книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы
.pdfтеристики ЛА (укороченный или вертикальный взлет и посадка).
Девиация тяги осуществляется с помощью отклоняемых створок РС или специальных насадков на сопле (дефлекторов).
9.4. Снижение шума в ВРД
Источниками шума в ВРД являются: реактивная струя газа из РС; компрессор; турбина; вентилятор (ТРДД) или воздушный винт (ТВД).
Главным источником шума у ТРД, ТРДФ, ТРДД с малой степенью двухконтурности (m < 4) является реактивная струя газа из РС, причем уровень шума пропорционален скорости истечения сс и величине тяги двигателя R.
В этом случае принцип работы шумоглушителя основан на дроблении мощной струи газа, выходящей из двигателя, на множество мелких струй с помощью специальных решеток. Этот принцип широко используется на испытательных стендах и, в редких случаях, на самолетах.
Главным источником шума ТРДД с m > 4 является вентилятор.
Конструктивные мероприятия по снижению шума
вТРДД включают в себя:
1.Снижение шумности источника:
–увеличение осевого зазора между лопаточными венцами РК и НА вентилятора;
–подбор разного числа лопаток РК и НА вентилятора;
–наклон лопаток НА вентилятора под углом к радиусу;
–применение одноступенчатого вентилятора ТРДД без входного направляющего аппарата.
2. Внешнее глушение шума:
–применение звукопоглощающей внутренней облицовки наружного корпуса вентилятора (трехслойная оболочка
241
с сотовым заполнителем и перфорированной обшивкой со стороны потока газа – «резонансный метод»);
– соблюдение определенного соотношения между длиной облицовки и диаметром входа ТРДД: (Fобл/Fвх) ≈ 5…15 для ТРДД с m = 4…8.
Так как на человека оказывает вредное воздействие не только амплитуда акустических волн (уровень шума), но и высокая частота колебаний, необходимо принимать меры по сдвигу частоты акустических волн к средним значениям спектра частот, воспринимаемых человеком.
Контрольные вопросы
1.Чем определяется выбор типа реактивного сопла?
2.Назвать и пояснить критерии оценки потерь в сверхзвуковом сопле.
3.Изобразить графически и пояснить характеристику сверхзвукового сопла.
4.Объяснить природу потерь в сверхзвуковом сопле на режимах перерасширения.
5.Объяснить устройство и работу эжекторного сопла.
6.Назначение и типы реверсивных устройств.
7.Причины возникновения шума в ВРД и способы его уменьшения.
242
10.СОВМЕСТНАЯ РАБОТА УЗЛОВ
ВСИСТЕМЕ ТРД
10.1.Совместная работа ГТ и РС на установившихся режимах
На установившихся режимах работы ТРД Nт.расп = Nк.потр, следовательно, n = const, то есть режим работы двигателя не изменяется с течением времени.
Условием совместной работы ГТ и РС на установившихся режимах является равенство расходов через минимальные сечения ГТ и РС, то есть через выходное сечение соплового аппарата (СА) первой ступени ГТ FСА и критическое сечение РС Fкр:
|
р σ |
|
|
|
ртσкр |
q(λ |
|
)F |
|
|
||
m |
|
г СА |
q(λ |
|
)F |
= m |
|
|
, |
(10.1) |
||
|
|
|
|
|
||||||||
г |
|
Тг |
CA |
CA |
г Тт |
|
кр |
кр |
|
|
||
где σСА и σкр |
– коэффициенты сохранения полного давления |
|||||||||||
в СА и в докритической (сужающейся) части РС соответст-
|
|
k |
|
2 |
|
|
|
kг +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
венно; m |
= |
г |
|
|
kг −1 |
= 0,0397 [кг·К/Дж]0,5 – коэффици- |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
г |
|
Rг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
kг +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ент, учитывающий изменение kг и Rг по тракту двигателя. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Разделив |
|
левую |
|
|
и |
правую |
части |
уравнения |
(10.1) на |
|||||||||||||||||||||||||
рт Т т , |
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
σкрFкрq(λкр ) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
т |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
(10.2) |
|||
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
σ |
|
F q(λ |
|
|
|
) |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
CA |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
г |
СА |
CA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
С учетом |
того, |
|
|
что |
π |
= р |
/ р |
|
|
|
Т /Т |
=( |
р / р ) |
п−1 |
||||||||||||||||||||
|
|
; |
|
п |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
г |
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
г т |
|
г т |
|||
уравнение (10.2) примет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(λ |
|
|
) |
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ |
F q |
кр |
|
n+1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр кр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
πт |
= |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
(10.3) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
σ |
F |
|
q(λ |
|
|
) |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СА |
CA |
|
|
|
CA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
243
Практически во всем диапазоне режимов работы двигателя (за исключением режима глубокого дросселирования) на СА и РС сверхкритические перепады давления, то есть в сечениях FСА и Fкр скорость критическая, следовательно,
q(λСА) = 1, q(λкр) = 1. Допустив, что σСА ≈ σкр ≈ 1, выражение (10.3) можно упростить до вида
|
|
F |
|
2n |
|
|
|
n+1 |
|
|
|||
πт |
≈ |
кр |
. |
(10.4) |
||
|
||||||
|
|
FCA |
|
|||
Из выражения (10.4) следует, что при изменении Fкр и FСА будет изменяться πт , следовательно, будет изменяться
мощность, создаваемая ГТ Nт. Физически это объясняется тем, что, например, при увеличении Fкр возрастает расход газа через РС, давление за турбиной падает и увеличивается
степень понижения давления в турбине (↑πт = рг 
↓ рт ). На
практике регулирование FСА производится только при доводке двигателя в стендовых условиях, в эксплуатации FСА = const. Регулировать величину Fкр возможно, если двигатель оборудован регулируемым РС. Влияние изменения Fкр на величину Nт позволяет использовать Fкр как регулирующий фактор при управлении двигателем. Изменение Fкр
позволяет поддерживать |
Тг =const |
при изменении режима |
||||
полета. |
|
|
|
|
|
|
П р и м е р. |
При |
программе |
регулирования (ПР): |
|||
n = const; Тг =const |
ТРД с высоконапорным ОК увеличилось |
|||||
число М полета: |
|
|
|
|
|
|
↑ М ↑Т ↓ п ↓η ↑ N |
к.потр |
> N |
т.расп |
↓ n . |
||
вх |
пр |
к |
|
|
||
Для увеличения Nт с целью восстановления исходного |
||||||
значения n (↑ n) |
система автоматического |
управления |
||||
(САУ) не может увеличить Тг , увеличив расход топлива Мт,
244
так как реализует ПР Tг =const , но САУ может увеличить Fкр. При этом, в соответствии с уравнением (10.4), возрастет πт , следовательно, увеличится Nт.
Вывод: регулирование величины Fкр позволяет расширить возможности реализации различных программ регулирования ТРД.
10.2. Совместная работа компрессора, камеры сгорания и турбины ТРД на установившихся режимах
10.2.1. Уравнения совместной работы ОК, КС, ГТ
1. Уравнение расхода (материального баланса) |
|
Мг = Мв – Мотб + Мт, |
(10.5) |
где Мотб – количество воздуха, отбираемого на нужды ЛА
иохлаждение узлов двигателя; Мт – расход топлива в КС.
Ввыражении (10.5) вынесем за скобку Мв и получим
M |
г |
= M |
|
1− |
Mотб |
+ |
Mт |
|
= M |
(1−m |
+ m ) |
=βM |
, (10.6) |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
в |
Mв |
|
|
в |
отб |
т |
в |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Mв |
|
|
|
|
|
|||
где β = |
Мг |
|
может принимать значения: β < 1, если Мг < Мв, |
|||||||||||
Мв |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то есть Мотб > Мт; β > 1, если Мг > Мв, то есть Мотб < Мт.
2. Уравнение баланса мощностей (энергетического ба-
ланса) |
|
|
|
N = |
Nк |
, |
(10.7) |
|
|||
т |
η |
|
|
|
м |
|
|
где ηм – механический КПД, учитывающий затраты мощности на трение в подшипниках и на привод дополнительных агрегатов.
С учетом того, что Nт = LтМг, Nк = LкМв уравнение (10.7) можно записать в виде
245
L M |
г |
= |
LкMв |
L |
= |
LкMв |
= |
Lк |
или Lк = Lт ηм β. (10.8) |
||
η |
|
η β |
|||||||||
т |
|
т |
|
η |
M |
г |
|
|
|||
|
|
|
м |
|
|
м |
|
|
м |
|
|
Уравнение (10.8) называется уравнением баланса работ.
3.Уравнение равенства частот вращения. Так как ОК
иГТ связаны механически, то уравнение равенства частот вращения имеет вид
|
|
|
|
|
|
nт = nк = nдв. |
|
|
|
|
|
(10.9) |
||||
4. Уравнение |
равенства между |
|
|
степенью |
повышения |
|||||||||||
давления в ОК и ВЗ и степенью расширения в ГТ и РС |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
π |
π |
= π |
π |
σ |
|
, |
|
|
(10.10) |
||
|
|
|
|
|
т |
PC |
V |
к |
КС |
|
|
|
|
|
||
|
p |
|
|
p |
|
p |
|
|
|
|
|
p |
|
|||
где π = |
г |
; |
π = |
вх |
; π = |
к |
; |
π |
= |
|
т |
. |
|
|||
p |
|
|
|
|
||||||||||||
т |
|
V |
p |
к |
p |
|
РС |
|
|
|
p |
|
||||
|
т |
|
|
н |
|
вх |
|
|
|
|
|
н |
|
|||
Из уравнения (10.10) следует, что Σπр = Σπс с учетом потерь полного давления в КС.
10.2.2. Уравнение линии совместной работы
Уравнение линии совместной работы (ЛСР) можно получить из решения системы уравнений:
материального баланса Мг = βМв;
баланса работ Lт = Lк .
βηм
Уравнение равенства расходов воздуха и газа через сечения вх–вх и СА–СА, соответственно, можно записать в виде
|
р |
|
|
|
|
|
р |
|
q(λ |
|
) . (10.11) |
|||
т |
|
вх |
F q(λ |
|
|
)β = m |
|
CA |
|
F |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
в Твх вх |
вх |
|
г |
ТCA |
CA |
|
CA |
|
||||||
Учитывая, |
что T |
|
=T ; |
р |
= р σ |
σ |
|
(через σ |
||||||
|
|
|
CA |
|
г |
CA |
к |
КС |
CA |
|
КС |
|||
учитываем роль КС в совместной работе), преобразуем уравнение (10.11) к виду
246
т |
р |
F q(λ |
|
)β = т |
|
р σ |
σ |
|
|
(λ |
|
). |
||||
|
вх |
|
к КС CA |
F q |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
в Твх |
вх |
вх |
|
г |
Тг |
СА |
|
|
СА |
|
||||||
Из уравнения (10.12) выразим отношение |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
р |
= πк = |
|
Fвхq(λвх )β Tг mв |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
рвх |
F q(λ |
СА |
)σ |
σ |
T |
m |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
СА |
КС |
СА |
вх |
г |
|
|
||||
(10.12)
(10.13)
тогда промежуточное уравнение совместной работы будет иметь вид
|
|
|
|
|
πк |
= Аq(λвх ) |
T |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
г |
, |
|
|
(10.14) |
|||||
|
|
|
|
|
T |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
где А = |
|
F т β |
|
|
= const ~ |
|
F |
|
Т |
|
||||
|
вх |
в |
|
|
|
вх |
; |
г |
– степень |
|||||
F |
|
|
|
σ |
F |
Т |
||||||||
|
т q(λ |
СА |
)σ |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
СА |
г |
КС |
СА |
|
|
|
СА |
|
вх |
|
|||
подогрева газа в двигателе. На характеристике ком-
прессора в координатах
π q(λ |
вх |
) |
линейная зависи- |
к |
|
|
мость (10.14) изображается пучком прямых линий – лучей из начала координат для фиксированных значений Тг /Твх
(рис. 10.1).
Точки пересечения линий с фиксированными зна-
чениями Тг /Твх с линиями nпр = const (напорные кривые) определяют режим работы ОК, КС, ГТ при заданных
значениях nпр и Тг /Твх .
Рис. 10.1. Зависимость
|
|
|
|
πк q (λвх ), |
Тг |
|
|
Твх |
|||
|
|
247
При заданной nпр увеличение Тг /Твх (↑Тг или↓Твх )
приводит к увеличению угла наклона лучей к оси абцисс, следовательно, снижению запаса устойчивости ОК ∆Kу.
При глубоком дросселировании двигателя, когда πк су-
щественно снижается или малых числах М полета СА первой ступени ГТ переходит на докритический режим, q(λСА) начинает уменьшаться и коэффициент А перестает быть константой. Линии с Тг /Твх =const вследствие увеличения коэффи-
циента А искривляются и сходятся в точке πк =1.
Уравнение (10.14) не позволяет определить, в какой точке характеристики будет работать компрессор при заданной n, если степень подогрева Тг /Твх неизвестна.
Для исключения Тг /Твх из уравнения совместной рабо-
ты подставим в уравнение баланса работ компрессора и турбины (10.8) вместо Lк и Lт их выражения и получим
|
|
|
|
|
|
|
k −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
πк k |
−1 |
|
|
|
|
kг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
RTвх |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
RгТг 1− |
|
|
|
|
|
ηт |
ηмβ, |
(10.15) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kг −1 |
||||||||||||||||
|
k −1 |
|
|
|
|
|
ηк |
|
|
|
|
kг −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
πт |
|
|
г |
|
|
|
|
|
|
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
k −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
πк k |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=C |
|
|
1 |
− |
|
|
|
|
η |
, |
|
(10.16) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
kг −1 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
|
|
вх |
|
|
πт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kг |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где C = |
|
kг |
|
|
k −1 |
η β |
Rг |
|
= const . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
kг −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
k |
м |
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
При программах регулирования двигателя соответствующих πт = const (Fкр = сonst) выражение (10.16) примет вид
248
где В=C 1−
k −1 |
|
Тг |
|
|
|
πк k |
−1 = В |
, |
(10.17) |
||
Т |
|||||
η |
|
|
|
||
к |
|
вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
ηт |
= const. |
|
|
|
||||
|
kг −1 |
|||||
|
k |
|
|
|
|
|
πт |
|
г |
|
|
|
|
Решая совместно уравнения (10.14) и (10.17) путем исключения из них Тг /Твх , получим
|
|
|
|
|
|
|
k −1 |
|
|
|
πк |
|
= |
|
А |
πк k −1 , |
(10.18) |
|
|
q(λвх ) |
|
|
||||
|
|
|
|
В |
ηк |
|
||
где A / |
В =const . |
|
|
|
|
|
|
|
Выражение (10.18) называется уравнением линии сов- |
||||||||
местной работы (ЛСР) |
ОК, |
КС, ГТ при |
πт = const и ПР |
|||||
n = const. |
|
|
|
|
|
|
||
Выражение (10.18) |
опре- |
|
|
|||||
деляет |
однозначную |
|
связь |
|
|
|||
между πк и q(λвх) при выбран-
ной исходной точке Р (расчетный режим) на характеристике ОК определяемой величиной
коэффициента A / |
В и пред- |
|
|
ставляет |
собой |
геометриче- |
|
ское место точек на напорных |
|
||
кривых. Если эти точки соеди- |
|
||
нить между собой, получится |
|
||
ЛСР (рис. 10.2). |
|
|
|
ЛСР, построенная при ус- |
Рис. 10.2. Линия совместной |
||
ловии πт |
= const, не изменяет |
работы |
|
249
своего положения при изменении условий полета (M, H) и режима работы двигателя (n).
При ПР или режимах работы двигателя, соответствующих условию πт = var (Fкр = var), величина коэффициента
A / В будет изменяться, и ЛСР будет изменять свое положение.
Изменение πт возможно, как следует из уравнения со-
вместной работы ГТ и РС (10.3), при изменении Fкр, FСА, q(λвх) (на докритический режим работы РС), q(λСА) (докритический перепад на СА).
10.2.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР
Влияние изменения Fкр на положение ЛСР
Из уравнения (10.4) видно, что при условии FСА = const и ПР n = const уменьшение Fкр приводит к снижению πт . Физически это объясняется тем, что при уменьшении Fкр
уменьшается |
|
расход газа через реактивное сопло Мг РС = |
|
=↓ Fкрскрρкр , следовательно, возрастает давление за турби- |
|||
ной р и ↓ π |
= р |
↑ р . |
|
т |
т |
г |
т |
В результате снижения πт уменьшается Nт < Nк, следовательно, уменьшается n. САУ, для восстановления исходного значения n, увеличит Мт ↑Тг ↑ Nт .
При дополнительном нагреве газа (↑Тг ) возрастает его
удельный объем и уменьшается плотность, следовательно, уменьшается МгСА. Вследствие увеличения дросселирующего эффекта ГТ уменьшится расход воздуха через компрессор Мв, следовательно, ↓ q(λвх ) . Рабочие точки (РТ) на ХК сме-
стятся по напорным кривым в область меньших расходов, то
250