Форсирование ГТД прямой реакции

Форсированием называется кратковременное, а иногда и длительное увеличение тяги турбореактивного двигателя по сравнению с тягой на максимальном режиме. При полном расширении газа в сопле увеличение его тяги Р = G_в(с_с – V ) возможно как за счет увеличения расхода воздуха, так и скорости истечения газов из сопла.

Иногда увеличение тяги ГТД прямой реакции (по сравнению с тягой на максимальном режиме) осуществляется путем увеличения температуры газов перед турбиной и частоты вращения его роторов выше их значений на максимальном режиме. Это приводит к увеличению расхода воздуха через двигатель из-за увеличения частоты вращения его роторов, а также и скорости истечения газов из сопла из-за роста температуры перед и за турбиной, а значит и перед соплом. Этот режим работы двигателя называют чрезвычайным и применяется, например, для обеспечения благополучного завершения полета самолета с несколькими двигателями при отказе одного из них. Однако возможности такого форсирования существенно ограничены значениями допустимых механических и тепловых нагрузок, действующих на элементы двигателя.

Форсирование двигателя также возможно за счет впрыска воды (или вводно-спиртовой смеси для улучшения испарения) на вход в компрессор. При этом за счет испарения воды по его тракту температура воздуха падает, а плотность возрастает. Поэтому при той же величине работы, подводимой к воздуху в компрессоре от турбины , давление за компрессором возрастает. Это приводит к росту давления по всему тракту двигателя, а значит и перед соплом, что увеличивает скорость истечения газов из сопла. Кроме того, увеличивается расход рабочего тела через двигатель не только за счет впрыска воды, но и за счет повышения расхода воздуха через двигатель из-за повышения пропускной способности турбины вследствие увеличения давления перед ней. Таким образом, увеличение скорости истечения и расхода рабочего тела проводит к увеличению тяги двигателя.

Но основным способом форсирования ГТД прямой реакции является увеличение скорости истечения газов из сопла двигателя за счет повышения их температуры перед соплом. Это достигается сжиганием топлива в форсажной камере сгорания, установленной за турбиной в одноконтурном ТРД или за камерой смешения в двухконтурном ТРД со смешением потоков. Режим работы двигателе с включенной форсажной камерой называется форсажным режимом(или кратко «форсажом»). Форсирование ТРДД с раздельными контурами может осуществляться сжиганием топлива в форсажных камерах в обоих или в одном из контуров, но такая схема практически не применяется.

Рассмотрим термодинамический цикл одноконтурного ТРД на форсажном режиме. (рис. 28.1). В основной камере сгорания к воздуху (рабочему телу) подводится теплота Q₀. Затем газ расширяется в турбине (в процессе Г-Т), после чего в процессе Т–Ф осуществляется подвод теплоты Q_ф к газу в форсажной камере сгорания при практически постоянном (несколько падающем) давлении. Затем в сопле в процессе Ф–СФ газ расширяется до атмосферного давления р_Н .

Повышение температуры газа перед соплом приводит к увеличению скорости истечения. Этот же результат можно трактовать как следствие увеличения работы цикла при включении форсажа. Так как скорость истечения газа из сопла, как известно, равна , где - температура газа перед соплом и , то степень увеличения скорости истечения при включении форсажной камеры ТРД (если пренебречь незначительным падением полного давления газа в форсажной камере и небольшим различием значений теплоемкости газа перед форсажной камерой и за ней) равна:

. (29.1)

Но включение форсажной камеры не должно влиять на механические и тепловые нагрузки в остальных элементах двигателя и устойчивость их работы. Поэтому режимы их работы (расход воздуха, распределение давлений по газовоздушному тракту и т.д.) при включении форсажа должны остаться неизменными. В частности, должно оставаться неизменным и полное давление газа за турбиной. При это перепад давлений в сопле при включении форсажа практически всегда превышает критическое значение. Но согласно формулам расхода через критическое сечение сопла на бесфорсажном и форсажном режимах

, .

Следовательно, площадь критического сечения сопла при включении форсажа должна быть (если пренебречь незначительными отличиями от , от и от ) увеличена в отношении

. (29.2)

Введем понятие степени форсирования двигателя, по которой понимается отношение тяги двигателя при включение форсажа к тяге двигателя на том же режиме, о с выключенной форсажной камерой. Поскольку расход воздуха при включении форсажа не изменяется, степень форсирования (если пренебречь незначительным отличием от ) равна

.

Так как , то в условиях взлета (при V = 0) .

Обычно температура газов за турбиной ТРД имеет порядок , а температура за форсаэной камерой , и тогда на взлете Но в условиях полета (в особенности сверхзвукового) степень форсироваиия существенно возрастает.

Следует подчеркнуть, что теплота Q_ф, подводимая к газу в форсажной камере сгорания, используется в двигателе хуже, чем теплота Q,подводимая к воздуху в основной камере. Цикл ТРДФ можно рассматривать как сумму двух циклов I и II (см. рис. 28.1). В цикле II теплота Q_ф подводится к рабочему телу при значительно меньшем давлении (т.е. в этом цикле значительно меньше p), чем в цикле I. Поэтому внутренний КПД этого цикла, а с ним и всего цикла ТРДФ, оказывается значительно меньше, чем до включения форсажной камеры. А, кроме того, еще и тяговый КПД двигателя снижается (при данной скорости полета) из-за роста скорости истечения. В результате удельный расход топлива существенно возрастает при включении форсажа.

Всё сказанное выше относится в качественном отношении и к форсированию путем сжигания топлива в форсажной камере ТРДД со смешением потоков за турбиной. Но в этом случае необходимо отметить следующие особенности.

1). Форсажная камера сгорания устанавливается в таких двигателях за камерой смешения. Поэтому для оценки изменения скорости истечения газов из сопла при включении форсажа формула (28.1) должна быть заменена формулой

. (28.3)

2). Аналогично необходимое увеличение площади критического сечения сопла ТРДДФсм при включении форсажа может быть оценено по формуле

. (28.4)

3). При данных значениях степени повышения давления и степени подогрева рабочего тела в двигателе температура за турбиной ТРДД меньше, чем в ТРД, так как турбина в ТРДД должна вращать ещё и ту часть вентилятора, которая сжимает воздух, идущей через наружный контур. А температура на выходе из камеры смешения еще ниже из-за смешения газов со сравнительно холодным воздухом. Поэтому, как видно из сравнения формул (28.1) и (28.3), степень увеличения скорости истечения и, соответственно, степень форсировании при включении форсажа (и при равных прочих условиях) в ТРДДФсм оказывается больше, чем в ТРДФ.

4). Но давление за турбиной, а следовательно, и перед соплом (за камерой смешения) в ТРДФсм по тем же причинам меньше, чем в ТРДФ. Следовательно, подвод теплоты в форсажной камере ТРДДФсм производится (при прочих равных условиях) при меньшем давлении, чем в ТРДФ. И в результате экономичность ТРДДФсм на форсажном режиме оказывается хуже, чем экономичностьТРДФ.

По этой причине ТРДДФсм выполняются только с относительно малой степенью духконтурности (обычно ).

2. Влияние параметров рабочего процесса на удельные параметры ТРДФ и ТРДДФсм