книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы
.pdfЭто объясняется тем, что при увеличении Тг ↑Q1 ↑ Lвн ↑ Le ↑сс ↑ Rуд ↑ R . Рост R особенно значителен при бóльших M полета, так как относительное увеличение Rуд max при увеличении степени подогрева воздуха
Q ~↑Т |
Т |
возрастает с ростом М полета. |
|
1 |
г |
к |
|
При бóльших значениях Тг.р бóльшие значения имеет сс,
следовательно, «вырождение ТРД» наступает при бóльших числах Мmax полета (см. рис. 11.17, а).
У ТРД с бóльшими значениями Тг.p (Тг max ) экономичность хуже (↑cR ). Это объясняется тем, что у современ-
ных ТРД Тг.р >Тэк , и ее дальнейшее увеличение ведет
к росту сR.
Только в области М полета, близких к Мmax, когда начинается «вырождение ТРД», двигатель с более высокой Тг.p становится экономичней (рис. 11.17, б).
Влияние программы регулирования на СХ ТРД
При ПР, соответствующих условиям πт = const (Fкр =const) ; n = const, режим работы газогенератора зависит
только от Твх , так как ее изменение влечет за собой измене-
ние приведенной частоты nпр. Из рассмотрения характеристик ОК разной напорности (рис. 11.18) видно, что, напри-
мер, уменьшение |
п |
(↑Т |
) приводит к |
↑ ∆K |
у |
↑η |
– |
||
|
пр |
вх |
|
|
|
|
к |
|
|
у низконапорных ОК (рис. 11.18, а), к ↓ ∆K |
у |
↓η |
– у вы- |
||||||
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
соконапорных ОК (рис. 11.18, в), а |
также к сохранению зна- |
||||
чения |
∆K |
у |
= const η |
= const – |
у средненапорных ОК |
|
|
к |
|
|
(рис. 11.18, б).
281
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
б |
|
|
|
|
|
в |
|
|
Рис. 11.18. Влияние напорности ОК на положение ЛСР |
|||||||||||
|
У |
ТРД |
с |
низконапорным ОК |
при |
↑Твх ↑ ∆Kу |
||||||
↑η |
↓ L < L ↑ n < n САУ↓ M |
т |
↓Т |
↓ L |
||||||||
|
к |
|
к |
т |
p |
|
|
|
г |
т |
||
↓ п = п . То есть при увеличении Т (↑ M, |
↓ H ) снижа- |
|||||||||||
|
|
р |
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
ется Тг . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
У |
ТРД |
с высоконапорным ОК |
при |
↑Твх ↓ ∆Kу |
|||||||
↓η |
↑ L > L ↓ n < n САУ↑ M |
т |
↑Т |
↑ L |
||||||||
|
к |
|
к |
т |
p |
|
|
|
г |
т |
||
↑ п = п . То есть при увеличении Т |
(↑ М, |
↓ Н) |
растет Т . |
|||||||||
|
|
р |
|
|
вх |
|
|
|
|
|
г |
|
|
У |
ТРД |
со |
средненапорным ОК при |
|
↑Твх ∆Kу ≈ |
||||||
≈const η |
≈ const , L |
≈ L ≈ const n = n |
, |
то |
есть при |
|||||||
|
|
к |
|
к |
т |
|
|
p |
|
|
|
увеличении Твх , Тг =const .
Влияние ПР на СХ проявляется в основном через изменение Тг , Мв, ηк при изменении числа М полета.
Сравним зависимости R(M) у ТРД с нерегулируемыми низконапорным и высоконапорным ОК при различных ПР.
ТРД с низконапорным ОК
1. ПР: n = const, Тг =const (Fкр = var).
При |
↑Т |
↑ ∆K |
↑η |
↓ L < L ↑ n > n |
|
|
вх |
у |
к |
к т |
p |
САУ↓ F |
↓ π ↓ L ↓ n = n |
(рис. 11.19). |
|
||
кр |
т |
т |
p |
|
|
|
|
282 |
|
|
2. ПР n = const (Fкр = const). |
|
|||||||||
При увеличении Твх снижается Тг , так как поддержи- |
||||||||||
вать Тг =const не представляется возможным (Fкр = const). |
||||||||||
Зависимость |
R(M) |
пройдет |
|
|
||||||
ниже |
аналогичной |
зависи- |
|
|
||||||
мости |
для |
ТРД |
с |
|
ПР: |
|
|
|||
n = const, |
Тг =const , вслед- |
|
|
|||||||
ствие |
снижения |
|
Rуд ↓ R |
|
|
|||||
при уменьшении Тг (см. |
|
|
||||||||
рис. 11.19). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. ПР |
Тг =const (Fкр = |
Рис. 11.19. Влияние ПР на СХ |
||||||||
= const). |
|
|
|
|
|
|
|
ТРД с низконапорным ОК |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При ↑Т ↑ ∆K |
у |
↑η |
↓ L |
< L ↑ n . Поддержи- |
||||||
|
|
|
вх |
|
|
|
к |
к |
т |
|
вать n = const не представляется возможным, так как САУ |
||||||||||
обязана поддерживать Тг =const (Мт = const). Зависимость |
||||||||||
R(M) пройдет выше аналогичной зависимости для ТРД с ПР: |
||||||||||
n = const; Тг =const , так как при увеличении n увеличивается |
||||||||||
π ↑ R |
и ↓ М |
в |
, следовательно, растет R (см. рис. 11.19). |
|||||||
к |
уд |
|
|
|
|
|
|
|
|
ТРД с высоконапорным ОК
1. ПР: n = const; Тг =const (Fкр = var).
При |
↑Т ↓ ∆K |
у |
↓η ↑ L > L ↓ n < n |
||||
|
вх |
|
к |
к |
т |
p |
|
САУ↑ F |
↑ π ↑ L ↑ n = n . |
|
|
|
|||
кр |
т |
т |
|
p |
|
|
|
Зависимость R(M) |
при |
данной |
ПР |
изображена |
на |
||
рис. 11.20. |
|
|
|
|
|
|
|
2. ПР n = const (Fкр = const). |
|
|
|
||||
При увеличении Твх |
растет Тг , |
так как поддерживать |
Тг =const не представляется возможным. Зависимость R(M)
283
Рис. 11.20. Влияние ПР на СХ ТРД с высоконапорным ОК
пройдет выше |
аналогичной |
зависимости |
для ТРД с ПР: |
||||
n = const; Т =const , вследствие роста |
R |
↑ R при увели- |
|||||
г |
|
|
|
|
|
уд |
|
чении Тг (см. рис. 11.20). |
|
|
|
|
|||
3. ПР Тг =const (Fкр = const). |
|
|
|||||
При ↑Т |
↓ ∆K |
у |
↓η |
↑ L > L ↓ n . Поддержи- |
|||
вх |
|
|
к |
к |
т |
|
вать n = const не представляется возможным, так как САУ обязана поддерживать Тг =const (Мт = const). Зависимость R(M) пройдет ниже аналогичной зависимости для ТРД с ПР:
n = const; |
Тг =const , так как при снижении n уменьшает- |
||||
ся |
π ↓ R |
и ↓ М |
в |
, следовательно, снижается R (см. |
|
|
к |
уд |
|
|
|
рис. 11.20). |
|
|
|
11.2.3. Высотные характеристики ТРД
Высотные характеристики (ВХ) ТРД – это зависимости R(H) и cR(H) на заданном режиме работы двигателя, при M = const и принятой ПР.
Условия построения ВХ:
1.M = const;
2.ПР: n = nmax = const; Тг =Тг max = const.
284
Зависимость R(H)
Взаимное изменение Rуд и Мв при изменении высоты полета Н (рн, Тн) будет определять характер протекания зависи-
мости R(H) (рис. 11.21).
При увеличении высоты полета Н:
1)↓↓ рвх ↓↓ рк ;
2)↓Твх ↑ πк ↑ рк .
Так как темп умень-
шения рк вследствие снижения рвх превосходит темп роста рк вследствие роста
πк ~ 1 ↓Твх , то в целом бу- |
|
||
дет |
происходить уменьше- |
|
|
ние |
р . |
|
|
|
к |
|
|
|
Темп уменьшения |
р |
Рис. 11.21. Зависимость R(H) |
|
|
к |
при увеличении Н сдержива-
ется некоторым ростом πк , а уменьшение рн ~↑ H , следовательно, будет расти степень расширения газа в РС:
|
↓ р (↓ р ) |
|
|
|
|
|
π = |
т |
к |
↑с |
↑ R |
= ↑с |
−V. |
|
|
|||||
с |
↓↓ рн |
|
с |
уд |
с |
|
|
|
|
|
|
|
Характер зависимости R(H) будет определяться более энергичным, по сравнению с ростом Rуд, снижением расхода
воздуха |
Мв = ↓↓ρвхcвхFвх |
при |
увеличении |
Н. |
При |
|||||
увеличении высоты |
полета |
Н |
будет |
уменьшаться |
тяга |
|||||
R =↓↓ Мв ↑ Rуд (см. рис. 11.21). |
|
|
|
|
|
|
||||
При увеличении Н > 11 км |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
↓ р |
|
|
|
T |
= const π |
= const |
π |
= |
т |
= const c |
= |
|
||
|
|
↓ р |
|
|||||||
н |
|
к |
|
|
c |
|
c |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
|
|
285
=const Rуд = const .
Темп снижения расхода воздуха Мв и тяги R возрастает, так как отсутствует сдерживающее действие роста Rуд на
уменьшение R и роста πк на снижение Мв (↓↓ R ~↓↓ Мв ).
Зависимость cR(H)
Взаимное изменение Q0 и Rуд при увеличении H полета, определяет характер протекания зависимости cR(H) ~ Q0/Rуд
(рис. 11.22). |
|
|
|
|
Н |
При |
|
увеличении |
|||
↓Тн ↓Твх |
|
↓Тк , следова- |
|||
тельно, ↑Q =c |
р.г |
(T −↓T ) . |
|||
0 |
|
г |
к |
||
Темп |
роста |
Q0 |
сдер- |
живается увеличением πк↑Тк , поэтому темп роста
Rуд превосходит темп роста
Рис. 11.22. Зависимость cR(H) Q0 и удельный расход топли- ва снижается:
|
|
|
↓cR ~ ↑Q0 ↑↑ Rуд . |
|
|
|
|
||||
При увеличении Н > 11 км: |
|
|
|
|
|
|
|||||
1) |
Т |
н |
=const Т |
=const Q = const ; |
|
|
|
||||
|
|
к |
0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
↓↓ |
р |
|
|
2) |
Т |
=const π |
=const π |
= |
|
т |
= сonst c |
= |
|||
к |
к |
|
↓↓ |
р |
|||||||
|
|
|
|
c |
|
c |
|
н
=const Rуд = const .
Следовательно, при увеличении Н > 11 км сR = const.
11.2.4. Климатические характеристики ТРД
Климатические характеристики (КХ) ТРД – это зависимости R(Тн, рн) и cR(Тн, рн) на заданном режиме работы двигателя, при M = const, Н = const и принятой ПР.
286
КХ ТРД определяют стартовые параметры (R, cR) при работе двигателя на земле, при взлете и посадке.
Условия построения КХ:
1)M = const;
2)Н = const;
3)ПР: n = nmax = const; Тг =Тг max = const .
Зависимости R(Тн), cR(Тн)
Взаимное изменение Rуд и Мв при изменении температуры атмосферного воздуха Тн будет определять характер протекания зависимости R(Тн) (рис. 11.23).
При |
|
↓Т |
↓Т |
↑ π |
↑ р ↑ р ↑ π = |
|||
|
|
н |
|
вх |
|
к |
к т |
с |
=↑ р р |
↑ L |
↑с |
↑ R |
|
. При увеличении π |
также |
||
т н |
РС |
|
с |
уд |
|
к |
|
увеличивается Мв. Таким образом, при увеличении Тн энергично растет тяга ТРД (↑↑ R =↑ Rуд ↑ Мв ).
Снижение сR при уменьшении Тн объясняется ростом тяги R при постоянном расходе топ-
лива ↓сR = |
Мт |
. |
|
|
|
||
|
↑ R |
|
|
При уменьшении Тн с +45 |
|
||
до –30 °С тяга ТРД увеличива- |
|
||
ется примерно в 1,5 раза, а сR |
|
||
снижается примерно на 15 %. |
Рис. 11.23. Зависимости |
||
При уменьшении tн < 0 °С |
|||
темпы роста R и снижения сR |
R(Тн) и сR (Тн) |
||
замедляются, так как при высо- |
|
||
ких значениях nпр заметно падает |
КПД компрессора η |
||
|
|
|
к |
(см. рис. 5.12), следовательно, замедляется рост πк .
287
Зависимости R(pн), cR (pн)
При увеличении атмосферного давления рн пропорционально увеличивается давление по тракту ТРД, но это не
приводит к росту Rуд, так как πс =↑ рт ↑ рн =const LРС = =const , следовательно, сс = const и Rуд = const. Однако
вследствие роста давления pг в ТРД увеличивается расход
газа через сопловой аппарат первой ступени ГТ МгСА. Дросселирующий эффект ГТ на компрессор уменьшается, что приводит к росту расхода воздуха Мв. Тяга ТРД с ростом рн возрастает: ↑ R = Rуд ↑ Мв пропорционально росту рн. При
этом уменьшается ↓сR = ↑МRт .
11.3. Методы получения эксплуатационных характеристик
11.3.1. Экспериментальные методы
Экспериментальным путем ЭХ получают в процессе специальных испытаний на наземных стендах или в условиях полета.
ЭХ, полученные экспериментально, являются наиболее точными, так как учитывают все факторы, действующие в реальных условиях работы двигателя. Однако для их получения требуются дорогостоящие стенды и летающие лаборатории. Поэтому обычно на наземных стендах экспериментально получают только ДХ при Н = 0 и М = 0.
11.3.2. Расчетные методы
Расчетные методы позволяют получать ЭХ с меньшими затратами сил и средств, а также получать ЭХ вновь проектируемых двигателей. ЭХ получают в результате расчета R и cR при различных значениях n, M, H.
288
Основная сложность при расчете ЭХ заключается в том, что необходимо иметь характеристики отдельных узлов (ВЗ, ОК, КС, ГТ, РС) двигателя с нанесенными на них линиями рабочих режимов (ЛРР) в соответствии с заданной программой регулирования. Характеристики отдельных узлов также необходимо получить экспериментально или рассчитать с учетом максимального количества действующих на узел факторов.
Таким образом, получение ЭХ расчетными методами с достаточно высокой точностью тоже требует значительных затрат сил и средств.
Для приближенной оценки двигателя при минимуме информации о нем с приемлемой точностью можно применить приближенные аналитические методы расчета ЭХ.
Сущность этих методов заключается в том, что характеристики всех узлов задаются приближенно – аналитическими зависимостями – либо принимаются постоянными, что и определяет погрешность метода.
Численные значения коэффициентов потерь энергии в узлах двигателя и КПД узлов задаются исходя из статистических данных для этого класса двигателей.
С учетом того, что современные ГТД имеют осевые компрессоры с высокой степенью регулирования, допущение о том, что КПД компрессора остается примерно постоянным при изменении условий полета и режима работы двигателя, является вполне корректным.
11.4. Приведение параметров ТРД к стандартным атмосферным условиям
Характеристики ТРД приводят к стандартным атмосферным условиям по формулам, получаемым с использованием теории подобия.
По аналогии с приведением данных испытаний при построении характеристик ОК к стандартным атмосферным условиям:
289
п |
= |
п 288 |
; |
М |
|
= М |
101300 Твх |
, |
(11.3) |
||
|
|
|
|
|
|||||||
Т |
|
в р |
288 |
||||||||
пр |
|
|
|
пр |
|
|
|
||||
|
|
вх |
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
можно, например, привести к стандартным атмосферным условиям данные испытаний, полученные при построении дроссельных характеристик ТРД на стенде (М = 0).
На подобных режимах (nпр = const) должно соблюдаться условие равенства комплексных параметров:
|
|
|
сс.пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
|
|
с |
288 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
с |
|
|
с |
|
|
= |
с |
|
|
; |
(11.4) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
288 |
|
|
|
|
|
Твх |
|
с.пр |
|
|
Твх |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
САУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
сR пр |
|
|
|
|
|
= |
|
сR |
|
|
сR пр = |
сR |
288 |
|
; |
(11.5) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
288 |
|
|
|
|
Твх |
|
Твх |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
САУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
101300 |
|
Т |
|
|
288 |
|
101300 |
|
|||||||||
R |
= М |
|
|
c |
= М |
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
с |
|
|
|
= R |
|
|
|
. (11.6) |
|||
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рвх |
||||||||||
пр |
|
в.пр |
с.пр |
|
|
|
в |
|
|
|
288 |
|
с Т |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
Использование формул приведения позволяет обратным пересчетом получить параметры двигателя (сс, сR, R и др.) при любом сочетании параметров воздуха рвх , Твх на входе
в ТРД, если известны эти параметры в стандартных атмосферных условиях (сс.пр, сR пр, Rпр и др.).
11.5. Области эксплуатационных ограничений ТРД
При регулировании ТРД помимо поддержания наиболее выгодного протекания эксплуатационных характеристик необходимо обеспечить устойчивую работу элементов двигателя и исключить механические и тепловые перегрузки в узлах и деталях конструкции. Поэтому САУ осуществляет ряд эксплуатационных ограничений режимов работы силовой установки несмотря на ухудшение тяговых и экономических характеристик.
290