6.2. Тяга силовых установок

Огромное значение в создании и развитии воздушно-реактивных двигателей имели работы выдающегося русского ученого Б.С.Стечкина. В 1929 г. им была опубликована статья "Теория воздушно-реактивного двигателя", в которой дан вывод формулы тяги и основных КПД реактивного двигателя.

Развиваемая двигателем сила тяги является одним из основных параметров силовой установки. Она, как правило, не может быть полностью использована для совершения полезной работы. Некоторая ее часть затрачивается на преодоление внешних сопротивлений, создаваемых элементами силовой установки: входными и выходными устройствами, мотогондолами, перепускными и впускными створками, заборниками охлаждающего воздуха и т.п.

Для правильной оценки характеристик изолированного двигателя и для учета влияния на тяговую эффективность силовой установки создаваемых ею внешних сопротивлений принято вводить два понятия силы тяги: внутреннюю тягу двигателя и эффективную тягу силовой установки. Под внутренней тягой двигателя принято понимать тягу, которую двигатель создает в соответствии с внутренним процессом, т.е. без учета внешних сопротивлений силовой установки. Под эффективной тягой силовой установки понимают ту часть тяги, которая идет на совершение полезной работы, т.е. используется для преодоления лобового сопротивления и инерции самого самолета. Эту величину иногда называют также свободной (или чистой) тягой, подразумевая под этим то, что она расходуется на продвижение самолета в воздухе и его ускорение.

Принципиально можно было бы найти силу тяги, суммируя силы давления и трения по всем рабочим поверхностям, т.е. по внутренним поверхностям двигателя и по внешнему контуру элементов силовой установки, обтекаемых воздушным потоком. Но такой путь оказывается нерациональным из-за трудности определения и суммирования сил давления и трения по внутренним поверхностям двигателя (сложной является как сама форма этих поверхностей, так и характер распределения указанных сил). Поэтому для более простого определени эффективной тяги пользуются уравнением сохранения количества движения, применяя его к силовой установке в целом. Согласно уравнению Эйлера, сумма всех сил, действующих на выделенный контрольной поверхностью объем газа, равна секундному изменению количества движения газа при его течении через эту контрольную поверхность.

Внутренняя тяга может быть определена при условии, что внешний поток, обтекающий мотогондолу, является идеальным, т.е. в нем отсутствуют трение, скачки уплотнения и срывные зоны.

В дальнейшем будем в основном рассматривать внутреннюю тягу и называть ее просто тягой двигателя. Она состоит из двух составляющих. Первая составляющая, равная секундному изменению количества движения массы газа, протекающего через двигатель, получила название динамической составляющей силы тяги. Она связана с изменением скорости движения газа. Вторая составляющая носит название статической составляющей. Она обусловлена наличием избыточного давления на срезе сопла, которое может быть как большим, так и меньшим атмосферного.

Разность количества движения секундных, масс, вытекающих из двигателя газов, и входящего воздуха, равна динамической составляющей силы тяги.

Для турбореактивных двигателей расход топлива составляет около 1,5-2% от расхода воздуха. Тогда оказывается возможным в первом приближении пренебречь расходом топлива, считая расход газа равным расходу воздуха, и записать фомулу тяги в виде формулы Б.С.Стечкина:

R = Gв(c - V) + (p - p )Fc.

Как видно, тяга складывается из составляющих: динамической и статической. Динамическая Gв(c - V) равна секундному изменению количества движения газа, проходящего через двигатель, статическая (p - p )Fc обусловлена наличием избыточного давления на срезе сопла.

В случае полного расширения газа в выходном сопле (когда давление на срезе сопла равно атмосферному) формула внутренней тяги имеет еще более простой вид:

R = Gв(с - V).

Для случая работы двигателя на месте (V = 0) формула тяги упрощается:

R = Gв * c.

Отношение тяги к сумманому расходу воздуха называется удельной тягой. Она представляет собой тягу, приходящуюся на 1 килограмм воздуха, проходящего через двигатель за секунду. Определяется удельная тяга по следующей формуле:

Rуд = R / Gв.

Чем больше удельная тяга двигателя, тем большую тягу он будет иметь при заданных размерах, массе и условиях полета.

Для частного случая работы двигателя на месте

Rуд = с.

Отсюда следует, что величина удельной тяги определяется не только параметрами рабочего процесса, но и условиями полета (скорость, высота), и оценивать совершенство двигателя двигателей по этому параметру можно только в одинаковых условиях (на одном и том же режиме работы двигателя, при одинаковых скорости и высоте полета). Обычно все числовые данные приводят для стандартных условий: взлетный режим, скорость ноль, высота ноль, стандартная атмосфера.

Удельная тяга современных ТРД составляет 650-750. Удельная тяга двухконтурных турбореактивных двигателей меньше и существенно зависит от степени двухконтурности. При степени двухконтурности равной 5 удельная тяга ДТРД обычно не превышает 400-500.

Отношение суммарного расхода топлива к суммарной тяге представляет собой удельный расход топлива.

Суд = Gт.ч./R.

Удельный расход топлива представляет собой количество топлива, затрачиваемого двигателем в течение часа для создания единицы тяги. Удельный расход топлива характеризует экономичность двигателя. Чем меньше удельный расход топлива, тем больше дальность и продолжительность полета самолета на данной скорости. Как и удельная тяга, величина удельного расхода топлива определяется режимом работы двигателя и условиями полета.

Для современных ТРД удельный расход топлива составляет 0,075-0,1, удельный расход топлива ДТРД со степенью двухконтурности равной 5-6 может достигать значения 0,03-0,035.

Удельная масса двигателя представляет собой отношение сухой массы двигателя к максимальной тяге:

Муд = Мдв/R.

Чем меньше удельная масса двигателя, тем меньше абсолютная масса двигателя при заданной тяге R.

Лобовая тяга двигателя - это отношение тяги к лобовой площади двигателя:

Rf = R / Fдв.

Чем больше лобовая тяга двигателя при заданной тяге, тем меньше наибольший поперечный размер двигателя, мотогондолы и меньше ее аэродинамическое сопротивление.

Для земных статических условий (Н = 0, V = 0) удельные параметры имеют следующие значения:

Rуд = 0,6...0,8 кН*с/кг,

Суд = 0,08...0,1 кг/Н*ч,

Муд = 0,025...0,035 кг/Н,

Rf = 80...100 кН/кв.м.