Понятие тяги двигателя

Для правильного решения методических вопросов, связанных с измерением тяги воздушно-реактивных двигателей на наземных и высотных стендах, важно конкретизировать понятие тяги двигателя. В расчетных и экспериментальных исследованиях используется значение тяги по внутренним параметрам, соответствующее уравнению

Р_V=G_гс_с+F_с(р_с-р_н)-G_вV_п. (5.3)

В этом уравнении G_вV_п - входное количество движения, остальные члены образуют так называемую тягу сопла

P_с=G_гс_с+F_с(р_с-р_н). (5.4)

которую можно выразить в другой форме, через импульс потока в выходном сечении сопла:

I_с= G_гс_с+F_ср_с=p*_cf(l_c)F_c, (5.5)где f(l_c) - газодинамическая функция, тогда

P_V=P_c-G_вV_п=I_с-F_cp_н-G_вV_п. (5.6)

Нетрудно убедиться, что выражение (5.3) соответствует тяге гипотетической силовой установки (рис. 5.4, б), которая отличается следующими особенностями. Площадь входа в воздухозаборник равняется площади невозмущенного потока F_н, при этом статистическое давление в этом сечении равняется давлению окружающей среды р_н, а скорость - скорости полета V_г.

Рис. 5.4. Гипотетическая силовая установка: a - при H=0, М=0; б - при полетных условиях

Наружный поток не создает сил трения, а давление на наружной поверхности равняется давлению р_н. При этом предполагается, что воздухозаборник с полностью внутренним сжатием имеет коэффициент сохранения полного давления реального или стандартного воздухозаборника s_в=f(М).

Определение тяги при Н=0 и М=0

Применительно к условию М=0 схема гипотетической силовой установки преобразуется к виду, показанному на рис. 5.4, а. Площадь входа становится бесконечно большой, а скорость потока на входе - нулевой. Тогда уравнение для определения тяги имеет вид

Р₀=G_гс_с+F_с(p_с-p₀). (5.7)

При этом предполагается, что потери полного давления в воздухозаборнике отсутствуют и полное давление на входе в двигатель равняется давлению окружающей среды, которое для условий Н=0, М=0 обозначается р₀, т.е. равняется атмосферному давлению.

Компоновку, показанную на рис. 5.4, а, на практике осуществить нельзя, поэтому она заменяется компоновкой с лемнискатным входом (рис. 5.5), в которой воздух на вход в двигатель подается из всего окружающего пространства. Выбрав площади контрольных сечений 1, 2 бесконечно большими и применяя уравнение количества движения для контура, ограниченного сечениями 1, 2, с, найдем, что и в этом случае сила, действующая на силоизмерительное устройство стенда, находится по уравнению (5.7).

Компоновка, показанная на рис. 5.5, реализуется на открытом стенде с коротким хорошо спрофилированным входным устройством, потери полного давления в котором близки к нулевым. На таком стенде сила, измеряемая силоизмерительным устройством стенда, равняется тяге двигателя. При этом важно отметить, что полное давление на входе в двигатель равняется давлению окружающей среды p₀.

Открытые стенды из-за трудностей обслуживания и вредного шумового излучения не получили широкого распространения. Как правило, испытания проводятся на закрытых стендах, воздух к двигателю подается через входную шахту, а выхлопные газы выбрасываются через выхлопную шахту (рис. 5.6). Условия течения во входном устройстве двигателя и условия его обтекания на таком стенде отличаются от условий работы на открытом стенде.

Расход воздуха через бокс складывается из расхода воздуха через двигатель G_в и расхода воздуха G_обд, обдувающего двигатель, входное устройство, подмоторную раму, коммуникации со скоростью до 15 м/с, что приводит к появлению дополнительных сил и усложнению определения тяги на таких стендах. Давление в начальном сечении бокса р₁ и конечном сечении р₃ из-за потерь в шахте меньше атмосферного, при этом может наблюдаться градиент давления по длине бокса и давления р₁ и р₃ не равны друг другу. Скорости обдувающего воздуха в сечениях 1, 3 также могут различаться между собой.

Рис. 5.5. Схема входного устройства в условиях открытого стенда

Рис. 5.6. Схема установки двигателя на закрытом стенде

Выберем контур, ограниченный начальным сечением бокса и сечением, проходящим через выходную плоскость сопла. При таком выборе контура учитываются все силы, действующие на двигатель, входное устройство, защитную сетку, коммуникации, подмоторную раму, динамометрическую платформу со стороны воздуха, проходящего через двигатель и бокс. Эти силы воспринимаются силоизмерительным устройством. Их сумму обозначим Р_ст. Применив уравнение количества движения для выбранного контура, ограниченного сечениями 1...3, получим

(5.8)

Силой трения о стенки Р_тр можно пренебречь или при необходимости вычислить ее по скорости и коэффициенту трения на стенке. Первые два члена в уравнении (5.8) по форме представляют собой тягу двигателя на открытом стенде при давлении окружающей среды p₀, равном полному давлению на входе р*_в:

Р₀=G_гc_с+F_c(р_c-р*_в). (5.9)

Количественно указанное соответствие будет выполняться, если отличие давления в окрестности реактивного сопла р₃ на закрытом стенде от полного давления на входе р*_в не оказывает влияния на внутренние параметры двигателя, что справедлива, если степень понижения давления в сопле выше критической. Тогда из (5.8) и (5.9) следует

Р₀=Р_ст-F_с(р*_в-р₃)+DР_аэр. (5.10)

Поправка к измеренной величине силы F_с(р*_в-р₃) учитывает отличие давления р₃ от р*_в. Поправка DР_аэр связана с аэродинамикой стенда и учитывает отличие условий работы двигателя на закрытом стенде от условий открытого стенда:

DР_аэр=G_вc₁+G_обд(с₃-с₁)+F₁(p₁-р₃).

Если степень понижения давления в сопле докритическая, то необходимо учитывать поправку DР_реж, связанную с изменением режима работы двигателя вследствие отличия полного давления на входе от давления окружающей среды р_н, в итоге

Р₀=Р_ст-F_с(р*_в-р₃)+DР_аэр+ DР_реж.

Поправка DР_аэр находится при аттестации испытательного стенда путем подробного измерения полей давлений и скоростей в характерных сечениях бокса. Поправку DР_реж можно найти либо расчетным путем по математической модели двигателя, либо экспериментальным при испытаниях двигателя на высотном стенде, где можно произвольно менять отношение давлений р*_в/ р₃. Сравнительными испытаниями одного и того же экземпляра двигателя на открытом и наземном стендах можно определить суммарную поправку

DР_S= DР_аэр+ DР_реж.

В качестве эталонного стенда вместо открытого можно использовать также и высотный стенд.