книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdfЛ, |
коэффициент полноты сгорания |
|
запас устойчивости компрессора |
/77 |
- степень двухконтурности ТРДД |
л- |
- коэффициент распределения энергии между конту |
|
рами ТРДД |
Л^в(г) |
- массовый расход воздуха (газа), кг/с |
F |
- площадь проходного сечения, м2 |
Р |
- плотность, кг/м3 |
<7 |
- скоростной напор, Н/м |
а- коэффициент избытка воздуха в камере сгорания
ц- количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива
к- показатель адиабаты
с’р |
- средняя удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) |
ш |
- численный коэффициент в уравнении расхода, |
|
(кг-К/Дж)0-5 |
|
тв = 0,0405 (для воздуха); тг = 0,0397 (для газа) |
а- коэффициент восстановления полного давления
Срс |
- коэффициент скорости реактивного сопла |
К |
- коэффициент, учитывающий потери сопла из-за |
|
нерасчетности режима его работы |
Rc |
~ коэффициент тяги сопла |
Ф(1Ч |
- коэффициент расхода воздухозаборника |
X |
- внешнее сопротивление, Н |
схп|( |
- коэффициент внешнего сопротивления воздухоза |
|
борника |
Ни |
- низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг |
ВВЕДЕНИЕ
Предметом изучения дисциплины «Теория, расчет и проек тирование авиационных двигателей и энергетических устано вок» являются:
-принципы работы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов и схем;
-отдельные узлы ВРД и их характеристики;
-законы регулирования и характеристики ВРД;
-экспериментальное и математическое моделирование процессов в ВРД.
Задачи изучения:
-изучить принципы работы ВРД, теорию по их расчету
ипроектированию;
-получить представление о термодинамических основах работы ВРД и газодинамических процессах в узлах ВРД;
-научиться проводить газодинамический расчет ТРД, ТРДД, ТВД, ТВаД, и строить их высотно-скоростные и дрос сельные характеристики;
- овладеть методами и приемами экспериментального
ичисленного газодинамического анализа отдельных узлов ВРД;
-получить навыки работы с экспериментальным оборудо ванием и ВТ при анализе работы ВРД.
Историческая справка
В настоящее время наибольшее распространение в качестве авиационных двигателей и приводных двигателей для мощных газоперекачивающих станций и автономных электростанций получили газотурбинные двигатели (ГТД).
Теоретические основы реактивного движения заложил Ни колай Егорович Жуковский. В своих работах он первым разра ботал основные принципы реактивного движения и метод рас чета гяги и КПД водометных судовых двигателей.
Основоположником современной теории воздушно-реак тивных двигателей является племянник Н.Е. Жуковского акаде мик Борис Сергеевич Стечкин, который еще в 1929 году в рабо
те «Теория воздушного реактивного двигателя» изложил основы теории турбовинтового двигателя (ТВД).
В1932 году профессор В.В. Уваров начал работу над ТВД.
В1935 году Архип Михайлович Люлька разработал ГТД прямой реакции (ТРД), а через два года предложил схему ТРДД.
Большой вклад в практическое создание современных авиадвигателей (АД) внесли коллективы КБ под руководством В.Я. Климова, А.А. Микулина, С.К. Туманского, А.М. Люлька, Н.Д. Кузнецова, В.А. Добрынина, А.Г. Ивченко, С.П. Изотова, П.А. Соловьева, А.А. Иноземцева и др.
Кризис поршневых силовых установок для летательных аппаратов (ЛА)
Послевоенное бурное развитие авиации требовало увели чения скоростей полета. Применяемые в то время винтовые си ловые установки (СУ) на основе поршневых двигателей (ПД), при скоростях, превышающих 650 км/ч, теряли свою эффектив ность. Это объясняется тем, что при вращении воздушный винт (ВВ) отбрасывает массу воздуха назад со скоростью большей, чем скорость полета V, сообщая этой массе ускорение. Возни кающая в соответствии с вторым законом Ньютона сила реакции /?пд воспринимается лопастями ВВ и через вал двигателя
иего крепления передается ЛА, разгоняя его. Таким образом,
ВВсообщает ЛА полезную мощность, определяемую как произ
ведение ЛПДУ
Эффективная мощность JVe , сообщаемая ВВ поршневым
двигателем, должна быть больше полезной мощности ВВ из-за потерь в винтомоторной группе (ВМГ), то есть
== > и * „ д
Сувеличением скорости полета Т V выше 650 км/ч отно сительная скорость воздушного потока на периферии лопастей
ВВвозрастает до сверхзвуковых скоростей, при этом резко па
дает КПД ВВ ( i i r ) D). Вследствие этого сила тяги ВВ /?пд бы
стро снижается (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость силы тяги двигателя от скорости полета ЛА
Одновременно, с увеличением скорости полета растет сила аэродинамического сопротивления набегающего потока воздуха ( Т X ). на преодоление которой затрачивается тяга двигате ля /?„0Тр
Минимальная потребная тяга для полета ЛА со скоро стью V
где сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; FM - максимальная площадь поперечного сечения ЛА (сечение миде ля); р - плотность воздуха.
У воздушно-реактивного двигателя сила тяги /?ВРД падает
с ростом скорости полета менее значительно, чем у поршневой СУ, а у ракетного двигателя сила тяги /?рд практически не зави
сит от скорости полета.
При одной и той же аэродинамической схеме ЛА к отр(к)]
максимальная возможная скорость полета для ЛА с ВРД будет выше, чем для ЛА с поршневой СУ (см. рис. 1).
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)
1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ
ТРД является двигателем прямой реакции, то есть он соче тает в себе тепловую машину и движитель. Это обуславливает следующие преимущества ТРД перед поршневой СУ:
-менее значительная сила тяги с ростом скорости полета;
-меньшие габариты и вес при одинаковой развиваемой мощности;
-отсутствие необходимости в специальном движителе (ВВ);
-возможность отбрасывать (пропускать через себя) боль шие массы воздуха при небольших габаритах;
-процесс горения непрерывный, что снимает ударные на грузки на элементы двигателя;
-отсутствие кривошипно-шатунного механизма (КШМ), что позволяет снизить механические потери;
-возможность точной балансировки ротора, позволяющая получать высокие частоты вращения ротора (/г), следовательно
-большую тягу /?.
1.2. Принцип создания тяги ТРД
Принцип создания тяги ТРД основан на изменении количе ства движения рабочего тела, проходящего по тракту двигателя. На входе в двигатель (сечение 0-0) (рис. 1.1) количество движе ния рабочего тела - M QV , на выходе (сечение с-с) - М гсс, где
М а и М у - секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0-0) и выходное (с-с) сечения ВРД соответственно.
( 1.1)
где М 7 - секундный массовый расход топлива; М 0отб - масса
воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двиг ателя и другие цели.
Так как М у ~ М в, а сс > V , то М гсс > M aV |
тогда тяга ВРД |
R = M rcz - M BV = M B(cc - V) . |
( 1.2) |
При увеличении V до V = сс , величина тяги ТРД равна ну
лю ( R = 0), и дальнейшее увеличение скорости полета стано вится невозможным.
1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД
Состав ТРД:
-воздухозаборник (ВЗ);
-осевой компрессор (ОК);
-камера сгорания (КС);
-газовая турбина (ГТ);
-реактивное сопло (PC).
н |
0 |
вх |
к |
г |
т |
с |
i |
l |
l |
I |
I |
I |
1 |
Рис. 1.1. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД
В сечении н-н - невозмущенный воздушный поток (см. рис. 1.1).
Между сечениями н-вх - предварительное сжатие (тормо жение), выравнивание и стабилизация воздушного потока в рас ширяющемся канале ВЗ;
PNRPUмежду сечениями вх-к - основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;
между сечениями к-г - подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (керосин, топливный газ);
между сечениями г-т - расширение газа в ГТ и превраще ние части энтальпии в крутящий момент М на валу турбины,
передаваемый на вращение компрессора и привод дополнитель ных агрегатов;
между сечениями т-с - расширение газа в сопловом канале PC и превращение части энтальпии в кинетическую энергию ис текающей струи газа (создание реактивной тяги R ).
До сечения н-н (см. рис. 1.1) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н-н до сечения вх-вх поток воздуха тормозится в диффузоре ВЗ, то есть скорость потока с умень шается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия
с2/ 2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохра нения энергии, уменьшение кинетической энергии с2/ 2 приво дит к возрастанию энтальпии i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры рабочего тела (воздуха).
От сечения вх-вх до сечения к-к к потоку воздуха подво дится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воз душный поток сжимается, следовательно, возрастает его давле ние и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно.
Так как расход воздуха М а = const, а объем рабочего тела уменьшается за счет увеличения его плотности ( ТТ р ) при сжа тии, необходимо уменьшать площадь проходного сечения трак та ТРД ( si F ) для исключения значительного снижения скоро сти потока ( Мп-ТТ р- ф с- >1F - const).
От сечения к-к до сечения г-г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота QKC за счет сжигания в КС топливно воздушной смеси (ТВС), состоящего из смеси воздуха и кероси на (топливного газа).
Рабочий процесс в КС организован таким образом, что ста тическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает ( Т Т Т ), следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне теплоты.
От сечения г-г до сечения т-т рабочее тело (сжатый и на гретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) рас ширяется в ГТ. Часть энтальпии превращается в крутящий мо мент Мкр на валу ГТ, который необходим для привода ОК (бла
годаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0 ).
Так как ОК сжимает холодный воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то работа, совершаемая газом в ступени ГТ, значи тельно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одноступенчатой ГТ вращать четырех- и пятиступен чатый компрессор.
От сечения т-т до сечения с-с происходит расширение ра бочего тела в PC. Так как PC - энергоизолированная система (нет подвода и отвода энергии), то при расширении газ совер шает механическую работу по разгону потока за счет уменьше ния энтальпии, то есть полная энергия рабочего тела не изменя ется, а часть энтальпии превращается в кинетическую энергию
Eam( i p \ i n ТТс).
1.4.Основные параметры ТРД
-тяга R = (М гсс - М .V) + Fc(рс - ри);
-удельная тяга (тяга, создаваемая одним килограммом газа
всекунду) R = R /M ,= (ce - V ) + - ^ -{ p c - p u).
На расчетном режиме ( рс = рп): Rya =cc - V
При V =0 - Rya=cc.
С помощью /?уа оценивают эффективность ТРД как тепло
вой машины; - удельный расход топлива (количество топлива, расходуе
мого в ТРД для создания единицы тяги в течение часа)
ся = M .JR
Спомощью cR оценивают экономичность ТРД;
-удельная масса двигагеля («сухая» масса двигателя, при
ходящаяся на единицу создаваемой им тяги) тпв = М ли / R
С помощью тпиоценивают конструктивное совершенст
во ГРД;
- тяговооруженность ТРД р до = 1/ таъ = R / М м ;
-удельная лобовая тяга RF = R /F aa, где Fm - сечение
миделя.
/?/.- характеризует поперечные размеры двигателя и, следо
вательно, величину |
внешнего сопротивления его мотогондолы, |
а при размещении |
внутри фюзеляжа - внешнее сопротивле |
ние ЛА; |
|
-удельный объем двигателя (характеризует совершенство объемной компоновки двигателя) Длп =VaB/ R ;
-удельная объемная тяга Rv = 1 / 0.ш= R /V w
Rv и |
i31B особенно важно учитывать при проектировании |
|
подъемных |
двигателей в самолетах с вертикальным взлетом |
|
и посадкой. |
|
|
Для современных ТРД: |
||
Rya = 0,5...0,8 |
[кН -с/кг], |
|
с„ =0,07...0,1 |
[к г/Н ч ], |
|
(У.1В) = |
• Д 04 [ 1<г/н ], |
R,.. 80... 100 [кН/м'].
1.5. Вывод формулы тяги
Тяга РД - это результирующая газодинамических сил, дей ствующих на внутренние поверхности двигателя R2 во время
его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей сре ды на внешние поверхности двигателя /?сг.
Принятые допущения:
-движение рабочего тела внутри двигателя установившееся;
-массовые силы отсутствуют;
-газ невязкий;
-течение газа - осевое;
-силы внешнего аэродинамического сопротивления не учи тываются.
Всоответствии с определением
/? = /?л + Яст. |
(1.3) |
А. Статическая составляющая тяги
Яст= ( /> с- А, К - |
(1-4) |
Рис. 1.2. Распределение внешних сил
Из рис. 1.2. видно, что силы от давления р и, действующие
по внешним границам контура, взаимно уравновешивают друг друга, за исключением среза сопла.
Сила, равная произведению разности давления на срезе со пла и давления окружающей среды ( рс - ру) на площадь среза сопла Fc будет действовать в направлении полета если рс > р и
В случае расчетного режима работы сопла ( рс = р и) стати ческая составляющая тяги будет равна нулю.