книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы
.pdf
Полный КПД ηп изменяется также вследствие изменения эффективного ηе(πдв) и тягового ηтяг(cc/V) КПД. Изменение ηп вызывает изменение cR ~ 1/ηп.
Смена режима работы ТРД связана с изменением частоты вращения ротора n, при этом изменяются приведенная
частота вращения ротора п |
~ п/ Т |
, π |
(п ) и ηп, следо- |
пр |
вх |
к |
пр |
вательно, изменяются R и cR.
Изменение n достигается, как правило, изменением расхода топлива Мт, то есть изменением Тг , что также при-
водит к изменению Le, ηе, ηп(ηе), следовательно, изменя-
ются R и cR.
Зависимости R(M, H, n, Тн, рн) и cR(M, H, n, Тн, рн) называются эксплуатационными характеристиками (ЭХ) ТРД.
Типы ЭХ:
R(n), cR(n) – дроссельные характеристики (ДХ); R(М), cR(М) – скоростные характеристики (СХ); R(Н), cR(Н) – высотные характеристики (ВХ);
R(Тн, рн), cR(Тн, рн) – климатические характеристики (КХ). Протекание ЭХ двигателя существенно зависят от особенностей его схемы, программы регулирования двигателя
иего узлов (ОК, ГТ, РС).
11.1.Термодинамические основы регулирования ТРД
11.1.1. Основные понятия из теории регулирования силовой установки
Задачи регулирования ТРД:
1.В различных условиях полета (М, Н) поддерживать
вдвигателе такие значения параметров (Т, р, с) и КПД отдельных узлов, при которых обеспечиваются оптималь-
ные характеристики ТРД и силовой установки (СУ) ЛА в целом.
261
2. Обеспечение устойчивой работы ТРД на всех режимах и исключение механических и тепловых перегрузок
вотдельных узлах.
3.Автоматическое поддержание заданного режима работы СУ при заданном положении рычага управления двигателем (РУД).
4.Обеспечение быстрого и устойчивого перехода с одного режима работы двигателя на другой.
Регулируемые параметры и регулирующие факторы.
Режим работы ТРД, характеризуемый тягой R и удельным
расходом топлива сR, определяется (при известных коэффициентах потерь) регулируемыми параметрами (РП).
Активные РП: π |
(п) ; |
Т (М |
т |
, |
F |
) ; |
Т |
(М |
т.ф |
) – для |
к |
|
г |
|
кр |
|
ф |
|
|
ТРДФ. Изменяя п, Тт , Тф , можно наиболее эффективно вли-
ять на изменение тяги R и удельного расхода топлива сR. Пассивные РП: ∆Kу – обеспечение устойчивой работы
ОК; πc – обеспечение расчетной степени расширения газа в реактивном сопле на всех режимах работы ТРД; Мв – обеспечение устойчивой работы СВЗ; ηк – обеспечение эффек-
тивной работы ОК.
На РП (для их изменения) воздействуют с помощью регулирующих факторов (РФ).
Активные РФ: Мт – для изменения πк (n) ; Мт.ф – для измененияТф ; Fкр – для изменения Tг .
Пассивные РФ: Fг – площадь горла СВЗ (обеспечение изменения расхода воздуха Мв); βк – угол установки клина СВЗ (обеспечение изменения расхода воздуха Мв); iНА – угол поворота лопаток НА (обеспечение ∆Kу.р и ηк.p ); Fc – отно-
сительная площадь среза РС (обеспечение расчетного режима работы РС – πc.расп = πс.п ).
262
Так как все параметры ТРД взаимосвязаны, то изменение какого-либо одного РФ вызывает изменение всех его РП. Однако одним РФ, по заданному закону, можно воздействовать только на один РП. Следовательно, для регулирования двигателя по заданному закону число РФ должно равняться количеству РП.
При поддержании неизменными активных РП c изменением условий полета (М, Н), пассивные РП могут изменяться и достигать недопустимых значений. В связи с этим на них устанавливают ограничения и называют ограничиваемыми РП. Ограничение осуществляется воздействием на РФ.
11.1.2. Основные программы регулирования ТРД и ТРДФ
Программа регулирования (ПР) ТРД определяет характер изменения активных РП при изменении внешних условий (Твх , рвх ), которое осуществляется автоматикой двигателя
(САУ) при заданном неизменном положении РУД.
Закон регулирования максимальной тяги Rmax. Обес-
печить закон регулирования Rmax можно с помощью ПР:
для ТРД nmax = const; Тг max = const ;
для ТРДФ nmax = const; Tг max = const ; Tф max = const .
Данные программы регулирования позволяют наиболее полно использовать возможности двигателя для обеспечения максимальной тяги при изменении внешних условий
(Твх , рвх ).
Регулирование осуществляется изменением РФ: Мт (поддержание n); Fкр (поддержание Тг ); Мт.ф (поддержание Тф ).
Реализация приведенных ПР связана с трудностями быстрого и точного измерения Tг и Tф , так как отсутствуют безынерционные датчики достаточной точности для таких
263
высоких температур. Поэтому на практике применяются ПР, позволяющие косвенно поддерживать Tг = const; Tф =const
путем замера других, связанных с ними параметров. Например:
ПР для ТРДФ: nmax = const; Тт max = const (Тг max =const);
Мт.ф =const (Т max =const).
рк ф
ПР для ТРД: nmax = const; Тт max = const (Тг max = const) .
Для ТРД и ТРДФ с нерегулируемым соплом Fкр = const (применяется при изменении числа М полета в узком диапазоне):
ПР для ТРД: nmax = const.
ПР для ТРДФ: nmax = const; πт = const (Тф = const) .
ПР с ограничением. У современных ТРД встречаются и более сложные ПР, это обусловлено тем, что все элементы ГТД четвертого и пятого поколений работают на пределе своих возможностей для получения максимальных характеристик, вследствие этого возникает необходимость учета целого ряда ограничений. Например: ПР, учитывающая снижение эффективности системы охлаждения ГТ с ростом числа М полета: nmax = const; Tг = f (Тн ) .
При использовании данной ПР с увеличением Тн обеспечивается снижение Тг . Это необходимо потому, что при ↑Tн ↑Твх ↑Тк , температура воздуха, отбираемого на
охлаждение ГТ, растет. При этом эффективность охлаждения ГТ снижается.
264
11.1.3. Сравнение различных ПР при изменении числа M полета
1. ПР: nmax = const; Тг =const . |
|
|
При увеличении числа M ↑Т |
↓ п |
~ n = const ра- |
вх |
пр |
↑Твх |
|
|
бочая точка движется по ЛСР в область с меньшими q(λвх) (рис. 11.1), уменьшаются ∆Kу и ηк .
При некотором значении числа М = Мmax запас устойчивости ОК станет минимальным и регулировать ТРД по данной ПР при дальнейшем увеличении числа М нельзя, так как наступает ограничение по ∆Kу min.
2. ПР: nпр = const; Тг = =const.
При увеличении числа М
увеличивается |
Т |
↓ п |
|
вх |
пр |
САУ↑ F ↑ π , |
следова- |
|
кр |
т |
|
тельно, |
увеличивается |
|
Nт > Nк ↑ n ↑ nпр = nпр.зад .
Так как при увеличении М одновременно увеличивается
р |
↑ М |
в |
, рабочая точка |
вх |
|
|
движется по напорной кривой
(nпр.зад = const) в область c бóль-
шими расходами (рис. 11.2), при этом увеличивается ∆Kу.
Рис. 11.1. ПР: n = const; Тг = const
Рис. 11.2. ПР: nпр = const , Тг = const
265
При некотором значении М = Мmax n = nmax. Регулировать ТРД по данной ПР при дальнейшем увеличении числа М
нельзя, так как наступает ограничение по nmax. Во всем диапазоне М < Мmax, n < nmax, то есть двигатель создает тягу меньше максимально возможной (R < Rmax).
Уменьшение высоты H полета будет действовать так же, как увеличение М. Для расширения возможностей ТРД в широком диапазоне скоростей и высот полета применяют комбинированные ПР.
Пример комбинированной ПР:
1. ПР: nпр = const; Тг =const . Применяется при увеличе-
нии числа М полета до наступления ограничения по nmax = const (рис. 11.3).
2. ПР: n = const; Тг =const . Применяется при дальней-
шем увеличении числа М до наступления ограничения по
∆Kу min (см. рис. 11.3).
Рис. 11.3. Комбинированная ПР
Если ТРД работает на пониженном режиме (n < nmax), использование комбинированной ПР, с ростом М полета на участке 1–2, за счет поддержания nпр = const, ηк сохраняет
приемлемые значения, а ∆Kу и q(λвх) возрастают, при этом
увеличивается n → nmax.
На участке 2–3 поддерживается nmax = const при некото-
ром снижении ηк , ∆Kу, q(λвх).
Такая ПР позволяет поддерживать максимально возможную тягу R на промежуточных режимах работы ТРД с сохранением заданного запаса устойчивости ОК в широком диапазоне чисел М и высот Н полета.
266
11.2.Типы характеристик ТРД и их назначение
11.2.1.Дроссельные характеристики ТРД
Дроссельные характеристики (ДХ) ТРД – это зависимости тяги и удельного расхода топлива от режима работы двигателя, задаваемого положением РУД, при неизменных скорости М, высоте Н и принятой программе регулирования (ПР).
Условия построения ДХ на стенде:
– дросселирование (снижение тяги R) осуществляется поэтапно ступенчатым снижением n (↓ Мт ↓Тг ↓ Nт )
при М = 0; Н = 0 и поддержанием ni = const на каждом этапе;
– построение ДХ производится в системах координат:
R – n; cR – n.
Зависимость R(n) при π*т = const (Fкр = const)
При расчетном режиме работы РС (рс = рн) и допущении Мг = Мв тяга ТРД определяется как: R = МвRуд. Тогда характер зависимости R(n) определяется зависимостями Мв(n) и
Rуд(n) (рис. 11.4).
С уменьшением n, следовательно, уменьшением πк ,
пропорционально снижается прокачивающая способность ОК, то есть уменьшается Мв. Замедление темпа изменения Мв в области nmax объясняется
увеличенными |
гидравличе- |
|
скими потерями полного дав- |
|
|
ления из-за больших значений |
|
|
относительной скорости w. |
Рис. 11.4. Зависимость R(n) |
|
267
Одновременно при уменьшении n ↓ πк ↓ рт
↓ πc ↓cc уменьшается Rуд =↓cc −V.
Установлена эмпирическая зависимость, достаточно точно описывающая характер протекания характеристики
R(n): R = Ax, где x = 3…4, а в диапазоне nном < n < nmax – x = 1.
Зависимость cR(n) при π*т = const (Fкр = const)
1. При уменьшении Тг (↓ n) в диапазоне Тэк <Тг <Tmax уменьшается cR, так как Тг стремится к значению Тэк (↑ηп )
(рис. 11.5).
2. При Тэк достигается cR min. 3. При уменьшении Тг (↓ n)
|
|
|
|
|
|
в |
диапазоне |
Т |
<T <T |
рас- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МГ |
|
|
г |
эк |
|
|
|
|
|
|
|
тет cR, что объясняется ухудше- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
нием теплоиспользования в дви- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
гателе. Иначе говоря, темп |
||||||||
|
|
|
|
|
|
снижения подводимой к возду- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ху |
теплоты |
Q =c |
p |
( |
↓↓Т −Т ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
г |
к |
|
|
|
|
|
|
|
преобладает над темпом сни- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Рис. 11.5. Зависимость сR (n) жения |
теплоты, |
|
|
отводимой |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
в |
«холодильник» |
|
(атмосферу) |
|||||
Q = c |
pг |
(↓Т −Т |
н |
) . При этом быстро снижается эффектив- |
||||||||||
2 |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ный КПД цикла ηe ↓ηп =↓↓ηe ↑ηтяг ↑сR .
Дроссельные характеристики при регулировании ОК поворотом лопаток (ПЛ) НА
Характер протекания зависимости R(n) определяется зависимостями Мв(n) и Rуд(n). При уменьшении n практически пропорционально уменьшается Мв. Одновременно снижается
268
Rуд, вследствие уменьшения сс, характер изменения которой |
|||||
зависит от изменения π |
и Т , так как с |
( р , |
Т ) . |
||
|
к |
г |
с |
т |
т |
В двигателе с нерегулируемым компрессором при сни- |
|||||
жении n < np(nmax) |
Тг первоначально резко снижается, затем |
||||
темп снижения Тг |
замедляется, а в области n → nМГ Тг на- |
||||
чинает возрастать (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Зависимость Тг (n)
Это объясняется тем, что в области n → nМГ из-за рассогласования в работе первых и последних ступеней ОК резко
снижается КПД ОК ηк , это приводит к значительному рос-
ту Lк.потр.
В то же время вследствие снижения ηт и πт (ГТ выхо-
дит из расчетного режима работы) уменьшается Nт.расп.
Для поддержания баланса мощностей (Nт = Nк) приходится увеличивать температуру Тг ↑ Nт.
При регулировании ОК поворотом лопаток НА в области малых nпр рассогласования в работе ступеней не наступает (i ≈ ip) и ηк ≈const . Во всем диапазоне умень-
шения n происходит снижение Тг (↓ Мт ) (см. рис. 11.6).
269
Темп снижения скорости cc возрастает, следовательно, возрастает темп снижения удельной тяги Rуд = сс – V и тяги R, а темп роста сR = Мт/R замедля-
ется (рис. 11.7).
Выводы:
1. Регулирование ОК поворотом НА при дросселировании приводит к более резкому снижению тяги, что позволяет повы-
|
сить nМГ, следовательно, улуч- |
|
шить приемистость ТРД(↓tпр ). |
Рис. 11.7. ДХ при регулиро- |
2. Экономичность на дрос- |
сельных режимах работы улуч- |
|
вании ОК поворотом НА |
шается(↓cR ). |
Дроссельные характеристики ТРД
савтоматом перепуска воздуха (АПВ)
ирегулируемой Fкр
При уменьшении относительной частоты вращения ротора n от nmax до nПВ ≈ 0,8 характер изменения R и cR обычный
(рис. 11.8).
Рис. 11.8. ДХ при использовании АПВ и регулируемого РС
270