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

14.7.1. Зависимости Ne(Тн) и сe(Тн)

при рн = const

При ↓Tн ↓Tвх ↑ nпр ↑ πк ↑ рк ↑ рТК ↑ рСТ .

Так как в выхлопном патрубке ТВаД всегда докритический перепад давлений (сс < скр), то при увеличении давления

= NСТ ηСТ.

Физически это объясняется тем, что из-за возрастающего расхода через выхлопной патрубок давление за СТ рСТ растет

медленнее, чем на ее входе рТК (↑πСТ =↑↑ рТК ↑ рСТ ) . Nе также растет вследствие роста Мв (↑πк ) .

Снижение се при уменьшении Тн объясняется ростом ηп = ηе ↑ Nуд вследствие увеличения πк и ростом

Мв (↓ce = Мт ↑ Ne ) .

При уменьшении tн < 0 °С темпы роста Ne и снижения се замедляются, так как при высоких значениях nпр ~ n ↓Твх (рабочая точка на ХК движется вверх по ЛСР) заметно падает ηк , следовательно, замедляется рост πк .

14.7.2. Зависимости Ne(рн) и сe(рн) при Тн = const

бота расширения газа в СТ LСТ не изменяется и Nуд= LeηСТ = = const.

351

В то же время при ↑ рк ↑ рг ↑ Мг СА ↑ Мв , следовательно, увеличивается Ne = Nуд ↑ Мв .

Так как при увеличении атмосферного давления рн расход топлива Мт = const, а Ne увеличивается, удельный расход

топлива будет снижаться (↓ce = Мт ↑ Ne ) .

14.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД

14.8.1. Высотно-скоростные характеристики одновального ТВД

Реактивная составляющая тяги ТВД Rp изменяется при увеличении числа М полета аналогично изменению R в ТРД, то есть при увеличении числа М примерно до М ≈ 0,5 тяга Rp уменьшается, а затем начинает расти.

При увеличении числа М растет винтовая мощность NВ

352

Снижение се при росте V происходит из-за увеличения ↑ηe ↑ηп вследствие роста πдв. При увеличении M > 0,5

начинает снижаться КПД ВВ ηВ, следовательно, уменьшается ηп и начинается рост се.

При М ≈ 0,8 ТВД по экономичности сравним с ТРДД. При М > 0,85 ТВД по экономичности сравним с ТРД.

У двухвальных ТВД скоростные характеристики (СХ) аналогичны характеристикам одновального ТВД, но из-за более высокого значения ηп, при одинаковых с одновальным ТВД Тг и πдв , значение Ne выше, а се ниже.

Высотные характеристики (ВХ) ТВД [Ne(H), ce(H)] при условии V = const определяются изменением рн и Тн при изменении Н.

При ↑ Н ↓ рн ↓ рвх ↓ рг ↓ Мг CA ↓ Мв

↓ Nвал , следовательно, уменьшается винтовая мощность Nв.

Одновременно при ↑ Н ↓Тн ↓Твх ↑ πк ↑ pк↑ рт ↑ πс ↑ сс ↑ Rуд , но из-за более интенсивного уменьшения Мв снижается тяга Rр =↑ Rуд ↓↓ Мв . В результате уменьшается эквивалентная мощность ТВД

Ne =↓ Nв + ↓ RpV .

ηв

Снижение се при росте Н до 11 км связано с улучшением теплоиспользования вследствие роста πк (↓Тн ).

При увеличении Н > 11 км ce = const (Тн = const).

14.8.2. Высотно-скоростные характеристики ТВаД со СТ (вертолетных ГТД)

Характер и причины протекания ВХ ТВаД со СТ полностью аналогичны ВХ ТВД, с учетом того, что Rp = 0 (cc ≈ V).

СХ обычно не рассматривают, так как ТВаД со СТ используются, как правило, на наземных установках (V = 0) или

353

на вертолетах (V ≤ 250 км/ч), где Ne и ce изменяются в преде-

лах 2…3 %.

Контрольные вопросы

1.Провести сравнительный анализ ТВаД (ТВД) различных схем.

2.Назвать основные параметры ТВД.

3.Проанализировать формулу Стечкина.

4.Проанализировать особенности дросселирования ТВД

при постоянной частоте вращения ротора газогенератора

ипри постоянной Тг .

5.Проанализировать особенности дросселирования ТВД при комбинированной программе дросселирования.

6.Проанализировать особенности дроссельных характеристик ТВаД со СТ.

7.Проанализировать климатические характеристики

ТВаД.

8.Проанализировать высотные характеристики ТВД.

9.Проанализировать скоростные характеристики ТВД.

354

15.ФОРСИРОВАНИЕ ТЯГИ ГТД

15.1.Назначение и способы форсирования тяги

Форсирование тяги – это процесс кратковременного увеличения тяги двигателя выше значения Rmax. Увеличение тяги при форсировании оценивается степенью форсирования Rф/Rmax.

Цели форсирования тяги:

–сокращение длины разбега самолета при взлете;

–увеличение скорости полета;

–увеличение скороподъемности.

Способы форсирования тяги:

–кратковременное увеличение n > nmax;

–кратковременное увеличение Тг >Тmax ;

–впрыск воды или других жидкостей в ОК;

–впрыск воды или других жидкостей в основную КС;

–дополнительное сжигание топлива форсажной КС за ГТ.

15.1.1.Форсирование тяги увеличением n > nmax

Увеличить n (↑ Nт > Nк ) можно двумя способами:

1. ↑ Мт ↑Тг >Тmax ↑ Nт > Nк ↑ n > nmax ↑ πк ↑ рк рт ↑ πc ↑сс ↑ Rуд ↑ R .

Одновременно:

при ↑ πк ↑ рк ↑ рг ↑ Мг CA ↑ Мв ↑ R ; при ↑Тг >Tmax ↑Tт ↑ LPC ↑cc ↑ Rуд ↑ R .

В результате тяга R энергично возрастает вследствие значительного роста Rуд и Мв. При увеличении n на 3…5 % тяга возрастает на 15…20 %. Этот режим является чрезвычайным (ЧР), так как одновременно возрастают динамиче-

ские нагрузки (↑ Fцб > Fцб max ) и снижается прочность мате-

355

риала деталей ГТ вследствие увеличения температуры газа

Тг >Тmax . После работы на ЧР в течение 2...3 мин двигатель необходимо снимать для ремонта.

временно будет уменьшаться Тт ↓ LРС ↓сс ↓ Rуд ↓ R. В результате темп роста тяги R вследствие увеличения

πк будет сдерживаться снижением Тт .

Такой способ форсирования называется «холодная раскрутка» и является более «мягким» по отношению к деталям ГТ (Тг =Тmax = const), но итоговое увеличение R будет не-

значительным.

15.1.2. Форсирование тяги увеличением Тг* > Тmax*

при nmax = const

Данный способ форсирования может быть реализован только при наличии регулируемого РС (Fкр = var) увеличени-

ем Мт ↑Тг >Тmax ↑Тт ↑ LPC ↑cc ↑ Rуд ↑ R .

Так как при увеличении Тг ↑ Nт ↑ n , необходимо поддерживать величину n = nmax = const одновременным уменьшением Fкр ↓ πт ↓ Nт .

При таком способе форсирования тяга увеличивается на 5…8 %, а ГТ работает в менее жестком режиме (Fцб = const).

15.1.3. Форсирование тяги впрыском воды в ОК

При испарении воды, впрыснутой в ОК, происходит отбор тепла от воздуха и снижение его температуры, следова-

тельно, ↑ πк ↑ рк ↑ рт ↑ πc ↑сс ↑ Rуд ↑ R .

356

К недостаткам данного способа форсирования можно отнести:

–усиление коррозионного воздействия на элементы ОК;

–снижение экономичности (↑сR ) вследствие уменьше-

ния полноты сгорания (↓ηг ) в КС.

15.1.4. Форсирование тяги впрыском воды в КС

Впрыск и испарение воды в КС приводит к росту давления в КС рКС за счет водяных паров, следовательно, будет увеличиваться рг ↑ рт ↑ πc ↑сс ↑ Rуд ↑ R . Одновременно возрастает Мг через РС, что также способствует увеличению тяги R. При этом nmax = const, Тг =const .

Однако увеличение pКС ↑ рк при πк = const (nmax = = const) приводит к уменьшению Мв через ОК за счет увеличения гидравлического сопротивления, следовательно, уменьшается коэффициент расхода cа =↓са u ↑i >ip

↓ ∆Kу .

При данном способе форсирования возможный рост тяги 15…20 % ограничивается по ∆Kу min.

Следует помнить, что при впрыске воды в КС снижается температура в зоне горения, следовательно, снижается полнота сгорания и растет удельный расход топлива сR, но одновременно снижается эмиссия окислов азота NOx.

15.1.5.Форсирование тяги сжиганием топлива

вфорсажной камере

Наиболее распространенный способ форсирования тяги ТРД – это дополнительный подогрев газа сжиганием топлива (Мт.ф) в форсажной камере (ФК) за ГТ. Это возможно потому, что в газовом потоке после основной КС велико содержание

357

непрореагировавшего кислорода, так как коэффициент избытка воздуха в основной КС αКС ≈ 2,5…5.

↑ рт =↑ рф ↓ πт ↓ Nт < Nк ↓ п< nmax . Для того чтобы сохранить расчетный (максимальный) режим работы газогенератора ТРД (nmax = const), необходимо при увеличении Мт.ф ↑Тт одновременно увеличивать Fкр с целью сохране-

ния постоянной величины расхода газа через РС Мг РС =

=↑ Fкрсс ↓ρс = const .

Условием сохранения согласованной работы газогенератора является соотношение

При включении ФК:

Rф/Rmax ≤ 1,4…1,5 – при дозвуковых скоростях полета;

Rф/Rmax ≤ 2,5 – при М ≥ 1,0…2,5; сR ф ≈ 200 % от сR max – при М = 0; сR ф ≈ 40 % от сR max – при М = 2,5.

Увеличение степени форсирования при увеличении скорости полета объясняется тем, что при увеличении числа М полета возрастающее πдв =↑↑ πV ↓ πк приближается к опти-

мальному значению πдв.опт для температуры

Тф ≈1800...2200 К , при котором Le = Le max.

При полете с М ≥ 2,5 форсажный режим может являться основным (длительным) режимом работы ТРД. Примером могут служить сверхзвуковые пассажирские самолеты Ту-144 и «Конкорд».

358

У современных ТРДД, имеющих высокие значения Тг ,

уменьшается количество не прореагировавшего в основной КС кислорода, следовательно, снижаются возможности фор-

сирования (↑ Мт.ф ) .

15.2. Рабочий процесс в форсажных камерах

Назначение и схема ФК. ФК предназначена для дополнительного сжигания топлива с целью увеличения тяги двигателя (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Схема форсажной камеры: 1 – диффузор; 2 – воспламенитель; 3 – топливные коллекторы с форсунками; 4 – стабилизаторы пламени; 5 – тепловиброзащитный экран; 6 – теплозащитный кожух (капот)

Особенности рабочего процесса в ФК:

1. Коэффициент избытка воздуха в форсажной камере

αФК = 1,1…1,8 (Тф = = 1800…2200 К), следовательно:

–нет необходимости в разделении потока;

–повышаются требования к равномерности распределения топлива в потоке.

Отсутствие подвижных элементов ГТ позволяет реали-

зовать подогрев без охлаждения газа до температуры Тф max ,

но при этом необходимо охлаждать элементы ФК и защищать элементы конструкции ЛА от нагретых частей ФК.

359

2.Благодаря высокой температуре в ФК обеспечивается хорошая испаряемость топлива, поэтому достаточно небольших зон обратных токов, реализуемых уголковыми стабилизаторами пламени.

3.Скорость на выходе из ГТ 250…350 м/с, поэтому для снижения гидравлических потерь и повышения стабильности горения необходимо снижать скорость на входе в ФК до 130…170 м/с в диффузоре.

4.Вследствие меньшей, чем в основной КС концентра-

ции кислорода О2, ухудшается первичное воспламенение при включении ФК, поэтому необходим мощный воспламенитель.

Работа ФК. Через кольцевые коллекторы с форсунка-

ми 3, расположенные перед стабилизаторами пламени 4 (см. рис. 15.1), впрыскивается топливо навстречу потоку. Часть топлива, в жидкой фазе, формирует защитную пленку на поверхности стабилизаторов, которая, стекая на заднюю кромку, образует богатую смесь в зоне обратных токов за стабилизаторами и улучшает горение.

При запуске ФК топливовоздушная смесь поджигается с помощью воспламенителя 2. Горение начинается непосредственно за стабилизаторами пламени, а затем пламя уносится потоком в зону горения.

Для обеспечения полного сгорания топлива длина ФК LФК должна составлять 2,2…3,5 диаметра ФК. Для уменьшения габаритов ФК делают меньшей длины LФК = 1,5…2,0 диаметра ФК, при этом снижается полнота сгорания топлива

ηг.ф до 0,92…0,95 (в основной КС ηг ≥ 0,99).

Для предохранения стенок ФК от прогара и гашения вибраций устанавливают специальный экран 5, омываемый со стороны наружной стенки ФК относительно «холодным» газом, который также, проходя через перфорацию в экране, создает защитную пленку на внутренней поверхности экрана.

360