Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

Универсальная характеристика нерегулируемого компрессора с нанесенной на нее ЛСР (см. рис. 5.12) позволяет определить диапазон значений n, чисел М, высот Н, при которых nпр не выходит за ГГУ, то есть компрессор работает устойчиво. В эксплуатации не всегда удается удержаться в заданном диапазоне, например, при запуске дви-

регулирование компрессора.

5.8. Регулирование компрессоров ВРД

Задачи регулирования ОК:

–повышение запасов газодинамической устойчивости компрессора во всем эксплуатационном диапазоне режимов работы и условий полета;

–снижение уровня вибронапряжений в лопатках, возникающих на повышенных углах атаки;

–повышение КПД компрессора на нерасчетных режимах.

Способы регулирования ОК:

– перепуск воздуха из проточной части компрессора в атмосферу или другое пространство с пониженным давлением;

–поворот лопаток направляющих аппаратов (НА);

–изменение соотношения между частотами вращения различных ступеней компрессора (применение двухили трехвальной схемы ВРД).

141

Перепуск воздуха. Этот вид регулирования ОК применяется при работе двигателя на пониженных частотах вращения

n при высоких числах М полета (↑Твх ) и при запуске двига-

теля. Открытие окон перепуска, закрытых металлической лентой или клапанами (см. рис. 5.1), осуществляется автоматически на опасных режимах работы двигателя. При уменьшении nпр < nпр.р углы набегания потока i на РЛ передних ступеней ОК возрастают, а на РЛ последних ступеней – уменьшаются. Открытие окон перепуска в средней части корпуса ОК приводит к увеличению расхода воздуха Мв на передних ступенях, при этом увеличивается осевая составляющая скорости са, следовательно, уменьшается i

(рис. 5.14, а).

Рис. 5.14. Регулирование ОК перепуском воздуха

Необходимость сжимать дополнительный воздух, выбрасываемый через клапаны перепуска, требует увеличения работы компрессора Lк, для поддержания n = const. Автоматика увеличивает расход топлива в камеру сгорания, температура на входе в турбину увеличивается, что приводит к снижению массового расхода газа через ГТ вследствие уменьшения его плотности. В результате уменьшается расход

воздуха через последние ступени ОК (↓ ca ), и углы набегания на них увеличиваются (рис. 5.14, б) до расчетного значе-

142

тых окнах перепуска, так как при n < nМГ РТ находится в зоне «нижнего срыва» ОК, а при достижении частот вращения с достаточным запасом устойчивости ОК окна перепуска закрываются.

Такой вид регулирования ОК достаточно прост и поэтому широко распространен, хотя экономически невыгоден. Это объясняется тем, что часть мощности ГТ Nт приходится затрачивать на сжатие воздуха, который затем выбрасывается в атмосферу через окна перепуска, не участвуя в создании тяги двигателя. Из-за уменьшения физического расхода воздуха Мв через двигатель снижается тяга R, вследствие чего растет удельный расход топлива cR =↑ Мт ↓ R .

Для снижения влияния перепуска на R и cR иногда перепуск осуществляют в пространство за турбиной или в наружный контур ТРДД.

Поворот лопаток НА. Поворот лопаток НА позволяет изменять углы набегания потока i на лопатки РК ОК и поддерживать их значения близкими к расчетным.

В высоконапорных ОК при отклонении режима работы двигателя или условий полета от расчетных происходит интенсивное изменение углов i в противоположные стороны на первых и последних ступенях.

143

Например, при уменьшении nпр < nпр.р углы набегания потока i на РЛ передних ступеней ОК возрастают, а на РЛ последних ступеней уменьшаются.

Для повышения запаса устойчивости ОК лопатки НА первых ступеней необходимо повернуть «на прикрытие», а последних – «на открытие» (рис. 5.16). При этом углы i на первых ступенях уменьшаются, а на последних – возрастают до расчетных значений iр, что приводит к увеличению запаса устойчивости компрессора ∆Kу, ГГУ смещается влево.

Рис. 5.16. Регулирование ОК поворотом лопаток НА

При восстановлении расчетного обтекания РЛ (i = ip) возрастает ηк . Уменьшение значений i на первых ступенях ОК приводит к снижению их напорности, следовательно, к уменьшению расхода воздуха (↓ Мв.пр ) . Напорные кривые смещаются в область с меньшими расходами воздуха.

Контрольные вопросы

1.Назвать основные параметры компрессоров.

2.Объяснить структуру полной работы компрессора.

144

3.Объяснить, какие энергетические преобразования происходят в ступени компрессора.

4.Пояснить физический смысл предварительной за-

крутки потока cu .

5.Пояснить физический смысл степени реактивности ступени компрессора.

6.В результате чего возникают потери энергии в компрессоре?

7.Назвать преимущества и недостатки при профилировании проточной части ОК по закону Dк = const.

8.Дать определение и изобразить нормальные характеристики компрессора.

9.В чем неудобство использования нормальных характеристик?

10.Дать определение и изобразить универсальные характеристики компрессора.

11.Пояснить физический смысл приведенных пара-

метров.

12.Дать определение запасу устойчивости компрессора

ипояснить его геометрическую интерпретацию.

13.Изобразить расположение ЛРР на характеристике компрессора различной напорности.

14.Зачем необходимо регулировать высоконапорный ОК?

15.Какие существуют способы регулирования ОК?

145

6.ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ

ВВОЗДУХОЗАБОРНИКАХ ВРД

6.1.Назначение, классификация

итребования к ВЗ ВРД

Воздухозаборник (ВЗ) предназначен для подвода необходимого количества воздуха к компрессору и частичного преобразования в полете кинетической энергии воздушного потока в потенциальную с минимальными потерями энергии.

Классификация ВЗ:

–по скорости полета: дозвуковые; сверхзвуковые;

–по расположению на ЛА: лобовые; примыкающие;

–по форме сечения: плоские; пространственные.

Требования, предъявляемые к ВЗ:

–минимальные потери полного давления (энергии);

–устойчивость течения воздуха через ВЗ во всем диапазоне режимов работы двигателя и условий полета;

–малое внешнее сопротивление;

–равномерное распределение давления и скорости по поперечному сечению на выходе из ВЗ (на входе в ОК);

–обеспечение необходимого расхода воздуха на всех режимах эксплуатации двигателя;

–компоновка ВЗ на ЛА не должна ухудшать рабочий процесс в ВЗ и аэродинамику ЛА;

–ВЗ должен иметь минимальные массу и габариты.

6.2.Основные параметры ВЗ

Коэффициент сохранения полного давления σ = р

вх

рвх ,

н

где рвх и рн – полные давления на выходе из ВЗ и в невозмущенном сечении набегающего потока соответственно.

При помощи σвх оценивают потери полного давления при течении воздуха через ВЗ. Его величина зависит от числа

146

М полета, способа организации процесса торможения потока, профиля и размеров ВЗ.

Степень повышения полного давления в ВЗ πV = рвх рн .

φвх ~ Fн ~ 1/M.

φвх – это отношение действительного расхода воздуха через силовую установку Мв = FнVρн к расходу, определенному по геометрической площади на входе в ВЗ в сече-

нии 0–0: Мв max = F0Vρн.

При помощи φвх оценивают пропускную способность ВЗ и используют его при анализе совместной работы узлов двигателя и выборе программы регулирования ВЗ (см. рис. 6.1).

Коэффициент внешнего сопротивления cх.вн = Хвн , где qFм

Xвн – сила внешнего сопротивления ВЗ; q = ρнV 2/2 – скоростной напор; Fм – площадь максимального поперечного сечения ВЗ (площадь миделя).

Наличие Xвн вызвано действием сил трения и избы-

на нерасчетных режимах работы ВЗ, и может достигать 20…30 % от величины тяги R.

Степень неравномерности поля скоростей в выходном

сечении ВЗ δc = cmax −cmin 100 %. При помощи δс оценивают

cср

влияние параметров воздушного потока на устойчивость работы ОК.

Величина δс зависит от числа М полета, отклонения вектора скорости от осевого направления входа в ВЗ, формы канала ВЗ, компоновки ВЗ на ЛА.

147

6.3.Дозвуковые воздухозаборники

6.3.1.Расчетный режим работы дозвуковых воздухозаборников

Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ) устанавливаются на такие ЛА, у которых дозвуковой режим полета является основным.

ДВЗ имеют закругленные входные кромки с достаточно большой относительной толщиной. Плавные очертания входной кромки необходимы для обеспечения безотрывного обтекания потоком внутренних и внешних стенок ДВЗ

(рис. 6.1).

Рис. 6.1. Расчетный режим работы ДВЗ

На расчетном режиме работы ДВЗ основное торможение (сжатие) воздуха происходит в диффузорной (расширяющейся) струе набегающего потока между сечениями н–н и 0–0 (внешнее сжатие), перед входом в ВЗ. Это выгодно тем, что торможение протекает без потерь на трение.

Внутри ДВЗ также происходит торможение (сжатие) воздуха. Для этого канал выполняют расширяющимся (между сечениями 0–0 и а–а). Наличие диффузного участка характерно для ДВЗ силовых установок, у которых двигатель рас-

148

положен далеко от входа в ВЗ, что позволяет уменьшить гидравлические потери в удлиненном канале за счет снижения скорости потока. Скорость снижают до значений, меньших, чем расчетная свх. Непосредственно перед входом в ОК (между сечениями а–а и вх–вх) канал сужают для увеличения скорости потока до расчетного значения свх, определяемого режимом работы двигателя (n).

ВЗ работает на расчетном режиме в том случае, когда режим работы ВРД расчетный (n = np), скорость и высота полета также расчетные (Vp, Hp). На расчетном режиме работы ДВЗ обеспечивается оптимальное распределение степени повышения давления перед ВЗ и внутри его.

Внешнее сжатие обеспечивает повышение давления на 60…70 % от динамической степени повышения давления πV ,

c0 при этом примерно равно 0,5Vp. При расчете ДВЗ величина Fвх определяется потребным расходом воздуха через двигатель Мдв и скоростью свх, которая зависит от вида ОК:

для ОК с дозвуковой первой ступенью свх = 170…200 м/с; для ОК со сверхзвуковой первой ступенью свх =

= 200…220 м/с;

для маломощных (вспомогательных) ГТД как с осевым, так и центробежным компрессором, свх = 100…120 м/с.

Значение F0/Fвх выбирают таким, чтобы с0 = 0,5Vp и, зная значение Fвх, определяют величину F0.

При данных условиях 65…75 % кинетической энергии превращается в ВЗ в энтальпию. Обычно (F0/Fвх) = = 0,75…0,85.

6.3.2. Нерасчетные режимы работы ДВЗ

Нерасчетные режимы работы ДВЗ возможны:

–при полете со скоростью V > Vp;

–работе двигателя на земле или при полете со скоростью V < Vp;

149

–косом обдуве ДВЗ;

–полете с трансзвуковой скоростью;

–полете со сверхзвуковой скоростью.

При V > Vp (рис. 6.2) скорость c0 на входе в ВЗ практически не изменяется, так как ее величина зависит только от режима работы двигателя – c0(n). Следовательно, должна возрастать степень внешнего

повышения давления перед

ВЗ, поэтому возрастает диф-

фузорность струи F0 = ↓FF0н

между сечениями н–н и 0–0

(см. рис. 6.1).

При этом возрастает угол

набегания струи на переднюю кромку ДВЗ, что может привести к отрыву потока от внешней стенки ДВЗ.

В результате увеличивается внешнее сопротивление Хвн и, следовательно, растет сх.вн.

При V << Vp, в том числе при V = 0 (V < c0) воздух необходимо разгонять перед входом в ДВЗ в сужающейся струе (рис. 6.3). Крайние струйки натекают на переднюю кромку под большим углом, что может привести к отрыву потока от внутренней стенки ВЗ.

В результате увеличивается неравномерность поля скоростей на выходе из ДВЗ (↑δc ) , что приводит к росту потерь

полного давления в ДВЗ (↓σвх ↓ Мв ↓ R) .

Косой обдув ДВЗ (рис. 6.4) возникает в следующих случаях:

– при резких эволюциях ЛА (энергичное маневрирование);

150