Влияние параметров движителя на удельные параметры ТРДД проанализируем при постоянных параметрах цикла и постоянных внешних условиях. Так как три основных типа ГТД отличаются друг от друга именно параметрами движителя, то такой анализ означает сравнение удельных параметров различных типов ГТД. Подчеркнем, что критерии двигателя как тепловой машины (L e, h e, Q 1, и др.) сохраняются при этом постоянными.
В предыдущей главе были рассмотрены зависимости удельной тяги от параметров движителя P уд G I = f(m) при c с II = c с I и P уд G I = f (x) при т = const и показано, что функция P уд G I = f (x) имеет относительный максимум (соответствующий заданному значению m при оптимальном распределении энергии между контурами x opt). Абсолютный максимум удельной тяги в функции двух переменных (m и x) определить аналитически достаточно сложно [34]. Для заданных значений T н, V п, T *г, p S при принятом уровне потерь эта задача может быть решена расчетным путем (рис. 7.5). В рассматриваемом численном примере увеличение степени двухконтурности от единицы до оптимального значения (m opt ≈ 50) приводит к увеличению коэффициента x opt от ~ 0,45 до ~ 0,95 и к соответствующему увеличению удельной тяги от 1100 Н×с/кг до максимального значения P уд GI max = 2100 Н×с/кг. Дальнейшее повышение степени двухконтурности приводит к уменьшению удельной тяги.
Максимум удельной тяги двигателя P уд GI одновременно по двум переменным практически равен максимуму удельной тяги, который достигается при условии оптимальной степени двухконтурности и c с II = c с I (см. разд. 6.4), так как в этом случае обеспечивается близкое к оптимальному распределение энергии между контурами.
Зависимость удельного расхода топлива ТРДД от параметров движителя легко проанализировать по формуле (7.3). Числитель этой формулы при изменении mиx не изменяется, так как относительный расход топлива зависит от параметров цикла, а от параметров движителя не зависит. Поэтому удельный расход топлива в рассматриваемом случае изменяется обратно пропорционально изменению удельной тяги P уд G I.
При постоянной степени двухконтурности и оптимальном распределении энергии между контурами удельный расход топлива имеет минимум, соответствующий максимуму удельной тяги. Причем при степенях двухконтурности, незначительно отличающихся от единицы, функция C уд = f(х) пологая и минимальный удельный расход топлива, а также максимальная удельная тяга практически обеспечиваются при значительном отклонении x от x opt.
Минимум удельного расхода топлива одновременно по двум переменным, как и соответствующий максимум удельной тяги P уд G I, достигается при оптимальных параметрах движителя (m opt и x opt).
|
|
|
| Рис. 7.5. Зависимости удельной тяги P уд GI (а), P уд(б) и удельного расхода топлива C уд (в) от параметров движителя (Т н = 216 К, V п = 200 м/с, T *г = 1600 К, p å =25) |
В приведенном примере (см. рис. 7.5) с увеличением степени двухконтурности от единицы до оптимального значения удельный расход топлива уменьшается от ~ 90 до ~ 45 кг / (кН×ч). Примерно такие же параметры движителя (m = 50 … 100, x» 0,95) имеет ТВД, который и обеспечивает минимальный удельный расход топлива в рассматриваемых дозвуковых условиях полета (М п < 0,7).
Таким образом, эффективность ГТД можно значительно повысить, изменяя параметры движителя и приближая их к оптимальному значению. Изменяя степень двухконтурности и коэффициент x, можно получить ряд газотурбинных двигателей от ТРД (т = 0, х = 0) до ТВД с вертолетным винтом (т» 1000, х = 0,95 … 0,99).
Следует, однако, иметь в виду, что с увеличением степени двухконтурности ТРДД снижается удельная тяга движителя P уд. При этом заданная абсолютная тяга обеспечивается за счет увеличения расхода воздуха через движитель, что ведет к соответствующему увеличению габаритов и внешнего сопротивления двигателя. Поэтому при выборе степени двухконтурности ТРДД внешнее сопротивление необходимо учитывать, особенно при больших скоростях полета. В работе [34] показано, что в условиях длительного крейсерского высотного полета при М п = 0,8 оптимальная степень двухконтурности с учетом внешнего сопротивления снижается более чем в два раза.
Итак, наряду с повышением параметров цикла основным направлением развития двухконтурных двигателей является увеличение параметров движителя. За 50 лет применения ТРДД степень двухконтурности увеличилась от 0,3 ¼ 1,0 до 8 ¼ 10 при соответствующем увеличении коэффициента х. Разрабатываются ГТД,как уже отмечалось в гл. 1 и 6, с существенно более высокими параметрами движителя.
