книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

данной частоты вращения п ? степень повышения давлений я* в копрессоре при разгоне двигателя будет больше, чем на уста­

новившемся режиме при том же значении п?р.

Рабочие характеристики двигателя на режимах разгона (по известным для каждой промежуточной частоты вращения значе­ ниям температуры перед турбиной) показаны на рис. 86 штрихо­ выми линиями. Как видно, все режимы разгона вследствие про­ текания их при более высоких температурах перед турбиной лежат ближе к границе помпажа, чем установившиеся режимы.

и относительный расход воздуха, соответствующие началу пом­

пажа при данном значении частоты вращения; Т*г, я« и GB— теку­ щие значения перечисленных параметров, соответствующие ра­ бочей характеристике двигателя при той же частоте вращения.

Значения запаса по помпажу, определенные по указанным выражениям, для одного и того же разгона практически совпа­ дают.

Запас по помпажу при максимальном приближении кривых

разгона к границе устойчивой работы компрессора (п?р = 28000 -ь- н-29000 об/мин) приведен в табл. 14. При разгонах с исходной нагрузкой меньше 2 0 % от номинальной и временем открытия крана меньше 2 с (специфические разгоны транспортных машин) не исключено пересечение кривой разгона с границей устойчивой работы компрессора, т. е. попадание в помпаж. Сопоставление

150

сечения топливного крана запас по помпажу примерно в два

раза меньше, чем во втором случае (Ыеи = 0,32NeH). Кроме того, на величину запаса по помпажу при разгонах и на время дости­ жения его минимального значения существенное влияние оказы­ вают эксплуатационные факторы (исходная нагрузка, скорость открытия проходного сечения топливного крана и др.). Так,

разгонах наглядно представлено на рис. 87 (запас на установив­ шемся режиме для обоих случаев нагрузки указан в табл. 14). Из представленных данных видно, что запас по помпажу в зави­ симости от времени изменения положения органа, регулирующего подачу топлива, изменяется по прямолинейному закону. Наклон прямых к оси абсцисс возрастает с уменьшением исходной на­ грузки на двигатель, при которой начинается разгон.

29. Показатели эффективности и экономичности газотурбинного двигателя

при работе его на неустановившихся режимах

Показатели экономичности и эффективности ГТД в процессе разгона изменяются в зависимости от различных факторов, при­ сущих только неустановившимся режимам.

Закономерности изменения относительного крутящего момента

мента происходит интенсивно на всем периоде разгона. Интен­ сивность роста определяется скоростью открытия проходного сечения топливного крана (характеристикой топливоподачи). Однако время наступления максимума и абсолютная величина

параметра Мкр = / (t) различны для разных значений _tKP

(табл. 15). Кроме того, разгоны в случае, когда Nея = 0,2Nea, сопровождаются забросом крутящего момента по сравнению с установившимся режимом после разгона при всех значениях tKP.

151

Величина заброса пропорциональна скорости открытия проход­ ного сечения топливного крана:

Разгоны в случае Nea = 0,32/VeHсопровождаются менее интен­ сивным (по сравнению с разгонами при исходной нагрузке в 2 0 %

Рис. 88. Изменение относительного крутящего момента при разгонах ГТД:

а — Nen = 0,2 N№\ б — Ne„ = 0,32 NeH

от номинальной) нарастанием крутящего момента при всех ско­ ростях открытия проходного сечения топливного крана. Здесь отсутствуют забросы крутящего момента. Кроме того, функ­

ливного крана протекает совершенно аналогично закономерностям изменения крутящего момента. Поэтому останавливаться на их

№

Личина этого заброса при изменении tKP от 2 до 13 с меняется соответственно от 26 до 14%.

Величина заброса параметров Л4кр и Ne по мере увеличения продолжительности открытия проходного сечения топливного крана уменьшается. Кроме того, максимумы .рассматриваемых функций кроме уменьшения их по абсолютной величине смещаются вправо (рис. 8 8 ). Причиной возникновения забросов является то, что исходная нагрузка на тормозе перед разгоном в данном случае составляет 2 0 % от номинальной и разгон начинается с малых сте­ пеней открытия проходного сечения топливного крана, но так как разгон осуществляется открытием крана, то это приводит к увеличению расхода топлива по закономерностям, рассмотренным выше. Исходная нагрузка и закономерность подачи топлива определяют интенсивное нарастание оборотов одновального ГТД, сопровождаемое значительными угловыми ускорениями. Между тем соотношение расходов топлива и воздуха определяет коли­ чество действительно выделенного в камере сгорания тепла, изме­ няемого по закономерностям, рассмотренны в п. 26. Сравнивая моменты наступления максимумов рассматриваемых параметров (рис. 8 8 ) и параметра <2Д= / (t), замечаем, что они совпадают во времени. Процесс сгорания в камере ГТД в эти моменты вре­ мени происходит при наиболее благоприятных условиях. Это приводит к тому, что работа газов в турбине, а следовательно и мощность, будут наибольшими. Этому способствуют не только значения температуры, но и соотношение давлений газа перед ступенью и за ней. Сказанное остается в силе и для разгонов

при Nea = 0,32Afffi.

Если при разгонах с наиболее характерной скоростью откры­ тия крана, соответствующей tKP = 5 с, принять за 100% время, в течение которого мощность и крутящий момент достигают зна­ чения установившегося режима, то при исходной нагрузке в 2 0 % от номинальной для tKP = 13 с время выхода на установившейся режим увеличивается до 4,5 с, или на 12,5%, а при 1кр = 2 с — уменьшается до 3,4 с, или на 15%. При исходной нагрузке в 32%

=2 с — 5,85 с, или 10%.

Сопоставление данных разгонов (рис. 8 8 ) показывает, что

увеличение исходной нагрузки с 20 до 32% от номинальной при разгонах с ^кр = 5 с увеличивает время выхода двигателя на номи­ нальный режим с 4 до 6,5 с.

Представляют интерес закономерности изменения относитель­ ных крутящего момента и мощности ГТД и влияющих на них параметров при работе двигателя на режимах разгона и устано­ вившихся режимах при одной и той же частоте вращения.

Изменение относительного крутящего момента Мкр при раз­ гонах и в условиях установившихся режимов в функции приве-

153

Денной частоты вращения представлено на рис. 89. Для уяснения принципиальной стороны вопроса здесь приводятся разгоны только для трех скоростей открытия крана, соответствующих /кр = 2 ; 7 и 13 с. Как видно из рисунка, на значительном участке раз­

гона (от ПтР — 25000 об/мин до п?р = 31500 об/мин) увеличе­ ние относительного крутящего момента происходит по линии, незначительно отличающейся в первом приближении от прямой.

Разгон при NeH= 0,2Neu сопровождается забросом крутящего момента, который достигает максимума при разных оборотах в зависимости от времени открытия проходного сечения топлив-

Рис. 89. Изменение относительного крутящего момента двигателя при работе его на установившихся режимах (----- ) и разгонах (----------): а — N eH= 0,2 N m;

бNей ~ 0,32 NeH

ного крана. Так, при разгонах с /кр = 2 с величина максималь­

ного заброса М кр наступает при п?р = 30700 об/мин и на 44% превосходит значение его на установившемся режиме при той же частоте вращения. При разгонах с tKP = 7 и 13 с эти максимумы наступают соответственно при 32500 и 33600 об/мин, а превыше­ ние составляет 27 и 19%.

При разгонах в случае NeK = 0,32Nea процесс разгона, как и раньше, сопровождается превышением крутящего момента над значением его при установившемся режиме для одной и той же частоты вращения. Это превышение при разгонах с 1кр = 2 с составляет 22,6%, а при разгонах с tKP = 7 и 13 с — соответ­ ственно 17 и 9,5%.

Особый интерес представляет изменение эффективной мощ­ ности на режимах разгона по сравнению с установившимися режимами. Закономерности изменения относительной мощности на указанных режимах в функции частоты вращения аналогичны закономерностям изменения относительного крутящего момента. Поэтому здесь остановимся лишь на количественной стороне вопроса. Для фиксированной частоты вращения превышение

154

мощности в точках максимума над значением ее на установив­ шемся режиме составляет: при tKD = 2 с — 28%; при tKO — 7с —

20%; при ^кр = 13 с — 15%.

Для наглядного уяснения причин представленных закономер­ ностей изменения эффективных приведенных крутящего момента и мощности вспомним закономерности изменения относительного часового расхода топлива (см. рис. 71) и расхода газа в функции частоты вращения для тех же режимов (см. рис. 72). Последние предопределяют закономерность изменения температуры газа

Рис. 90. Изменение относительного удельного расхода топлива при разгонах ГТД: а — NeK= 0,2 jVch; б — Neи = 0,32 NeH

перед ступенью, которая в функции частоты вращения для тех же режимов представлена на рис. 79. Параметры газа и его расход определяют работу газов в турбине, а следовательно, крутящий момент и мощность.

Рассмотрим закономерности изменения экономичности при разгоне двигателя, характеризуемой относительным удельным

расходом топлива ge. Изменение последнего на режимах разгона одновального двигателя в функции времени представлено на рис. 90. Как видно из рисунка, удельный расход топлива в пер­ вый момент разгона возрастает при всех скоростях открытия проходного сечения топливного крана. После достижения макси­ мума он уменьшается, достигая значения установившегося ре­ жима.

Характерным для разгонов в случае Nea — 0,2NeH является резкое повышение удельного расхода топлива в начальный пе­ риод разгона. По мере увеличения продолжительности открытия проходного сечения топливного крана увеличение удельного расхода топлива до максимума происходит все более плавно.

Кроме того, максимумы кривых ge = f (t) сдвигаются вправо. Так, при tKр = 2 с функция ge = / (t) достигает максимума

155

через 0,3 с после начала разгона; при <кр = 5 с — через 0-5 с; при

шается при увеличении продолжительности открытия проходного сечения топливного крана. Если при разгонах с /кр = 2 с макси­ мальное значение удельного расхода топлива превышает на 2 1 % то значение, которое имел двигатель на исходном режиме, то при разгонах с tKP = 5 и 13 с это превышение составляет соот­ ветственно 19 и 11%. При разгонах с ?кр = 7 и 10 с эти превы­ шения будут находиться в названных пределах. Снижение удель­ ного расхода топлива после максимума вплоть до минимального значения его идет по линии, незначительно отличающейся от прямой.

Перед завершением разгона при всех скоростях открытия

= / (t) объясняется тем, что в первый момент разгона процесс сгорания по причине резкого обогащения смеси протекает при недостатке кислорода. Поэтому часть топлива уходит из камеры несгоревшим; догорание происходит за пределами камеры, в ре­ зультате чего в камере наблюдается пониженное тепловыделение и уменьшается работа, развиваемая газами в турбине. Кроме того, это является одной из причин несовпадения максимумов температуры (см. рис. 74) и количества выделенного в камере тепла (см. рис. 6 8 ).

При увеличении частоты вращения двигателя, когда расход воздуха увеличивается, изменяется состав смеси, коэффициент избытка воздуха в зоне горения повышается от 0,65—0,7 до 0,85— 0,95. В этот момент происходит полное сгорание с максимальным тепловыделением, что соответствует максимальной работе, раз­

виваемой газами в турбине. Точки минимума функций ge — f (t)

Взавершающей стадии разгона, когда состав смеси характе­ ризуется значением а = 1,07ч-1,13 в зоне горения, количество действительно выделившегося в камере тепла несколько сни­ жается (см. рис. 6 8 , а) по причинам, изложенным в п. 26. Это приводит к уменьшению работы, развиваемой газами, и некото­ рому ухудшению экономичности.

Вслучае Ыен = 032Д7№ (рис. 90, б) в первый момент после начала разгона также наблюдается значительное увеличение удельного расхода топлива. Это характерно для всех скоростей открытия проходного сечения топливного крана. По мере их

уменьшения максимум функций ge — f (t), уменьшаясь по абсо­ лютному значению, смещается вправо. Если при разгонах ctKP =

156

= 2 с функция ge — f (t) достигает максимума через 1,15 с, а "пре­ вышение удельного расхода топлива над его значением на исход­ ном режиме составляет 2 0 %, то при разгонах с tKP = 5 и 13 с максимумы достигаются соответственно через 1,5 и 1,8 с, а пре­ вышение удельного расхода составляет 16 и 1 0 %.

°)§е

максимумы функции во времени достигаются значительно раньше,

интенсивно при обеих исходных нагрузках, причем интенсивность роста убывает по мере умень­

шения скорости открытия проходного сечения топливного крана. Величина наибольшего превышения удельного расхода топлива над его значением на установившемся режиме указана в табл. 16.

По мере увеличения частоты вращения различие в удельном расходе для разгонов с разными значениями tKP в обоих случаях

157

уменьшается, достигая значений на установившемся режиме после

разгона. Однако при разгонах с Nea = 0,2Л^Н в завершающей стадии имеет место понижение удельного расхода ниже его зна­ чений на установившемся режиме. Это понижение при tKP = 2 с составляет 7%, а при tKP = 13 с — 3%. Причем минимум зна­ чения удельного расхода при уменьшении времени открытия проходного сечения топливного крана сдвигается в область более низких оборотов.

Что касается двухвального ГТД, то закономерности изменения в нем часового расхода топлива, температуры газа и других пара­ метров в функции частоты вращения протекают с некоторыми отличиями. Объясняется это особенностями системы регулиро­ вания двигателя.

30. Влияние эксплуатационных факторов на показатели динамики, эффективности

иэкономичности газотурбинного двигателя

Сцелью изучения влияния некоторых эксплуатационных фак­ торов на закономерности изменения основных показателей ГТД при работе его на режимах разгона экспериментально исследо­ вались разгоны с различной скоростью открытия проходного сечения топливного крана при различных исходных нагрузоч­ ных и скоростных режимах.

Поскольку качественная сторона вопроса вскрыта выше, здесь подробно остановимся только на количественной стороне явлений и некоторых особенностях влияния эксплуатационных факторов на основные показатели ГТД.

Скорость открытия проходного сечения топливного крана оказывает существенное влияние на основные показатели дви­ гателя. Причины этого кроются в функциональной зависимости величины работы, совершаемой газами в турбине, от температуры газа перед ступенью и соотношения давления перед и за ступенью. Закономерности изменения указанных параметров рассматри­ вались выше. Здесь только отметим, что температура газа перед степенью выше при меньших значениях tKP, а следовательно, больше мощность, развиваемая газами в турбине. Это приводит к более интенсивному нарастанию частоты вращения и приеми­ стости (количественные данные приведены в п. 28).

О влиянии скорости открытия проходного сечения топливного крана на термодинамические показатели, показатели эффектив­ ности и экономичности говорилось в предыдущих параграфах этой главы.

Исходная нагрузка перед разгоном также влияет на показа­ тели двигателя при разгонах и его динамику. Так как закономер­ ности изменения термодинамических показателей и показателей эффективности и экономичности при разгонах с двух исходных значений нагрузок подробно рассмотрены выше, то остановимся

158

только на влиянии указанного фактора на динамику. Увеличе­ ние исходной нагрузки с 20 до 32% увеличивает продолжитель­ ность выхода двигателя на номинальный режим в среднем на 85%.

Влияние исходной частоты вращения на показатели двигателя выяснялось путем разгонов двигателя при двух исходных уста­ новочных режимах. При каждом исходном значении частоты вращения устанавливалась одна и та же температура газа перед ступенью: на первом режиме 1020 К, а на втором — 1090 К. Про­ должительность открытия проходного сечения топливного крана

устанавливалась равной 5 с. Перед разгонами в обоих случаях

частота вращения п"£ принималась равной 23000 об/мин (64,5%

от номинальной), 24800 об/мин (69,5%), 26800 об/мин (75%)

и 28600 об/мин (80%). Исходная нагрузка на каждом исходном режиме определялась температурой газа и частотой вращения.

Закономерность изменения относительного часового расхода топлива GT при разгонах двигателя в названных условиях пред­

ставлена на рис. 92. Как видно из рисунка, функция GT = / ( t) меняется во времени по закономерностям, аналогичным приведен­ ным в п. 26, где рассмотрены причины заброса и даны объясне­ ния рассмотренным закономерностям. Здесь только укажем, что более высокий расход топлива, наблюдаемый в конце разгонов в случае осуществления последних с более низких частот враще­ ния, объясняется пониженной (по сравнению с более высокой исходной частотой вращения) исходной нагрузкой. Это позволяет

159