001(07.58)

Исследование влияния параметров рабочего процесса на удельные параметры
двухкамерного турбореактивного двигателя

В.Л. Письменный

Выполнена количественная оценка диапазона изменения значений удельных (тяговых и расходных) параметров двухкамерного турбореактивного двигателя. Сделан анализ влияния условий полета на указанные параметры. Проведено сравнение с одноконтурным ТРД

В работах [1, 2] исследованы термодинамические циклы двухкамерного турбореактивного двигателя (ТРДК) [3] , даны основные математические соотношения. Схема ТРДК с обозначением характерных сечений показана на рис. 1.

Рис. 1

Двухкамерный ТРД состоит из входного устройства 1, компрессора 2, основной камеры сгорания 3, турбины 4, дополнительной камеры сгорания 5, эжекторного сопла 6. При этом основная камера сгорания 3 расположена между компрессором 2 и турбиной 4, а дополнительная камера сгорания 5 расположена между турбиной 4 и эжекторным соплом 6 и соединена с компрессором 2 каналом, проходящим через вал двигателя.

В газотурбинных двигателях прямой реакции, к которым относятся ТРДК, работа циклов расходуется на увеличение кинетической энергии газовоздушного потока, проходящего через двигатель:

.

Откуда, выражение удельной тяги при полном расширении в реактивном сопле и коэффициенте изменения массы _г = 1 имеет вид:

,

которое однозначно связывает Pуд и Le.

Из полученного уравнения следует, что при Vп сonst (Mп = const, Н = const) Pуд при изменении Пк^* и Тг^* качественно ведет себя так же, как Lе, т.е. имеет максимум и обращается в нуль там же, где и Lе [1] . На рис. 2 показано изменение Pуд в зависимости от степени повышения давления в компрессоре и коэффициента двухкамерности n [1] при условии Мп=0 и Н=0 (Тг₁^*=1600 К, Тг₂^*= 2300 К, _с = 0,85, _р = 0,93, _вх = 0,98) для двух режимов работы двигателя: с включенной и выключенной дополнительной камерой сгорания. Как видно из представленных зависимостей, "вырождение" ТРДК (m 0) для реальных коэффициентов двухкамерности происходит существенно раньше, чем энергетическое "вырождение" ТРД (Pуд 0), что связано с уменьшением свободной работы основного цикла.

Удельный расход топлива при отсутствии отбора воздуха _отб = 0 определяется по известной формуле [4]

,      (1)

где ,

qт₁ - относительный расход топлива в первом контуре,

qт₂ - относительный расход топлива во втором контуре,

m - коэффициент двухконтурности.

На рис. 3 показано изменение Суд в зависимости от степени повышения давления в компрессоре и коэффициента двухкамерности при условии Мп=0 и Н=0 (Тг₁^*=1600 К, Тг₂^*= 2300 К, _с = 0,85, _р = 0,93, _вх = 0,98) для двух режимов работы двигателя: с включенной и выключенной дополнительной камерой сгорания. Характер изменения Суд=f(Пк) в ТРДК аналогичен характеру изменения Суд в ТРД. Так же, как и в ТРД, относительный расход топлива qт пропорционален количеству подведенного к двигателю тепла Q, которое, в свою очередь, зависит от разности температур в камерах сгорания Тг₁^* и Тг₂^* и за компрессором Тк^*. При увеличении Пк и неизменном значении температур в камерах сгорания будет расти температура за компрессором Тк^* и, как следствие, уменьшается Q и qт, что будет приводить к снижению Суд до тех пор пока не начнется активный процесс энергетического "вырождения" турбореактивного двигателя (Pуд 0).

Рис. 2

Рис. 3

Влияние коэффициента двухкамерности n на Pуд и Суд ТРДК весьма значительно и определяется величиной работы дополнительного цикла, а также её долей в суммарной работе [1] . При этом определяющим фактором является разница работ дополнительного и основного циклов. При положительной разнице увеличение доли работы дополнительного цикла приводит к увеличению суммарной работы, а при отрицательной разнице к уменьшению. В связи с этим влияние n на Pуд и Суд неоднозначно:

1. при включенной дополнительной камере сгорания (подогрев газа в дополнительной камере выше, чем в основной) повышение n приводит к росту Pуд и Суд, что является следствием повышения (в результате роста m) в суммарной работе доли цикла, имеющего более высокую удельную работу;
2. при выключенной дополнительной камере сгорания (подогрев газа в дополнительной камере ниже, чем в основной) повышение n приводит к уменьшению Pуд и Суд, что также объясняется повышением доли работы дополнительного цикла, но уже при минимальной удельной работе (эффект двухконтурного двигателя).

Наличие дополнительного цикла в двухкамерном ТРД позволяет иметь весьма гибкую систему регулирования основных параметров двигателя и, соответственно, широкий диапазон тяговых и расходных характеристик, что является важнейшим свойством данной схемы.

Диапазон возможного изменения удельных параметров ТРДК определяется диапазоном изменения значений коэффициента двухконтурности двигателя, показанного на рис. 4, 5.

Рис. 4	Рис. 5

На рис. 4 показано изменение коэффициента двухконтурности m в зависимости от коэффициента двухкамерности n для различных степеней повышения давления П (₁ = 5,5; _с = 0,85; _р = 0,93). На рис. 5 показано изменение коэффициента двухконтурности m в зависимости от подогрева ₁ для различных n (П = 15; _с = 0,85; _р = 0,93). Как видно из представленных зависимостей, коэффициент двухконтурности ТРДК для наиболее реальных параметров рабочего процесса находится в пределах значений: 0,20,8, что, по сути, определяет возможности двухкамерных ТРД по расширению диапазона тяговых и расходных характеристик ТРД. Последнее наглядно иллюстрируется рис. 6, и 7, где показаны зависимости относительной удельной тяги Pуд_ТРДК/Pуд_ТРД и относительного удельного расхода топлива Суд_ТРДК/Суд_ТРД для различных температур газа перед турбиной двигателя (Тг₂^*=2300 К, Пк=15, _с = 0,85, _р = 0,93, вх=0,98) в стартовых условиях (Мп = 0; Н = 0).

Рис. 6	Рис. 7

Видно, что использование дополнительной камеры сгорания позволяет изменять (по отношению к ТРД) значения удельных параметров на 30 % и более. При этом изменение Pуд и Суд, как показывают расчеты, происходит практически пропорционально в широком диапазоне режимов работы двигателя.

На рис. 815 показаны закономерности протекания Pуд и Суд в стартовых условиях (Мп = 0; Н = 0), для Мп = 0,9; Н = 11 км, Мп = 1,5; Н = 11 км и Мп = 2,0; Н = 11 км. Здесь же, для сравнения, показаны закономерности протекания Pуд и Суд для ТРД. Характер изменения характеристик ТРДК аналогичен характеру изменения характеристик ТРД. Как видно из рис. 811, с ростом Пк удельная тяга (для различных n) проходит через максимальное значение, после чего уменьшается. Такое изменение Pуд, как было показано в работе [1] , связано с изменением суммарной эффективной работы циклов. Так, с ростом Мп величина удельной тяги уменьшается за счет того, что рост скорости полета при Н сonst всегда опережает рост скорости истечения из реактивного сопла из-за уменьшения Q. С увеличением высоты полета при Мп const от Н = 0 до Н = 11км при прочих равных условиях Le и Pуд возрастают за счет увеличения подогревов ₁ и ₂, связанного со снижением Тн. Выше 11 км (до Н = 20 км) температура воздуха Тн почти не меняется и при постоянных значениях Мп и Тг₁^*, Тг₂^* суммарная работа циклов и удельная тяга остаются неизменными.

Рис. 8	Рис. 9
Рис. 10	Рис. 11

Изменение Суд в зависимости от Пк при различных полетных условиях показано на рис. 1215. Как видно из этих рисунков, практически при любых сочетаниях Мп и Н рост Пк в области ее рабочих значений приводит к уменьшению Суд из-за роста общего КПД. Рост числа Мп при работе дополнительной камеры сгорания слабо сказывается на Суд, так как, в соответствии с уравнением (1), уменьшение Pуд компенсируется снижением относительного расхода топлива - qт за счет роста Тв^* и последующего роста температуры воздуха за компрессором Тк^*. Понижение режима работы дополнительной камеры сгорания, в частности ее выключение, ведет к снижению темпов уменьшения Суд при увеличении Пк, что связано с увеличением доли внутренних потерь в суммарной работе циклов. Рост высоты полета в области от Н = 0 до Н = 11 км при Мп const слабо влияет на величину Суд, так как при этом увеличение Pуд происходит в связи с увеличением qт, зависящего от Тв^* и Тк^*. В диапазоне высот Н = 1120 км при прочих равных условиях Суд остается постоянным, так как в этом диапазоне высот температура окружающей среды в соответствии со стандартной атмосферой не меняется. Диапазон возможных изменений удельных параметров при увеличении Мп сужается, а при увеличении высоты до Н = 11 км расширяется, что объясняется влиянием скорости и высоты полета на коэффициент двухконтурности, который при прочих условиях уменьшается при увеличении скорости полета и увеличивается при увеличении высоты полета.

Рис. 12	Рис. 13
Рис. 14	Рис. 15

Влияние температуры газа перед лопатками турбины Тг₁^* на удельные параметры ТРДК иллюстрируется рис. 1619, где показаны изменения Pуд и Суд в зависимости от Тг₁^* и n в стартовых условиях (Мп = 0, Н = 0) и для Мп = 1,5; Н = 11 км (Пк = 15; Тг₂^*= 2300 К; _с = 0,85; _р = 0,93; вх в соответствии с кривой стандартных потерь). Здесь же, для сравнения, показаны закономерности протекания Pуд и Суд для ТРД.

Рис. 16	Рис. 17
Рис. 18	Рис. 19

Из представленных рисунков видно, что при изменении Тг₁^* только Суд имеет минимальные значения, так как при увеличении Тг₁^* суммарная работа циклов и, соответственно, удельная тяга монотонно растут. Физические сущности процессов, происходящих в ТРДК и ТРД при изменении температуры газов перед лопатками турбины, принципиально не отличается. Минимальные удельные расходы топлива двухкамерный ТРД имеет при температурах Тг₁^*, соответствующих температурам "вырождения" (рис 18, 19). При росте Тг₁^* удельный расход топлива монотонно возрастает за счет уменьшения полетного КПД из-за роста скорости истечения газа из сопла.

В итоге, в рабочей области по Пк с ростом последней Pуд проходит через максимальное значение, а Суд все время уменьшается. В рабочей области по Тг₁^*, где Суд > Суд_min, при увеличении Тг₁^* удельная тяга и расход топлива монотонно увеличиваются. Диапазон изменения Суд при увеличении Тг₁^* также увеличивается, что связано с повышением коэффициента двухконтурности m.

Рассмотрим влияние параметров рабочего процесса на удельные параметры форсированного двухкамерного турбореактивного двигателя (ТРДКФ).

На рис. 2023 показано изменение Pуд и Суд в зависимости от степени повышения давления в компрессоре и коэффициентов двухкамерности ТРДКФ в стартовых условиях и для Мп = 2,0; Н = 11 км (Тг₁^*= 1600 К; Тг₂^*= 2300 К; Тг₃^*= 2000 К). Характер изменения Pуд и Суд в ТРДКФ при изменении Пк определяется характером изменения суммарной работы циклов [2].

Рис. 20	Рис. 21
Рис. 22	Рис. 23

Как видно из рис. 2023, удельная тяга и удельный расход топлива у форсированных ТРДК имеют максимумы и минимумы, которые не совпадают с соответствующими значениями для нефорсированных ТРДК (см. рис. 2 и рис. 3). Последнее объясняется влиянием форсажного цикла, у которого вследствие более высокого, чем в основном цикле, подогрева газа, максимум работы приходится на более высокие, чем в основном цикле, степени сжатия газа. При этом, чем меньше коэффициент двухкамерности (больше доля работы форсажного цикла в суммарной работе), тем сильней влияние форсажа на удельные параметры двигателя.

Зависимости Pуд и Суд от температуры газа перед турбиной при прочих равных условиях даны на рис. 2427.

Рис. 24	Рис. 25
Рис. 26	Рис. 27

С ростом Тг₁^* при Пк = const уменьшается степень понижения давления на турбине Пт, что приводит к увеличению давления в форсажной камере, росту Пс и, как следствие, к увеличению Pуд и уменьшению Суд. Отсюда следует, что у ТРДКФ для получения наибольших значений удельной тяги и повышения экономичности необходимо повышать температуру газа перед турбиной.

Таким образом, как было показано ранее (см. рис. 2027), уменьшение n приводит к росту Pуд и уменьшению Суд форсированного двигателя. Увеличение Тг₁^* при неизменных Пк и Тг₃^* также ведет к росту Pуд и уменьшению Суд. При изменении Пк удельная тяга ТРДКФ проходит через максимальные значения, а удельный расход топлива через минимальные, причем, чем больше Мп, тем меньше Пкopt_ф. С ростом Мп влияние Пк и Тг₁^* на Pуд и Суд становится все менее значительным, так как уменьшается теплоподвод в основной камере сгорания, а Пс форсированного двигателя, главным образом, определяется динамическим сжатием во входном устройстве. Это хорошо видно из сравнения кривых, представленных на рис. 2023 и рис. 2427, полученных для различных Мп.

Заключение

Двухкамерный ТРД обладает весьма гибкой системой регулирования основных удельных параметров, позволяющей иметь существенно более широкий, чем у ТРД (ТРДФ), диапазон тяговых и расходных характеристик.

Двухкамерный ТРД может быть рекомендован для использования на многорежимных летательных аппаратах.

Список литературы

1. Письменный В.Л. Исследование термодинамического цикла двухкамерного турбореактивного двигателя. Электронный журнал "Труды МАИ" ╧6, 27.11.2001 г.
2. Письменный В.Л. Исследование термодинамического цикла двухкамерного форсированного турбореактивного двигателя. Электронный журнал "Труды МАИ" ╧8, 22.05.2002 г.
3. Двухкамерный турбореактивный двигатель (варианты). Патент RU 2187009 - МПК F02 К 3/04 / В.Л. Письменный. - ╧2000104340/06, заявлено 21.02.2000. - Опубл. 10.08.02, Бюл.. ╧ 22.
4. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч.2. Москва, Машиностроение, 1978 г., 336 с.

Сведения об авторе