Цель работы: формирование газодинамического облика двигателя нового поколения.
Предложена концепция развития сверхзвуковых турбореактивных двигателей – турбореактивный двигатель с форсированной турбиной (ТРДФТ). Суть концепции заключается в том, что устраняется дефицит мощности турбины на сверхзвуковых скоростях полета – до трех чисел Маха и более. Это достигается путем реализации в турбореактивном двигателе закона постоянства приведенной частоты вращения ротора, независимо от условий полета. Закон постоянства приведенной частоты вращения обеспечивает сохранение максимального приведенного расхода воздуха, что фактически означает увеличение на сверхзвуковых скоростях полета абсолютного расхода воздуха на 30…40% по отношению к существующим ТРД. Это стало возможным благодаря применению в турбореактивном двигателе форсированной турбины. Форсированная турбина – это переразмеренная турбина, позволяющая при тех же температурах газа перед турбиной поддерживать баланс мощностей в турбокомпрессоре до более высоких скоростей полета. Проведенные исследования показывают, что диапазон применения ТРДФТв два раза больше, чем у ТРДДФ, притом, что удельные расходы топлива (на дозвуковых скоростях) сопоставимы.Полученные результаты позволяют рассматривать предложенную концепцию как альтернативный путь развития сверхзвуковых турбореактивных двигателей.
Проблема дефицита мощности турбины сверхзвуковых турбореактивных двигателей заключается в том, что двигатели рассчитываются на температуру газа перед турбиной в условиях взлета – 1600 К и более, а должны рассчитываться на температуру менее 900 К. В этом случае появляется эффект холодного форсирования: тяга двигателя формируется за счет расхода воздуха, а не за счет скорости истечения газа. Перепад давлений в турбине – максимально возможный, что в условиях сверхзвуковых скоростей позволяет при тех же температурах газа перед турбиной, включая предельную, иметь значительно более высокую удельную мощность турбины.
Физическая сущность холодного форсирования, как метода построения турбореактивных двигателей, заключается в том, что тяга двигателя формируется за счет расхода воздуха при минимально возможной в условиях взлета температуре газа перед турбиной (менее 900 К).
Ведущие авиадигателестроительные компании, такие как Rolls-Royce, GeneralElectricCompany, UnitedTechnologiesCorporation, SNECMAGroupпроводят техническую политику по созданию двигателей шестого поколения (программы VAATE, IHPET, UEET, VITAL, NGAPи др.). На эти цели ежегодно тратятся десятки миллиардов долларов, однако, результат вполне предсказуем – косметические изменения: нужно очень постараться, чтобы найти отличия между двигателями четвертого, пятого, а теперь уже и шестого поколений. Объективная реальность такова, что форсированные двухконтурные (одноконтурные) турбореактивные двигатели не способны решить проблему вырождения двигателя на скоростях М > 2, что делает это направление в развитии сверхзвуковой авиации тупиковым. Альтернативный путь здесь, по мнению автора, турбореактивные двигатели с форсированной турбиной.
Новыми качествами ТРДФТ являются:
устойчивость работы компрессора в диапазоне скоростей полета до трех чисел Маха и более [1…3];
устойчивость работы камеры сгорания в диапазоне коэффициентов избытка воздуха: 1,0 < акс< 10 [4];
температура газа перед турбиной более 2200 К [5];
топливная эффективность (общий к.п.д. более 40%);
повышенный ресурс за счет использования режима холодной турбины;
вес (одновальный ТРД с низконапорным компрессором);
шум (дозвуковая скорость истечения в условиях взлета-посадки).
Новые качества ТРДФТ – это прямое следствие устранения системного недостатка ТРД (уменьшение приведенного расхода воздуха при росте скорости полета), а также – новых технических решений [4…6]. Открываются новые возможности [7…11].
Заключение
Объективная реальность такова, что форсированные двухконтурные (одноконтурные) турбореактивные двигатели – фактически тупиковое направление в развитии сверхзвуковой авиации. Двигатели имеют системный недостаток: на скоростях полета более двух чисел Маха снижается приведенный расход воздуха, что ведет к их вырождению (скорости полета не превышают трех чисел Маха). Альтернативой форсированным турбореактивным двигателям является турбореактивный двигатель с форсированной турбиной (ТРДФТ) [2]. В этом двигателе реализован закон постоянства приведенная частота вращения ротора. Закон обеспечивает сохранение приведенного расхода воздуха до скоростей полета М = 3 и более. Скорость полета ТРДФТпрактически в два раза больше, чем у ТРДДФ, притом, что удельные расходы топлива (на дозвуковых скоростях) сопоставимы.
Необходимо, по мнению автора, на базе ЦИАМ или другой организации создать проектно-конструкторское подразделение, и приступить к разработке аванпроекта нового двигателя.
Технический эффект: освоение всего диапазона сверхзвуковых скоростей полета (М=0…5).
Экономический эффект: десятки (сотни) миллиардов долларов ежегодно.
Источники информации
