Степень повышения давления в компрессорах двухконтурных турбореактивных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438

СТЕПЕНЬ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОМПРЕССОРАХ ДВУХКОНТУРНЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ю.А. Антипов, И.А. Барский, P.P. Хизяпов

Кафедра теплотехники и турбомашин Российского университета дружбы народов,

Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Получена формула для определения степеней повышения давления в компрессорах двухконтурных турбореактивных двигателях со смешением потоков.

Предложена формула для определения степеней повышения давления в компрессорах двухконтурных ТРД со смешением потоков, позволяющая вычислить эти величины из условия смешения без дополнительных потерь.

В авиации используют два типа двухкаскадных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД): со смешением потоков газа из первого контура и воздуха из второго контура и без смешения потоков.

На рис. 1, а показана схема ТРДД со смешением потоков.

а)

*/"■

Рч

V

і /■ J з

-N г

Сс

Рн

Рис. 1 Двухконтурные ТРД со смешением (а) и без смешения (б) потоков:

/- диффузор; 2 - компрессор низкого давления; 3 - компрессор высокого давления; 4- турбина высокого давления; 5 - турбина низкого давления; 6 - камера сгорания; 7 - второй контур; 8 - камера смешения потоков; 9 - реактивное сопло; 10 -реактивное сопло второго контура.

Воздух из компрессора низкого давления (НД) идет в канал 7 второго контура, после чего входит в камеру смешения 8, где происходит перемешивание воздуха с газом, выходящим из турбины низкого давления 5. Образующаяся смесь с давлением Р расширяется в реактивном сопле 9 до атмосферного давления Рн . Скорость на выходе из сопла равна Сс .

На рис. 1,6 приведена схема ТРДД без смешения потоков. Здесь имеется два сопла; сопло первого контура 9 и сопло второго контура 10.

Тяга ТРДД со смешением потоков;

/> = Сс„(Сс-К),

где Сскі =Ов-, +0Г - расход смеси воздуха и газа; V - скорость полета.

Тяга ТРДД без смешения потоков:

/> = C,l(l + Gr/G„XQ. -v)+a,,(c^-v)=

= G„,[(l + 0,/0„)(сС1 ~v)+ m(cCi-v\ '

где Gm и Gb2 - расход воздуха через первый и второй контуры; Gr - расход топлива;

т ~ GB2/Gm - степень двухконтурности.

Термодинамически двигатели, схемы которых показаны на рис. 1, а и 1, б, примерно равны [1], [2], поэтому выбор одной из них определяется, главным образом, конструктивными факторами.

При небольшой степени двухконтурности (т < 1 - 2 ) часто применяют смешение потоков. Эта схема дает более высокую тягу при реверсе, т.к. при этом изменяется на противоположное направление сразу двух потоков.

При высокой степени двухконтурности, когда диаметр второго контура много больше, чем первого, двигатель без смешения потоков имеет несколько меньшую массу, у него проще доступ к вспомогательным агрегатам.

Смешение потоков применяют в отечественных ТРДД типов Д-20, Д-30, НК-8, ПС-90А; двигатель ЛИ-25 выполнен без смешения. В зарубежных ТРДД фирмах General Electric, Pratt and Whitney, Rolls Royce применяют схемы без смешения потоков.

Степень повышения давления в компрессоре низкого давления двухкаскадных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) со смешением потоков газа и воздуха перед соплом определяется из условия, что статическое давление воздуха на входе в камеру смешения равно (или больше) статическому давлению газа на выходе из турбины низкого давления.

Из условия равенства мощностей компрессора и турбины следует, что

+ Nk2 = Nn + Nt2 , (l)

где Nk] и Nk2 - мощности компрессоров низкого и высокого давлений; NTi и NT2 -

мощности турбин низкого и высокого давлений.

Сумма мощностей компрессоров равна:

^,+^2 = 1005ВД

(l + т)

п

, 0,286 *1

( , 0,286

1 ^к]

1 + —-------------

лк\

V

7*і

0,286

к 2

-1

(2)

где

Т„

- температура окружающей среды.

Уравнение (1) можно записать в виде:

Nk]+Nk2=GrT;Cf

1 -к \

■Пт *

ЛтПм >

(3)

В этом уравнении 7Т*т = х п*Т2 - суммарная степень понижения давления в турбинах. Суммарные КПД турбин и механические КПД можно найти по формулам:

Цт =0,5(77*, +?7п)+0’01’

Ли =0,5^, +Г1М2),

где индексами "1" и "2" обозначены параметры турбин высокого и низкого давления. Давление воздуха на входе в камеру смешения равно,

Р = . (4)

а давление газа на входе в камеру смешения равно:

*

где СГ^ , ак , СГвых , СТд2 - коэффициенты сохранения полного давления во входном устройстве, в канале от компрессора НД до камеры смешения, в выходном устройстве и в камере смешения; пс - степень понижения давления в сопле.

Приведенная скорость Л у потоков воздуха и газа близки между собой, поэтому можно сравнивать полные давления. Приравнивая уравнения (4) и (5), найдем степень понижения давления в сопле, которое равно:

ЯС ~ ^ %2^ к\ ■

Суммарная степень понижения давления в турбинах равна

_ °гпк\^кг _ Д\Пк7

К г

(6)

где <7Ъ — <УКХ(УКыхакад1<УКС(7д,; СТкс и СГдХ - коэффициенты полного давления в камере

сгорания и в диффузоре между турбинами.

Подставив (2) и (3) в (1) с учетом (6), получим формулу для определения степеней повышения давления в компрессорах:

{

к-1

® кса Д\Л к!

1-С

. 0,286 ( (1 + т)Еи---------------------1 +

, 0,286

1 ^ к\

1 Н-------—-------—

■ 1

п

* 0,286 к2

-1

Пк2

= 1, (7)

где

с

1005Г„

СРТгг]Тт]м {СГ /Оп)

Зная суммарную степень повышения давления в двигателе п\ и задавшись К*кХ, нахо-дят п'кг — л*к /к’к<1 . Решая уравнение (7) методом подбора или графически, находят л*к] и

П

к2 ■

Пример расчета.

. ТРДД имеет следующие исходные данные: Г/=1360К, П*к =18, Г)'Т = 0,9, ^=^2=0,86, цм =0,99, <т« =0,96, <тД] =сгк =0,99, Сг/Ов1 = 0,98, к = 1,333, Тн = 288К, т = 1, С = 0,212.

Задавшись лк^ = 2,65 вычисляем левую часть (7), которая равна 0,948. Задавшись Ккх = 2,2, получаем левую часть уравнения (7) равной 1,015. Строим график (рис. 2), где на оси абсцисс откладываем , а на оси ординат - левую часть уравнения (7). Пересечение прямой, соединяющей ординаты 0,948 и 1,015 (при п'кх равных 2,65 и 2,2) с ординатой, равной единице, дает п'п = 2,32.

Для гарантии надежности смешения берем коэффициент запаса £ = 1,1 и окончательно получаем п*кх — %п*кх = 2,55. В результате этого получаем, что п'кх = 2,55 и пк1 =18/2,55 = 7,05.

Рис. 2. Графическое решение уравнения (7)

При данных степенях повышения давления в компрессорах смешение потоков воздуха и газа будет происходить без дополнительных потерь.

ЛИТЕРАТУРА

\. Голубев В.А., Двухконтурные авиационные двигатели. - М.:МАИ, 1993. - 166 с.

2. Шлахтенко С.М. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1979.-432 с.

UDC 621.438

PRESSURE RATIO IN COMPRESSORS OF BY-PASS ENGINES

Yu. A. Antipov, I.A. Barsky, R.R. Khiziapov

Department of Thermal Engineering and Turbines Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia

Calculation of pressure ratio in compressors of by-pass turbojet with flow mixing before engine nozzle.