Зависимость удельного расхода топлива от числа оборотов, степени сжатия компрессора и температуры газов перед турбиной

С увеличением числа оборотов компрессора степень сжа­тия его увеличивается. Характер увеличения степени сжатия при увеличении числа оборотов компрессора показан на рис. 44.

С увеличением степени сжатия изменяется удельный рас­ход топлива. Примерный характер зависимости удельного расхода топлива от степени сжатия (а следовательно, и от числа оборотов) при постоянной температуре газов перед турбиной изображен на рис. 45. Как видно из рисунка, с уве­личением степени сжатия удельный расход топлива сначала уменьшается, достигает наименьшего (минимального) зна­чения, а затем начинает возрастать.

Рис. 44. Зависимость ε_КОМП от оборотов.

Степень сжатия, при которой удельный расход топлива достигает наименьшего значения, называется экономи­ческой степенью сжатия и обозначается буквой ε_ЭК.

Такое изменение удельного расхода топлива от степени сжатия объясняется взаимодействием двух факторов: коли­чеством тепла, сообщаемого каждому килограмму воздуха, протекающему через двигатель, и эффективностью исполь­зования этого тепла.

Удельный расход топлива определяется по уравнению:

 

 

где с_Р – теплоемкость газов при постоянном давлении, Т₃ – температура газов перед турбиной, Т₂ – температура газов на выходе из компрессора, δ – коэффициент выделения тепла (близок к 1 ≈ 0,97-0,98), Н_U – теплотворность топлива, Р_УД – удельная тяга.

Рис. 45. Характер изменения удельного расхода топлива от степени сжатия.

Количество подводимого тепла к каждому килограмму газа равно:

 

 

Температура газов перед турбиной Т₃ ограничена жаро­прочностью материала лопаток турбины. С увеличением степени сжатия (числа оборотов компрессора) температура воздуха на выходе из компрессора Т₂увеличивается, так как воздух при сжатии нагревается. Следовательно, раз­ность температур Т₃ – Т₂с увеличением степени сжатия будет уменьшаться и количество тепла Q, подводимого к каждому килограмму газа, как видно из уравнения, будет тоже непрерывно уменьшаться.

Одновременно с увеличением степени сжатия (до опреде­ленного предела) улучшается эффективность преобразова­ния тепла, получаемого газом, в полезную работу.

В результате при взаимодействиидвух факторов (т. е. пока эффективность преобразования тепла в работу улучшается) удельный расход топлива при увеличении сте­пени сжатия до ε_ЭК уменьшается.

При дальнейшем увеличении степени сжатия свыше ε_ЭКудельный расход топлива начинает увеличиваться. Объяс­няется это тем, что общее количество тепловой энергии, вво­димой в двигатель, вследствие уменьшения Q уменьшается. Та часть ее, которая затрачивается па преодоление гидра­влических потерь в двигателе, остается постоянной, а доля эффективно используемого тепла уменьшается, что и вызы­вает увеличение удельного расхода топлива.

Экономические степени сжатия очень велики. При Т₃ = 1200° экономическая степень сжатия больше 20.

Рис. 46. Характер изменения удельного расхода топлива от температуры Т₃.

Температура газов перед турбиной Тз сильно влияет на удельный расход топлива, при условии, что режим полети и степень сжатия остаются неизменными.

Зависимость удельного расхода топлива от температуры Т₃показана на рис. 46. Как видно из рисунка, с ростом температуры газов перед турбиной удельный расход топлива сначала резко уменьшается, достигает наименьшего значе­ния при Т_3ЭК затем начинает увеличиваться.

Такой характер изменения удельного расхода топлива объясняется изменением доли тепла, используемого в ТРД, и доли тепла, уносимого выхлопными газами (вспомните тепловой баланс двигателя).

Газовая турбина может преобразовать в механическую работу только определенное количество тепловой энергии — 40 - 60 калорий на килограмм газа, чему соответствует перепад температур на одну ступень турбины 150—250°, Часть оставшейся тепловой энергии преобразуется в ско­рость в реактивном насадке, а остальная тепловая энергия теряется с выхлопными газами.

С увеличением температуры газов, подходящих к тур­бине, до Т_3ЭК турбина использует увеличение тепловой энергии, преобразуя ее в работу. Одновременно увеличи­вается скорость истечения газов, что вызывает увеличений тяги двигателя, Следовательно, эффективность использова­ния тепла улучшается и удельный расход топлива умень­шается до минимального.

При дальнейшем увеличении температуры газов, подхо­дящих к турбине (свыше Т_3ЭК), турбина срабатывает тот же перепад температур 150—250°. Поэтому температура газов, выходящих из турбины и реактивного насадка, уве­личивается. Благодаря этому потери с выходной скоростью и теплом выхлопных газов увеличиваются, увеличивается и удельный расход топлива.

При существующих знaчениях температур газов перед турбиной дальнейшее уменьшение удельных расходов топ­лива у ТРД может быть достигнуто только за счет увеличе­ния степени сжатия.