2. Лекция № 4
Удельные показатели совершенства
авиационных двигателей
Для сравнительной оценки ВРД на практике широко пользуются
относительными величинами, характеризующими уровень
технического совершенства двигателей. Эти величины носят название
удельных параметров двигателя и делятся на три группы:
• тяговые или мощностные параметры;
• параметры, характеризующие относительную затрату топлива
(экономичность);
• показатели массы (веса) и объема двигателя.
3. Лекция № 4
Удельная тяга и мощность
Удельная тяга ВРД (Pуд) определяется отношением тяги, развиваемой
двигателем, к секундному расходу воздуха:
Pуд
P
Gв
Размерность удельной тяги Нс/кг или м/с (1Н=кг.м/с), т. е. удельная тяга
имеет размерность скорости. Удельная тяга – один из наиболее важных
параметров ВРД. Чем больше удельная тяга двигателя данного типа, тем
большую абсолютную тягу он будет иметь при заданных условиях полета,
размере и массе двигательной установки.
У двигателей непрямой реакции (ТВД) параметром, аналогичным
удельной тяге, служит так называемая удельная мощность в Вт.с/кг или
Дж/кг, т. е. мощность двигателя, приходящаяся на 1 кг воздуха, проходящего
через двигатель в единицу времени. При этом используют понятие
эквивалентной мощности двигателя Ne, которая равна сумме мощности,
развиваемой на валу двигателя (винта), условной мощности, развиваемой за
счет прямой реакции выходящих из сопла газов:
N eуд
Ne
Gв
4. Лекция № 4
Лобовая тяга
Лобовая тяга – тяга ВРД, отнесенная к наибольшей площади
поперечного сечения двигателя – площади миделевого сечения. Размерность
лобовой тяги двигателя – Н/м2.
P
PF
Fmid
Часто лобовую тягу определяют по площади входа в воздухозаборник:
P
PF
Fвх
Лобовая тяга, или тяга, которую можно получить с 1 м2 площади
миделевого сечения (или входа), является важной характеристикой
авиационных реактивных двигателей. Она характеризует возможность
получения заданной величины тяги при ограничениях максимального
диаметра двигателя (например, при расположении двигателя в фюзеляже
самолета). При наружном расположении двигателя на летательном аппарате
(в гондоле двигателя) величина лобовой тяги, определяющая его лобовую
площадь при данной тяге, в значительной степени определяет внешнее
сопротивление двигательной установки. В однотипных двигателях
увеличение лобовой тяги косвенно свидетельствует также об улучшении их
массовых характеристик.
5. Лекция № 4
Коэффициент тяги
Безразмерным коэффициентом тяги СP называют отношение лобовой тяги к
скоростному напору набегающего воздуха q ρ V
,
2
где ρн – плотность невозмущенного потока. Если используется лобовая тяга по
"миделю" (1.55), коэффициент тяги равен
P
P
Cp F
ρнVп2
q
Fmid
2
или, если используется площадь входа,
2
н п
P
ρнVп2
Fвх
2
Коэффициент тяги двигателя можно непосредственно сравнивать с
коэффициентом сопротивления, а избыточная тяга, идущая на разгон или подъем
аппарата, определится разностью этих коэффициентов по формуле
C
p
CP Cx FmidρнVп2
P P X
2
При горизонтальном установившемся полете сила тяги равна силе
сопротивления, тогда СP = Сx.
6. Удельные параметры
экономичности
Лекция № 4
Удельный расход топлива в двигателе определяется отношением часового
массового расхода топлива к тяге, развиваемой двигателем
G
q
кг :
Суд 3600 т 3600 т
размерность
P
Pуд
Нч
qт
Gт
Gв
где
– отношение секундных расходов топлива и воздуха в двигателе.
Удельный расход топлива характеризует экономичность рабочего процесса
двигателя, так как показывает, сколько топлива затрачивает двигатель данного
типа на заданной скорости в единицу времени полета для создания тяги, равной
1 Н.
Параметром, аналогичным С, у двигателей непрямой реакции (ТВД) служит
удельный расход топлива на единицу эквивалентной мощности двигателя:
G
q кг
Сe т т ,
N e N eуд Вт с
или
qт кг
Сe 3600
,
N eуд Вт ч
7. Лекция № 4
Удельный импульс тяги
Удельный импульс тяги характеризуется величиной тяги двигателя,
которая образуется при сжигании 1 кг топлива в секунду, т. е. является
величиной, обратной удельному расходу топлива:
P Pуд 3600
J уд
Gт qт
Cуд
Размерность удельного импульса тяги совпадает с размерностью удельной
тяги, т. е [м/с]. Удельный импульс тяги, как и удельный расход топлива,
является характеристикой экономичности двигателей и обычно используется
для оценки воздушно-реактивных двигателей, устанавливаемых на ракетах (по
аналогии с соответствующим параметром у ЖРД и РДТТ).
8. Лекция № 4
Удельные показатели массы
Эти показатели оценивают весовое (массовое) и габаритное совершенство
авиационных двигателей.
Одним из основных параметров совершенства авиационного двигателя
прямой реакции является его удельный вес – безразмерный параметр, равный
отношению силы тяжести двигателя на уровне земли (g=9,81 м/с2) к его
максимальной (взлетной) тяге при стандартных атмосферных условиях:
G
gM дв g дв
Pmax
Pуд max
где - Мдв сухая масса конструкции двигателя по ГОСТ 17106-71,
M
- удельная масса конструкции двигателя, т. е. масса конструкции,
G
приходящаяся на 1 кг/с расхода воздуха через двигатель.
M
Применяется также параметр удельной массы двигателя: M P дв кг Н
max
менее удобный, в силу традиционности понятия удельного веса γG и
дв
дв
в
безразмерности этого параметра.
9. Лекция № 4
Удельные показатели массы
Весьма характерным показателем весового совершенства двигателя, часто
используемым в оценках двигателей, служит удельная весовая тяга двигателя:
P
1
PG max
,
gM дв G
являющаяся величиной, обратной удельному весу (1.62), и "образно"
показывающая, во сколько раз большую силу тяги "создает" каждая единица веса
двигателя.
Удельная масса турбовинтового двигателя подсчитывается как отношение его
сухой массы к максимальной эквивалентной мощности при взлете Nеmax в кг/кВт:
M дв
N
Nemax
.
10. Лекция № 4
Удельные показатели объема
Объем, занимаемый двигателем, особенно важен для самолетов-истребителей,
самолетов вертикального взлета и посадки, крылатых ракет, т. е. для ЛА с
большой тяговооруженностью или небольших размеров. Для характеристики
объема двигателя Vдв используют обратную величину – удельную объемную тягу:
P
V
Pmax H
Vдв м3
Объем двигателя (типа ТРДФ, ТРДДФ) весьма условно можно оценить,
представляя его в виде цилиндра, по формуле:
, где F и D – площадь и
V длина двигателя в калибрах.
диаметр характерного сечения двигателя;
– дв FDLдв
Lдв
Тогда
4 Pmax
P
V
Отсюда следует, что величина Lдв D 3 объемной тяги у геометрически и
удельной
газодинамически подобных двигателей (или близких по схеме и конструкции)
должна изменяться обратно пропорционально характерному размеру двигателя D,
так как при этих условиях
и
. Иначе, удельная объемная тяга
P D const
теоретически уменьшается Pmax const пропорционально корню квадратному из тяги
обратно
V
2
D
двигателя.
11. Лекция № 4
Связь КПД двигателя с удельными
показателями экономичности
Связь полного КПД с удельным расходом топлива и удельным импульсом
двигателя получим, используя выражения для удельного расхода топлива и
удельного импульса:
3600Vï J óäVï
î
Ñóä H u
Hu
Из этих выражений следует, что используемые обычно для характеристики
экономичности реактивного двигателя удельный расход и удельный импульс
топлива отвечают своему назначению только при сравнении двигателей при
одинаковой скорости полета, так как действительная эффективность двигателя,
характеризуемая его полным КПД, зависит не только от этих параметров, но и от
скорости полета:
Vï
î
J óäVï
Ñóä
Теоретическая дальность полета самолета Lт определяется уравнением Брегэ
(Vп = const)
Lтеор 3600
K Vп
1
Pэф ln
q Суд
1 т
12. Лекция № 4
Качественное влияние КПД, удельных
параметров и Hu топлива на теоретическую
дальность полета самолета
Система удельных параметров двигателей в целом является надежным
средством оценки конструктивного совершенства двигателя.
13. Лекция № 4
Контрольные вопросы.
•
•
•
•
•
•
Дайте определение удельной тяги.
Дайте определение лобовой тяги.
Дайте определение коэффициента тяги.
Что характеризует удельный расход топлива?
Что отражает параметр удельного импульса тяги?
С помощью каких параметров оценивается весовое
(объемное) совершенство двигателя?
• Какое качественное влияние оказывает КПД, Hu и
удельные параметры на теоретическую дальность
полета?
