Битва за скорость. Великая война авиамоторов - [57]
Во-вторых, стремление увеличить термический кпд за счет повышения температуры входит в коллизию со стремлением увеличить полетный кпд. В самом деле, увеличение термического кпд — это суть увеличение свободной работы на выходе из двигателя, которую мы можем превратить либо прямо в кинетическую энергию струи газа (скорость истечения), либо в полезную мощность на валу турбины. Правда, предварительно необходимо превратить эту свободную работу тоже в кинетическую энергию (скорость истечения) в сопловом аппарате, с последующим преобразованием скорости в мощность посредством ее разворота в лопатках турбины.
Но поскольку оптимальное отношение W/V определяется оптимальным значением полетного кпд, то увеличение термического кпд и, значит, скорости истечения приведет к отклонению от оптимального значения W/V, и чем больше, тем дальше. Что же делать? И вот здесь на сцену выходят двухконтурные (или турбовентиляторные) двигатели. Пока температура газа перед турбиной была низкой и соответственно низким был и термический кпд (меньше 30 % — английский двигатель Avon), проблемы согласования термического и полетного кпд не возникало. Примерно достигался желаемый оптимум. Однако с увеличением температуры газа перед турбиной эта проблема стала во весь рост. Решение было найдено в схеме двухконтурного двигателя с двумя концентрическими соплами: во внутреннем контуре двухконтурного двигателя оставляется только та часть работы, которая необходима для расширения газа до оптимальной (с точки зрения полетного кпд) скорости. Оказавшаяся излишней часть работы срабатывается на турбине, которая приводит компрессор (вентилятор), сжимающий дополнительную массу воздуха в наружном контуре. Этот воздух далее расширяется в наружном сопле тоже с оптимальной (такой же, как и во внутреннем контуре) скоростью. В зависимости от располагаемой излишней мощности внутреннего контура может быть выбрана оптимальной степень двухконтурности, т. е. отношение расхода через наружный контур к расходу воздуха через внутренний контур.
Так решается противоречие, или коллизия, между оптимальными значениями термического и полетного кпд. Очевидно, что чем выше температура газа перед турбиной, тем выше степень двухконтурности двигателя. Интересно, что первый в мире двухконтурный двигатель в «железе» сделали немцы (доктор Лейст), когда никакой технической необходимости в этом не было. Уровень температуры газа перед турбиной тогда был низкий.
За пятьдесят лет развития авиационных двигателей температура газа перед турбиной увеличилась от Т=900К до 1800К, т. е. почти на 200 градусов каждые десять лет. А степень двухконтурности двигателей дозвуковых самолетов увеличилась от 0 до более 10. Ниже в таблице представлены некоторые замечательные образцы двухконтурных двигателей, иллюстрирующие тенденцию увеличения степени двухконтурности для двигателей дозвуковых самолетов. А именно: первый двухконтурный двигатель в мире (DB. 109–007, Германия), первый серийный двухконтурный двигатель в мире («Конуэй», «Роллс-Ройс», Англия), самый массовый двухконтурный двигатель в мире (JT8D, «Пратт-Уитни», налет 600 млн часов), советский двухконтурный двигатель с оптимальной степенью двухконтурности для того уровня температуры газа (Д-30КУ, ОКБ Соловьева), трехвальный двигатель с «повышенной» степенью двухконтурности, первый в ряду таких двигателей (RB.211, «Роллс-Ройс»), двигатель со «сверхвысокой степенью двухконтурности и редукторным приводом винто-вентилятора (НК-93, ОКБ Кузнецова). Отдельно необходимо отметить самый большой двухконтурный двигатель в мире разработки фирмы «Дженерал Электрик» GE90 (1993 г.). Этот «сорокатонник» (по тяге) имеет вентилятор (22 лопатки) диаметром 3,124 м и степень двухконтурности, равную 8,5. Этот мотор — шедевр инженерной мысли устанавливается на двухдвигательный дальнемагистральный «Боинг-777», летающий через океаны. Хотя, надо отметить (по личному опыту автора этих строк), что В777, пришедший на замену четырехдвигательного В747, не смог превзойти этот лайнер по удобству пассажирского салона. На взгляд автора, В747 остался непревзойденным по удобству дальнемагистральным самолетом.
Вообще схема двухконтурного двигателя с точки зрения термодинамики является парадоксальной, или инновационной: ведь по всем правилам преобразования тепла в работу необходимо осуществить последовательно процессы сжатия рабочего тела (повышения давления), затем подвод тепла (горением или теплообменом) и, наконец, расширение (превращение в скорость, или кинетическую энергию). Только в этом случае за счет разницы температур в начале сжатия и расширения рабочего тела мы получаем прирост скорости, а следовательно, и механической работы. И первые проекты, и даже двигатели (НК-6, Д-20) выполнялись именно по этой схеме. Но на практике оказалось, что устойчивое горение организовать в «холодном» наружном контуре сложно, и от этого отказались в пользу общей (на оба контура) форсажной камеры для двигателей сверхзвуковых самолетов.
В нашем же случае двухконтурных двигателей для дозвуковых самолетов в наружном контуре происходит только сжатие (за счет подвода работы из внутреннего контура) и расширение. То есть с точки зрения термодинамики двигателя (преобразование тепла в работу) это — чистые потери. Выигрыш, точнее, зона оптимальности применения этой схемы, появляется только тогда, когда мы рассматриваем систему в целом вместе с движителем, т. е. преобразователем кинетической энергии двигателя в тяговую мощность с учетом внешнего сопротивления и массы силовой установки.
