Раздел II

2. Расчёт параметров твд на базе трд

Установленный на самолёте ГТД, турбина которого развивает большую мощность, чем требуется для вращения компрессора, и в котором избыточная мощность передается на воздушный винт, называется турбовинтовым двигателем (ТВД).

ТВД по сравнению с ТРД имеет преимущества при взлёте и полёте на малых и средних скоростях полёта (до 600…800 км/ч). Тяга у ТВД в этой области больше, а удельный расход топлива меньше. ТВД более эффективно преобразует полезную (эффективную) энергию в тяговую работу, которая в основном создаётся воздушным винтом.

Расчёт параметров ТВД производится на базе рассчитанного ТРД. Принимая полное расширение газа на турбине, необходимо определить основные параметры ТВД и сравнить эффективность ТВД и ТРД при работе на месте (V_п = 0).

2.1. Схема и исходные данные твд

Большинство ТВД, применяемых в настоящее время на летательных аппаратах, выполнены по одновальной схеме (рис. 2.1.). Одновальные ТВД отличаются относительной простотой конструкции и управления (регулирования).

Исходными данными являются параметры расчёта ТРД.

2.2. Расчёт основных параметров

Рис. 2.1. Схема ТВД: 1 – воздушный винт; 2 – входное устройство; 3 – редуктор; 4 – осевой компрессор; 5 – камера сгорания; 6 – газовая турбина;

7 – выходное устройство

2.2.1. Работа расширения газа в турбине

Работа расширения газа в турбине определяется из условия полного расширения газа в турбине:

^{Дж/к, (2.1)}

где π_Т = = 2010916/101325 = 19,8 – действительная степень понижения давления газа в турбине;

р_Т = (1,0…1,05)·р_Н = 101325 Па – статическое давление в потоке газа за турбиной;

η_Т – мощностной КПД турбины ТВД. На расчётном режиме рекомендуется принимать η_Т = 0,8…0,83. При этом, чем больше эквивалентная мощность, тем больше КПД η_Т = 0,8…0,83. В формуле (2.1) выбрано значение η_Т = 0,83.

2. Работа, передаваемая на вращение воздушного винта

L_в = L_е· η_ред = (L_Т – L_К) · η_ред = (730518,54 - 473862,5)·0,99 =

= 254089,48 Дж/кг, (2.2)

где η_ред – КПД редуктора. Рекомендуется принимать η_ред = 0,97…0,99, причём, чем больше мощность двигателя, тем больше η_ред . В расчёте (2.2) выбрано значение η_ред = 0,99.

2. Мощность, передаваемая на вращение воздушного винта

N_в = L_в·G_в = 254089,48·120 = 30490737 Вт = 30490,737 кВт. (2.3)

2. Тяга, создаваемая воздушным винтом

Р_в = N_в· η_в / V_п , (2.4)

где η_в – КПД винта;

V_п – скорость полёта самолёта.

В стендовых условиях (V_п = 0, η_в = 0) тяга Р_в по формуле (2.4) не определяется. Поэтому при V_п = 0 тяга винта при известном значении мощности N_в0 определяется с помощью экспериментального коэффициента К₀ = Р_в0 / N_в0 . При известном К_о тяга винта определяется формулой

Р_в0 = К_о· N_в0 , (2.5)

где N_в0 – мощность, подводимая к валу винта на стенде.

Для современных винтов на взлётном режиме К₀ = 9…17 Н/кВт, в зависимости от нагрузки винта, характеризуемой отношением мощности винта N_в к площади, ометаемой лопастями винта – F_в = π· . С ростом скорости полёта коэффициент К₀ уменьшается. При сравнительных расчётах для низконагруженных винтов ТВД обычно принимают К₀ = 15 Н/кВт, а для высоконагруженных (ТВВД) – 9…10 Н/кВт. Для выполняемого расчёта выбираем К₀ = 10 Н/кВт.

Р_в = Р_в0 = К₀· N_в0 = 10·30490,737 = 304907,37 Н. (2.6)

2. Реактивная тяга, развиваемая ТВД при V_п = 0 (на стенде, на старте)

= 120·(200 – 0) = 24000 Н. (2.7)

Скорость истечения газа из реактивного сопла ТВД с_С = 200 м/с выбрана на основании анализа формулы Б.С. Стечкина /3/, выведённой для случая оптимального распределения работы цикла между тягой винта и реакцией струи:

с_{С опт} = V_п / η_ред ·η_в . (2.8)

Как видно из формулы (2.8), чем больше скорость полета V_п и чем меньше КПД винта η_в и КПД редуктора η_ред (даже при постоянстве этих КПД с изменением скорости V_п), тем больше будет оптимальная скорость истечения газа из выходного сопла, и, следовательно, работа реакции струи, и меньше работа, передаваемая на винт. В целях приближения распределения энергии между винтом и реакцией струи к оптимальному в полёте для ТВД с современными параметрами целесообразно на земле (Н = 0, V_п = 0) передавать на винт 85…90 % работы цикла, и, следовательно – 10…15 % оставить на приращение кинетической энергии струи. Этому распределению соответствует с_С = 200…350 м/с.

2. Полная тяга ТВД

Полная тяга ТВД Р_Σ складывается из тяги, создаваемой винтом Р_в и реактивной тяги Р_р – тяги, создаваемой за счёт реакции газовой струи, истекающей из сопла двигателя.

Р_Σ = Р_в + Р_р = 304907,37 + 24000 = 328907,37 Н. (2.9)

2. Эквивалентная мощность

Под эквивалентной мощностью N_э понимают условную мощность, необходимую для вращения такого воздушного винта, который развивал бы тягу, равную суммарной тяге двигателя Р_Σ .

N_э = N_в0 + Р_р / К₀ = 30490,737 + 24000/10 = 32890,737 кВт. (2.10)

2.2.8. Тяга, развиваемая ТВД в условиях старта

Тяга, развиваемая ТВД в условиях старта воздушного судна (V_п = 0) может быть вычислена по формуле:

P_Σ = N_э·K₀ = 32890,737·10 = 328907,37 H (2.11)

2.2.9. Удельный эквивалентный расход топлива

С_э = G_Т.Ч / N_э = g_Т ·G_B·3600/ N_э = = 0,26 кг/(кВт·ч), (2.12)

где G_Т.Ч = g_Т ·G_B·3600 – часовой расход топлива, кг/ч.

G_Т.Ч = g_Т ·G_B·3600 = 0,02·120·3600 = 8640 кг/ч. (2.13)

Для современных ТВД удельный эквивалентный расход топлива лежит в диапазоне С_э = 0,24…0,40 кг/(кВт·ч). Полученное значение (2.11) удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным ТВД.