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

Тепло, поступающее на нагрев лопатки за один оборот колеса турбины, определяется по формуле

чале нагрева в К.

Для решения равенства (46) воспользуемся преобразованным уравнением теплообмена между горячими газами и поверхностью

рабочей лопатки в м2; Тт— температура газа перед лопаткой в К. После совместного решения уравнений (46) и (47) определим

Вуравнении (48) числитель представляет собой тепло, воспри­ нимаемое поверхностью лопатки за время непосредственного со­ прикосновения ее с горячими газами в течение одного оборота ротора турбины.

Впроцессе охлаждения предполагаем, что воздух отводит

только то тепло, которое заключено в самой рабочей лопатке:

По аналогии с предыдущим

m in

где Qn — тепло, уносимое от рабочей лопатки охлаждающим воз­ духом за один оборот колеса турбины; а в — коэффициент тепло­ отдачи от лопатки к охлаждающему воздуху в Вт/(м2 К); тв — время непосредственного соприкосновения лопатки с охлаждаю­ щим воздухом за один оборот ротора турбины в с; Тв — темпера­ тура охлаждающего воздуха в К.

Теплообмен рабочей лопатки определяется соотношением ве­ личин Qn и Qn. Разделим (47) на (49):

190

Вместо Ттах и Ттп подставим среднее значение

Кроме того, выразим тг и тв через срг и срв, где срг и фв — углы поворота ротора турбины, за время прохождения которых про­ исходит непосредственное соприкосновение лопатки с горячим газом или охлаждающим воздухом:

тогда

к = Ка /СфКд г .

На величину ка оказывают влияние коэффициенты теплоот­ дачи от горячего газа к лопатке (аг) и от лопатки к охлаждающему воздуху (ав).

Известно, что коэффициент теплоотдачи

a — Ca j - Re,

вязкости газа и воздуха при входе на рабочую лопатку в П.

191

Значения а г и а в подставим в (52) и получим

Значения Rer и ReB подставим в (54):

ft С1Г . Рг . Рв а С1 В Рв Рг

В этом равенстве заменим отношение плотностей отношением аб­ солютных температург

окончательно получим основное безразмерное уравнение, харак­ теризующее теплообмен рабочей лопатки двухкомпонентного ГТД осевого типа:

По величине к можно судить о тепловом режиме работы ло­ паточного аппарата турбины: если к = 1, то режим установив­ шийся; при к > 1 или к <С 1 соответственно возникнут режимы перегрева или переохлаждения. Очевидно, не всякий установив­ шийся тепловой режим обеспечивает достаточную надежность ра­ боты лопаток, однако бесспорно, что при любых значениях без­ размерных коэффициентов, входящих в равенство (55), можно обес­ печить надежное охлаждение колеса турбины, подобрав соответ­ ствующую степень парциальности т.

Определим зависимость величины т от безразмерных коэффи­ циентов /с(-, входящих в формулу (55).

В первом приближении т — срв/360, или

После подстановки значения /сф из (56) и (55) найдем зависимость величины т от безразмерных коэффициентов:

192

Как показали результаты исследований, величина т, оцени­ ваемая равенством (57), в самых неблагоприятных условиях, когда tr = 1400° С и /в = 300° С, не превышает 0,5.

Такой результат свидетельствует о пользе применения высоко­ температурного двухкомпонентного процесса при парциальном подводе.

Для контроля и сравнительной оценки величина т может быть также найдена при совместном решении двух уравнений, учиты­ вающих, с одной стороны, теплообмен, с другой — неразрывность потока.

По условиям теплообмена

где а г —t общий коэффициент теплоотдачи лопатки, учитывающий теплообмен соприкосновением и излучением, в Вт/(м2 -К); z — об­

высота рабочей лопатки в м; с1а — аксиальная составляющая абсо­ лютной скорости газа на входе в м/с; кл — коэффициент загро­ мождения лопаток; р1в — плотность воздуха в кг/м3.

Экспериментальные данные по теплообмену рабочих лопаток.

Экспериментальная проверка теплообмена рабочих лопаток была выполнена на одноступенчатой турбине ТК-19Э, приспособленной для парциального подвода горячего газа и охлаждающего воздуха. Газ подогревался в стандартной камере сгорания турбореактивного авиадвигателя, позволявшей при помощи увеличения секундной производительности топливного насоса повышать температуру потока до 1500 К.

Длина дуги подвода охлаждающего воздуха к сопловому аппа­ рату турбины изменялась путем, установки в ее ресивере жаростой­ ких поперечных перегородок, обеспечивающих ступенчатое регу­ лирование степени парциальное™. Последняя равна отношению длины дуги, по которой подводится охлаждающий воздух, ко всей длине окружности, проходящей через середины высот рабочих лопаток. В этом случае значения m приняты равными 0; 0,109; 0,239 и 0,5.

При одинаковых условиях работы температура лопатки с умень­ шением степени парциальности, с ростом температуры газа и убы­ ванием абсолютного расхода охлаждающего воздуха возрастает

(рис. 118).

Для степени парциальное™ т = 0,5, близкой к условиям реальной эксплуатации, и при расходе воздуха GB = 0,05 кг/с, что в зависимости от мощности ГТД и термодинамических параметров рабочего цикла составляет приблизительно 2—5% от общего рас­ хода газа, температура лопаток по сравнению с начальной темпе­ ратурой газа (1323 К) снижается приблизительно на 570 К- При дальнейшем повышении начальной температуры газа и сохранении постоянными т и GBперепад температур газа и лопаток еще больше

ственно m и GB, можно сохранить Тл в допустимых нормах. Начальная температура газа также влияет на величину темпе­

ратурного градиента. При постоянном расходе и температуре охла­ ждающего воздуха с ростом Тг возрастает температурный градиент.

температурный градиент снижается до 525 К. Возрастание темпе­ ратурного градиента с увеличением Тг объясняется ростом коэф­ фициента теплоотдачи лопаток и диска турбины. Если не ставить перед собой задачу экономии охлаждающего воздуха, то, согласно полученным данным, в случае Тт= 1123 К уже при GB= 0,13 кг/с можно понизить Тл по сравнению с Гг = 1323 К на 650° С, что является важным положительным свойством системы парциаль­ ного охлаждения турбин.

В заключение рассмотрим закон изменения оптимальной сте­ пени парциальности, обеспечивающей работу ТК-19Э на устано­ вившемся тепловом режиме. Условно будем считать, что величина

194

оптимальной степени парциальное™ топг при заданной темпера­

газовой турбины ТК-19Э в условиях высокотемпературного про­ цесса (Тг = 1400 К) обеспечивается оптимальной степенью пар­ циальное™, величина которой не превышает т опт = 0,4-н0,5.

Особенности рабочего процесса двухкомпонентного ГТД с пар­ циальным подводом. У таких двигателей внешняя механическая работа осуществляется не только высокотемпературным потоком

рабочие лопатки относительных скоростей газа (щ1г) и воздуха (и/1в). Для соблюдения равенства

обеспечивающая безударный вход воздуха, снижается до а1в == 7°, что вызывает определенные затруднения при конструировании проточной части турбины. В целях создания работоспособного соплового аппарата воздушной стороны двухкомпонентной тур­ бины нужно принимать угол а 1г равным не 2 0 °, как обычно, а уве­ личивать его до 25—35°.

По аналогии с предыдущим выходные кромки рабочих лопаток турбины компрессора должны обеспечить безударный вход не только газового, но и воздушного потоков на лопатки соплового

Г л а в а X

ВЛИЯНИЕ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ НА НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ

36. Влияние неустановившегося режима работы на износостойкость карбюраторного двигателя

Долговечность является одной из основных составляющих надежности двигателя. Показателями долговечности служат ре­ сурс и срок службы. Наработка двигателя до предельного состоя­ ния представляет собой ресурс, а календарная продолжительность эксплуатации до момента возникновения предельного сосстояния— срок службы.

Ресурс, определяемый для тракторного двигателя в моточасах и для автомобильного двигателя в километрах пробега, при нор­ мальной эксплуатации в значительной степени зависит от износо­ стойкости двигателя. На износостойкость существенное влияние оказывает режим работы.

Рабочий процесс карбюраторного двигателя в неустановившихся режимах работы, как показали исследования Н. X. Дья­ ченко, Д. А. Рубца, П. М. Белова, В. И. Смирнова и других [4; 7; 16J, отличается от такового в установившихся режимах тем больше, чем больше быстрота изменения режима. Так при разгоне двигателя с увеличением углового ускорения коленчатого вала и возрастанием роли инерционных и других явлений наблюдается увеличение отклонений в наполнении цилиндров и составе смеси, в характере тепловыделения, теплопередачи и теплового режима поверхностей трения, увеличивается количество топлива в пленке и ее воздействие на смазку стенок цилиндра, возрастают динами­ ческие показатели цикла, менее благоприятным становится гидро­ динамический режим работы смазки и процесс очистки масла и др. Все это приводит к понижению мощностных показателей и топлив­ ной экономичности и вместе с тем к возрастанию скорости изнаши­ вания основных деталей и снижению показателей надежности.

На износ основных деталей двигателя существенное влияние оказывают такие динамические показатели цикла, как макси­ мальное давление и скорость нарастания давления. На рис. 120 показано их изменение (исследования В. И. Смирнова) при работе автомобильного карбюраторного двигателя М-21 в установившихся режимах и при разгоне с наиболее вероятным временем открытия дроссельной заслонки (£др = 1,8 с). В опытах положение органов управления тормозной установки оставалось неизменным.

197

Вусловиях разгона динамические показатели цикла выше, чем

всоответственных (по открытию дроссельной заслонки и числу оборотов двигателя) установившихся режимах. Так, наибольшее относительное превышение максимального давления цикла соста­ вило 20%, а скорости нарастания давления 25%.

Изменение максимальных относительных отклонений динами­

при разгоне наблюдается не только при малой продолжи-

^ \ ^ р т а »

тельности открытия дроссельной заслонки (около 2 с), но и при медленном открытии (6—7 с), однако в первом случае расхождение показателей больше вследствие более высоких ускорений колен­ чатого вала ер. Так, с увеличением /др с 1,8 до 7 с относительное превышение скорости нарастания давления уменьшается с 25 до 13%, а максимального давления — с 20 до 16%.

Рассмотренное изменение показателей динамичности цикла дви­ гателя М-21 относится к режимам разгона при различной продол­ жительности открытия дроссельной заслонки.

Исследования разгона двигателя М-21 с 1000 об/мин при не­ скольких постоянных положениях дроссельной заслонки, но при изменении нагрузки на тормозе [3 ] тоже показали существенное отклонение показателей цикла от их значений в соответственных

198

установившихся режимах (по открытию дроссельной заслонки и числу оборотов двигателя). Так, скорость нарастания давления при разгоне была значительно выше. При открытии дроссельной заслонки, соответствующем нагрузке 60%, максимальное превы­ шение скорости нарастания давления при разгоне составило около 42%, а при открытии, соответствующем 70% нагрузки, — 55%. Эти отклонения наблюдались в зоне частот вращения двигателя

1800—2200 об/мин.

В работе [23] приведены результаты исследований влияния неустановившихся режимов работы на износ двигателя ЗИЛ-130, полученные на установке с программным регулированием режима. Установка обеспечивала поддержание постоянной угловой ско­ рости вала при переменной нагрузке и постоянной эквивалентной нагрузки при изменяющейся скорости. Эквивалентные скорость вала и нагрузка определялись как средние планиметрические за

Оценка износа поршней производилась по изменению содержания А1, верхних компрессионных колец — Сг, гильз цилиндров, масло­ съемных колец и других — Fe. Для оценки износа шатунных подшипников использованы вставки из серебра, а коренных — из индия.

Изменение скоростного режима характеризовалось отклоне­ нием частоты вращения от соответствующего эквивалентного

ускорений (от ер = 0 до ер = 2 0 1/с2).

Как показали опыты, на неустановившихся скоростных режи­ мах работы интенсивность износа верхних компрессионных колец в 2,6—3,4 раза, а поршней в 1,2—2,5 раза выше, чем при эквива­ лентных постоянных числах оборотов. Минимальный износ на установившихся режимах, а также при ускорениях коленчатого вала до 5 1/с2 наблюдается в диапазоне 1000—1400 об/мин. Для ускорений 15—20 1/с2 минимальный износ получен при 1400— 1800 об/мин. Примерно в этой же зоне получен и минимальный износ гильз цилиндров и маслосъемных колец.

На рис. 122 показано изменение износа 1 шатунного и корен­ ного подшипников за 105 оборотов коленчатого вала в зависимости от скоростного режима при различных ускорениях коленчатого вала ер.

По данным рис. 122 построено относительное (по сравнению с интенсивностью износа в условиях установившегося режима)

199