книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2

а- коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

ц- количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива

к- показатель адиабаты

а- коэффициент восстановления полного давления

ВВЕДЕНИЕ

Предметом изучения дисциплины «Теория, расчет и проек­ тирование авиационных двигателей и энергетических устано­ вок» являются:

-принципы работы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов и схем;

-отдельные узлы ВРД и их характеристики;

-законы регулирования и характеристики ВРД;

-экспериментальное и математическое моделирование процессов в ВРД.

Задачи изучения:

-изучить принципы работы ВРД, теорию по их расчету

ипроектированию;

-получить представление о термодинамических основах работы ВРД и газодинамических процессах в узлах ВРД;

-научиться проводить газодинамический расчет ТРД, ТРДД, ТВД, ТВаД, и строить их высотно-скоростные и дрос­ сельные характеристики;

- овладеть методами и приемами экспериментального

ичисленного газодинамического анализа отдельных узлов ВРД;

-получить навыки работы с экспериментальным оборудо­ ванием и ВТ при анализе работы ВРД.

Историческая справка

В настоящее время наибольшее распространение в качестве авиационных двигателей и приводных двигателей для мощных газоперекачивающих станций и автономных электростанций получили газотурбинные двигатели (ГТД).

Теоретические основы реактивного движения заложил Ни­ колай Егорович Жуковский. В своих работах он первым разра­ ботал основные принципы реактивного движения и метод рас­ чета гяги и КПД водометных судовых двигателей.

Основоположником современной теории воздушно-реак­ тивных двигателей является племянник Н.Е. Жуковского акаде­ мик Борис Сергеевич Стечкин, который еще в 1929 году в рабо­

те «Теория воздушного реактивного двигателя» изложил основы теории турбовинтового двигателя (ТВД).

В1932 году профессор В.В. Уваров начал работу над ТВД.

В1935 году Архип Михайлович Люлька разработал ГТД прямой реакции (ТРД), а через два года предложил схему ТРДД.

Большой вклад в практическое создание современных авиадвигателей (АД) внесли коллективы КБ под руководством В.Я. Климова, А.А. Микулина, С.К. Туманского, А.М. Люлька, Н.Д. Кузнецова, В.А. Добрынина, А.Г. Ивченко, С.П. Изотова, П.А. Соловьева, А.А. Иноземцева и др.

Кризис поршневых силовых установок для летательных аппаратов (ЛА)

Послевоенное бурное развитие авиации требовало увели­ чения скоростей полета. Применяемые в то время винтовые си­ ловые установки (СУ) на основе поршневых двигателей (ПД), при скоростях, превышающих 650 км/ч, теряли свою эффектив­ ность. Это объясняется тем, что при вращении воздушный винт (ВВ) отбрасывает массу воздуха назад со скоростью большей, чем скорость полета V, сообщая этой массе ускорение. Возни­ кающая в соответствии с вторым законом Ньютона сила реакции /?пд воспринимается лопастями ВВ и через вал двигателя

иего крепления передается ЛА, разгоняя его. Таким образом,

ВВсообщает ЛА полезную мощность, определяемую как произ­

ведение ЛПДУ

Эффективная мощность JVe , сообщаемая ВВ поршневым

двигателем, должна быть больше полезной мощности ВВ из-за потерь в винтомоторной группе (ВМГ), то есть

== > и * „ д

Сувеличением скорости полета Т V выше 650 км/ч отно­ сительная скорость воздушного потока на периферии лопастей

ВВвозрастает до сверхзвуковых скоростей, при этом резко па­

дает КПД ВВ ( i i r ) D). Вследствие этого сила тяги ВВ /?пд бы­

стро снижается (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость силы тяги двигателя от скорости полета ЛА

Одновременно, с увеличением скорости полета растет сила аэродинамического сопротивления набегающего потока воздуха ( Т X ). на преодоление которой затрачивается тяга двигате­ ля /?„0Тр

Минимальная потребная тяга для полета ЛА со скоро­ стью V

где сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; FM - максимальная площадь поперечного сечения ЛА (сечение миде­ ля); р - плотность воздуха.

У воздушно-реактивного двигателя сила тяги /?ВРД падает

с ростом скорости полета менее значительно, чем у поршневой СУ, а у ракетного двигателя сила тяги /?рд практически не зави­

сит от скорости полета.

При одной и той же аэродинамической схеме ЛА к отр(к)]

максимальная возможная скорость полета для ЛА с ВРД будет выше, чем для ЛА с поршневой СУ (см. рис. 1).

1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)

1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ

ТРД является двигателем прямой реакции, то есть он соче­ тает в себе тепловую машину и движитель. Это обуславливает следующие преимущества ТРД перед поршневой СУ:

-менее значительная сила тяги с ростом скорости полета;

-меньшие габариты и вес при одинаковой развиваемой мощности;

-отсутствие необходимости в специальном движителе (ВВ);

-возможность отбрасывать (пропускать через себя) боль­ шие массы воздуха при небольших габаритах;

-процесс горения непрерывный, что снимает ударные на­ грузки на элементы двигателя;

-отсутствие кривошипно-шатунного механизма (КШМ), что позволяет снизить механические потери;

-возможность точной балансировки ротора, позволяющая получать высокие частоты вращения ротора (/г), следовательно

-большую тягу /?.

1.2. Принцип создания тяги ТРД

Принцип создания тяги ТРД основан на изменении количе­ ства движения рабочего тела, проходящего по тракту двигателя. На входе в двигатель (сечение 0-0) (рис. 1.1) количество движе­ ния рабочего тела - M QV , на выходе (сечение с-с) - М гсс, где

М а и М у - секундные массовые расходы воздуха и газа через входное (0-0) и выходное (с-с) сечения ВРД соответственно.

( 1.1)

где М 7 - секундный массовый расход топлива; М 0отб - масса

воздуха, отбираемого в секунду на охлаждение узлов двиг ателя и другие цели.

При увеличении V до V = сс , величина тяги ТРД равна ну­

лю ( R = 0), и дальнейшее увеличение скорости полета стано­ вится невозможным.

1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД

Состав ТРД:

-воздухозаборник (ВЗ);

-осевой компрессор (ОК);

-камера сгорания (КС);

-газовая турбина (ГТ);

-реактивное сопло (PC).

Рис. 1.1. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТРД

В сечении н-н - невозмущенный воздушный поток (см. рис. 1.1).

Между сечениями н-вх - предварительное сжатие (тормо­ жение), выравнивание и стабилизация воздушного потока в рас­ ширяющемся канале ВЗ;

PNRPUмежду сечениями вх-к - основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;

между сечениями к-г - подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (керосин, топливный газ);

между сечениями г-т - расширение газа в ГТ и превраще­ ние части энтальпии в крутящий момент М на валу турбины,

передаваемый на вращение компрессора и привод дополнитель­ ных агрегатов;

между сечениями т-с - расширение газа в сопловом канале PC и превращение части энтальпии в кинетическую энергию ис­ текающей струи газа (создание реактивной тяги R ).

До сечения н-н (см. рис. 1.1) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н-н до сечения вх-вх поток воздуха тормозится в диффузоре ВЗ, то есть скорость потока с умень­ шается, следовательно, уменьшается его кинетическая энергия

с2/ 2. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохра­ нения энергии, уменьшение кинетической энергии с2/ 2 приво­ дит к возрастанию энтальпии i потока. Увеличение энтальпии сопровождается ростом давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх-вх до сечения к-к к потоку воздуха подво­ дится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воз­ душный поток сжимается, следовательно, возрастает его давле­ ние и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно.

Так как расход воздуха М а = const, а объем рабочего тела уменьшается за счет увеличения его плотности ( ТТ р ) при сжа­ тии, необходимо уменьшать площадь проходного сечения трак­ та ТРД ( si F ) для исключения значительного снижения скоро­ сти потока ( Мп-ТТ р- ф с- >1F - const).

От сечения к-к до сечения г-г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота QKC за счет сжигания в КС топливно­ воздушной смеси (ТВС), состоящего из смеси воздуха и кероси­ на (топливного газа).

Рабочий процесс в КС организован таким образом, что ста­ тическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает ( Т Т Т ), следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне теплоты.

От сечения г-г до сечения т-т рабочее тело (сжатый и на­ гретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) рас­ ширяется в ГТ. Часть энтальпии превращается в крутящий мо­ мент Мкр на валу ГТ, который необходим для привода ОК (бла­

годаря ОК ТРД может создавать тягу при V = 0 ).

Так как ОК сжимает холодный воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то работа, совершаемая газом в ступени ГТ, значи­ тельно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одноступенчатой ГТ вращать четырех- и пятиступен­ чатый компрессор.

От сечения т-т до сечения с-с происходит расширение ра­ бочего тела в PC. Так как PC - энергоизолированная система (нет подвода и отвода энергии), то при расширении газ совер­ шает механическую работу по разгону потока за счет уменьше­ ния энтальпии, то есть полная энергия рабочего тела не изменя­ ется, а часть энтальпии превращается в кинетическую энергию

Eam( i p \ i n ТТс).

1.4.Основные параметры ТРД

-тяга R = (М гсс - М .V) + Fc(рс - ри);

-удельная тяга (тяга, создаваемая одним килограммом газа

всекунду) R = R /M ,= (ce - V ) + - ^ -{ p c - p u).

На расчетном режиме ( рс = рп): Rya =cc - V

При V =0 - Rya=cc.

С помощью /?уа оценивают эффективность ТРД как тепло­

вой машины; - удельный расход топлива (количество топлива, расходуе­

мого в ТРД для создания единицы тяги в течение часа)

ся = M .JR

Спомощью cR оценивают экономичность ТРД;

-удельная масса двигагеля («сухая» масса двигателя, при­

ходящаяся на единицу создаваемой им тяги) тпв = М ли / R

С помощью тпиоценивают конструктивное совершенст­

во ГРД;

- тяговооруженность ТРД р до = 1/ таъ = R / М м ;

-удельная лобовая тяга RF = R /F aa, где Fm - сечение

миделя.

/?/.- характеризует поперечные размеры двигателя и, следо­

-удельный объем двигателя (характеризует совершенство объемной компоновки двигателя) Длп =VaB/ R ;

-удельная объемная тяга Rv = 1 / 0.ш= R /V w

R,.. 80... 100 [кН/м'].

1.5. Вывод формулы тяги

Тяга РД - это результирующая газодинамических сил, дей­ ствующих на внутренние поверхности двигателя R2 во время

его работы и сил воздействия невозмущенной окружающей сре­ ды на внешние поверхности двигателя /?сг.

Принятые допущения:

-движение рабочего тела внутри двигателя установившееся;

-массовые силы отсутствуют;

-газ невязкий;

-течение газа - осевое;

-силы внешнего аэродинамического сопротивления не учи­ тываются.

Всоответствии с определением

А. Статическая составляющая тяги

Рис. 1.2. Распределение внешних сил

Из рис. 1.2. видно, что силы от давления р и, действующие

по внешним границам контура, взаимно уравновешивают друг друга, за исключением среза сопла.

Сила, равная произведению разности давления на срезе со­ пла и давления окружающей среды ( рс - ру) на площадь среза сопла Fc будет действовать в направлении полета если рс > р и

В случае расчетного режима работы сопла ( рс = р и) стати­ ческая составляющая тяги будет равна нулю.