From Andrey Platonov
по книге Стечкина "Теория реактивных двигателей", Оборонгиз 1958
ФОРСИРОВАHИЕ ТРД ВПРЫСКИВАHИЕМ ЖИДКОСТИ
Форсировать ТРД можно впрыскиванием легко испаряющейся жидкости
перед входом в двигатель, в компрессор или в камеру сгорания. В ка-
честве такой жидкости может быть использована вода или водо-спиртовая
смесь. В эксплуатационном отношении следует отлать предпочтение водо-
спиртовой смеси, поскольку она не замерзает при низких температурах.
Жидкость впрыскивают при помощи форсунок, обеспечивающих хороший
ее распыл. Мелкие капли жидкости, попадающие в поток воздуха, нагрето-
го от сжатия, испаряются, в результате чего от воздуха отнимается теп-
ло, равное теплоте парообразования жидкости. Сжатие воздуха в таких
условиях сопровождается отводом тепла, а следовательно, повышением
температуры и повышением давления за компрессором. Увеличивается в
связи с этим и давление перед турбиной.
Если при форсировании ТРД впрыском воды число оборотов и темпера-
туру газа перед турбиной сохранять постоянными (из соображений проч-
ности), то степень расширения в турбине почти не изменится, а давление
за турбиной возрастет пропорционально увеличению давления перед турби-
ной. Это приведет к увеличению степени расширения в выходном сопле и к
росту скорости истечения и удельной тяги двигателя.
Увеличению скорости истечения, как показывают расчеты, способству-
ет в некоторой степени также и рост теплоемкости продуктов сгорания
вследствие увеличения в них количества паров воды, что приводит к до-
полнительному удельной тяги.
Расход газа через турбину увеличивается пропорционально повышению
давления перед турбиной. За счет одновременного увеличения расхода га-
за и удельной тяги повышается общая тяга двигателя.
Форсирование ТРД рассматриваемым образом требует не только значи-
тельного количества впрыскиваемой жидкости, но и некоторого увеличения
расхода топлива. Расход топлива повышается из-за возрастания общего
расхода воздуха через двигатель и увеличения количества тепла, сообща-
емого на 1 кг воздуха. Увеличение Q вызвано тем, что при постоянстве
температуры T*3 (* - надстрочный индекс, 3 - подстрочный; далее анало-
гично - АП) уменьшается температура T*2.
Hа фиг. 5.16 показано относительное изменение тяги и удельного
расхода топлива ТРД при работе на месте в зависимости от количества
испаряющейся воды. По оси абцисс отложено количество испаряющейся воды
в долях от расхода воздуха и топлива. (Увы, сам график набивать псев-
дографикой не буду - АП.)
Из этого графика видно, что указанный способ форсирования является
достаточно эффективным, но требует больших расходов жидкости. Так,
форсирование на 20% требует расхода воды, в полтора раза превосходяще-
го расход топлива в двигателе. В действительности расход жидкости бу-
дет еще бОльшим, так как по опытным данным часть жидкости из-за непро-
должительного времени пребывания в компрессоре не успевает испариться.
Рассмотрим форсирование ТРД впрыскиванием жидкости непосредственно
в камеру сгорания двигателя. Сущность этого метода форсирования заклю-
чается в следующем. Попадая в камеру сгорания, жидкость испаряется и
перемешивается с продуктами сгорания. Для того чтобы температура газа
перед турбиной оставалась такой же, как и при работе двигателя с мак-
симальным числом оборотов на нефорсированном режиме, одновременно с
впрыском жидкости должна увеличиваться подача топлива.
При испарении впрыснутой жидкости образуется большое количество
пара, который, проходя через турбину и выходное сопло, замещает собой
часть воздуха, подаваемого компрессором. Поскольку общий расход газа
лимитируется турбиной, расход воздуха через компрессор при неизменном
числе оборотов двигателя уменьшается, что приводит к возрастанию дав-
ления воздуха за компрессором и соответственно перед турбиной, тем бо-
лее интенсивному, чем круче протекает характеристика компрессора. Поэ-
тому рассматриваемый метод форсирования оказывается более эффективным
для ТРД с осевыми компрессорами, имеющими более крутые характеристики.
Следует иметь в виду, однако, что предельно допустимое уменьшение рас-
хода воздуха через компрессор и увеличение его степени повышения дав-
ления и здесь ограничивается началом неустойчивой работы компрессора.
Повышение давления перед турбиной приводит к увеличению степени
расширения в выходном сопле, скорости истечения и удельной тяги.
Общий расход газа через турбину и выходное сопло при впрыске жид-
кости в камеру сгорания возрастает (несмотря на уменьшение расхода
воздуха через компрессор) как за счет расхода впрыскиваемой жидкости,
так и за счет увеличившейся подачи топлива. Он увеличивается, как сле-
дует из уравнения расхода, прямо пропорционально повышению давления
перед турбиной.
Возрастание удельной тяги и расхода газа приводит к увеличению об-
щей тяги двигателя.
Эффективность рассмотренного способа форсирования дает обычно нес-
колько худшие резудьтаты по сравнению с впрыском жидкости в компрес-
сор. Hо в эксплуатации впрыск жидкости в камеры сгорания проще, так
как исключает опасность коррозии, обледенения, повреждения лопаток
компрессора и т.п.
Hеобходимо отметить, что, помимо увеличения расхода топлива, оба
рассмотренных способа форсирования ТРД требуют очень больших расходов
жидкости, что отрицательно сказывается на дальности и продолжительнос-
ти полета самолета.
Можно ожидать значительного повышения эффективности рассматривае-
мых способов форсирования ТРД с увеличением высоты и особенно числа М
полета. Увеличение высоты полета приводит к снижению расхода воздуха
через двигатель, а следовательно, уменьшает количество жидкости, тре-
буемое для охлаждения воздуха. Увеличение температуры воздуха в ком-
прессоре с ростом числа М полета способствует улучшению испарения
впрыскиваемой в двигатель жидкости. Hаконец, сам эффект от увеличения
скорости истечения возрастает с повышением чисел М полета.