Общий кпд и удельный расход топлива
Общим КПД называется отношение полезной работы P V п передвижения летательного аппарата к располагаемой энергии G т H u внесенного в двигатель топлива:
h o = = . (7.1)
Так как отношение тяги двигателя к расходу воздуха через основной контур равно удельной тяге P удGI в расчете на 1 кг рабочего тела, к которому подводится тепло, то выражение общего КПД можно записать в следующем виде:
h o = . (7.1а)
Умножая числитель и знаменатель полученного выражения на работу цикла, имеем
h о = h е h дж . (7.2)
Общий КПД показывает, какая часть располагаемой энергии внесенного в двигатель топлива преобразуется в полезную работу передвижения летательного аппарата. Он характеризует двигатель в целом: и как тепловую машину, и как движитель.
Однако общим КПД нельзя оценивать эффективность двигателя при V п = 0, таккак в этих условиях h о = 0. А поскольку большая часть испытаний авиационных двигателей ведется в стендовых условиях при нулевой скорости полета, на практике в качестве критерия топливной экономичности турбореактивного двигателя используется удельный расход топлива C уд (1.2).
Выражая расход топлива и тягу в формуле (1.2) соответственно через относительный расход топлива q т и удельную тягу P удG I , получаем
C уд = , (7.3)
где n¢г = G в г / G вI – коэффициент изменения массы воздуха в проточной части двигателя от сечения В до Г (в гл. 7, как и в гл. 5 и 6, изменением массы рабочего тела пренебрегаем, коэффициент n¢г принимаем равным единице).
Связь между C уд и h о очевидна, поскольку из (7.1) получаем секундный удельный расход топлива G т / P = V п / (h о H u ) и тогда
C уд = . (7.4)
Как следует из (7.4), удельный расход топлива при V п = const и H u = const изменяется обратно пропорционально общему КПД. С повышением эффективности двигателя общий КПД растет, а удельный расход топлива снижается.
Общий КПД зависит от параметров цикла (T *г и p S ) и движителя (m и х), от внешних условий (V п и Т н ) и потерь в узлах (h сж , h р , h II ), от коэффициента полноты сгорания топлива h г. От этих же факторов, а также от удельной теплоты сгорания топлива H u зависит, следовательно, и удельный расход топлива.
Общий КПД лучших современных ТРДД с высокими параметрами цикла и движителя в крейсерских условиях длительной работы (Н = 11 км, М п = 0,8 … 0,85 ) равен ~ 0,35. Примерно 65 % тепловой энергии, внесенной в двигатель с топливом, рассеивается в атмосфере: ~ 50 % – в виде горячих выхлопных газов, вытекающих из основного контура; менее 10 % – в виде подогретого воздуха, вытекающего из наружного контура, и еще примерно столько же – в виде кинетической энергии струи рабочего тела, покинувшего движитель (наружный и внутренний контуры). Такому КПД соответствует удельный расход топлива, равный ~ 55 кг / (кН×ч).
Подчеркнем, что удельный расход топлива в крейсерских условиях полета является, как показано в [42], одним из основных показателей совершенства двигателей пассажирских и транспортных самолетов. Вместе с уровнем аэродинамики планера он определяет топливную эффективность самолета.
При постоянном общем КПД удельный расход топлива изменяется с изменением скорости полета (7.4) и в этом случае С уд не может быть критерием эффективности. Это обусловлено тем, что величина С уд определяется как отношение расхода топлива к тяге, а не к работе передвижения летательного аппарата.
Экономичность ТРД и ТРДД оценивается, как уже отмечалось, по удельному расходу топлива C уд . Это неприемлемо для ТВД (ТВаД), так как тяга винта этого двигателя в условиях стендовых испытаний не замеряется. (Критерием C уд ТВД оценивается только в тех случаях, когда его необходимо сравнить по экономичности с ТРД или ТРДД.) Обычно для такой оценки применяется величина C e (1.2а). Учитывая, что N e = PV п / h в, а отношение h 0 / h в равно эффективному КПД (без учетамеханических потерь), получаем
C e = . (7.5)
Эффективный удельный расход топлива C e ТВД (ТВаД) при H u = const однозначно определяется эффективным КПД (строго говоря, при c cI = V п ). Величина C eхарактеризует двигатель только как тепловую машину.