ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДВУХФАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ

Аннотация. В современном мире газотурбинные двигатели получили широкое распространение в сфере транспорта. Но, учитывая особенности ГТД, существует потребность улучшения полетных характеристик. В работе было предложено применение воды наряду с окружающим воздухом в качестве рабочего тела для использования подобной схемы на судах, что обеспечивает увеличение полетного КПД более чем в 7 раз. Расчет ведется на примере двигателя ТА-6, тяга которого получается от рабочего тела с использованием воздуха, направленного в кабину, и тяга, создаваемая двухфазной струей, если в воздух осуществляется впрыск воды.

Ключевые слова: ГТД, авиация, двухфазный поток, тяга, впрыск воды.

Введение

Газотурбинный двигатель является наиболее легким по удельной массе, однако он слабо применяется на судах в силу низкого полетного КПД. Если использовать окружающую воду наряду с воздухом в качестве рабочего тела, то можно сделать такой двигать конкурентноспособным по сравнению с другими двигателями, если его использовать для движения судов.

Расчёт двигателя ГТДДв

Схема такого двигателя, который будем называть ГТДДв, т.е. двухфазным ГТД, в общем виде показана на рис.1.

Рисунок 1. Схема ГТДДв

К турбине (г) дополнительно присоединяется водяной насос (д), который подает воду в сопло (е), образуя двухфазную струю. Такая схема использовалась для получения двухфазной дальнобойной струи [4]. Применим полученную струю для двигателя с двухфазным рабочим телом, и сравним тягу, создаваемую воздухом, направляемым в кабину самолета с тягой, создаваемой двухфазной струей.

В данной работе в качестве ГТД рассматривался двигатель ТА6.

который снабжает воздухом кабину с пассажирами. Параметры воздуха G_г = 1.35кг/с при давлении Р = 4 атм.

Используя этот воздух и мощность ТА-6, насосом подается в сопло вода с расходом G_в = 60кг/с. Полученный двухфазный поток разгоняется в сопле до скорости 80 м/с [1,4,5,6,7]. График, полученной на выходе из сопла двухфазной струи показан на рис.2. Здесь u_m – скорость газа, u_fm – скорость капель.

Рисунок 2. Скорости фаз струи в зависимости от дистанции в метрах

Для сравнения рассмотрим получение тяги от рабочего тела, создаваемого двигателем ТА-6 с использование воздуха, направляемого в кабину, и тягой, создаваемой двухфазной струей, если в воздух впрыснуть воду.

Рассмотрим получение тяги с двигателем типа ТА-6 и его параметрами. Тяга создается за счет воздуха, отбираемого от компрессора , при давлении , , тогда

- критическая скорость звука:

,

- газодинамическая функция π(λ):

,

- скорость истечения:

,

- скорость истечения с учетом коэффициента скорости φ = 0,98:

,

- тяга двигателя при скорости движении :

.

Сопло с двухфазным рабочим с такими же параметрами воздуха и расходом жидкости (с учетом насоса) обеспечивает скорость w_с = 82 м/с, при экспериментальном значении коэффициента скорости φ=0,75, то есть

- скорость истечения с учетом коэффициента скорости φ=0,75:

,

- тяга:

.

Было выявлено, что тяга увеличивается в 2,25 раза, что является самым маленьким значением для конкретного двигателя.

Выигрыш можно объяснить, также используя понятие полетного КПД, формула которого в наших обозначениях и пренебрежение массой газа имеет вид:

где    w_c – скорость истечения рабочего тела из сопла.

Для ТА-6 величина полетного КПД будет:

.

Для двигателя с впрыском воды полетный КПД будет:

=0,656.

Таким образом, полетный КПД вырос более чем в 7 раз.

Заключение

По итогам проведенного исследования следует заметить, что не учтены некоторые дополнительные затраты энергии связанные с потерями давления воды на входе в систему, которые потребуют дополнительной мощности, и приведут к снижению тяги за счет снижения скорости двухфазного рабочего тела (и увеличения полетного КПД). С другой стороны, если впрыснуть топливо в воздух, тяга воздушного сопла увеличится за счет увеличения скорости (увеличение полетного КПД). Точные результаты расчета каждой схемы могут уточнить эти результаты. В целом сделанная оценка говорит о возможности эффективного использования газотурбинных двигателей на судах для создания тяги.