книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdfПри больших значениях т зависимость сЛ(М) пройдет ниже в связи с ростом Г|П(Т тУ «Вырождение» ТРДД с боль шими значениями т наступит при меньших М полета, так как при увеличении т снижается сс .
12.6.2. Особенности дроссельных характеристик ТРДД
ДХ ТРДД аналогичны ДХ ТРД. При снижении п от
«.паДт’гтах) Д° П,К(С.эк) ПР0ИСходит улучшение экономично
сти (4 |
cR) в |
связи |
с тем, |
что |
max У |
современных |
ТРД |
вы |
|
ше Т1Ж. |
|
|
|
|
Однако |
значение |
Г*,к |
у ТРДД выше, чем у ТРД, при
чем тем выше, чем больше т.
Рис. 12.11. ДХ ТРДД
Это объясняется тем, что у ТРДД с ростом т влияние г|тпг на г)п
уменьшается из-за уменьшения сс, следовательно, Л п max R min )
достигается при больших значениях Г‘эк (рис. 12.11).
12.6.3. Особенности высотных характеристик ТРДД
ВХ ТРДД |
существенно не |
отличается |
от |
ВХ ТРД |
|
(рис. 12.12). |
|
|
|
|
|
При увеличении Н =^>Т п(. => |
Т сс |
Дул. Одновременно, |
|||
при увеличении |
Н =>>L рп=>>1 |
|
1 R =Т R |
• И |
М 0. |
У ТРДД темп роста /?уд с увеличением Н полета такой же,
как и у ТРД, а относительное снижение суммарного расхода воздуха Z M D менее интенсивное вследствие большего X
в ТРДД по сравнению с ТРД при одинаковой тяге /?вгл.
Поэтому снижение тяги R ТРДД с ростом Н происходит с меньшей интенсивностью, чем у ТРД (см. рис. 12.12).
Уменьшение cR у ТРДД будет происходить интенсивнее, чем у ТРД. Это объясняется тем, что при одинаковом расходе топлива М тна одной и той же Н - /?ТРДд > /?ТРД, следователь-
Н0’ CR ТРДД < CRT?JX •
Контрольные вопросы
I. Объяснить газодинамические преимущества ТРДД перед
ТРД.
2.Условия оптимального распределения эффективной ра боты между контурами в ТРДЦ и ТРДЦСМ.
3.Зависимости удельной тяги и удельного расхода топлива от степени двухконтурности ТРДЦ ш и коэффициента распре деления энергии х .
4.Особенности дроссельных характеристик ТРДЦ по срав нению с ТРД
5.Сделать сравнительный анализ скоростных характери стик ТРД и ТРДД при условии равенства параметров рабочего процесса и суммарного расхода воздуха через двигатель.
6.Проанализировать изменение протекания зависимости
/?(М) при увеличении степени двухконтурности ТРДД.
13.ТУРБОВАЛЬНЫЕ (ТВАД), ТУРБОВИНТОВЫЕ (ТВД)
ИВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГТД
13.1.Принцип действия ГВаД и ТВД
УТВаД, в отличии от ТРД, эффективная (полезная) работа цикла L, превращается в механическую работу (эффективную
мощность iVe) на валу свободной (силовой) турбины (СТ) и может быть использована для привода воздушного винта (ВВ) самолета, несущего винта (НВ) вертолета, наземных и водных транспортных средств, электрогенераторов, компрессоров и др.
У ТВД, являющихся разновидностью ТВаД, Le распреде
ляется между избыточной мощностью получаемой на валу ГТ турбокомпрессора и реактивной тягой. Причем доля реактивной тяги мала (до 10 % от суммарной тяги ТВД).
У ТВД избыточная мощность, получаемая на валу ГТ, ис пользуется для вращения воздушного винта (ВВ). Фактически, ТВД является гипертрофированным ТРДД, у которого КПД (вентилятор) за счет значительного увеличения т и устранения внешнего корпуса наружного контура трансформировался в ВВ, при этом на его привод расходуется (90... 100) % от Lt .
Экономичность ТВД, следовательно, выше, а максимально возможная скорость полета Vmax - ниже, чем у ТРДД и находит ся в зоне экономичной работы ВВ - (500.. .700) км/ч.
ТВД удачно сочетает в себе экономические преимущества создания тяги воздушным винтом при взлете и на малых скоро стях полета, достаточно простую систему регулирования ВВ путем изменения угла установки лопастей (шага винта) и низ кую удельную массу (высокую удельную мощность
Л^е / т дв) ГТД.
13.2. Схемы ТВД и ТВаД
ТВД и ГВаД но особенностям конструктивных схем под разделяются на:
I. Одновальные ТВД (рис. 13.1).
2.Двухвальные ТВД (см. рис. 13.1).
3.ТВД со свободной (силовой) турбиной (СТ) (рис. 13.2).
4.ТВаД со свободной (силовой) турбиной (рис. 13.3).
13.2.1.Преимущества и недостатки одновальных ТВД
Преимущества:
- простота конструкции; малый удельный вес.
Недостатки:
- влияние изменения нагрузки (шага) ВВ на работу турбо компрессора;
- большая потребная мощность стартера при запуске ТВД (необходимо раскручивать ротор с редуктором и ВВ);
- малый запас устойчивости компрессора ДКу на нерасчет
ных режимах.
При высоких значениях расчетных 7Г*р турбокомпрессор
ТВД может быть выполнен по двухвальной схеме.
13.2.2. Преимущества и недостатки ТВД и ТВаД со свободной турбиной
Преимущества:
- меньшие масса и габариты редуктора, так как СТ может быть рассчитана на / 7 С Т <птк (обычно пст ~0,6нтк );
-облегченный запуск и меньшая масса стартера;
-лучшая приемистость;
-слабое влияние изменения внешней нагрузки на валу СТ на работу турбокомпрессора.
Недостаток:
-более сложная конструкция.
13.2.3.Особенности конструкции ТВаД со свободной турбиной
Наиболее распространенная схема ТВаД - это схема со свободной (силовой) турбиной (см. рис. 13.3). Вал СТ не свя-
зан механически с валом турбокомпрессора и практически нс влияет на его работу при запуске ТВаД, и изменении нагруз ки на валу СТ.
При высоких значениях расчетных я*р турбокомпрессор
ТВаД может быть выполнен по двухвальной схеме.
В ТВаД, особенно вертолетных ГТД, необходимо значи тельно понижать частоту вращения вала двигателя для привода потребителей (ВВ, НВ), передавать большие мощности, поэтому понижающий редуктор имеет значительную массу и габариты, которые снижаются с применением СТ, вращающейся с часто той пст < птк.
Необходимость применения тяжелых редукторов является общим недостатком ТВД и ТВаД.
В ТВаД применяются дозвуковые сужающиеся ВЗ с боль шим радиусом закругления передних кромок. Для исключения попадания в двигатель посторонних предметов ВЗ защищают
спомощью сеток. Вертолетные ГТД от песка и пыли защищают
спомощью центробежных пылеотделителей.
Компрессоры мощных ТВаД не имеют существенных от личий то ОК ТРД. В маломощных ТВаД иногда используют комбинированные компрессоры, состоящие из нескольких осе вых и центробежной ступеней, или центробежные компрессо ры (ЦБК).
Применение на вспомога тельных ГТД комбинирован ных или центробежных ком прессоров, особенно в сочета нии с противоточной КС, позволяет значительно умень шить длину двигателя при со-
Рис. 13.4. ТВаД с радиальной КС хранении приемлемых эксплуатационных характеристик.
КС ТВаД существенно не отличаются от КС ТРД, хотя ино гда применяются противоточные или радиальные (рис. 13.4), как правило, кольцевые КС.
Это позволяет снизить скорости в КС и уменьшить их дли ну за счет увеличения диаметра КС.
ГТ ТВаД имеют большее число ступеней, чем у ТРД, так как основная работа расширения газа происходит в ГТ.
PC в ТВаД (за исключением ТВД) трансформировано в диффузорный выпускной патрубок, обычно повернутый в бо ковую сторону от оси двигателя.
13.3.Основные параметры ТВД
1.yVna,t = LMМ а - мощность на валу ТВД,
где |
- механическая |
работа I |
кг газа, передаваемая на вал |
ВВ до |
входа в редуктор; М в - |
расход воздуха через двига |
|
тель [кг/с]. |
|
|
|
2. |
Л/в = N B;mr|м |
винтовая |
мощность ТВД (мощность на |
выходном валу редуктора), |
|
||
где г|м |
КПД редуктора (г|м =0,97...0,98), учитывающий меха |
||
нические потери в трансмиссии. |
|
||
3. |
Л'тяг = NBr]B- тяговая мощность, |
||
где Т)ц |
- КПД ВВ (учитывает потери на трение, отбрасывание |
и закрутку потока воздуха).
NN Г)
4.R = —-Tic. = __й—1“- -тягаВ В .
в |
V |
V |
|
5. yv |
- N„ |
RdV |
|
— -— = L„М„ - эквивалентная мощность, |
|||
где R - |
реактивная тяга, развиваемая соплом; |
- мощ |
Лв ность, которую потребовалось бы развить на валу ВВ для полу чения тяги, равной реактивной тяге /?р .
N
6. N = —-— удельная эквивалентная мощность. уд м„
_ Л/т ч |
= 3600<20 |
- удельный расход топлива. |
7. с = |
П г ^ А |
|
N' |
|
8. S Rуд |
R2+RP - удельная тяга ТВД. |
М,
13.4.Оптимальное распределение L e между ВВ и PC
Работа цикла ТВД в общем случае расходуется на привод ВВ и разгон потока в PC.
Распределять Le между ВВ и PC необходимо так, чтобы
получить максимальную тяговую работу Ьтят Такое распреде
ление называют оптимальным. Для определения условия опти мального распределения Le запишем формулу тяговой работы:
|
LT„r - |
Lar\B+(сс - |
V/ )V' |
|
(13.1) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
= |
г У |
с - V 2) |
|
(13.2) |
|
|
к |
2 |
- р ы- |
|
|||
Подставим выражение 13.2 в 13.1 и получим: |
|
||||||
Г |
2 |
/ |
|
|
г г |
|
\ |
|
|
|
|
21 с |
< |
(13.3) |
|
|
|
|
V ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продифференцируем выражение |
13.3 по |
cc/V и получим |
|||||
условие экстремума: |
|
|
|
|
|
|
|
|
dLr, |
|
|
|
+ V2 = 0 , |
|
(13.4) |
|
|
|
|
|
|
||
№[ v j |
|
|
|
|
|
|
|
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г о |
|
|
|
(13.5) |
|
|
|
|
^опт |
|
|
|
|
Выражение 13.5 было получено Б.С. Стечкиным в 1944 го ду и называется «формула Стечкина».
Из анализа формулы 13.5 видно, что чем больше скорость полета V и, следовательно, меньше КПД ВВ г)в, тем большую часть Lc целесообразно передавать на ускорение потока в PC,
при этОхМ будет уменьшаться л*(Ф LT) и расти п *.
При оптимальном распределении Le полный КПД г\п дос тигает максимального значения Литах = ^гягтах / Go ■
При V = 0 определить сС0ПТ по формуле Стечкина нельзя. Из расчетов следует, что при V = 0 ссопт слишком мала. Для ее получения необходимо иметь значительное перерасширение газа в ГТ, то есть существенно снижать пс = ФХ р * /р и Однако, при малых р"тплотность тока в выходном сечении ГТ уменьша ется ( ртст ), и для обеспечения заданного расхода М гт = FTpTcT
необходимо увеличивать FT. Это приводит к увеличению длины
лопаток последних ступеней ГТ, следовательно, к снижению прочности РЛ.
В итоге достигается незначительное увеличение /?твд на взлетном режиме, но заметно снижается /?твд на расчетных ре жимах. Поэтому ТВД рассчитывают так, чтобы сС0ПТ достига лась на расчетных скоростях полета. При этом экономичность на взлетных режимах снижается.
13.5.Совместная работа узлов ТВД
13.5.1.Зависимость удельных параметров от параметров рабочего процесса Ууд(Г*, я*); се(Г*, я*)
Так как N ya=(Ne/M e)= Le, то зависимость УУуд(я*, Г*)
аналогична зависимости Lc(nK, Гг*). Учитывая, что если термо динамические циклы ТРД и ТВД одинаковы, то и характер про текания зависимостей Lc (nK, Т ' ) ТРД и ТВД будет одинаковый.
Для ТВД также имеется я ’ опт при которой Le = Lejn.lx, сле довательно, N ya = Nyamax (рис. 13.5).
Так как у ТВаД, по аналогии с ТРД, удельный расход топ лива определяется как
се |
360000 |
(13.6) |
|
Рис. 13.5. Зависимости Рис. 13.6. Зависимости
то при увеличении Т* =>Т д*опт |
резко увеличивается |
N ya и ме |
|
нее значительно увеличивается |
0 О, следовательно, |
снижается |
|
с„ (рис. 13.6). |
|
|
|
Вывод: Увеличение Г* при одновременном увеличении тск |
|||
позволяет резко повысить |
работу цикла Leu =>Т Le =>Т Nya |
||
и уменьшить се. |
|
|
|
При < )К(Л/ул<^уД1ШХ), |
се = cemin. |
|