- •А.А. Григорьев
- •ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)
- •1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ
- •1.2. Принцип создания тяги ТРД
- •1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД
- •1.4. Основные параметры ТРД
- •2.2. Идеальный цикл ТРД
- •3. РЕАЛЬНЫЕ (ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ) ЦИКЛЫ ВРД
- •3.1. Процессы в действительном цикле
- •3.2. Работа действительного цикла ТРД
- •3.3. Эффективный КПД ТРД
- •3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД
- •3.5. Полный (экономический) КПД
- •Контрольные вопросы
- •Задачи
- •4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ
- •4.1. Назначение компрессоров и требования, предъявляемые к ним
- •4.2. Основные параметры ОК
- •4.3. Характеристики OK (ХК)
- •Контрольные вопросы
- •5.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД
- •5.3. Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ)
- •5.4. Формы дозвуковых диффузоров
- •Контрольные вопросы
- •Задача
- •6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД
- •6.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
- •6.6. Потери полного давления в КС
- •6.7. Эксплуатационные характеристики КС
- •Контрольные вопросы
- •7. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА (ВУ) ВРД
- •7.1. Назначение, состав и требования к ВУ ВРД
- •7.2. Реактивное сопло
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТРД
- •8.4. Понятие о свободной энергии ВРД
- •8.5. Основы газодинамического расчета ВРД
- •9.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР
- •9.4. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неустановившихся режимах
- •9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД
- •Задача
- •10. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД
- •10.1. Термодинамические основы регулирования ТРД
- •10.2. Типы характеристик ТРД и их назначение
- •10.3. Методы получения ЭХ
- •Контрольные вопросы
- •12. ДВУХКОНТУРНЫЕ ТРД (ТРДД)
- •12.1. Схемы ТРДД и их основные параметры
- •12.2. Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД
- •12.5. Особенности законов регулирования ТРДД
- •12.6. Особенности характеристик ТРДД
- •Контрольные вопросы
- •13. ТУРБОВАЛЬНЫЕ (ТВАД), ТУРБОВИНТОВЫЕ (ТВД)
- •13.1. Принцип действия ГВаД и ТВД
- •13.2. Схемы ТВД и ТВаД
- •13.3. Основные параметры ТВД
- •13.5. Совместная работа узлов ТВД
- •13.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД
- •13.7. Климатические характеристики ТВаД
- •13.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД
- •Контрольные вопросы
- •14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах
- •14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения
- •14.4. Особенности эксплуатационных характеристик ТРДФ
- •Контрольные вопросы
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ГРИГОРЬЕВ Андрей Алексеевич
От сечения к-к до сечения г-г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота QKC за счет сжигания в КС топливно воздушной смеси (ТВС), состоящего из смеси воздуха и кероси на (топливного газа).
Рабочий процесс в КС организован таким образом, что ста тическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает ( Т Т Т ), следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне теплоты.
От сечения г-г до сечения т-т рабочее тело (сжатый и на гретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) рас ширяется в ГТ. Часть энтальпии превращается в крутящий мо мент Мкр на валу ГТ, который необходим для привода ОК (бла
годаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0 ).
Так как ОК сжимает холодный воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то работа, совершаемая газом в ступени ГТ, значи тельно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одноступенчатой ГТ вращать четырех- и пятиступен чатый компрессор.
От сечения т-т до сечения с-с происходит расширение ра бочего тела в PC. Так как PC - энергоизолированная система (нет подвода и отвода энергии), то при расширении газ совер шает механическую работу по разгону потока за счет уменьше ния энтальпии, то есть полная энергия рабочего тела не изменя ется, а часть энтальпии превращается в кинетическую энергию
Eam( i p \ i n ТТс).
1.4.Основные параметры ТРД
-тяга R = (М гсс - М .V) + Fc(рс - ри);
-удельная тяга (тяга, создаваемая одним килограммом газа
всекунду) R = R /M ,= (ce - V ) + - ^ -{ p c - p u).
На расчетном режиме ( рс = рп): Rya =cc - V
При V =0 - Rya=cc.
С помощью /?уа оценивают эффективность ТРД как тепло
вой машины; - удельный расход топлива (количество топлива, расходуе
мого в ТРД для создания единицы тяги в течение часа)
ся = M .JR
Спомощью cR оценивают экономичность ТРД;
-удельная масса двигагеля («сухая» масса двигателя, при
ходящаяся на единицу создаваемой им тяги) тпв = М ли / R
С помощью тпиоценивают конструктивное совершенст
во ГРД;
- тяговооруженность ТРД р до = 1/ таъ = R / М м ;
-удельная лобовая тяга RF = R /F aa, где Fm - сечение
миделя.
/?/.- характеризует поперечные размеры двигателя и, следо
вательно, величину |
внешнего сопротивления его мотогондолы, |
а при размещении |
внутри фюзеляжа - внешнее сопротивле |
ние ЛА; |
|
-удельный объем двигателя (характеризует совершенство объемной компоновки двигателя) Длп =VaB/ R ;
-удельная объемная тяга Rv = 1 / 0.ш= R /V w
Rv и |
i31B особенно важно учитывать при проектировании |
|
подъемных |
двигателей в самолетах с вертикальным взлетом |
|
и посадкой. |
|
|
Для современных ТРД: |
||
Rya = 0,5...0,8 |
[кН -с/кг], |
|
с„ =0,07...0,1 |
[к г/Н ч ], |
|
(У.1В) = |
• Д 04 [ 1<г/н ], |
R,.. 80... 100 [кН/м'].
1.5. Вывод формулы тяги
Тяга РД - это результирующая газодинамических сил, дей ствующих на внутренние поверхности двигателя R2 во время
его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей сре ды на внешние поверхности двигателя /?сг.
Принятые допущения:
-движение рабочего тела внутри двигателя установившееся;
-массовые силы отсутствуют;
-газ невязкий;
-течение газа - осевое;
-силы внешнего аэродинамического сопротивления не учи тываются.
Всоответствии с определением
/? = /?л + Яст. |
(1.3) |
А. Статическая составляющая тяги
Яст= ( /> с- А, К - |
(1-4) |
Рис. 1.2. Распределение внешних сил
Из рис. 1.2. видно, что силы от давления р и, действующие
по внешним границам контура, взаимно уравновешивают друг друга, за исключением среза сопла.
Сила, равная произведению разности давления на срезе со пла и давления окружающей среды ( рс - ру) на площадь среза сопла Fc будет действовать в направлении полета если рс > р и
В случае расчетного режима работы сопла ( рс = р и) стати ческая составляющая тяги будет равна нулю.
Для ее определения воспользуемся теоремой импульсов (уравнение Эйлера о количестве движения).
Уравнение Эйлера является следствием второго закона Ньютона:
Яд = та = т(сс -У )/Д т=> /?дДт = тГсс - m BV |
(1.5) |
Изменение количества движения тела массой т за некото рое время Дт равно импульсу равнодействующей всех сил, дей ствующих на тело за то же время.
Преобразуем выражение (1.5) с учетом того, что в ТРД рас ход топлива М Т составляет менее (1.5...2) % от М в, и можно принять М а ~ М г , тогда
Ra = тг / Дтсс - ш в/ДтУ - М в(сс - V ), |
(1.6) |
то есть |
|
f * n = M Bk - v ) . |
(1.7) |
П р и м е ч а н и е: в действительности, без учета отбора |
|
воздуха М в тб на охлаждение элементов двигателя |
|
М0 =ос^Л /т , |
(1.8) |
где а - коэффициент избытка воздуха в ТВС; Ц - количество воздуха, потребное для полного сгорания 1 кг топлива.
м,./мп=(МК+ МТ)/МВ=1 + МТ/МВ=1 + М,/а Ц М а=
= 1 + 1/<х/*=0. |
(1.9) |
где М т/ Мв = 1 /а LQ = qT - относительный расход топлива. |
|
В. Тяга РД |
|
Я = Л/„(сс - V ) + (pc - p„)Fc |
(1.10) |
На расчетном режиме работы сопла ( рс = ри) величина тя
ги, определяемая как R = М а(сс - V ) , - максимальна.
На режиме недорасширения ( рс > р и) статическая состав
ляющая тяги ( рс - рп) Fc больше нуля, однако потеря тяги из-за
«недоразгона» потока ( i сс) превышает её прирост за счет ста
тической составляющей. Следовательно, тяга R уменьшается вследствие более энергичного снижения динамической состав ляющей.
1.6. Классификация и области применения РД
1.6.1. Классификация РД
Реактивные двигатели - это двигатели внутреннего сгора ния, в которых химическая энергия топлива преобразуется в ки нетическую энергию газовой струи, вытекающей из двигателя, а получающаяся при этом сила реакции используется непосред ственно как движущая сила - тяга.
Рис. 1.3. Классификация реактивных двигателей
Ракетные двигатели - это реактивные двигатели, исполь зующие только вещества и источники энергии, находящиеся на перемещающемся аппарате.
Воздушно-реактивные двигатели - это реактивные двига тели, в которых атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а кислород, находя щийся в воздухе, - как окислитель горючего.
Ракетные:
-жидкостные ракетные двигатели (ЖРД);
-ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ);
-комбинированные двигательные установки (КДУ). Комбинированные:
-турбопрямоточные двигатели (ТПД);
-ракетно-прямоточные двигатели (РПД);
-ракетно-турбинные двигатели (РТД). Бескомпрессорные:
-прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД);
-пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД). Компрессорные:
-турбореактивные двигатели (ТРД);
-турбореактивные двигатели с форсажной камерой (ТРДФ);
-турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД);
-турбореактивные двухконтурные двигатели с форсажной камерой (ТРДЦФ);
-турбовинтовые двигатели (ТВД);
-турбовальные двигатели (ТВаД).
1.6.2.Области применения РД
2, ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ВРД 2.1. Сущность второго закона термодинамики
Сущность второго закона термодинамики применительно к тепловым машинам (ТМ) состоит в следующем: не все тепло, подведенное к газу, превращается в полезную работу, часть теп ла нужно обязательно отвести в «холодильник».
Второй закон термодинамики дополняет первый закон тер модинамики. Первый закон, устанавливая эквивалентность ме жду теплотой и работой, не указывает условий преобразования теплоты в работу.
Превращение работы в теплоту не связано с какими-либо трудностями, так как вся работа полностью переходит в тепло ту. Превращение же теплоты в работу возможно только при от воде части теплоты в среду с более низкой температурой (/х< /г). Эта теплота полезно не используется и является неиз бежной потерей согласно второму закону термодинамики.
В реальных ТМ отвод тепла в «холодильник» осуществля ется в атмосферу и, чем выше температура газа на выходе из ТМ по сравнению с температурой окружающей среды, тем больше потери тепла.
Иная формулировка второго закона термодинамики: невоз можно построить вечный двигатель второго рода. Это означает, что для преобразования тепла в работу необходимы специально созданные условия - наличие хотя бы двух тел с разной темпе ратурой, между которыми посредник (газ) мог бы осуществлять цикл и производить работу.
Второй закон термодинамики сформулирован на основе обобщения таких явлений природы, как:
- стремление всех естественных процессов протекать в оп ределенном направлении (газ всегда перетекает из области с бо лее высоким давлением в область с пониженным давлением, те пло передается от более нагретого тела к менее нагретому телу); - все самопроизвольные процессы продолжаются до тех пор, пока не наступает энергетическое равновесие между тела
ми, участвующими в процессе.