Битва за скорость

Так, при Тmax =1800К и Tmin =288K (что соответствует +15 град. Цельсия) кпд двигателя составит только 84 %. То есть 16 % располагаемой внутренней энергии в работу превратить не удается из-за остающегося непревращенным в работу хаотического движения молекул при Т=288К. Если же учесть все потери работы, превращающейся в тепло в процессе преобразования энергии, т. е. потери на трение газа о поверхность лопаток, недоиспользование тепла в пределах габаритов двигателя (выхлоп в атмосферу с повышенной температурой) и т. п., то уровень кпд реального газотурбинного двигателя составит 40 %. Это — если мы используем газотурбинный двигатель в качестве привода, например, электрогенератора. Если же газовая турбина применяется на самолете, то полученную в термодинамическом цикле преобразования тепла работу необходимо еще превратить в тяговую мощность.

Здесь мы тоже не можем осуществить процесс преобразования со 100 % кпд. Этот вид кпд носит название тягового, или полетного, и выражается в виде:

η = 2/(1+W/V)

где W — скорость истечения газов из сопла двигателя, а V — скорость полета самолета. Как видно из выражения полетного кпд, он может быть равен 1, или 100 %, при условии равенства скорости истечения и скорости полета. Но это невозможно, так как тяга двигателя по закону Ньютона равна разности выходного и входного импульса, т. е. пропорциональна секундной массе рабочего тела через двигатель, умноженной на приращение скорости рабочего тела в двигателе. Собственно, работа, полученная при преобразовании тепла в двигателе, как раз и идет на приращение скорости рабочего тела. Таким образом, стремясь к максимальному полетному кпд (т. е. W(V), мы должны компенсировать уменьшение тяги двигателя (из-за уменьшения прироста скорости) увеличением секундной массы рабочего тела. В реальном двигателе — это увеличение размеров (диаметра компрессора, а следовательно, и двигателя).

(F=ma, или F=m ΔV/Δ)

Двигаясь по шкале значений W/V в сторону уменьшения, начиная с некоторого значения, меньшего W/V, которое мы назовем оптимальным, прирост полетного кпд не компенсирует роста внешнего сопротивления мотогондолы за счет трения из-за увеличения поверхности обтекания. Таким образом, существует оптимальное значение W/V, не равное 1, и, следовательно, полетный кпд реального (с учетом внешнего сопротивления) тоже не равен 100 %. В зависимости от режима обтекания мотогондолы (ламинарный или турбулентный) оптимальное значение W/V составляет 1,5–2,0. Таким образом, реальный полетный кпд турбореактивного двигателя составляет 0,67-0,8. Соответственно полный кпд турбореактивного двигателя (степень преобразования тепла в тяговую мощность), равный произведению этих двух (термического и полетного) кпд, составляет около 30 %.

Из этих простых соотношений следуют два важных вывода.

Во-первых, полетный кпд двигателя можно повысить, если убрать мотогондолу и тем самым уменьшить внешнее сопротивление. Это можно сделать, заменив способ генерации прироста скорости рабочего тела — вместо преобразования работы в скорость истечения на сопле поставить турбину с передачей мощности на винт. Очевидно, что на дозвуковых скоростях, где отсутствует волновое сопротивление, внешнее сопротивление винта будет существенно меньше в сравнении с мотогондолой просто из-за меньшей площади обтекаемой поверхности. Понятно, что уменьшение прироста скорости рабочего тела на винте, дающее увеличение полетного кпд, придется компенсировать увеличением размера винта (в сравнении с мотогондолой), что мы и наблюдаем в действительности. Но и в этом случае мы имеем некоторое оптимальное значение прироста скорости и соответственно полетного кпд. Только на этот раз ограничение настает при движении в сторону уменьшения по шкале W/V по весовым характеристикам: начиная с некоторого значения W/V прирост массы (веса) винтовой группы вместе с редуктором, шумоглушением и поддерживающим самолетным пилоном начинает перевешивать выигрыш в топливной экономичности за счет увеличения полетного кпд. То есть и в случае турбовинтового двигателя мы тоже не можем достичь полетного кпд 100 %.

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.