книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы

есть ЛСР сместится к ГГУ и запас устойчивости ОК ∆Kу уменьшится (см. рис. 10.2).

Увеличение Fкр приведет к обратному процессу – ЛСР отодвинется от ГГУ и ∆Kу увеличится.

Влияние изменения FСА на положение ЛСР

При условии Fкр = const и ПР n = const с уменьшением FСА увеличивается πт ↑ Nт > Nк ↑ n . САУ, для восстановления исходного значения n, уменьшит Мт ↓Тг↓ Nт .

Уменьшение Тг приводит к снижению удельного объема газа и увеличению его плотности, следовательно, увеличивается MгCA ↑ Mв ↑ q(λвх ) . РТ смещаются по напорным кривым в область с бóльшими расходами q(λвх), а ЛСР, в целом, отодвигается от ГГУ, что приводит к увеличению

∆Kу (см. рис. 10.2).

В случае увеличения FСА наблюдается обратный процесс.

Влияние изменения числа М полета на положение ЛСР

Так как только при изменении πт ЛСР изменяет свое положение, а πт практически во всем диапазоне режимов ра-

боты двигателя и условий полета зависит от Fкр и FСА, то при условии Fкр = const и FСА = const изменение числа M полета

не влияет на положение ЛСР. При увеличении М ↓Твх ,

↓ппр = п РТ перемещается по ЛСР в область

Твх ↑

смéньшими nпр, что приводит к снижению ∆Kу (рис. 10.3).,

251

При значительном снижении чисел M полета (↓↓ πV ) на режимах глубокого дросселирования ТРД (↓↓ n ↓↓ πк ) ,

q(λкр) < 1. При дальнейшем дросселировании двигателя будет уменьшаться q(λкр) из-за уменьшения скорости в критиче-

ском сечении, что вызовет уменьшение πт ~ Fкр ↓ q(λкр ) при

неизменных значениях Fкр и FСА. Рабочие точки начнут смещаться в область с меньшими значениями q(λвх), а ЛСР, в целом, – в сторону ГГУ (см. рис. 10.3), что приведет к интенсивному снижению ∆Kу.

При меньших числах М полета, следовательно, меньших значениях πV и πдв , РС раньше выйдет на докритический режим работы (при бóльших nпр), то есть ответвление ЛСР начнется при бóльших значениях πк (см. рис. 10.3).

252

10.3. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неустановившихся режимах

10.3.1. Неустановившиеся режимы работы ТРД

На неустановившихся режимах (НР) πк (n) , Тг и другие

параметры рабочего процесса изменяются во времени.

К неустановившимся режимам работы двигателя относят:

–запуск ТРД;

–переход на повышенный или на пониженный режимы

работы ТРД (↑↓ n);

– включение форсажной камеры в ТРДФ с нерегулируе-

мым РС (Fкр = const).

Основное условие НР:

Чем больше величина этого неравенства, тем быстрее происходит переход на новые частоты вращения n (на новый режим работы ТРД).

При Nт > Nк (избыток располагаемой мощности ГТ) возрастает n.

При Nт < Nк (недостаток располагаемой мощности ГТ) снижается n.

10.3.2. Приемистость ТРД

Приемистостью ТРД называют способность двигателя быстро увеличивать тягу при перемещении рычага управления двигателем (РУД) на повышенный режим работы.

От приемистости зависят маневренность и разгонные характеристики ЛА. Приемистость оценивается временем tпр

253

перехода с режима малого газа (МГ) на максимальный режим:

tпр = f(nМГ, Nт > Nк, Минерц.ротора),

где Nт = f Tг (Mт ), πт (Fкр ) ; Nк = f (i – углы набегания

потока на лопатки РК).

В начале перехода на повышенный режим, когда n << nmax (центробежные силы малы), допускается кратковременное увеличение температуры Tг >Tг max на 40…70 °С

(из условия прочности деталей ГТ). При этом расход топлива Мт в 1,5…2,5 раза превышает Мт на установившемся ре-

жиме (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Законы изменения M т (Tг ) при «разгоне» ГТД

Однако темп роста Tг (Mт ) ограничен, с одной стороны,

возможностью богатого срыва пламени в КС при малых Мв, а с другой – минимальным запасом устойчивости ∆Kу min

(рис. 10.5).

Ограничение по ∆Kу min связано с тем, что при увеличении Тг уменьшается расход газа через СА первой ступени

ГТ МгСА. Так как значение Тг на переходных режимах ра-

254

боты ТРД выше, чем на установившихся, ГТ оказывает больший дросселирующий эффект на рост Мв через компрессор. Темп роста q(λвх) при «разгоне» не будет пропорционален темпу роста πк (n) , следователь-

но, будет возрастать отношение

↑↑( πк ) , ЛСР сместится ближе

↑ q λвх

к ГГУ в соответствии с уравне-

нием ЛСР (10.18).

При полете на больших высотах с малыми числами М, когда расход воздуха минимальный Мв min, первым наступает ограничение по богатому срыву пламени в КС.

На малых и средних высотах при значительных числах М полета раньше наступает ограничение по запасу устойчи-

вости ОК ∆Kу min.

Летчик перемещает РУД из режима МГ в максимальный режим быстро, а автомат приемистости обеспечивает необ-

ходимый темп увеличения подачи топлива в КС (↑Тг ) с учетом всех ограничений.

10.3.3. Запуск ТРД

Запуск ТРД делится на 3 этапа:

1. Холодная раскрутка ротора стартером без подачи топлива в КС до частоты вращения n1 = (0,1…0,15)nmax (рис. 10.6). Подача топлива до n1 не имеет смысла, так как из-

за низких значений πт и ηт работа турбины Lт ≤ ΣLr.

2. При n > n1 в КС начинает подаваться топливо (↑ Мт ) . Так как Lт > ΣLr, раскрутка ротора производится совместно

255

стартером и ГТ до n2 > nрав (npав – равновесная частота вращения).

При n = n2, Nт > Nк в 1,5…2 раза. Это необходимо для увеличения надежности запуска созданием избытка мощности ∆Nт (крутящего момента ∆Мт = Мт – Мк), так как при равновесной частоте вращения nрав Мт = Мк.

3. При n2 стартер отключается, и дальнейшая раскрутка ротора до nМГ = (0,4…0,6)nmax производится ГТ.

На втором и третьем этапах Tг >Tг.потр , поэтому ЛСР смещается к ГГУ (рис. 10.7), что приводит к снижению ∆Kу. Если темп роста Тг (↑ Мт ) превысит допустимый, ЛСР пере-

сечет ГГУ и произойдет «горячее зависание» (см. рис. 10.7), то есть Tг продолжает возрастать в прежнем темпе, а частота вращения n и расход воздуха Мв из-за срыва в ОК (↑↑ Nк ) увеличиваются медленно. В этом случае необ-

ходимо немедленно прекратить запуск, чтобы не допустить перегрева ГТ вследствие снижения эффективности ее охлаждения.

256

Если темп роста расхода топлива M т (↑Тг ) недостаточный, возникает «холодное зависание», то есть избыток мощности ГТ ∆Nт(∆Мт) недостаточен, раскрутка ротора (↑ n)

идет вяло и по истечении заданного времени выхода ТРД на режим МГ автоматика прекратит запуск. Топливная автоматика точно дозирует расход топлива Мт при запуске, учитывая величины давления рн и температуры Тн воздуха на входе в двигатель.

Раскрутка ротора может осуществляться стартерами различных типов.

Для ВРД с Мв < 60 кг/с применяются электростартеры, электрические стартеры-генераторы или воздушно-турбин- ные стартеры.

Для ВРД с Мв > 60 кг/с применяются газотурбинные стартеры или воздушно-турбинные стартеры.

10.4. Номенклатура основных режимов работы ТРД

1.Чрезвычайный режим (ЧР) – установившийся кратковременный режим работы ТРД, используемый при чрезвычайных ситуациях, требующих получения максимально возможного значения тяги, даже ценой снижения ресурса двигателя.

2.Максимальный (взлетный) режим – установившийся режим работы ТРД, характеризующийся максимальной тягой на земле и в полете в течение ограниченного времени, так как на элементы конструкции двигателя действуют максимальные нагрузки.

Параметры: Rmax; Tг max ; nmax.

Используется при взлете, наборе высоты, боевом маневрировании.

3. Номинальный режим – установившийся режим работы ТРД, характеризующийся пониженными значениями частоты вращения ротора и температуры газа перед ГТ.

257

Параметры: Rном = (0,85…0,9)Rmax; nном = (0,96…1,0)nmax.

Используется при наборе высоты в гражданской авиации и как основной режим в истребительной авиации. На номинальном режиме двигатель должен проработать весь ресурс.

4. Крейсерский (максимальный крейсерский) режим –

установившийся режим работы ТРД, характеризующийся пониженными значениями частоты вращения ротора и температуры газа перед ГТ.

Параметры: Rкр = (0,7…0,75)Rmax ≈ 0,85Rном; nкр ≈ 0,9nmax.

Используется при горизонтальном полете с минимальным временем полета на максимальную дальность.

5. Экономичный (пониженный крейсерский) режим.

Параметры: Rэк = (0,5…0,6)Rmax ≈ (0,6…0,75)Rном.

Используется при полете на максимальную дальность на наиболее экономичных скорости и высоте полета.

6.Режим полетного малого газа – установившийся ре-

жим работы ТРД при минимальной частоте вращения ротора, обеспечивающий требуемую приемистость и величину тяги при заходе на посадку.

7.Режим земного малого газа (МГ) – минимальный ус-

тановившийся режим работы ТРД.

Параметры: RМГ = (0,03…0,05)Rmax; nМГ = (0,4…0,6)nmax,

где nМГ – минимальная частота вращения, при которой обеспечивается устойчивая работа ТРД и требуемая приемистость при работе на земле.

Используется при прогреве двигателя после запуска. Вследствие существенного снижения КПД ОК ηк на

nМГ, ТМГ незначительно ниже Тmax . Из-за низкого значения πк , следовательно, значительного снижения расхода воздуха

Мв на режиме МГ, условия охлаждения турбины (отбор охлаждающего воздуха от ОК уменьшается) ухудшаются. На режиме МГ требуется контроль за ТМГ и ограничение времени работы двигателя до 10…15 мин.

258

8. Реверсивный режим – установившийся режим работы двигателя, соответствующий максимальному режиму, при включенном реверсивном устройстве. Время работы на реверсивном режиме ограничено несколькими минутами.

Используется для интенсивного торможения самолета после касания ВПП, а также при рулении на земле и при боевом маневрировании (в истребительной авиации).

Контрольные вопросы

1.Какие режимы работы двигателя называют установившимися?

2.Объяснить практическую значимость уравнения совместной работы ГТ и РС.

3.Объяснить практическую значимость уравнения линии совместной работы ОК, КС, ГТ.

4.Как изменится запас устойчивости ОК при уменьшении площади критического сечения РС?

5.При каком условии режимы работы двигателя являются неустановившимися?

6.Чем вызваны ограничения при обеспечении быстрого перевода ТРД на повышенный режим работы?

7.Перечислить этапы запуска ТРД.

8.Почему время работы ТРД на режиме МГ ограничено?

Задача

стике компрессора (изобразить произвольно). Как изменится положение этой линии, если при программе регулирования n = const:

1)увеличивается площадь Fкр на 10 %?

2)уменьшается площадь Fкр на 20 %?

259

11. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД

Важнейшими параметрами, характеризующими ТРД при его эксплуатации, являются тяга R и удельный расход топ-

лива cR.

Двигатель, установленный на летательный аппарат, эксплуатируется в широком диапазоне скоростей и высот полета, режимов работы (от МГ до максимального), температур и давлений атмосферного воздуха. Важно знать, как изменяются R и cR при изменении скорости (числа M), высоты Н полета, режима работы двигателя (n) и параметров атмосферного воздуха (Тн, рн).

Действительно, изменение Н и М приводит к изменению температуры Тн, давления рн, скорости воздуха V на входе в двигатель. Это вызывает изменение полных параметров Твх

При изменении πдв изменяются расход воздуха Мв, давление за компрессором рк и давление по всему тракту двигателя. Изменение давления газа за турбиной (на входе в РС) pт вызывает изменение полной степени понижения давления газа в РС πc = pт / pн , следовательно, изменение скорости ис-

течения газа сс. Удельная тяга Rуд = сс – V и тяга R = RудМв при этом будут изменяться.

260