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

воздуха удаляется от линии a mln> при этом увеличивается запас работы ГТД по устойчивому горению в камере сгорания.

На рис. 100, б показано изменение температуры воздуха после

компрессора ТгкР. Кривые имеют идентичный характер и отли­ чаются только повышением температуры с увеличением угла а х. Это объясняется увеличением работы гидравлических сопротивле-

турбины р^Р при разгонах с различным углом выхода потока из

они только увеличенным давлением при уменьшенных углах а х. Причины этого те же, что и на установившихся режимах.

Аналогично изменяются полные давления в сечениях за ком­ прессором и перед сопловым аппаратом.

Как было сказано выше, на некоторых числах оборотов тур­ бины при уменьшении расхода воздуха ниже определенной вели­ чины компрессор газотурбинного двигателя может войти в не­ устойчивый режим работы (помпаж). Такое уменьшение расхода воздуха обычно имеет место при резком повышении температуры

газов перед сопловым аппаратом, характерным для режимов раз­ гона.

На рис. 101 приведена характеристика компрессора экспери­ ментального ГТД с нанесенными на ней линиями постоянных тем­

170

ным углом а х = 13° 40'. Все разгоны производились с исходной частоты вращения турбины 25 600 об/мин и с минимальным вре­ менем полного открытия топливного крана (/кр = 2 с). Как видно из рисунка, ближе всего к линии помпажа приближается разгон с углом а х = 9° 40'. При дальнейшем уменьшении угла или более резкой подаче топлива может наступить помпаж компрессора. Наоборот, с увеличением угла а 1 линия разгона удаляется от границы помпажа по сравнению с серийным вариантом, что поз­ воляет увеличивать скорость открытия топливного крана.

Представляет интерес изменение коэффициента запаса устой­

время разгона происходит резкое уменьшение запаса устойчивости компрессора по помпажу, причем это уменьшение тем больше,

11%. Причем минимальный коэффициент запаса устойчивости ком­ прессора по помпажу в режимах разгона при /кр = 2 с и /кр = 7 с имеет почти одно и то же значение. Разница только в том, что в первом случае минимум Ау наступает раньше, чем во втором.

увеличить минимальный запас устойчивости компрессора по пом­ пажу при разгонах ГТД в два раза.

32. Показатели эффективности двигателя с изменяемой геометрией соплового аппарата на неустановившихся режимах

Прежде чем рассматривать' влияние угла а х на показатели эффективности ГТД в режимах разгона, проанализируем частич­ ные установившиеся режимы работы ГТД с изменяемой геометри­ ей соплового аппарата. Эти режимы будут приняты за исходные при рассмотрении неустановившихся режимов. Влияние угла а х на энергетические и экономические характеристики ГТД опре­ делялось по скоростным и нагрузочным характеристикам.

Рассмотрим, как меняется мощность при изменении угла а х. При уменьшении угла а х от серийного значения 11° 40' до 9° 40'

мощность Nep для всех скоростных режимов и значений темпера­

тур Т*гпр возрастает на величину от 4 до 15%. При увеличении угла а х до 13° 40' эта мощность падает для всех рассматриваемых

171

режимов на величину от 6 до 30%. Таким образом, в рассматрш ваемом диапазоне изменения угла а х (от 13° 40' до 9° 40') мощ­

ность N ? возрастает на всех режимах работы ГТД на 10—45%. Рассмотрим причины возрастания эффективной мощности ГТД при уменьшении угла выхода потока из соплового аппарата. Мощность одновального ГТД можно опреде­

лить по формуле

Таким образом, для данного скоростного режима (г)м = const) значение Ne определяется расходом воздуха и разностью работ турбины и компрессора.

Изменение относительного приведенного расхода воздуха GBP при изменении угла а х для различных скоростных режимов и зна­ чений температур газов перед турбиной показано на рис. 103, а.

172

Рассмотрим теперь, как изменяется работа турбины и компрес­ сора при изменении угла а х. Работа турбины на 1 кг газа

степень понижения давления в турбине; т)* — к. п. д. турбины.

изменении см будет определяться значениями Ят и т^. При умень­ шении угла oCj величина я* возрастает, а величина rj* меняется

незначительно. Таким образом, с уменьшением а г в рассматри­ ваемых пределах работа турбины увеличивается.

Работа компрессора на 1 кг воздуха k-1

Т— 1

Я-

Лк

где Г* — температура воздуха на входе в компрессор; я* — сте­ пень повышения давления в компрессоре; rj* — к. п. д. компрес­

сора.

Если допустить, что температура воздуха перед компрессо­ ром Г* = const и k ( k —■l)-1/? = const, то работа компрессора

определяется изменением я* и т)*. При уменьшении угла ctj сте­

пень повышения давления воздуха в компрессоре увеличивается, увеличивается также и к. п. д. Все это приводит к тому, что при уменьшении а± работа компрессора несколько уменьшается. Разница же между LT и LK с уменьшением угла а х увеличивается, что и определяет увеличение мощности Ne.

Интересно рассмотреть изменение экономических показателей работы ГТД на частичных установившихся режимах при изме­ нении угла а х. Влияние угла а х на относительный приведенный часовой расход топлива показано на рис. 103, б, из которого видно, что с уменьшением этого угла (при постоянной температуре газов перед турбиной) расход топлива уменьшается. Уменьшение рас­ хода топлива полностью объясняется уменьшением расхода воз­ духа, так как при меньшем расходе воздуха требуется меньшее количество топлива для поддержания постоянной температуры.

Изменение относительного удельного расхода топлива ge, под которым понимается отношение удельного расхода на данном ре­ жиме к удельному расходу на номинальном режиме в серийном варианте с а х = 11° 40', в зависимости от угла а х показано на рис. 103, в. Из рисунка видно, что с уменьшением а г (в рассматри­ ваемых пределах) топливная экономичность улучшается на всех

173

Скоростных режимах на величину До 60%. Это объясняется взаим­ ным изменением мощности Ne и часового расхода топлива.

Рассмотрим теперь, как меняется экономичность ГТД на ре­ жимах частичных нагрузок, наиболее характерных для автотрак­ торных двигателей. На рис. 104 показано изменение относитель­ ного удельного расхода топлива по нагрузочной характерис­ тике. Кривая 1 относится к ГТД с серийным неизменяемым углом а х.

Кривая 2 построена с таким расчетом, что при уменьшении нагрузки уменьшается и угол а и причем коэффициент запаса компрессора по помпажу остается все время равным 12%. При этом

экономичность улучшается на всех нагрузках на 14—25%.

В обоих рассматриваемых случаях угол а г не выходил из ис­ следуемых пределов (9° 40'— 13° 40').

Перейдем теперь к рассмотрению неустановившихся режимов работы ГТД с изменяемой геометрией соплового аппарата.

Для выявления влияния угла выхода потока из соплового аппарата на энергетические и экономические характеристики ГТД на неустановившихся режимах начальная эффективная мощ­

ность Nei[ для всех разгонов была принята одинаковой. Причем устанавливались два значения начальной мощности, соответствую­ щие тракторному и автомобильному вариантам (соответственно 40 и 20% от номинальной мощности Nea). Изменение относительной эффективной мощности при разгонах ГТД показано на рис. 105. Все разгоны производились с исходной частоты вращения п"ри =

шение эффективной мощности в данный момент разгона к эффек­ тивной мощности на номинальном режиме серийного варианта.

При разгонах с N = 0,4 (тракторный вариант) при умень­ шении угла а г от серийного значения 11° 40' происходит заброс мощности. При увеличении же угла до 13° 40' такой заброс не

наблюдается. В автомобильном варианте разгона (A/"„ = 0,2)

174

нарастание мощности происходит более интенсивно и забросы мощ­ ности характерны для всех значений угла а х.

Такой же характер носит изменение относительного крутя­ щего момента при разгонах ГТД в этих двух вариантах нагрузки. В этом случае наблюдаются забросы момента при всех значениях угла а х. Максимумы моментов наступают несколько раньше, чем

ocj = 11° 40' и через 5,8 с при а 1 = 13° 40'. Максимум мощности

Рис. 105. Изменение относительной эффективной мощ­ ности в тракторном (а) и в автомобильном (б) режи­

для этих же углов наступает соответственно через 5, 5,8 и 6,9 с.

Экономичность ГТД на режимах разгона характеризуется удельным расходом топлива. Прежде чем перейти к анализу кри­ вых удельного расхода топлива, рассмотрим, как меняется часо­ вой расход топлива. Изменение относительного приведенного ча­

М"и = 0 ,2 п р и а 1 = 9° 40' максимум наступает через 3 с. Такая же картина наблюдается и при разгонах с М"и = 0,4.

При начальной нагрузке N"S = 0,2 нарастание относительного приведенного часового расхода топлива происходит более резко,

чем при разгонах с = 0,4, так как в этом случае^ разгон

175

Заброс температуры при <х1 =11° 40' и tKP = 7 с составляет 205° — предельное значение для ГТД. Дальнейшее уменьшение времени открытия топливного крана нельзя допустить из-за чрез­ мерного увеличения темпера-

что с увеличением угла обороты нарастают менее интенсивно. Так, если при а г = 9° 40' время разгона равно 6 с, то с увеличе­ нием а г до 13° 40' время разгона увеличивается до 7,4, или на

23%. То же наблюдается и при разгонах с N?$ = 0,2 (автомобиль-

ный режим), изменение оборотов при которых протекает более

Рассмотрим, за счет чего улучшается приемистость при умень­ шении угла осх.

Время приемистости прямо пропорционально моменту инерции ротора и избыточной мощности при разгоне. Момент инерции при изменении угла а х не изменяется. Изменение мощности при раз­

гонах ГТД в случае JV"£ = 0,4 и /кр = 7 с и мощности на уста­ новившихся режимах в зависимости от оборотов показано на

вается избыток мощности по сравнению с установившимся режи­ мом при серийном угле. Это предопределяет более быстрый раз­ гон ГТД.

Рассмотрим теперь вопрос об экономичности ГТД на режимах разгона с другой стороны.

На рис. 111 показано изменение оборотов турбины для рас­ смотренных выше трех типов разгона. Как и раньше, увеличить приемистость при а 1 = 11° 40' не удается из-за больших забросов температур, время разгона в этом случае 6,4 с. При увеличении угла осх до 13° 40' можно уменьшить время разгона до 5,4 с путем увеличения скорости открытия топливного крана. При этом в обоих

случаях мощность меняется от Ne = 0,2 до Ne = 0,42. Определим, какое количество топлива идет на разгон в том и другом случае. Количество топлива будет равно среднему мгновенному расходу

178

зом, если рассматривать экономичность при разгоне с таких по­ зиций, то получается экономия топлива, несмотря на более высо­ кий удельный расход его.

33. Закономерности изменения кинематических показателей двигателя с изменяемой геометрией соплового аппарата на неустановившихся режимах

Угол выхода потока газа из соплового аппарата оказывает зна­ чительное влияние на кинематику потока в ГТД, особенно на не­ установившихся режимах работы. Рассмотрим сначала влияние этого угла на кинематику потока при работе ГТД на частичных установившихся режимах, характерных для автомобильных и тракторных двигателей. При работе ГТД на номинальном режиме

скоростных режимах, близких к номинальному, становится даже отрицательным. Уменьшение угла атаки при увеличении угла а х более благоприятно в отношении потерь, так как в области отри­ цательных углов атаки они незначительны.

При разгонах ГТД с изменяемым углом а у величина этого угла будет также оказывать значительное влияние на отноше­

паток существенно увеличивается во время разгона ГТД, а следо­ вательно, растут потери энергии потока. С увеличением угла а х угол атаки даже в период разгона становится отрицательным, уменьшая тем самым потери.

Потери в рабочем колесе

Ip = 1 — Ф-