книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

К недостаткам летающих лабораторий относится их слож­ ность и дороговизна, а также ограниченность диапазона высот­ ных и скоростных испытаний, который определяется летно-тех­ ническими данными самолета-лаборатории. Очевидно, что новый (испытуемый) двигатель не может быть испытан на скоростях и высотах полета, которые не доступны самолету-лаборатории.

Расчетный (аналитический) метод получения характеристик двигателя в настоящее время достиг высокой степени совершен­ ства, особенно в связи с применением электронных быстродей­ ствующих счетно-решающих машин. Характеристики двигате­ лей, полученные таким способом, дают небольшую степень по­ грешности, как правило, не превышающую 2—3%.

Программа регулирования двигателя

положением органов регулирования. Эта закономерность обеспе­ чивает наивыгоднейшее протекание характеристик двигателя.

Примерами программ регулирования являются программы регулирования на максимальную тягу (мощность) двигателя, на наилучшую его экономичность, на сохранение полного подо­ бия работы турбокомпрессора, на минимальный уровень шума двигателя при заданной тяге и т. д.

Регулирующие органы и регулируемые параметры

Режим работы ГТД устанавливается с помощью регулирую­ щих органов. К ним относится прежде всего регулятор подачи топлива, сблокированный обычно с регулятором числа оборотов. Воздействуя с помощью рычага управления двигателем (РУД) на регулятор подачи топлива, можно изменять секундный рас­ ход топлива, подаваемого в камеру сгорания, а следовательно, число оборотов ротора; в случае ТРД с неизменной геометри­ ей— и температуру газа перед турбиной ротора. Таким образом, о р г а н р е г у л и р о в а н и я (регулятор подачи топлива) че­ рез регулировочный фактор (секундный расход топлива) воздей­ ствует на режимный параметр — число оборотов ротора. При неизменном положении РУД регулятор оборотов поддерживает постоянные обороты ротора двигателя. Если двигатель имеет два независимых друг от друга органа регулирования (напри­ мер, регулятор подачи топлива и регулятор реактивного сопла), а следовательно, два регулирующих фактора (секундный расход топлива и критическое или выходное сечение реактивного сопла), то и число независимо регулируемых друг от друга режимных параметров также равно двум: число оборотов ротора двигателя и температура газа перед турбиной. Число регулируемых пара­ метров всегда равно числу регулирующих факторов.

11

Кроме регулятора оборотов, современные газотурбинные двигатели снабжены рядом других автоматов, которые регули­ руют те или иные режимные параметры. Причем, чем сложнее авиационный газотурбинный двигатель, тем больше на нем имеется автоматических устройств. На двигателе устанавлива­ ются автоматы, регулирующие положение реактивного сопла, направляющего аппарата компрессора, изменения температуры газа перед турбиной, шаг .винта и т. д.

ют зависимости тяги и удельного расхода топлива от числа обо­ ротов двигателя при заданной программе регулирования. Эти характеристики обычно дополняют кривой часового расхода топ­ лива, а также кривой изменения температуры газа за турбиной. Последняя дает возможность судить о степени надежности в эксплуатации камеры сгорания, турбины и реактивного сопла двигателя. Таким образом, дроссельные характеристики изобра­ жают в виде кривых:

А?=/(я); Суд= /(я ); От= /( я ) ; Т \= /(п ).

ч

В некоторых случаях дроссельные характеристики представ­ ляют в .виде зависимостей удельного расхода топлива от отно­ сительной тяги:

Суд = /(Я ),

где

*= т ~ -

^макс

Изменение числа оборотов двигателя происходит путем из­ менения подачи топлива в камеру сгорания. Последнее осущест­ вляется при помощи перемещения РУД.

При увеличении подачи топлива в камеру сгорания возра­ стает температура газа на входе в турбину, при этом мощность турбины увеличивается и становится больше, чем мощность ком­ прессора:

Агт >ЛГк.

12

Избыточная мощность турбины, равная ДЛ^ = Л^Т—Л^., расхо­ дуется на ускорение вращения турбокомпрессора двигателя, т. е. на увеличение его оборотов. Рост оборотов прекращается тогда, когда на некотором режиме снова устанавливается равенство мощностей:

Л^т= уУк.

Если уменьшить подачу топлива в камеру сгорания, то про­ цесс будет обратным. Теперь изменившаяся мощность турбины уже будет меньше мощности компрессора:

< м к.

Возникший дисбаланс мощностей устраняется путем сниже­ ния оборотов двигателя до нового их равновесного значения.

Программы регулирования при дросселировании предусмат­ ривают закономерности изменения проходных сечений газовоз­ душного тракта двигателя в зависимости от числа оборотов (например, регулирования реактивного сопла или направляюще­ го аппарата). Эти закономерности подбираются таким образом, чтобы обеспечить хорошую экономичность работы двигателя на пониженных режимах, улучшить эксплуатационные свойства двигателя (например, увеличить запас по помпажу, улучшить приемистость ТРД). В частном случае программа регулирова­ ния ТРД предусматривает неизменную геометрию двигателя, т. е. соблюдение условий: /б = соп51, фна = соп$1 и т. д .

§1. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА КОМПРЕССОРА

ИТУРБИНЫ В ТРД

Основные уравнения

Характеристики ТРД в значительной степени определяются совместной работой компрессора и турбины.

Ниже рассматриваются основные уравнения совместной ра­

13

где т)ш — механический к. п. д., учитывающий трение в подшип­ никах турбокомпрессора, а также расходы мощности

**

Р н

Рг

Уравнение линии рабочих режимов

Пользуясь уравнениями (2.2) и (2.4), можно вывести обоб­ щенное уравнение линии рабочих режимов ТРД в виде зависи­ мости'

и нанести его на характерце гику компрессора ТРД.

14

Напишем соотношение между расходами воздуха для сечения на входе в компрессор и газа для критического сечения сопло­ вого аппарата турбины:

Р Ф = С ? С А

пли

Имея в виду, что Т*=Т*н’, 7'*Сд = 7з,

Р си^Р Р аЛ .',

преобразуем уравнение (2.7). Получим

(2-8)

Р1

где

тг

от.

ТО

_ /,

/СА Уравнение (2.8) представляет собой трансформированное

уравнение расхода. На характеристике компрессора в координа­

тах гк и <7(Л|) это уравнение для различных значенийД

1н

постоянных для данного двигателя, изображается семейством прямых линий (рис. 2.1). Чем больше Д (т. е. чем больше Т3 и

чем меньше 7л), тем больше наклон прямой.

Преобразуем теперь уравнение баланса работ (2.4). Имеем

Н .1 18738?%= 102,5’Г*„(ек- 1) - V ,

15

Из этого выражения найдем

Значение-^- подставим в уравнение (2.8).

1н После несложных преобразований получим

Тогда уравнение линии рабочих режимов изобразится на харак­

уравнением (2.10) при оговоренных выше условиях (р=1; ят = = соп$1; ?(т =соп51; г)к= соп51).

Если же учесть реальную закономерность изменения л*, а

Имеем

р/" п*0.286 _ 2 = ьч (/.).

Найдем л к из условия ----- -— = 0 . В этом случае

<■0,286

= 0.

Преобразуя данное выражение, получаем

2^,286 _ 2== о,286п*к0'285.

Откуда

также падение ц* и г*к в области малых оборотов, то реальная линия рабочих режимов изобразится кривой а-Ь-с-й. Вдоль

этой линии температура газа Г3 сначала падает, достигает ми­ нимума в точке с, а затем непрерывно растет.

Линию рабочих режимов а-Ь-с-й условно обозначают /э —сопз!, так как она построена в предположении, что выходное сечение реактивного сопла не регулируется.

Влияние регулирования реактивного сопла и соплового аппарата турбины на режим работы

турбокомпрессора при ппр = соп5{

С увеличением критического (выходного) сечения реактивно­ го сопла режимная точка турбокомпрессора перемещается вдоль напорной характеристики компрессора (/гпр = сопз1) в область

пониженных значений як и Г3. С уменьшением сечения эта точка

смещается в область повышенных значении як и Т3.

В самом деле, при увеличении выходного сечения реактивно­ го сопла противодавление за турбиной снижается, а перепад дав­ лений на турбине растет1. Работа турбины при заданном числе оборотов становится больше работы компрессора. Это должно было бы привести к увеличению оборотов. Но так как регулятор

видистантно в область пониженных значений я к и Г3 . С уменьшением площади реактивного сопла она сдвигается в область

Повышенных значений Як и Г3.

1 См. уравнение (2.13)

17

Регулирование критического сечения соплового аппарата осу­ ществляется путем синхронного поворота его лопаток специаль­ ным механизмом (рис. 2.3). Связь между углом выхода сопло­ вого аппарата ах и критическим сечением соплового аппарата выражается следующим уравнением

/ Кр= /Л зт а„

где I — шаг лопаток соплового аппарата (СА);

к— высота лопаток соплового аппарата.

Суменьшением <х\ величина /кР уменьшается и наоборот. Из уравнения расхода (2.7) следует, что увеличение /сл

уменьшает перепад давлений на турбине лтДействительно, чем больше угол <ц, тем меньше окружная составляющая скорости истечения из соплового аппарата турбины с Хи = С\ созсц и тем меньше работа турбинной ступени:

Рис. 2.3. Схема регулируемого сопло­ вого аппарата турбины

ложное действие на изменение л к и Тз.

На рис. 2.4 показано семейство линий рабочих режимов при

/сл = СОП5*.

18

Описанным выше методом воздействия критического сечения соплового аппарата турбины на параметры двигателя часто пользуются в ОКБ авиационных, заводов в процессе доводки опытных двигателей.

На серийных двигателях регулируемые сопловые аппараты не получили широкого распространения из-за присущих им орга­ нических дефектов: больших утечек газа в радиальном зазоре и трудностей обеспечения надежной работы поворотного меха­ низма при высоких температурах газа.

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД ПО ЧИСЛУ ОБОРОТОВ

Изменение коэффициентов полезного действия и коэффициентов потерь основных элементов (узлов)

ТРД по числу оборотов

Гидравлическое и газодинамическое совершенство двигателя ТРД оценивается:

с помощью коэффициентов полезного действия г]* компрес­ сора, турбины;

коэффициентов падения полного давления (коэффициентов потерь) а* входного устройства, камеры сгорания, форсажной камеры, диффузора;

коэффициента скорости ср реактивного сопла.

В процессе работы двигателя больше всего изменяется к.п.д. компрессора.

При дросселировании двига­ теля он сначала возрастает до ве­ личины 0,84—0,88, а затем при дальнейшем снижении оборотов падает (рис. 2.5).

Коэффициент полезного дей­ ствия турбины имеет постоянное значение 0,90—0,93 в широком диапазоне чисел оборотов и пада­ ет лишь в области глубокого дросселирования.

Коэффициенты потерь входно­ го устройства о*х , камеры сгора-

19

Изменение давления газа в характерных сечениях газовоздушного тракта ТРД при дросселировании двигателя

С увеличением числа оборотов ротора ТРД непрерывно воз­ растает работа и степень сжатия компрессора. Это следует из уравнения

Следовательно, непрерывно увеличивается и полное давле­ ние воздуха за компрессором ^2- Это, в свою очередь, приводит к увеличению полного давления газа перед турбиной /?з, на вы­ ходе из турбины /?4, а также на срезе реактивного сопла рв-

Полное давление на входе в компрессор р\ с ростом числа оборотов ротора несколько умень­ шается в результате увеличения гидравлических потерь во входном устройстве двигателя с ростом скоростей течения на входе в дви­ гатель, т. е. увеличением ЛкДМи).

Увеличение степени сжатия компрессора приводит к росту сте­ пеней расширения турбины и ре­ активного сопла, так как

*

РА

”кр==(~ ~ ~ ) =1,85 (при к = 1,33).

Но ~ РН

С дальнейшим ростом чисел оборотов и, следовательно, сум-

ном сопле остается постоянным, как бы ни возрастало давление на входе в сопло. Данное обстоятельство приводит к тому, что

20