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

доля ΣМв в величине тяги повышается при увеличении m, а при дросселировании ТРДД темп снижения R определяется темпом снижения ΣМв. При одном и том же значении RМГ частота вращения nМГ будет возрастать с ростом m

(см. рис. 13.13, а).

Рис. 13.13. Особенности дроссельных характеристик ТРДД: а – зависимости R(n, m); б – зависимости сR(n, m)

тем выше, чем больше m. Это объясняется тем, что у ТРДД с ростом степени двухконтурности влияние ηтяг(Тг ) на изме-

нение ηп уменьшается из-за уменьшения сс (см. рис. 4.4), следовательно, ηп max(cR min) достигается при бóльших значениях

Тг.эк (см. рис. 13.13, б).

331

13.7.3. Особенности высотных характеристик ТРДД

Высотные характеристики ТРДД существенно не отличаются от ВХ ТРД (рис. 13.14).

H ↓ρв ↓ ∑ Мв ↑ R =↑ Rуд ↓↓ Мв .

При сравнении ВХ ТРД и ТРДД с одинаковыми параметрами рабочего процесса (πк, Тг ) и равными Rвзл

(см. рис. 13.14) видно, что у ТРДД величина тяги с ростом Н снижается медленнее, чем у ТРД, а темп уменьшения сR ТРДД выше, чем у ТРД.

Физически это объясняется тем, что у ТРДД темп роста Rуд с увеличением Н

полета такой же, как и у ТРД, Рис. 13.14. Высотные характе- а относительное снижение

ристики ТРДД

суммарного расхода воздуха ΣМв происходит менее интенсивно вследствие большего значения ΣМв в ТРДД по сравнению с ТРД при одинаковой Rвзл.

Уменьшение сR у ТРДД будет происходить интенсивнее, чем у ТРД, потому что при одинаковом расходе топлива Мт,

RТРДД > RТРД, следовательно, сR ТРДД < cR ТРД (cR = Мт/R).

Контрольные вопросы

1.Объяснить газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД.

2.При каких условиях достигается оптимальное распре-

деление эффективной работы между контурами в ТРДД и ТРДДсм?

332

3.Объяснить зависимости удельной тяги и удельного расхода топлива от степени двухконтурности ТРДД m и коэффициента распределения энергии x.

4.Пояснить особенности дроссельных характеристик ТРДД по сравнению с ТРД.

5.Сделать сравнительный анализ скоростных характеристик ТРД и ТРДД при условии равенства параметров рабочего процесса и суммарного расхода воздуха через двигатель.

333

14.ТУРБОВАЛЬНЫЕ, ТУРБОВИНТОВЫЕ

ИВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГТД

14.1.Принцип действия турбовальных

итурбовинтовых двигателей

Утурбовальных двигателей (ТВаД), в отличие от ТРД,

эффективная (полезная) работа цикла Le превращается в механическую работу – избыточную мощность турбины компрессора или эффективную мощность свободной (силовой)

турбины (СТ) Ne = NСТηСТ, и может быть использована для привода воздушного винта (ВВ) самолета, несущего винта (НВ) вертолета, наземных и водных транспортных средств, электрогенераторов, компрессоров и др.

Утурбовинтовых двигателей (ТВД), являющихся разно-

видностью ТВаД, Le распределяется между избыточной мощностью турбины компрессора (эффективной мощностью СТ)

итягой РС. Причем доля реактивной тяги мала (до 10 % от суммарной тяги ТВД).

УТВД избыточная мощность, получаемая на валу ГТ (эффективная мощность СТ), используется для вращения воздушного винта. Фактически ТВД является гипертрофированным ТРДД, у которого КНД (вентилятор) за счет значительного увеличения m и устранения внешнего корпуса наружного контура трансформировался в ВВ, при этом на его

привод расходуется 90…100 % от Le. Экономичность ТВД, следовательно, выше, а максимально возможная скорость по-

лета Vmax ниже, чем у ТРДД, и находится в зоне экономичной работы ВВ – 500…700 км/ч.

ТВД удачно сочетает в себе экономические преимущества создания тяги воздушным винтом при взлете и на малых скоростях полета, достаточно простую систему регулирования ВВ путем изменения угла установки лопастей (шага винта), а также низкую удельную массу (высокую удельную

мощность Ne/МТВД) ГТД.

334

14.2. Характеристика ТВД и ТВаД различных схем

14.2.1.Преимущества и недостатки ТВД

иТВаД различных схем

По особенностям конструктивных схем ТВД и ТВаД подразделяются следующим образом:

1.Одновальные ТВД (рис. 14.1).

2.Одновальные ТВаД.

3.Двухвальные ТВД (см. рис. 14.1).

4.ТВД со свободной (силовой) турбиной (рис. 14.2).

5.ТВаД со свободной (силовой) турбиной (рис. 14.3).

Рис. 14.1. Одновальный (двухвальный) ТВД

Рис. 14.2. ТВД со свободной турбиной

Рис. 14.3. ТВаД со свободной турбиной

335

Преимущества и недостатки одновальных ТВД.

Преимущества:

–простота конструкции;

–малый удельный вес.

Недостатки:

–значительное влияние изменения нагрузки (шага) ВВ на работу газогенератора;

–большая потребная мощность стартера при запуске ТВД, так как необходимо раскручивать ротор с редуктором и ВВ;

–малый запас устойчивости высоконапорного компрессора ∆Kу на нерасчетных режимах. Для устранения этого не-

достатка при высоких значениях расчетных πк.p газогенера-

тор ТВД может быть выполнен по двухвальной схеме.

Преимущества и недостатки ТВД и ТВаД со свободной турбиной.

Преимущества:

–меньшие габариты и масса редуктора, так как СТ может быть рассчитана на nСТ < nТК (обычно nСТ ≈ 0,6 nТК);

–облегченный запуск и меньшая масса стартера, так как необходимо раскручивать только газогенератор;

–лучшая приемистость;

–слабое (только газодинамическое) влияние изменения внешней нагрузки на валу СТ на работу газогенератора;

–простота конверсии авиационных ТРД и ТРДД в ТВаД наземного применения.

Недостаток – более сложная конструкция.

14.2.2. Особенности конструкции ТВаД со свободной турбиной

Наиболее распространенной является схема ТВаД со свободной (силовой) турбиной (см. рис. 14.3). Вал СТ механически не связан с валом газогенератора и практически не влияет на его работу при запуске ТВаД и изменении нагрузки на валу СТ.

336

При высоких значениях πк.p газогенератор ТВаД может

быть выполнен по двухвальной схеме.

В ТВаД, особенно вертолетных ГТД, необходимо значительно понижать частоту вращения вала двигателя для привода потребителей (ВВ, НВ и т.п.), передавать большие мощности, поэтому понижающий редуктор имеет значительную массу и габариты, которые снижаются с применением СТ, вращающейся с частотой nСТ < nТК.

Необходимость применения тяжелых редукторов является общим недостатком ТВД и ТВаД.

В ТВаД применяются дозвуковые сужающиеся ВЗ с большим радиусом закругления передних кромок. Для исключения попадания в двигатель посторонних предметов ВЗ защищают с помощью сеток. Вертолетные ГТД (ТВаД) от песка и пыли защищают с помощью центробежных пылеотделителей, установленных на входе в двигатель.

Компрессоры мощных ТВаД не имеют существенных отличий от ОК ТРД. В маломощных ТВаД иногда используют комбинированные компрессоры, состоящие из нескольких осевых и одной центробежной ступеней, или центробежные компрессоры (ЦБК). Это объясняется тем, что при малых потребных мощностях расход воздуха, следовательно, площадь проходного сечения и длина лопаток последних ступеней ОК имеют маленькие значения. При изготовлении лопаток малой длины существуют технологические ограничения. Поэтому для обеспечения заданной πк.р последние ступени ОК можно

заменить одной центробежной ступенью.

Применение на вспомогательных ГТД (ТВаД) комбинированных или центробежных компрессоров, особенно в сочетании с противоточной КС, позволяет значительно уменьшить длину двигателя при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик.

337

Камеры сгорания ТВаД

существенно не отличаются

от КС ТРД, хотя иногда

применяются противоточные, как правило, кольце- вые или радиальные КС (рис. 14.4). Это позволяет снизить скорости в КС

и уменьшить их длину за счет увеличения диаметра КС. Применение радиальных КС позволяет улучшить условия охлаждения жаровых труб и повысить их эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность.

ГТ ТВД и ТВаД имеют большее число ступеней, чем у ТРД, так как основная работа расширения газа происходит в ГТ.

РС в ТВаД (за исключением ТВД) трансформировано

вдиффузорный выпускной патрубок, обычно повернутый

вбоковую сторону от оси двигателя.

14.3.Основные параметры ТВД

1. Мощность на валу ТВД Nвал = Lм Мв, где Lм – механическая работа 1 кг газа, передаваемая на вал ВВ до входа

вредуктор; Мв – расход воздуха через двигатель, кг/с.

2.Винтовая мощность ТВД (мощность на выходном ва-

лу редуктора) NВ = Nвалηм, где ηм – КПД редуктора (ηм ≈ ≈ 0,97…0,98), учитывающий механические потери в транс-

миссии.

3. Тяговая мощность Nтяг = NВηВ, где ηВ – КПД ВВ, учитывающий потери на трение, отбрасывание и закрутку пото-

ка воздуха.

4. Тяга ВВ RВ = NVтяг = NVВηВ .

338

5. Эквивалентная мощность Ne = NВ + RpV = Le Мв , где

ηВ

Rp – реактивная тяга, развиваемая соплом; RpV/ηВ – мощность, которую потребовалось бы развить на валу ВВ для получения тяги, равной реактивной тяге Rp.

6. Удельная эквивалентная мощность Nуд = Ne .

Мв

7. Удельный расход топлива ce = Мт.ч = 3600Q0 .

Ne ηгHu Le

8.Удельная тяга ТВД ∑ Rуд = Rв + Rр .

Мв

14.4. Оптимальное распределение Le между ВВ и РС

Работа цикла ТВД в общем случае расходуется на привод ВВ и разгон потока в РС.

Распределять Le между ВВ и РС необходимо так, чтобы получить максимальную тяговую работу Lтяг. Такое распределение называют оптимальным. Для определения условия оптимального распределения Le запишем формулу тяговой работы:

339

Выражение (14.5) было получено Б.С. Стечкиным в 1944 году и получило название «формула Стечкина».

Из анализа формулы (14.5) видно, что чем больше скорость полета V, следовательно, меньше КПД ВВ ηВ, тем большую часть Le целесообразно передавать на ускорение потока в РС (получение реактивной тяги), при этом будет

уменьшаться πт (↓ Lт ) и расти πc (↑ LРС ) .

При оптимальном распределении Le полный КПД ηп достигает максимального значения ηп max = Lтяг max/Q0.

При V = 0 определить cс.опт по формуле Стечкина нельзя.

Из расчетов следует, что при V ≈ 0 значение cс.опт слишком мало и для его получения необходимо иметь значительное

перерасширение газа в ГТ, то есть существенно снижать πс =↓↓ рт рн . Однако при малых значениях pт плотность

тока в выходном сечении ГТ (ρт ст) существенно снижается, и для обеспечения заданного расхода газа Мг.т = Fтρтст необходимо увеличивать Fт, что приводит к увеличению длины лопаток последних ступеней ГТ, следовательно, к снижению их прочности.

В итоге достигается незначительное увеличение RТВД на взлетном режиме, но заметно снижается RТВД на расчетных режимах. Поэтому ТВД рассчитывают так, чтобы cс.опт достигалась на расчетных скоростях полета. При этом экономичность на взлетных режимах незначительно снижается.

340