Степень двухконтурности

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема турбовентиляторного двигателя

Степень двухконтурности — параметр турбо­реак­тив­но­го двигателя, показывающий отношение расхода воздуха через внешний контур двигателя к расходу воздуха через внутренний контур. Чем больше величина этого параметра, тем больший КПД двигателя удаётся получить.

КПД двигателя самолета сильно зависит от эффективности превращения кинетической энергии отбрасываемых за единицу времени двигателем газов в мощность силы тяги . Чем больше отношение (так называемый полётный КПД), тем более эффективно механическая энергия выходящих из двигателя газов преобразуется в работу силы тяги.

Мощность силы тяги

,

где — скорость движения самолета относительно воздуха, а сила тяги[1]
(в пренебрежении массовой долей расходуемого топлива)

,

где — скорость реактивной струи относительно самолета, — масса газа, выбрасываемая из двигателя в единицу времени.

Механическая работа двигателя по разгону реактивной струи расходуется на приращение её кинетической энергии, и в единицу времени

.

Очевидно, что полётный КПД

.

Следовательно, полетный КПД можно увеличить, уменьшая скорость реактивной струи. Однако при этом линейно снижается сила тяги, что требует увеличения массы пропускаемого через двигатель воздуха.

Такая прямолинейная тактика увеличения КПД полета противоречит тепловому КПД, так как эффективность сжигания топлива улучшается с увеличением давления и температуры в камере сгорания. Прокачка через камеру сгорания избыточных объемов воздуха требует дополнительной энергии для его нагрева и дополнительной мощности компрессора высокого давления. Поэтому основная идея турбовентиляторного двигателя состоит в пропускании ненужных для сгорания топлива (но необходимых для тяги) объемов воздуха через внешний контур, где он не встречает ни компрессоров, ни турбин. Фактически вентилятор в данном случае выполняет функцию винта создавая до 70-80% всей тяги двигателя.

Термин «степень двухконтурности» относится к области реактивных двигателей, широко используемых в авиации. Он определяется как отношение между массовым расходом воздуха, проходящим через внешний контур двигателя к массовому расходу воздуха через внутренний контур двигателя.

Турбореактивные двигатели обычно делятся на две категории: с высокой степенью двухконтурности (или турбо­венти­ля­тор­ные) и ТРД с низкой степенью двухконтурности.

Меньшая степень двухконтурности обеспечивает большую скорость реактивной струи, которая необходима для достижения высоких, обычно сверхзвуковых, скоростей полёта. Она увеличивает удельный расход топлива.

Большая степень двух­контур­нос­ти обеспечивает меньшую скорость реактивной струи, истекающей из сопла. Это уменьшает удельный расход топлива, но также уменьшает максимальную скорость и увеличивает вес двигателя.

Ещё одно преимущество турбо­венти­ля­тор­но­го двигателя перед реактивными двигателями с малой степенью двухконтурности заключается в том, что холодный воздух из внешнего контура, смешиваясь с горячими газами из турбины, снижает давление на выходе из сопла. Это способствует снижению шумности двигателя[2].

Описание[править | править вики-текст]

Реактивные двигатели способны вырабатывать большую мощность, чем они используют в первом контуре. Это происходит из-за ограничения по температуре газов перед турбиной, таким образом большая часть топлива просто сжигается. Тягу двигателя можно увеличить, используя форсажную камеру или водяное охлаждение турбины, но оба этих способа ведут к огромному уменьшению КПД. Тем не менее, это применялось в старых реактивных двигателях для увеличения тяги на взлёте.

Создан и испытан в 1937 году Архипом Люлькой, авторское свидетельство N312328/25, выданное 22 апреля 1941 года.

Британская двигателе­строи­тель­ная компания «Роллс-Ройс» одной из первых применила это явление в турбо­реак­тив­ном двигателе «Conway», разработанном в начале 1950-х годов. Обычный реактивный двигатель был оснащён компрессором большего размера. Двигатель «Конвэй» имел довольно низкую степень двух­контур­ности (порядка 0,3), но экономия топлива уже была весьма ощутима, и его последователи («Rolls-Royce Sprey») получили широкое распространение.

Если двигатель, к примеру, пропускает два килограмма воздуха по внешнему контуру на каждый килограмм воздуха, пропущенного по внутреннему, то говорят, что его степень двухконтурности равна двум (или 2:1). Большие степени двухконтурности обеспечивают больший КПД без сжигания дополнительного топлива. Суть заключена в уравнении Мещерского — тяга зависит от скорости реактивной струи линейно, а энергия квадратично. Чем меньше скорость воздуха, тем больше КПД.

Таким образом, КПД может быть увеличен почти на 50%.

Степени двухконтурности некоторых двигателей[править | править вики-текст]

Современные двигатели всегда имеют некоторую степень двухконтурности. Она, главным образом, зависит от класса самолёта. На перехватчиках она мала в силу необходимости достижения высоких скоростей. На пассажирских самолётах она высока и напрямую сказывается на экономической эффективности.

Двигатель Самолёт Степень двухконтурности
en:Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 Конкорд 0:1
en:Snecma M88 Дассо Рафаль 0,30:1
Pratt & Whitney F100 F-16, F-15 0,34:1
General Electric F404 F/A-18, KAI T-50 Golden Eagle, F-117, X-29, X-31 0,34:1
en:Eurojet EJ200 Eurofighter Typhoon 0,4:1
РД-33 МиГ-29, Ил-102 0,49:1
АЛ-31Ф Су-27, Су-30, Chengdu J-10 0,59:1
Pratt & Whitney JT8D DC-9, MD-80, Boeing 727, Boeing 737 0,96:1
НК-32 Ту-160 1,4:1
en:Rolls-Royce Tay Gulfstream IV, Fokker 70, Fokker 100 3,1:1
SaM146 Суперджет-100 4,43:1
ПС90-А2 ТУ-204СМ 4,5:1
Д-436 Як-42М, Бе-200, Ан-148 4,91:1
CF34-8/CF34-10 Embraer E-170, Embraer E-175 / Embraer E-190, Embraer E-195 5:1
CFM56 Boeing 737, Airbus A320, Airbus A340-200 и -300 5,5:1–6,6:1
Д-18Т Ан-124, Ан-225 5,6:1
en:Pratt & Whitney PW2000 Boeing 757, C-17 Globemaster III 5,9:1
ПД-14 МС-21-300 8,5:1
en:General Electric GEnx Boeing 787 8,5:1
en:Rolls-Royce Trent 900 Airbus A380 8,7:1
CFM LEAP-1B Boeing 737 MAX 9:1
General Electric GE90 Boeing 777 9:1
en:Rolls-Royce Trent XWB A350 9,3:1
en:Rolls-Royce Trent 1000 Boeing 787 11:1
PW1100G Airbus A320neo 12:1
en:Rolls-Royce RB3025 Boeing 777x 12:1

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей. Учебник для вузов. Авторы: В. М. Акимов, В. И. Бакулев, Р. И. Курзинер, В. В. Поляков, В. А. Сосунов, С. М. Шляхтенко. Под редакцией С. М. Шляхтенко. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1987
  2. Тише или дешевле?: Как сделать самолеты еще менее прожорливыми?. Проверено 10 февраля 2011. Архивировано из первоисточника 28 февраля 2012.