14.5.Совместная работа узлов ТВД (ТВаД)
14.5.1.Зависимость удельных параметров ТВД от параметров рабочего процесса Nуд (Тг* , π*к ) ;
се (Тг* , πк )
Так как Nуд = (Ne/Мв) ≈ Le, то зависимость Nуд (πк, Тг ) аналогична зависимости Le (πк, Тг ) . Термодинамические циклы ТРД и ТВД одинаковы, поэтому характер протекания зависимостей Le (πк, Тг ) ТРД и ТВД будет одинаковый.
Для ТВД также имеется πк.опт, при которой Le = Le max, следовательно, Nуд = Nуд max (рис. 14.5).
Так как у ТВаД, по аналогии с ТРД, удельный расход топлива определяется как
|
c = |
3600Q0 |
, |
(14.6) |
|
|
|
|
|
|
е |
|
Hu ηгNуд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то при увеличении Тг ↑ πк.опт |
|
|
|
|
резко |
увеличивается |
Nуд |
|
|
и менее значительно увеличива- |
|
|
ется Q0, следовательно, снижа- |
|
|
ется ce (рис. 14.6). |
|
|
|
Таким образом, увеличение |
|
|
Тг при одновременном увели- |
|
|
Рис. 14.5. Зависимости |
|
чении πк |
|
позволяет резко по- |
|
высить |
внутреннюю |
работу |
Nуд (πк, Тг ) |
|
цикла Lвн |
|
при незначительном |
|
увеличении потерь (Lr), следовательно, увеличить Le, увеличить Nуд и уменьшить се.
Особенностью зависимости се (Тг ) ТВД по сравнению с ТРД является то, что при увеличении Тг в рабочем диапазоне температур от ТМГ до Тmax постоянно снижается ce (рис. 14.7), в то время как у ТРД при Tг >Тэк , cR начинает расти.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 14.6. Зависимости |
|
Рис. 14.7. Зависимости |
с |
(π |
, Т ) |
|
c |
(Т ) |
е |
к |
г |
|
e |
г |
Это объясняется тем, что в ТВД основная часть тяговой работы Lтяг совершается воздушным винтом, КПД которого не зависит от величины Тг , поэтому рост ηп =↑↑ηеηв ↓ηтяг происходит пропорционально увеличению ηе при росте Тг при незначительном сдерживании за счет снижения ηтяг.
14.5.2. Влияние отбора мощности на запас устойчивой работы и характеристики ТВД (ТВаД)
Отбор мощности от ВРД в широком диапазоне осуществляется, прежде всего, в турбовинтовых и турбовальных двигателях различного назначения, включая вспомогательные силовые установки (ВСУ). Кроме того, мощность отбирается от газотурбинных двигателей на привод самолетных агрегатов. В этом случае величина отбираемой мощности сравнительно небольшая – несколько процентов.
Отбор мощности в одновальном ТВД
Сопло – дозвуковое, режим работы – докритический (πс < πкр ) , следовательно, сс < cкр и q(λкр) < 1. В наличии два
РФ: Мт; φВ – угол установки лопастей ВВ.
При φВ = 0 величина мощности, отбираемой воздушным винтом, близка к нулю и совместная работа узлов ТВД (ОК, КС, ГТ) практически не отличается от работы одновального ТРД.
При увеличении φВ > 0 (ПР n = const) увеличивается аэродинамическое сопротивление вращению ВВ, увеличивается отбор мощности от ГТ на вращение ВВ, растет суммарная потребная мощность ΣNпотр = (NВ + Nк) > Nт.расп, следователь-
но, уменьшается n. САУ↑ М |
т |
↑Т ↑ N |
т |
↑ n = n . |
|
г |
исх |
Восстанавливается баланс мощностей, но при более высоком значении Тг . Плотность газа на входе в турбину снижается и уменьшается массовый расход газа через сопловой аппарат 1-й ступени турбины (↓ МгСА =↓ρСАсСАFСА ) .
Из-за возрастания дросселирующего воздействия турбины расход воздуха через ОК уменьшается ↓ q(λвх ) , ЛСР
на характеристике ОК сместится ближе к ГГУ, уменьшится
∆Kу (рис. 14.8).
Одновременно при уменьшении расхода газа через сопловый аппарат первой ступени ГТ МгСА увеличится давление за камерой сгорания рг , следовательно:
|
|
|
1) ↑ р ↑ π ↑↑η |
е |
и |
|
|
|
|
|
к |
|
к |
|
Рис. 14.8. ЛСР ТВД |
↓ηтяг ↑ηп, |
уменьшится се; |
при φВ = var |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) ↑ p ↑ π |
↑с |
↑ q(λ |
|
) ↑ π |
~ |
↑ q(λкр ) |
, |
|
уве- |
кр |
|
|
т |
с |
с |
|
т |
|
q(λСА ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личится эквивалентная мощность ТВД Ne вследствие роста
Тг , πт, πc .
Выводы:
1.При увеличении отбора мощности в одновальном ТВД снижается запас устойчивости ∆Kу.
2.Увеличение отбора мощности в одновальном ТВД влияет на ЛСР аналогично уменьшению Fкр в ТРД.
3.При увеличении отбора мощности в одновальном ТВД возрастает Ne и снижается ce.
Отбор мощности в ТВаД со свободной турбиной
СТ не связана механически с валом газогенератора, поэтому изменение nСТ при изменении нагрузки на ее валу, например при изменении шага несущего винта вертолета
(↓↑ϕНВ ) , напрямую не влияет на работу газогенератора (n).
То есть закономерности совместной работы (СР) узлов ТВаД со СТ при неизменных внешних условиях (М, Н, Тн, рн) аналогичны закономерностям СР узлов ТРД с одним регулирующим фактором (РФ) – Мт (Fкр = const).
На самом деле между ротором газогенерара и ротором СТ существует газодинамическая связь. Например, при уменьшении nСТ уменьшается КПД СТ ηCT , следова-
тельно, уменьшается Ne и увеличивается ce ТВаД. Одновременно уменьшается пропускная способность СТ q(λСА.СТ), что приводит к увеличению давления за турбиной компрессора рт ↓ πТК ↓ NТК ↓ n . При ПР nСТ = const, САУ
↑ М |
т |
↑Т |
↑ N |
ТК |
, |
↑ N |
СТ |
↑ n , |
↑ n , |
восстановится |
|
|
г |
|
|
|
|
СТ |
|
баланс мощностей и nСТ = |
|
nСТ исх, |
но при большем значе- |
нии Тг . В |
итоге |
снизится |
пропускная |
способность ТК |
(↓ Мг СА ) , |
снизится q(λвх) и |
ЛСР сместится ближе к ГГУ, |
следовательно, запас устойчивости компрессора ∆Kу уменьшится.
Однако влияние отбора мощности от свободной турбины ТВаД на работу газогенератора менее значительно, чем в одновальном ТВД (ТВаД).
Таким образом, ТВаД со СТ является менее гибким объектом управления, чем одновальный ТВД или ТРД с регулируемым РС (Fкр = var).
14.5.3. Влияние числа М полета на запас устойчивой работы ТВД
Положение ЛСР зависит от числа М полета, так как режим работы дозвукового РС в ТВД всегда докритический.
При ↑ M ↑ πV ↑ πдв ↑ рк ↑ рт ↑ πс ↑сс↑ q(λкр ).
Из уравнения совместной работы ГТ и РС следует:
↑ πт = Fкр ↑(qλ(λкр)) ↑ Nт ↑ n САУ↓ Мт ↓Тг
FCA q CA↓ρг CA ↑ Мг CA .
Вследствие уменьшения дросселирующего воздействия ГТ на ОК возрастет расход воздуха через компрессор q(λвх), и ЛСР удалится от ГГУ (сместится в область больших расходов), увеличится ∆Kу (рис. 14.9).
Рис. 14.9. ЛСР ТВД при М = var
14.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД
14.6.1. Дроссельные характеристики одновального ТВД
Обычно у одновального ТВД дросселирование (снижение мощности) осуществляется при n = const, то есть умень-
шением M т ↓Тг ↓ Nт.расп с одновременным уменьшени-
ем шага ВВ φВ, следовательно, уменьшением ΣNпотр. При этом сохраняется равенство (баланс) мощностей: Nт.расп =
=ΣNпотр (n = const).
Вданном случае удобно представить дроссельные ха-
рактеристики (ДХ) в |
виде |
зависимостей Ne(Мт) и |
сe(Мт) |
(рис. 14.10). |
|
|
|
|
|
|
Уменьшение Мт при n = const, М = const, Н = const обес- |
печивает сохранение n |
|
= |
п |
288 |
=const . |
|
|
|
|
|
пр |
|
|
Твх |
|
|
|
|
|
|
При ↓ Мт ↓Тг ↑ρгСА ↑ МгСА ↑ q(λвх ) , |
РТ на |
ХК движется по напорной кривой (nпр = const) (рис. 14.11, линия Р–А) в область c бόльшими расходами воздуха.
Снижение Тг приводит к уменьшению Lвн ↓ Le↓ Ne ↓ NВ , а также к росту се, вследствие снижения ηе.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 14.10. ДХ одновального |
|
Рис. 14.11. Траектории РТ |
ТВД |
|
при дросселировании ТВД |
Такой способ дросселирования удобен тем, что при n = const существенно возрастает приемистость, так как при переходе на повышенный режим для увеличения Ne не надо раскручивать ротор, и время выхода на режим Ne max определяется только быстродействием топливной автоматики (темпом увеличения Мт) и скоростью поворота лопастей винта (↑ϕВ ).
Недостатком является то, что диапазона изменения φВ от
φВ max до φВ min не хватает для дросселирования ТВД от максимального режима до режима МГ.
Другой возможный способ дросселирования ТВД – при
Тг =const .
Вэтом случае, сохраняя Мт = const, увеличивают φВ,
при этом ↑ΣNпотр ↓ n ↓ πк ↓ Lвн ↓ Le ↓ Ne ↓ NВ ,
се увеличивается вследствие снижения Le и ηе.
При таком способе дросселирования РТ на ХК движется
по лучу Тг 
Твх = const к ГГУ (см. рис. 14.11, линия Р–Б), запас устойчивости ∆Kу снижается, а приемистость ухудшается из-за необходимости раскрутки ротора с «затяжеленным» ВВ при необходимости перехода на повышенные режимы работы ТВД.
347
Рис. 14.12. ДХ ТВД при КПД
Между рассмотренными предельными программами дросселирования (ПД) существует множество промежуточных ПД (см. рис. 14.11, линии Р–В, Р–Г). Оптимальной будет такая ПД, при которой заданной степени дросселирования будет соответствовать се min.
Дросселирование при ПД n = const не всегда реализуемо из-за необходимости большого диапазона изменения φВ. Кроме того, из-за сохранения на пониженных режимах работы nmax снижается ресурс двигателя и резко возрастает се. Поэтому чаще применяется дросселирование при комбинированных ПД (КПД):
1. Уменьшение Тг (↓ Мт )
щееся уменьшением φВ до φВ min. 2. Уменьшение Тг (↓ Мт )
(см. рис. 14.11, линия А–К).
при n = const, сопровождаю-
и n при φВ min = const
Дроссельные характеристики (ДХ) ТВД при комбинированной ПД приведены на рис. 14.12. У одновальных ТВД на режимах глубокого дросселирования из-за неблагоприятного перераспределения работы между ступенями многоступенчатой ГТ (недогрузка последних ступеней) резко снижается КПД ГТ ηт, возрастает закрутка потока на выходе из ГТ, следователь-
но, растут потери в РС, что приводит к существенному росту се. Двухвальные схемы ТВД позволяют частично устранить этот недостаток.
14.6.2. Дроссельные характеристики ТВаД со свободной турбиной
ДХ ТВаД со СТ качественно похожи на ДХ ТРД, только вместо зависимости R(n) рассматривается зависимость мощности на выходном валу свободной (силовой) турбины от частоты вращения газогенератора Ne(n) (рис. 14.13).
Дросселирование ТВаД осуществляется уменьшением Мт, следовательно, уменьшением Тг . Снижение эффективной мощности Ne = NудМв является следствием уменьшения Тг и πк (↓ n) , следовательно, уменьшения Nуд (↓ Lм ) ,
а также уменьшения Мв.
Рост се при дросселировании обусловлен снижением ηе вследствие ухудшения теплоиспользования в двигателе из-за
уменьшения температуры Тг и πк (рост потерь тепла с выходящими газами). На снижение экономичности ТВаД также влияет уменьшение ηк и ηСТ .
Дроссельные характеристики ТВаД могут быть представлены в виде зависимости ce (Ne ) (рис. 14.14), где
ce = ce ce.p ; Ne = Ne Ne.p .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 14.13. ДХ ТВаД |
|
Рис. 14.14. Зависимость ce ( |
|
e ) |
|
|
N |
|
Нижняя граница относится к двигателям с более высо- |
кими значениями Тг.p и |
πк.p . У таких двигателей ухудше- |
ние экономичности (↑ce ) при уменьшении Ne происходит
медленнее.
Это объясняется тем, что при увеличении Тг.p и πк.р
растет ηe как на расчетных, так и на дроссельных режимах. Кроме того, двигатели с более высокими значениями Тг.p
менее чувствительны к снижению ηк и ηСТ при дроссели-
ровании.
Таким образом, для улучшения экономичности ТВаД на номинальных и крейсерских режимах (0,6…0,75)Ne необхо-
димо увеличивать Тг.p и πк.р.
Незначительное повышение экономичности ТВаД на дроссельных режимах возможно снижением nСТ за счет увеличения нагрузки на валу СТ при дросселировании. В этом случае РТ на характеристике СТ перемещается в зону максимальных ηСТ , и снижение суммарного КПД ГТ ηт =ηт.кηСТ замедляется.
14.7. Климатические характеристики ТВаД
Скоростные характеристики ТВаД обычно не рассматривают, так как ТВаД со СТ используются на наземных установках (V = 0) или на вертолетах (V ≤ 250 км/ч), когда Ne и ce изменяются в пределах 2…3 %.
Факторами, существенно влияющими на величину Ne и ce ТВаД, являются температура Тн и давление рн атмосферного воздуха на входе в двигатель, изменяющиеся в широком диапазоне.
Зависимости Ne(Тн, рн) и
сe(Тн, рн) называются климатиче-
Рис. 14.15. Зависимости скими характеристиками (КХ)
Ne (tн), сe (tн) ТВаД (рис. 14.15).
