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

Двигателю выходить на более высокий конечный скоростной режим. Производительность топливного насоса при этом возра­ стает, что и приводит к повышенному расходу топлива.

Рис. 93. Изменение частоты вращения при разгонах ГТД с tKP= 5 с в условиях различной исходной нагрузки, соответствующей температурам 1020 К (а) и 1090 А (б), при следующей исходной частоте вра­

щения п"ри (в об/мин):

/ — 23 000; 2 — 24 800; 3 — 26 800; 4 — 28 600

В завершающей стадии разгонов, представленных на рис. 92, а, расход топлива по режимам отличается незначительно, так как в данных условиях исходная нагрузка является более низкой, чем в случае разгонов, представленных на рис. 92, б, и по этой

тость двигателя при его разгонах (рис. 93 и табл. 17). В первом случае (1020 К) время выхода двигателя на номинальный режим при разгонах с исходной частотой вращения 24800 об/мин умень­

160

шается по сравнению со временем выхода при 23 000 об/мин на 9%, а при разгонах с исходной частотой 26 800 и 28 600 об/мин —

Изменение приведенного расхода воздуха GB двигателем при работе в указанных режимах представлено на рис. 94. Эти зако­ номерности аналогичны закономерностям изменения частоты вра­ щения. О количественной стороне вопроса речь шла в п. 26,

a)Ge^Kjc

исходной частоте вращения я"ри (в об/мин):

Соотношение между расходами воздуха и топлива предопре­ деляет закономерность изменения температуры газа на режимах разгона. Эти закономерности изменения температур Т’пр газа

перед ступенью турбины для рассматриваемых режимов разгона представлены на рис. 95. Особенности режимов разгона этого типа приводят к некоторому своеобразию изменения температур. Здесь, как и раньше, имеют место забросы температур, но харак­ терным является уменьшение этих забросов с повышением исход­ ной частоты вращения. Кроме того, максимумы их наступают тем быстрее, чем выше исходная частота вращения; длительность удержания этого максимума при этом убывает. Так, если при разгонах с исходной частотой вращения 23 000 об/мин (рис. 95, а)

составляет 12,2%, то при п£ри — 28 600 об/мин— 11,3%; в первом случае этот максимум воздействует на лопатку практически без изменения в течение 0,7 с, а во втором — 0,2 с.

Рис. 95. Изменение температуры газа перед ступенью турбины при разгонах с /кр = 5 с в условиях различной исходной нагрузки, соответствующей температурам 1020 К (а) и 1090 К (б),

при следующей исходной частоте вращения я"ри(в об/мин):

1 — 23 000; 2 — 24 800; 3 — 26 800; 4 — 28 600

Рис. 96. Изменение относительной мощности при разгонах ГТД с ( , р = 5 с в условиях различной исходной нагрузки, соответ­ ствующей температурам 1020 К (а) и 1090 К (б), при следующей

исходной частоте вращения я"ри (в об/мин):

/ — 23 000; 2 — 24 800; 3 — 26 800; 4 — 28 600

Для разгонов, представленных на рис. 95, б, эти цифры со­ ставляют при разгонах с п£ри = 23 000 об/мин 11,1%, а при раз­

гонах с п?ри = 28 600 об/мин—5%; длительность воздействия мак­ симума на лопатку составляет 0,4 и 0,2 с соответственно.

162

31. Термодинамические показатели двигателя с изменяемой геометрией соплового аппарата на неустановившихся режимах

При работе газотурбинного двигателя на неустановившихся режимах снижаются экономические и эффективные показатели по сравнению с установившимися режимами, резко увеличивается температура газа перед лопатками турбины, что может привести к их обгоранию и выходу турбины из строя, могут наступить помпаж компрессора, срыв пламени в камере сгорания и ряд других явлений. Одним из способов уменьшения и устранения этих недостатков является применение соплового регулирования, которое также улучшает работу ГТД и на частичных установив­ шихся режимах.

Уменьшение проходного сечения соплового аппарата пово­ ротом лопаток дает возможность поднять температуру газа на режимах неполных нагрузок. Это позволяет повысить топлив­ ную экономичность на всех промежуточных режимах работы двигателя от холостого хода до полной мощности. При использо­ вании регулируемого соплового аппарата тяговой турбины удель­

Применение соплового регулирования позволяет также улуч­ шить приемистость ГТД, приближая ее к поршневым двигателям. Улучшение приемистости может быть достигнуто увеличением подачи топлива. Однако при чрезмерном увеличении подачи топ­ лива могут наступить такие явления, как неустойчивая работа компрессора, срыв пламени в камере сгорания, обгорание и разру­ шение рабочих лопаток. Переход к неустойчивым режимам работы характеризуется резким изменением шума и в большинстве слу­ чаев сопровождается вибрациями лопаток и компрессора. При неустойчивых режимах падает к. п. д. компрессора и уменьшается среднее давление воздуха на выходе из него. Неустойчивая работа компрессора может вызвать срыв пламени в камере сгорания и остановку двигателя, а возникающие вибрации—привести к раз­ рушению двигателя.

При эксплуатации ГТД необходимо избегать неустойчивых режимов на переходных процессах. Следовательно, компрессор

164

должен работать с некоторым запасом, называемым запасом устой­ чивости компрессора по помпажу и определяемым по формуле [32 ]

где лк. гр и G B. r p — степень повышения давления и расход воз­ духа в компрессоре на данных оборотах на границе помпажа;

лк и GB— степень повышения давления и расход воздуха в ком­ прессоре на тех же оборотах на линии рабочих режимов.

Применение регулируемого соплового аппарата турбины поз­ воляет сдвинуть линии совместных режимов компрессора и тур­ бины в область больших расходов, т. е. удалить их от границы неустойчивой работы.

Повышение температуры при разгонах ГТД приводит не только к неустойчивой работе, но и к обгоранию и разрушению лопаток турбины. Быстрое изменение температуры газа при таких режимах приводит также к возникновению неравномерного температур­ ного поля в лопатке, так как ее тонкие кромки прогреваются зна­ чительно быстрее, чем центральная часть профиля. В результате этой неравномерности в рабочей лопатке возникают температур­ ные напряжения, которые, складываясь с напряжениями от центробежных сил, могут явиться причиной разрушения лопа­ ток.

Устранить такое положение можно разработкой и примене­

приемистости, ограничителя максимальной температуры и др. Все эти мероприятия по расширению границ устойчивой работы и снижению термических напряжений в лопатках приводят к ухуд­

шению приемистости двигателя, которая в двухвальных ГТД в основном определяется временем разгона турбокомпрессорного блока. Применение соплового регулирования позволяет избежать этого недостатка. Так, в период разгона турбокомпрессорного агрегата раскрытие соплового аппарата тяговой турбины обеспе­ чивает снижение создаваемого ею противодавления, что увели­ чивает располагаемый теплоперепад на турбине привода компрес­ сора и приводит к уменьшению времени разгона (т. е. улучшает приемистость).

Применение соплового регулирования силовой турбины поз­ воляет также осуществить торможение автомобиля двигателем. Так, в ГТД GR-2A диапазон Грегулирования углов установки сопловых лопаток (около 100°) позволяет повернуть поток в на­ правлении, обратном вращению тяговой турбины, что создает тормозной момент на ее валу.

При испытаниях ГТД изменение угла выхода потока из сопло­ вого аппарата производилось путем одновременного поворота всех направляющих лопаток. Угол выхода потока а г менялся

165

от 9й 40' до 13° 40'. При этом площадь проходного сечения сопло­ вого аппарата менялась на 16,8% в сторону уменьшения и на 17,2% в сторону увеличения по сравнению с серийным вариантом. Исследования производились для пяти вариантов установки ло­

и= 13° 40').

Ктермодинамическим показателям рабочего процесса ГТД

относятся температура воздуха после компрессора, температура газов перед сопловым аппаратом, перед колесом турбины, за тур­ биной, а также полные и статические давления в этих же сечениях

газовоздушного тракта.

Прежде чем рассматривать изменение этих параметров по вре­ мени разгона, выясним, как влияет угол выхода потока из сопло­ вого аппарата на их изменение при различных установившихся режимах работы ГТД.

Полные и статические давления во всех характерных сечениях газовоздушного тракта ГТД уменьшаются при увеличении угла ах (при неизменной температуре перед турбиной). Это происходит вследствие изменения сопротивления сети компрессора (в данном случае уменьшается сопротивление в сопловом аппарате турбины). При этом рабочая точка на характеристике компрессора смещается вправо по линии постоянных оборотов, что приводит к уменьше­ нию степени повышения давления в компрессоре, а следовательно, и давлений в других сечениях.

Температура воздуха после компрессора (при постоянных обо­ ротах и постоянной температуре газов перед сопловым аппаратом) немного увеличивается с увеличением угла а х. Это объясняется увеличением работы гидравлических сопротивлений, которая возрастает при увеличении расхода воздуха через компрессор.

Температура газов перед колесом турбины и за турбиной также

несколько увеличивается (при Т\ = const). Это объясняется уменьшением теплоперепада в сопловом аппарате при увеличении угла <хг.

Перейдем теперь к неустановившимся режимам работы ГТД. Закономерности изменения температур перед сопловым аппа­

ратом Тгпр за время разгона ГТД показаны на рис. 97. Здесь представлены разгоны при трех скоростях открытия топливного крана (2, 7 и 12 с) для пяти положений лопаток соплового аппа­ рата. Начальная температура газов перед сопловым’аппаратом

для всех разгонов Tznp = 1000 К. Из рисунка видно, что при всех

значениях tKP величина забросов температур АТ*г (разница между максимальной температурой в период разгона и температурой на конечном установившемся режиме) уменьшается с увеличе­ нием угла а х. Так, если при а х = 9° 40' и tKP = 7 с заброс тем­ ператур составляет 110°, то при увеличении угла а х до 13° 40' заброс уменьшается до 40°, или на 64%.

166

Рис. 97. Изменение температуры газа перед сопловым аппаратом при разгонах ГТД: а — tKр = 2 с; б — tKp = 7 с; в — tKp — 12 с;

вым аппаратом при разгонах со следующей исходной частотой

вращения л"ри (в об/мин):

167

На рис. 98 показано влияние угла а х на заброс температур перед сопловым аппаратом ДТ*. Из рисунка видно, что умень­

шение забросов с увеличением угла а 1 характерно для всех ре­ жимов разгона независимо от таких эксплуатационных факторов, как исходное число оборотов и время полного открытия топлив­ ного крана.

Аналогично изменяются температуры во время разгона перед колесом турбины Тj"p и за турбиной Для того чтобы уста­

новить причины такого поведения температур, рассмотрим, как

Рис. 99. Изменение относительного приведенного рас­ хода топлива и расхода воздуха при разгонах ГТД с различными углами а х:

9° 40'; 2 — 10° 40'; 3 — 11° 40'; 4 — 12° 40'; 5 — 13° 40'

меняется соотношение между количеством топлива и воздуха при разгонах ГТД с различными углами а х. Изменение относитель­

ного приведенного часового расхода топлива Ст для рассматри­ ваемых режимов разгона показано на рис. 99, а. Под относитель­ ным приведенным часовым расходом здесь принято отношение приведенного часового расхода топлива в данный момент разгона к приведенному часовому расходу на номинальном режиме серий­ ного варианта (а.х — 11° 40'). Изменение расхода топлива для всех значений угла а х имеет идентичный характер, зависящий от конструктивных и эксплуатационных факторов. Различие со­

стоит в некотором сдвиге максимумов кривых GT = f (t) вправо с увеличением углаа^ Так, если при а х = 9° 40' и iKT> = 2 с мак­ симум наступает черес 2,55 с, то при а х = 13° 40' — через 2,75 с.

То же наблюдается и при времени открытия топливного крана tKP = 7 с.

168

Рассмотрим теперь, как меняется приведенный расход воздуха

в начальный период разгона по сравнению с серийным вариантом. Наоборот, при увеличении площади проходного сечения сопло­

в период разгона при уменьшении угла выхода потока из сопло­ вого аппарата а г.

На рис. 100, а нанесена также линия минимального коэффи­ циента избытка воздуха a mln, при котором возможно устойчивое горение в камере сгорания. Для кольцевых камер сгорания a mln =

— 1,8-ъ2,2. При увеличении угла линия коэффициента избытка

169