Общий коэффициент давления - Overall pressure ratio

В авиационная техника, общий коэффициент давления, или же общая степень сжатия, - отношение давление застоя при измерении спереди и сзади компрессора газовая турбина двигатель. Условия коэффициент сжатия и степень давления используются взаимозаменяемо.^[1] Общая степень сжатия также означает общий коэффициент давления цикла который включает в себя всасывающий поршень.^[2]

История общих соотношений давлений

Ранние реактивные двигатели имели ограниченные отношения давления из-за неточностей конструкции компрессоров и различных ограничений по материалам. Например, Юнкерс Юмо 004 из Вторая Мировая Война имел общий перепад давлений 3,14: 1. Непосредственно после войны Snecma Atar немного улучшил это до 5,2: 1. Улучшение материалов, лопаток компрессора, и особенно внедрение многоступенчатых двигателей с несколькими различными скоростями вращения, привело к гораздо более высоким отношениям давления, обычным сегодня.

Современные гражданские двигатели обычно работают в диапазоне от 40 до 55: 1. Самый высокий уровень обслуживания - это General Electric GEnx -1B / 75 с OPR 58 в конце взбираться на крейсерскую высоту (Top of Climb) и 47 для взлететь в уровень моря.^[3]

Преимущества высокого общего давления

Вообще говоря, более высокий общий коэффициент давления подразумевает более высокий КПД, но двигатель обычно будет весить больше, поэтому существует компромисс: высокий общий коэффициент давления позволяет устанавливать на реактивном двигателе сопло с большим коэффициентом площади. Это означает, что большая часть тепловой энергии преобразуется в скорость струи, и повышается энергетическая эффективность. Это отражается в улучшениях двигателя. удельный расход топлива.

В Катализатор GE имеет OPR 16: 1 и тепловая эффективность составляет 40%, 32: 1 Пратт и Уитни GTF имеет тепловой КПД 50% и 58: 1 GEnx имеет тепловой КПД 58%.^[4]

Недостатки высоких общих коэффициентов давления

Одним из основных факторов, ограничивающих степень сжатия в современных конструкциях, является то, что воздух нагревается при сжатии. По мере того, как воздух проходит через ступени компрессора, он может достигать температур, которые создают риск разрушения материала лопаток компрессора. Это особенно верно для последней ступени компрессора, и температура на выходе этой ступени является обычным добродетель для конструкций двигателей.

Военные двигатели часто вынуждены работать в условиях, максимизирующих тепловую нагрузку. Например, General Dynamics F-111 Aardvark требовалось работать на скорости 1,1 Маха при уровень моря. Как побочный эффект этих широких условий эксплуатации и, как правило, более старых технологий в большинстве случаев, военные двигатели обычно имеют более низкие общие отношения давления. В Пратт и Уитни TF30 используемый на F-111, имел степень сжатия около 20: 1, в то время как более новые двигатели, такие как General Electric F110 и Пратт и Уитни F135 улучшили это примерно до 30: 1.

Еще одна проблема - вес. Более высокая степень сжатия подразумевает более тяжелый двигатель, что, в свою очередь, требует затрат топлива на транспортировку. Таким образом, для конкретной технологии строительства и набора планов полета может быть определена оптимальная общая степень сжатия.

Примеры

Двигатель	Общий коэффициент давления	Основные приложения
General Electric GE9X	60:1	777X
Роллс-Ройс Трент XWB	52:1	A350 XWB
General Electric GE90	42:1	777
General Electric CF6	30.5:1	747, 767, A300, MD-11, С-5
General Electric F110	30:1	F-14, F-15, F-16
Пратт и Уитни TF30	20:1	F-14, F-111
Роллс-Ройс / Snecma Olympus 593	15.5: 1/80: 1 Сверхзвуковой.^[5]	Конкорд

Отличия от других похожих терминов

Этот термин не следует путать с более знакомым термином коэффициент сжатия применительно к поршневые двигатели. Степень сжатия - это соотношение объемов. В случае Цикл Отто В поршневом двигателе максимальное расширение заряда ограничено механическим движением поршней (или ротора), поэтому сжатие можно измерить, просто сравнив объем цилиндра с поршнем в верхней и нижней части его движения. То же самое не относится к газовой турбине с открытым концом, где эксплуатационные и конструктивные соображения являются ограничивающими факторами. Тем не менее, эти два термина схожи в том, что они оба предлагают быстрый способ определения общей эффективности по сравнению с другими двигателями того же класса.

В широком смысле эквивалентная мера ракетный двигатель КПД - это давление в камере / давление на выходе, и это соотношение может превышать 2000 для Главный двигатель космического челнока.

Степень сжатия в зависимости от общей степени давления

Степень сжатия в зависимости от степени давления

Степень сжатия и общая степень давления взаимосвязаны следующим образом (то, что следует ниже, действительно только для статических давлений, а не общих отношений давлений, так как сжатие при замедлении потока без выполнения работы вообще не изменяет давление торможения, а в сверхзвуковом потоке с застоем ударных волн давление будет меньше 1 при степени сжатия> 1):

Коэффициент сжатия	2:1	3:1	5:1	10:1	15:1	20:1	25:1	35:1
Степень давления	2.64:1	4.66:1	9.52:1	25.12:1	44.31:1	66.29:1	90.60:1	145.11:1

Причина этой разницы в том, что степень сжатия определяется через уменьшение объема:

{ displaystyle { text {CR}} = { frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}

,

в то время как степень давления определяется как давление увеличивать:

{ displaystyle { text {PR}} = { frac {P_ {2}} {P_ {1}}}}

.

При расчете перепада давлений мы предполагаем, что адиабатическое сжатие (т.е. что к сжимаемому газу не поступает тепловая энергия, и что любое повышение температуры происходит исключительно из-за сжатия). Мы также предполагаем, что воздух - это идеальный газ. Используя эти два предположения, мы можем определить взаимосвязь между изменением объема и изменением давления следующим образом:

{ Displaystyle P_ {1} V_ {1} ^ { gamma} = P_ {2} V_ {2} ^ { gamma} Rightarrow { frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = слева ({ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} right) ^ { gamma}}

куда ${ displaystyle gamma}$ это соотношение удельных теплоемкостей (воздух: приблизительно 1,4). Значения в таблице выше получены по этой формуле. Обратите внимание, что в действительности соотношение удельных теплоемкостей изменяется с температурой и что будут происходить значительные отклонения от адиабатического поведения.