Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 98
Текст из файла (страница 98)
16.7). Воздушный цикл РТД состоит из тех же самых процессов, что и воздушный цикл обычного турбореактивного двигателя. Различие состоит только в том, что повышение давления воздуха в компрессоре осуществляется в результате подвода энергии от ракетного цикла путем привода компрессора от турбины, работающей на ракетном топливе.
Поэтому при равных значениях степени повышения давления в компрессоре обычного турбореактивного двигателя и РТД степень повышения давления газа в сопле последнего в уьг раз выше, чем в сопле ТРД. Вследствие того, что температура газа в камере сгорания ТРД ограничивается жаропрочностью турбинных лопаток, а температура газа в камере сгорания РТД вЂ” условиями охлаждения камеры и сопла, то допустимая температура цикла РТД может быть выбрана заметно выше, чем Т; в ТРД.
Иначе, располагаемая ра- 487 бота цикла РТД выше работы Рлл Рл Р цикла ТРД из-за более высокого отношения давления в сопле и лл температуры газа в камере сгорания РТД по сравнению с откв ношением давления н, "и температурой газа перед турбиной ТРД. При дополнительномтеплол подводе за турбиной ТРД и выборе одного и того же сорта топлива для ТРДФ и РТД темпеРис. 16.7. Изображение рлквтиьгв ратура и работоспособность газа циилв РТД в ~ — 5-дивгрвыые (Р,. — дЛя ОбОИХ СраниннаЕМЫХдВИГадавление в характерных точках цикла) телей не будут отличаться.
По- этому различие располагаемых работ циклов РТД и ТРДФ будет определяться различным уровнем давления перед соплами обоих типов двигателей. Отношение этих работ при н~ртд лвтрд 1 всегда больше единицы. Поэтому увеличение работы идеального цикла РТД по сравнению с ТРДФ определяется исключительно увеличением отношения давления в реактивном сопле РТД в н,' раз, если использовать двигатели с одним и тем же значением н„'. Выражение для термического КПД цикла РТД имеет такой же вид, что и КПД цикла ТРДФ.
Отличие количественное и заключается в том, что если в идеальном РТД степень повышения давления в цикле при М„= О, Н вЂ”.— 0 яд,„— н„', то в идеальном ТРДФ ил„= я'. Поэтому отношение термического КПД идеального цикла РТД к КПД идеального цикла ТРДФ при одинаковой степени теплоподвода и одинаковом сорте топлива, т.
е. л-1~ Н л — 1, прн Т„' = Тоти„т„1т1в = 1 — Пя„' ~(~1 — 1lн, л ) всегда больше единицы. Предельные возможности двигателей обоих типов можно установить при сопоставлении работ РТД и ТРД при равных значениях Н и д„н при максимальных величинах работ расширения двигателей обоих типов, соответствующих я,' -в. оо.
Результаты такого сопоставления свидетельствуют о том, что работа РТД тем значительнее превышает работу ТРД, чем ниже исходные значения я„' и выше температура цикла в сравниваемых двигателях при Т; = Т,", „т . При определенных значениях н„", 'трд ' "ртд' зависящих от величины температуры газа в цикле, предельная работа ТРД начинает превышать предельную работу ракетно- турбинного двигателя.
Увеличение удельной теплоты сгорания топлива, например, при переходе от керосина к водороду расширяет область, в которой РТД имеет преимущества перед ТРД. Сравнение РТД с ТРДФ 488 показывает, что при Т„'= Т„', „) 1400 К при Твртд = Т4 ) 1600 К во всей области рабочих значений н„' етрдф РТД превосходят ТРДФ, т. е. что при переходе к форсированным режимам преимущества РТД возрастают. Физический смысл такого улучшения характеристик заключается в том, что если в РТД при увеличении относительного расхода топлива наряду с ростом физического теплосодержания на выходе из двигателя одновременно возрастает и работа турбины, приводящая к росту значений н,", то при форсировании ТРД увеличение д, при Т„"= = сопл( определяет увеличение работы, главным образом, вследствие повышения физического теплосодержания рабочего тела на выходе из двигателя без увеличения я,'.
Удельные параметры и основные данные РТД Удельные параметры РТД (удельный расход топлива с д и удельная тяга Р ) в общем случае определяются: сортом и составом газогенераторного топлива (Н„ и а ) и степенью расширения его на турбине н,, однозначно определяющими температуру газа перед турбиной Т„'„, мощность турбины Ж, и реализуемые значения степени повышения давления воздуха в компрессоре я„', теплосодержанием газа на выходе из двигателя 1,", зависящим от суммарного коэффициента избытка окислителя ав и определяющим температуру То и работоспособность ИТэ продуктов сгорания топливо-воздушной смеси в камере.
При использовании топлива определенного сорта в качестве основных параметров поэтому могут рассматриваться: температура перед турбиной Т„"„и в форсажной камере Т', степень повышения давления в компрессоре я„* и величина работы турбины Е,, Увеличение температуры газа перед турбиной при я„'в = сопл( и ах = сопз1 приводит к росту удельной тяги в условиях старта ценою некоторого ухудшения экономичности двигателя. Увеличение степени повышения давления в компрессоре н„'в при заданной тяге в расчетных условиях полета (заданном миделевом сечении входного воздухозаборника) наряду с увеличением удельной тяги как в расчетных, так и в нерасчетных условиях полета приводит к росту абсолютной тяги не только вследствие роста удельной тяги, но и увеличения расхода воздуха на всех нерасчетных режимах полета, обусловленных расширением диапазона изменения производительности компрессора с ростом л„"в.
Одновременно с этим при повышении я„'в растет и масса двигателя, главным образом, вследствие утяжеления турбокомпрессора. Удельная масса двигателя при этом в стартовых условиях (Н = О, М = 0) достигает минимальных значений при определенных значениях я„'в, зависящих от сорта топлива и параметров рабочего процесса. Результаты расчетов влияния степени повышения давления в компрессоре я„в на закономерности изменения удельного расхода топлива, относительной удельной массы двигателя, отно- 489 Рис.
!6.8. Влияние степени повыше. ния давления воздуха н компрессоре на основные данные РТД (Топливо— керосин -1- азотная кислота, М = О, И =- О, М = 4,0, Н ) !1 км, сал-- и = — !41еш, а =- 1йеп1). 7 — расчетный оежим — РТД; У вЂ” расчетный режим — ПВРД (» ! =»ра!»ранна=б) отношение удельной массы РТД к удельной массе РТД при ла = 6, ьт — — 1170 кдж/кг г яа ра гы „=я (О (й уд гуно а/Н ч лю сительной тяги двигателя при М = О, Н = 0 (отношения тяги двигателя к тяге в расчетных условиях), выполненные в предположении сохранения одинаковых масс и абсолютных внутренних тяг РТД, в которых в качестве топлива используют керосин и азотную кислоту, приведены на рис.
!6.8. Видно, что при любых условиях выбора расчетного режима работы двигателя (на турборакетном или прямоточном режимах) целесообразные значения 400 1Тн У!7 «ГЛО я„о расположены в диапазоне и„'о = — З,О ... 6,01 как в области меньших значений пно (тт„о < З,О), так и в области и„'О) 6 ... 7 одновременно с увеличением удельного расхода топлива увеличивается удельная масса и падает относительная тяга двигателя.
Увеличение работы турбины при неизменных значениях ссх, Т„„ и 22„'о, приводя к уменьшению доли жидкого окислителя в ракетном топливе, определяет уменьшение удельных расходов топлива при незначительном снижении удельной тяги двигателя. Одновременно с этим увеличение Т.т приводит к утяжеленню двигателя и к возрастанию удельной массы РТД. Максимальная величина Т,, ограничивается допустимой условиями жаростойкости и жаропрочности турбинных лопаток температурой газа, перед турбиной, максимально допустимыми давлением в камере газогенератора и массой двигателя.
При максимально допустимых значениях р„"„= 30000 кПа и Т„'„=- 1400 К в РТД с азотно-керосиновым газогенератором при сав = 1,0 целесообразные значения Т,, находятся в диапазоне Т.т = 900 ... 1500 кДж4кг. Характеристики РТД Высотно-скоростные характеристики РТД, рассчитанные в соответствии с выявленными общими принципами регулирования двигателя на режимах максимальных тяг приведены на 490 Рис. 16.9.
Скоростные характеристики РТД; и=- 1! кн, М = 4,0 (топккао — керосин + пр 1- ааотная кнснота, ан =- ЬО). — л,"О 0,0; Н*О 3'0' П*0 2 00 Н ко = кО =О, М=.О йййт а/Н ч Лро рис. 16.9. Видно, что в РТД так же, как и в ТРДФ, увеличение и„'о при сев = сопз1 приводит к значитель- ,тгуй ному повышению тяги на всех не- расчетных режимах полета и взлете ценою ухудшения экономичности РТД вследствие роста доли окисли. толя в газогенераторном топливе / с увеличением и„'О.
Сравнение ха- / рактеристик РТД с регулируемыми и неизменными сечениями проточной части показывает, что при выборе одних и тех же значений гб„'О, 1,, ч» / и с«в в РТД с нерегулируемыми сечениями наряду с увеличением лй с „ обеспечивается более высокая взлетная тяга при более медленном ~ ,у нарастании ее по скорости полета. Этот результат объясняется, с одной стороны, переразмериванием компрессора для обеспечения потребного расхода воздуха в расчетных условиях полета из-за больших входных потерь и, следовательно, увеличением расхода воздуха в условиях старта, а с другой стороны, уменьшением относительного прироста расхода воздуха с увеличением скорости полета.
16.4. ВРД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕйй ХЛАДОРЕСУРСА И ВЫСОКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КРИОГЕННЫХ ТОПЛИВ Улучшение эффективности цикла ВРД может быть достигнуто благодаря использованию, хладоресурса криогенных топлив для уменьшения относительнбй работы сжатия, работоспособности топлива для увеличения относительной работы расширения и регенерации тепла с топливом для увеличения располагаемой работы при одновременном повышении термического КПД цикла. Эти пути использования хладоресурса и высокой работоспособности топлива для увеличения работы и КПД цикла двигателя явились основой для рассмотрения газотурбинных двигателей ряда новых схем.
В качестве примеров для выявления особенностей подобных двигателей целесообразно рассмотреть два наиболее характерных представителя: «пароводородный» ракетно-турбинный двигатель 491 Б 7 уа у! Рис. 16.10. «Пароводородиый» ракетно-турбинный данг»телам ! — насос жидкого водорода; ! — тсплообмекннк подогрева водорода; 3 — компрессор; 4 — редуктор; 5 — ту»бана; а — сгабмлнзагорм; 7 — камера сгораннк; а — рсакгнвнае сопло (рис. 16.10) и ракетно-турбинный двигатель с системой сжижения (рис. 16.11). В «пароводородном» двигателе рабочим телом турбины, приводящей во вращение компрессор, служит газнфицированный и подогретый в газоводородном теплообменнике водород.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
