ТРД-300

Тяга 300 Н · Ø132 × 340 мм · 98 000 об/мин · одновальный, одноступенчатый центробежный компрессор, кольцевая испарительная камера, одноступенчатая осевая турбина

Раздел 0Что здесь есть

Расчёт воспроизводим целиком: он выполняется скриптами, и все размеры технического задания на CAD генерируются из его результатов, поэтому геометрия и газодинамика не могут разойтись.

Раздел 1Исходные данные

Паспортные данные двигателя этого класса, принятые как исходные:

Задача поставлена как обратная: паспортные числа — вход, вся термогазодинамика и геометрия — выход. Так поступают, когда нужно воспроизвести двигатель, а не скопировать его чертежи.

Раздел 2Замыкание задачи

Свободных величин две — расход воздуха и КПД турбины. Замыкающих условий тоже два:

1. Тяга = 300 Н — самое надёжное паспортное число, меряется на стенде напрямую.
2. D1t/D2 = 0.70 — отношение диаметра индуктора к диаметру колеса, обычная практика центробежных ступеней (0.60…0.72). Само D2 = 92.0 мм задано габаритом: лопаточный диффузор при r4/r2 = 1.35 даёт Ø124.2 мм, а внутренний диаметр корпуса Ø129 мм.

Расход топлива 820 г/мин входит как заданный вход в уравнение энергии камеры. КПД турбины при этом не назначается, а получается: паспорт сам говорит, какой КПД должен быть у турбины, чтобы 820 г/мин давали ровно 300 Н.

Ответ: η*т = 0.695. Это низко по меркам большой авиации и совершенно нормально для колеса Ø89 мм с радиальным зазором 0.3 мм (2 % высоты пера), числом Рейнольдса ~10⁵ и толстыми выходными кромками литья.

Раздел 3Рабочее тело

Никакой «cp = 1005, γ = 1.4». Теплоёмкость считается по составу смеси из молярных теплоёмкостей N₂, O₂, CO₂, H₂O, Ar; продукты сгорания — из стехиометрии C₁₂H₂₃. Изоэнтропа берётся через энтропийную функцию φ(T) = ∫cp/T dT, а не по степенной формуле:

φ(T₂) − φ(T₁) = R · ln(P₂/P₁)

Контроль модели: cp воздуха при 300 K = 1004 Дж/(кг·К) (таблично 1005), при 1000 K = 1141 (таблично 1141), стехиометрический FAR = 0.0682 (справочно 0.068). При T*4 ≈ 1320 K ошибка от постоянной cp составила бы 6-8 % по работе турбины — это прямо промах мимо согласования компрессора с турбиной.

Раздел 4Расчётная точка

H = 0, МСА (288.15 K, 101.325 кПа), M = 0, n = 98000 об/мин

Параметры по сечениям

Раздел 5Разбор паспортного предела EGT 700 °C

Паспортный предел EGT разбирается отдельно: расчёт показывает, к чему он относится — к температуре расчётного режима или к уставке ограничителя.

5.1 Что даёт расчёт

Полная температура за турбиной T5 = 1190 K = 917 °C*. Термопара в реактивной трубе показывает не её:

То есть даже с правильным учётом восстановления и излучения показание будет около 865 °C, а не 700.

5.2 Почему 700 °C невозможны в этом габарите

Чтобы термопара показала 700 °C при тех же 820 г/мин, нужно больше воздуха — он разбавляет продукты сгорания:

Диффузор Ø137 мм физически не помещается в корпус Ø132 мм. Паспортные 300 Н, 820 г/мин и EGT ≤ 700 °C одновременно недостижимы.

5.3 Разрешение

Косвенное подтверждение приходит с неожиданной стороны — из паспортного межремонтного интервала. При T4 = 1324 K расчётный ресурс рабочей лопатки по ползучести составляет 10 ч (раздел 11). Паспорт требует ТО через 25 ч*. Если бы двигатель действительно работал с EGT 700 °C, лопатка жила бы десятки тысяч часов и никакого ТО через 25 часов не требовалось бы.

Вывод: «EGT ≤ 700 °C» — уставка ограничителя ЭСУ, а не температура газа на взлётном режиме. Двигатель выходит на 300 Н кратковременно; продолжительная работа идёт на пониженном режиме, где EGT действительно укладывается в предел (по дроссельной характеристике — примерно до 80 тыс. об/мин).

Раздел 6Компрессор

Одноступенчатый центробежный, полуоткрытое колесо с загибом лопаток назад на 30°, 7 основных лопаток и 7 сплиттеров, безлопаточный зазор, лопаточный радиальный диффузор, спрямляющий аппарат.

Индуктор подобран по минимуму относительной скорости на периферии — классическая задача: слишком маленький глаз даёт большую осевую скорость, слишком большой — большую окружную. Минимум достаточно пологий, поэтому окончательный размер принят по конструктивному условию D1t/D2 = 0.70, что даёт M отн = 1.120.

Карта синтезирована из того же уравнения Эйлера: наклон напорных веток даёт именно загиб лопаток назад, а КПД — параболический закон по коэффициенту расхода. Линия рабочих режимов проходит правее максимумов веток, то есть на устойчивой ветви, с запасом по помпажу.

Раздел 7Камера сгорания

Кольцевая испарительного типа, 6 испарительных трубок-«тростей». Испарительная схема выбрана не случайно: при расходе 820 г/мин на 6 форсунок распыл центробежными форсунками потребовал бы давления топлива около 20 бар, а испарительная трубка обходится 3-5 барами и не забивается.

Раздача воздуха и калибровка всех отверстий (диаметр каждого ряда получен из требуемого расхода через ряд, коэффициента расхода 0.60 и перепада на жаровой трубе) — в ТЗ на узел 2. Проверка: суммарная площадь отверстий согласована с расходом, а не назначена.

Раздел 8Турбина

Одноступенчатая осевая, 19 сопловых и 23 рабочих лопаток (оба числа простые и взаимно простые — отстройка от кратных резонансов).

Втулочное отношение 0.68 выбрано не «по традиции»: при 0.58 закрутка по закону свободного вихря давала у втулки отрицательную реактивность (−0.46) — поток в рабочем колесе тормозился бы у корня, со срывом. Подъём втулочного отношения до 0.68 вывел реактивность у втулки в плюс (0.139) и заодно снял сверхзвук на выходе из СА у корня.

Точка (φ = 1.05, ψ = 1.13) лежит в приличной области диаграммы Смита, где идеальная ступень дала бы ~0.90. Реальные 0.695 — это цена радиального зазора 2 % высоты пера, малого числа Рейнольдса и толстых литых кромок.

Раздел 9Сопло

Суживающееся, нерегулируемое.

Площадь среза — самый чувствительный размер всего двигателя: она задаёт согласование турбины с компрессором. Отклонение ±1 % по площади уводит рабочую точку заметно сильнее, чем любой другой допуск в конструкции, поэтому в ТЗ она вынесена как контрольный размер.

Раздел 10Нерасчётные режимы

Характерная деталь, которую видно только на полной характеристике: EGT имеет минимум в середине диапазона. На малых оборотах компрессор работает плохо, турбине нужен большой перепад температур, и EGT растёт; на больших — растёт температура перед турбиной. Минимум 626 °C приходится на 63 тыс. об/мин. Ровно так же ведут себя настоящие микро-ТРД, и именно поэтому по EGT нельзя судить о режиме без оборотов.

Тяга падает на 2.12 Н на каждый градус роста температуры наружного воздуха (≈0.71 % на градус), и на 63 % на высоте 5 км при неизменной частоте вращения.