16.4 Выбор степени повышения давления вентилятора
Для двухконтурного двигателя со смешением, выбор степени повышения давления вентилятора предопределяет давление за турбиной; если пренебрегать потерями на смешение и потерями давления в реактивной трубе, тогда давление торможения на входе в реактивное сопло будет равно давлению торможения, за вентилятором. Реактивная скорость зависит от степени повышения давления в реактивном сопле и температуры торможения на входе в реактивное сопло. Для данной реактивной скорости, которая определяет данную удельную тягу, наиболее эффективным (то есть с самым низким удельным расходом топлива) будет являться двигатель, для которого характерна самая низкая температура. Повышение степени двухконтурности приводит к понижению реактивной температуры, так что для данной реактивной скорости, выгоднее будет высокая степень двухконтурности, с более низкой температурой. Взаимосвязь степени повышения давления вентилятора, полной степени повышения давления и степени двухконтурности и их влияние на удельную тягу, при числе Маха полёта M = 0.9, на высоте, характерной для тропопаузы, представлены на рисунке 16.3. По стандарту технологии, отношение давлений в вентиляторе является переменной. При меньших значениях полной степени повышения давления для всех степеней двухконтурности, удельная тяга изменяется быстрее при изменении полной степени повышения давления.
Выбор степени повышения давления вентилятора усложнён многими практическими проблемами. Вентилятор военного двигателя должен быть прост, лёгок и работоспособен. Эти требования определяют обычно не более трёх ступеней, с единственной регулируемой статорной ступенью (чтобы справиться с действием на нерасчётном режиме). Однако требования ограничений тяжело удовлетворить, если отношение давлений вентилятора больше 5.
Рисунок 16.3. Зависимость удельной тяги от полной степени повышения давления.
На рисунке 16.4 изображены графики зависимостей удельной тяги и удельного расхода топлива от степени повышения давления вентилятора для трёх различных степеней повышения полного давления, при полёте с числом Маха, равным 0.9. Для самой низкой степени повышения давления, кривая заканчивается в точке 4.4, когда степень двухконтурности падает до нуля, а сам двигатель становится подобным турбореактивному двигателю. При полной степени повышения давления равной 20 и 30 это происходит при более высоких степенях повышения давления вентилятора. Хотя увеличение полной степени повышения давления при постоянной степени повышения давления вентилятора выгодно, это уменьшает удельный расход топлива и величину удельной тяги. Причина этого проста - реактивная температура падает, поскольку повышается полное отношение давлений. Другими словами, высокая удельная тяга, полученная при низкой полной степени повышения давления менее эффективна при преобразовании энергии, полученной от топлива в кинетическую энергию.
При сохранении постоянной полной степени повышения давления, как показано на рисунке 16.4, величина удельной тяги резко повышается с ростом степени повышения давления вентилятора, что явилось результатом, который можно было ожидать из уравнения реактивной скорости. Поскольку высокая реактивная скорость даёт более низкую продвигающую эффективность, величина расхода топлива также повышается с ростом степени повышения давления вентилятора, как показано на рисунке 16.4. Выбор степени повышения давления вентилятора, относительно полной степени повышения давления, является компромиссом, между достижением самой высокой величины удельной тяги и низким удельным расходом топлива. Для вентилятора, достижение подобного рода компромиссов тяжелее, так как происходит непрерывное повышение удельной тяги с давлением вентилятора, пока двигатель не станет турбореактивным (хотя удельный расход топлива повышается непрерывно). Заключительный компромисс может быть установлен сопоставлением веса двигателя и количества израсходованного топлива (зависит от характера выполняемой миссии).
Рисунок 16.4. Графики зависимостей удельной тяги и удельного расхода топлива от степени повышения давления вентилятора.
На рисунке 16.5 представлены графики зависимостей удельной тяги и удельного расхода топлива от степени повышения давления вентилятора для трёх условий проекта при числах Маха полёта М = 0.9, 1.5 и 2.0, на высоте тропопаузы с полными степенями повышения давления 30, 20 и 10 соответственно принятыми ранее. Для двух более высоких чисел Маха кривые заканчиваются при степенях двухконтурности стремящейся к нулю; а для М = 0.9, степень двухконтурности близка к 0.5, при самой высокой степени повышения давления вентилятора 5.5. Удельная тяга изменяется в зависимости от изменения степени повышения давления вентилятора, увеличиваясь больше чем в три раза по всему диапазону, указанному для М = 0.9, принимая во внимание, что расход топлива увеличивается на 50 % в том же диапазоне. При более высоком числе Маха изменение удельной тяги более заметно. Точный баланс преимущества, как упомянуто ранее, будет зависеть от миссии, выполняемой летательным аппаратом, так как цель и задача являются темными критериями, определяющими количество топлива на борту (или вес используемого топлива). Целью данного упражнения является выбор соответствующей степени повышения давления вентилятора 4.5, 4.0 и 3.0 для полёта с числами Маха 0.9, 1.5 и 2.0 соответственно.
Рисунок 16.5. Графики зависимостей удельной тяги и удельного расхода топлива от степени повышения давления вентилятора.
Режимы работы двигателя боевого самолета. (15.5)