1.4. Тяговая работа и тяговый кпд гтд прямой реакции

Различные типы ГТД выполняют различные функции: тепловой машины и движителя, тепловой машины и частично движителя и только тепловой машины.

Функция ГТД как тепловой машины заключается в преобразовании химической энергии топлива, выделяющейся при его сгорании в камере сгорания, в механические виды энергии, а именно: у ГТД прямой реакции (ТРД и ТРДД) – в приращение кинетической энергии газового потока, проходящего через двигатель; в ГТД непрямой реакции (ТВД и ТВВД) – в механическую работу на валу винта и частично в приращение кинетической энергии газового потока, а в вертолетных ГТД (которые также являются ГТД непрямой реакции) и вспомогательных газотурбинных установках – в механическую работу на валу винта или другого потребителя.

Движителем является элемент силовой установки, создающий тягу для перемещения летательного аппарата.

В силовой установке с ГТД прямой реакции такой элемент выделить невозможно, т. к. двигатель такого типа в целом совмещает в себе и функцию тепловой машины, и функцию движителя. Функция ГТД прямой реакции как движителя заключается в преобразовании кинетической энергии газового потока, проходящего через двигатель, в силу тяги, которая при движении самолета производит работу, называемую тяговой работой L_тяг.

В силовой установке с ГТД непрямой реакции (ТВД и ТВВД) функцию движителя ГТД выполняет лишь частично, т. к. движителем в такой силовой установке в основном является воздушный винт.

В вертолетных силовых установках функцию движителя полностью выполняет несущий винт.

Тяговой работойназывается работа силы тяги двигателя, затрачиваемая на перемещение летательного аппарата, т. е. произведение тяги двигателя на путь, пройденный летательным аппаратом за одну секунду (т.е. на скорость полетаV). Для ТРДД в расчете на 1 кг воздуха, проходящего через внутренний контур двигателя, получим

.

Тяговым КПД двигателя называется отношение тяговой работы к работе двигателя как тепловой машины, т. е.

. (1.9)

Тяговый КПД характеризует эффективность преобразования работы двигателя как тепловой машины в тяговою работу двигателя при перемещении летательного аппарата.

Подставив в выражение (1.9) значение L_тм=L_ц=для ТРД, получим

.

Таким образом, тяговый КПД ТРД показывает, какая часть кинетической энергии, приобретенной потоком газа в двигателе, преобразуется в тяговую работу. Иными словами, он характеризует совершенство ТРД как движителя, т. е. устройства, предназначенного для создания тяги.

Установим, какие потери оценивает тяговый КПД ТРД. Так как

,

то для потерь, учитываемых η_тяг, получим

.

Разность (с_с–V) – является скоростью газа, покинувшего двигатель, относительно неподвижного атмосферного воздуха, поэтомуL_ц– L_тяг= (с_с–V)²/2 есть кинетическая энергия этого потока.

Таким образом, в ТРД не вся кинетическая энергия потока газа, прошедшего через двигатель, преобразуется в тяговую работу. Часть ее (с_с–V)²/2 теряется с выходящим газом в атмосфере, что и оценивает тяговый КПД. Эти потери называютпотерями с выходной скоростью.

Так как для ТРД

L_тм=L_ц=, а,

то для η_тягполучим следующее выражение

. (1.10)^*

Рис.1.12. Зависимость и

от скорости полета

На рис. 1.12 представлена качественная зависимость тягового КПД от скорости полета. При V = 0, т. е. когда двигатель работает на месте, тяговый КПД равен нулю, т. к. из-за отсутствия перемещения самолета работа силы тяги равна нулю. Значит, вся кинетическая энергия газа на выходе из двигателя является неиспользованной (потерянной). При увеличении скорости полета разность (с_с – V) снижается из-за более интенсивного увеличения скорости полета посравнению со скоростью истечения газов с_с. Это приводит к снижению потерь с выходной скоростью, а следовательно, к повышению тягового КПД. Но удельная тяга P_уд=(c_c– V) при этом снижается. Как будет показано ниже, при некоторойскорости полета V = V_мах скорость истечения газов становится равной скорости полета. При этой скорости полета потери с выходной скоростью отсутствуют и тяговый КПД достигает максимального значения, равного единице. Но удельная тяга, а значит, и тяга становятся равными нулю. Поэтому полезная работа силы тяги превращается в нуль, т. е. происходит «вырождение» двигателя.

В зависимости от типа ГТД прямой реакции и режима полета самолета тяговый КПД может изменяться в широких пределах. Его значение в условиях полета обычно не превышает 0,6…0,7. Из формулы (1.10) видно, что повышение тягового КПД возможно за счет снижения скорости истечения газов c_c. Как будет показано ниже, это может быть достигнуто за счет применения двухконтурных турбореактивных двигателей. У этих двигателей при тех же параметрах цикла, что и водноконтурных ТРД, скорость истечения газов ниже, поэтому тяговый КПД выше.