Оптимальный ГТД для различных скоростей полета
Итак, с увеличением скорости полета удельная тяга всех трех типов ГТД уменьшается, а удельный расход топлива увеличивается. Типы ГТД различаются интенсивностью изменения удельных параметров (см. рис. 7.7).
Из формул (6.16) и (7.2) следует, что особенности изменения удельной тяги и общего КПД по скорости полета (различная интенсивность) на различных типах ГТД обусловлены особенностями изменения КПД движителя (так как газотурбинные двигатели как тепловые машины не отличаются друг от друга). На малых скоростях КПД движителя ТРДД и ТВД в несколько раз превышают h дж ТРД. На больших скоростях это различие уменьшается. А при некоторой максимальной скоростиV п.max КПД движителя и, следовательно, удельные параметры ТРДД (ТВД) сравниваются с КПД движителя и удельными параметрами ТРД (см. рис. 7.7, в). При дальнейшем увеличении скорости полета ТРДД (или ТВД) начинает уступать по удельным параметрам турбореактивному двигателю. По достижении предельной скорости V п.пр тяга всех трех типов ГТД,как было показано, становится равной нулю.
Отмеченные особенности изменения удельных параметров различных типов ГТД по V п свидетельствуют о различном влиянии степени двухконтурности на КПД движителя, а следовательно, на удельные параметры ГТД при различных скоростях полета. Объясняется это тем, что на различных скоростях полета степень двухконтурности по-разному влияет на потери кинетической энергии и на гидравлические потери в движителе. На малых скоростях, когда скорость истечения намного больше скорости полета и потери кинетической энергии относительно велики (полетный КПД низок), с увеличением m существенно уменьшаются потери кинетической энергии (h п растет); при этом гидравлические потери в наружном контуре увеличиваются (коэффициент h r II снижается) незначительно. В результате оптимальная степень двухконтурности достигает большой величины, а КПД движителя ТРДД (КПД винта ТВД) намного превышает полетный КПД ТРД (см. рис. 6.6). На больших скоростях полета, когда потери кинетической энергии невелики, наоборот, с увеличением m полетный КПД увеличивается незначительно, а коэффициент h r II значительно уменьшается (6.13). Поэтому оптимальная степень двухконтурности невелика, а КПД движителя ТРДД при больших V п мало отличается от полетного КПД ТРД (рис. 7.8).
 Рис. 7.8. Влияние степени двухконтурности на удельные параметры ГТД(L e = 520 кДж/кг, V п = 590 м/с) |
Отсюда следует, что для достижения максимального КПД h дж , а значит, максимальной удельной тяги и минимального удельного расхода топлива, параметры движителя необходимо изменять по скорости полета: с увеличением V п оптимальная степень двухконтурности и оптимальный коэффициент х, характеризующий распределение энергии между контурами, уменьшаются. Зависимость оптимальных параметров движителя от скорости полета можно проанализировать также по формулам (6.19) и (6.22). Зависимости h о = f(V п ), C уд = f(V п ) для такого оптимального ГТД огибают большое число соответствующих зависимостей, характеризующих ГТД, которые отличаются по значениям m и x (рис. 7.9).
Каждый ГТД с постоянным значением m является оптимальным только на одной (экономической) скорости полета. Применение этого ГТД на скоростях полета, отличающихся от экономической, приводит к снижению его эффективности по сравнению с эффективностью оптимального ГТД. На меньших скоростях тяга меньше максимальной, а удельный расход топлива больше минимального, так как m < m opt ; на бо¢льших скоростях его удельные параметры также хуже удельных параметров оптимального ГТД, поскольку m > m opt . Поэтому для получения максимальной эффективности каждый тип ГТД (с данными значениями m и x) целесообразно применять в определенном диапазоне скоростей. Так, для частного случая (см. рис. 7.9) максимальный общий КПД ГТД обеспечивается в следующем диапазоне скоростей:
ТВаД при 0 < V п < 100 м/с;
ТВД при 100 < V п < 200 м/с;
ТРДД при 150 < V п < 400 м/с;
ТРД при 400 < V п < 1400 м/с.
Рис. 7.9. К определению оптимального ГТД для различных
скоростей полета (T н = 216 К, T *г = 1600 К, L к s = 310 кДж/кг):
––– – для ГТД, m = const; - - - – для оптимального ГТД
Рис. 7.10. Сравнение ТВД (1), ТВВД (2) и ТРДД (3) как движителей [24]
В гл. 1 отмечалось, что ведутся работы по созданию винтовентиляторов, обеспечивающих высокий КПД при больших дозвуковых скоростях полета. Как следует из рис. 7.10, на котором ТВД, ТВВД и ТРДД сравниваются по КПД движителя, оптимальным ГТД в диапазоне чисел Мп » 0,65 … 0,85 является ТВВД. Специалисты считают, что переход от ТРДД с m =5 … 6 к ТВВД приведет к снижению удельного расхода топлива на 12 … 16 % в условиях длительного крейсерского полета. А увеличение степени двухконтурности ТРДД с m =5 … 6 до 9 … 10, которая считается предельной для традиционной концепции ТРДД, сопровождается снижением C уд на 8 … 9 %. Поэтому ТВВД может составить серьезную конкуренцию двухконтурным двигателям, если удастся решить проблемы, которые перечислены в разд. 1.2.
Экономическая скорость полета (а следовательно, и рекомендуемый диапазон применения данного типа ГТД) зависит не только от степени двухконтурности, но и от параметров цикла, а также от потерь в узлах. Увеличение работы цикла или снижение потерь в движителе приводит к увеличению характерных скоростей (V п.эк , V п.max , V п.пр ) и расширению диапазона применения ГТД.