книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdf14.1. Назначение и способы форсирования тяги
Форсирование тяги - это кратковременное увеличение тяги двигателя выше /?1ШХ. Увеличение тяги при форсировании оце
нивается степенью форсирования /?ф /Л тах.
Цели форсирования тяги:
-сокращение длины разбега самолета при взлете;
-увеличение скорости полета;
--увеличение скороподъемности.
Способы форсирования тяги:
-дополнительное сжигание топлива за ГТ;
-кратковременное увеличение п > птлх;
-кратковременное увеличение Т* > Т*тах;
-впрыск воды или других жидкостей в ОК;
-впрыск воды или других жидкостей в основную КС (ОКС).
1.4.1.1.Форсирование сжиганием топлива
вфорсажной камере (ФК)
Наиболее распространенный способ форсирования ТРД - это дополнительный подогрев газа в ФК за ГТ.
Это, возможно, потому, что в газовом потоке после ОКС
велико содержание непрореагировавшего кислорода ( а окс = |
||
= 3 - 5 ) . |
|
|
При |
увеличении |
Мтф =>Т Т* =Т Гф =>Т LpC =>Т сс => |
и>Т Rул |
/?. |
|
|
|
Одновременно, |
при |
Т Т*т=>Т ДгРС =>4. М гРС =>Т р* = |
||
= Т Рф =>1 пу => -I NT < NK=>i п . Для того |
чтобы сохранить |
|||
п = const, |
необходимо |
при |
увеличении Г* |
увеличивать FKp |
с целью сохранения MrРС = const, гак как М гРС =Т
Условие сохранения согласованной работы турбоком прессора:
|
|
|
|
|
^кр.ф |
_ < |
|
(14.1) |
|
|
|
|
|
F |
VТ* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
кртах |
V ютах |
|
|
При включении ФК |
|
|
|
|||||
( |
р |
'N |
|
|
|
|
|
|
|
ЯФ |
|
< |
1,4... 1,5 - при дозвуковых скоростях полета; |
||||
V ^тах J |
|
|
|
|
|
|
||
( |
R,u |
|
< |
2,5 - при М > |
1...2,5; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
V |
^ т а |
х |
У |
|
|
|
|
|
|
= 200 % |
0Т C R < m x - ПРИ М =°; |
|
|
||||
сЛф = 40 % |
0Т C/?,mx - при М =2,5. |
|
|
|||||
При полете |
с М > 2,5 |
форсажный режим |
может являть |
|||||
ся основным |
|
(длительным) |
режимом |
работы |
ТРД (ТУ-144; |
|||
«Конкорд»). |
|
|
|
|
|
|
||
У |
современных ТРДД, |
имеющих |
высокие |
значения Т*, |
||||
уменьшается количество непрореагировавшего кислорода, сле довательно, снижаются возможности форсирования ( Ф М т(f)).
14.1.2.Форсирование тяги увеличением п > п|ШХ
Увеличить п ( Т УУТ> NK) можно двумя способами:
1. т м т=>тг;>71х=> тд/т > л/к=>
=>Т р* =>Т р 1 =>Т пс =>Т сс =>Т Луд =>Т R .
Одновременно
при Т < =>Т р* =>Т р* =>Т М гСА =>Т М в =>Т R ; при Т т) > т’ых=>Т т; =>Т LpC=>Т сс =>Т луд =>t R .
Тяга |
R энергично растет |
вследствие значительного роста |
с; и роста |
М и |
|
При |
увеличении п на |
(3...5) % тяга возрастает на |
(15... 20)%.
Такой режим является чрезвычайным (ЧР), так как при этом резко возрастают динамические ( Т Fu6) и тепловые нагруз ки на ГТ. После работы на ЧР в течении (2...3) минут двигатель
необходимо снимать для ремонта. |
|
|
|
2. Т FKp =>Т MrPC |
pi |
пт=>Т УУТ> NKwT п =>?я* => |
|
т Р\ => т Р; =>т < =>т с0 =>т л ул =>т R . |
|
||
Однако, так как |
Г* = const |
и увеличивается |
, то одно |
временно будет уменьшаться Т? =>4- L,>c =>4- сс =>Ф Ryit =>-1 R.
Такой режим называется «холодная раскрутка» (Т п при Т* = const).
Рост гяги при таком способе форсирования - незначи
тельный. |
|
|
14.1.3. Форсирование тяги увеличением |
Т * > 7 ”)ах |
|
|
при nmax = const |
|
Т Мт=>Т г; > 7П'1;1Х=>Т Т* =>Т 7РС=>Т Сс |
/?уя =>Т R |
|
При |
увеличении Г* =>Т /VT необходимо |
поддерживать |
/г|ШХ= const одновременным уменьшением FK? =>i я* =>i /VT.
При таком способе форсирования тяга увеличивается на (5...8) %. а ГТ работает в менее жестком режиме, так как Fll0 = const.
14.1.4. Форсирование тяги впрыском воды в ОК
Впрыск в ОК холодной воды приводит к уменьшению
С=>Т < => т pi =>Т р* =>Т Я* =>Т сс =>Т Rya=>Т R.
Кнедостаткам можно отнести:
-усиление коррозионного воздействия на элементы ОК;
-ухудшение экономичности ( Т cR) вследствие снижения
полноты сгорания (Ф Г|г ).
14.1.5. Форсирование тяги впрыском воды в ОКС
Впрыск воды в ОКС приводит к росту РкС за счет водяных
паров, следовательно, растет |
р *=>Т р* |
|
к* |
сс =>Т /?уд => |
||
R |
При этом л|гах = const, Т* = const. |
|
|
|||
Однако |
увеличение |
рг => Т р* |
при |
п к = const |
||
( п1ШК= const) приводит к уменьшению |
М 0 через ОК, следова |
|||||
тельно, |
уменьшается коэффициент |
расхода |
са =>1са/м=> |
|||
z=>T/> i[} =>i AKy .
При данном способе форсирования возможный рост тяги - (15...20) % ограничивается по АК kn
14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах |
|
||
14.2.1. |
Назначение и схема ФК |
|
|
ФК предназначена для дополнительного сжигания топлива |
|||
с целью увеличения тяги двигателя (рис. 14.1). |
|
|
|
2 |
4 |
6 |
5 |
Рис. 14.1. Схема форсажной камеры
Состав ФК:
1 - диффузор;
2 - воспламенитель;
3 - топливные коллекторы с форсунками;
4 - стабилизаторы пламени;
5 - тепло- и виброзащитный экран;
6 - теплозащитный кожух (капот).
14.2.2. Организация рабочего процесса в ФК
Особенности рабочего процесса в ФК
1. Коэффициент избытка воздуха а ФК = 1,1... 1,8 ( Гф =
=1800.. .2400 К), следовательно:
-нет необходимости в разделении потока;
-предъявляются повышенные требования к равномерности распределения топлива в потоке;
-отсутствие подвижных элементов ГТ позволяет реализо
вать подогрев без охлаждения газа до температуры Гф1ШХ, но
при этом необходимо охлаждать элементы ФК и защищать эле менты конструкции ЛА от нагретых частей ФК.
2.Благодаря высокой температуре в ФК обеспечивается хорошая испаряемость топлива, поэтому достаточно небольших зон обратных токов, реализуемых уголковыми стабилизаторами пламени.
3.Скорость на входе в ФК (250...350) м/с, поэтому для
снижения гидравлических потерь и повышения стабильности горения необходимо снижать скорость до (130... 170) м/с
вдиффузоре.
4.Вследствие меньшей, чем в ОКС концентрации кислоро
да 0 2 ухудшается первичное воспламенение при включении
ФК, поэтому необходим мощный воспламенитель.
Работа ФК
Через кольцевые коллекторы с форсунками 3, расположен ные перед стабилизаторами пламени 4 (см. рис. 14.1), впрыски вается 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.
Горение начинается непосредственно за стабилизаторами, а затем пламя уносится потоком в зону горения.
Для полного сгорания топлива длина ФК /,ФК должна со ставлять (2,2...3,5) диаметра ФК. Для уменьшения габаритов ФК делают меньшей длины ЬФК =(1,5...2,0) диаметра ФК, при этом снижается полнота сгорания топлива ц г до 0,92...0,95 (в О КС - л г >0,99).
Для предохранения стенок ФК от прогара и гашения виб раций устанавливают специальный экран 5, омываемый со сто роны наружной стенки ФК относительно «холодным» газом, который, проходя через перфорацию в экране, создает защит ную пленку на внутренней поверхности экрана.
Для гашения вибраций, возникающих при горении ТВС в большом объеме, экран выполнен в виде гофрированной по верхности.
Снаружи стенка ФК охлаждается атмосферным воздухом, подаваемым под капот б, который защищает элементы конст рукции ЛА от зоны высоких температур.
14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения
14.3.1. Вибрационное горение (ВГ)
Работа ФК может сопровождаться высокочастотными ко лебаниями, получившими название вибрационное горение.
Вибрационное горение - это автоколебательный процесс, возникающий из пульсаций давления в потоке, поступающем в ФК из ГТ Пульсации давления вызывают изменения положения фронта пламени, что приводит к изменению выделения тепла, усиливающему колебания давления. И так по нарастающей ам плитуде. Если рассеивание (гашение) энергии колебаний виброзащитным экраном меньше, чем ее выделение, возникает вибра ционное горение.
Признаки ВГ:
-тряска самолета;
-звук высокой частоты - (100... 1000) Гц в области PC. Следствием ВГ может быть разрушение элементов ФК. Мероприятия по борьбе с ВГ:
- специальная форма и расположение стабилизаторов пла мени (деление газа на отдельные струи, затрудняющее возник новение колебаний по всему объему ФК);
-эшелонированное расположение стабилизаторов пламени (размытый фронт пламени менее остро реагирует на пульсации давления);
-гофрирование теплозащитного экрана (хаотическое отра жение волн давления от поверхности гофров усиливает рассеи вание энергии колебательного движения);
-перфорация экрана (поступление в поток нового воздуха способствует сглаживанию колебаний);
-переход на пониженный форсажный режим при возник новение ВГ
14.3.2. Пулъсационное горение (ПГ)
Низкочастотные колебания в ФК, называемые пульсационным горением, возникают из-за срыва пламени на отдельных участках фронта горения.
Причиной ПГ является ухудшение распыла топлива при
малых перепадах давления на форсунках Д/?ф |
(малые М тф). |
|||
Наиболее вероятно возникновение ПГ при полете на боль |
||||
ших Н |
с малыми |
М , |
так как |
при увеличении |
И п>ф М 0 =e>vl А/Тф => >1 |
Дрф , |
следовательно, |
ухудшается рас |
|
пыл топлива, из-за снижения турбулентности замедляется про цесс перемешивания ТВС, снижается интенсивность теплопере дачи, замедляется распространение пламени.
Признак ПГ - толчки в продольном направлении из-за из менения тяги.
Методы устранения Г1Г:
-переход на повышенный форсажный режим ( Т Л/т ф),
-изменение режима полета ( Т М; <1 Н ).
Ограничение - запрет дросселирования ( i Мт ф) на боль
ших Н полета.
14.4. Особенности эксплуатационных характеристик ТРДФ
14.4.1. Скоростные характеристики ТРДФ
При ПР п = const, Т* = const. Гф = const режим работы
турбокомпрессора ТРДФ такой же, как у ТРД. Поэтому измене ние М. и Н полета аналогично влияет на М в, тс’ , Т*,
и характер протекания ВСХ ТРДФ такой же, как и у ТРД (рис. 14.2).
Рис. 14.2. Зависимости R(M, |
) ТРДФ |
|
|
Отличие от ТРД в том, что у ТРДФ за счет более высокой |
|||
температуры Т* = |
больше величина |
работы |
расширения |
в PC, следовательно, |
больше величины |
сс, Vmax(cc), /?уд, R. |
|
«Вырождение двигателя» наступает при больших скоростях полета.
ТРДФ менее экономичен, чем ТРД (с^урдф > с ктрд). Более высокие значения cR у ТРДФ (рис. 14.3) объясняются снижени ем )]п вследствие:
- снижения Д- Г)тяг, из-за роста сс ;
- снижения г|г , из-за ухудшения теплоиспользования (роста Т Т1);
- снижения Е л , = Т)г(ЖС Г1гфК.
Из рис. 14.3 видно, что при приближении скорости полета к М 1ШХ («вырождение ТРД») ТРДФ становится экономичней,
чем ТРД.
При увеличении М увеличивается относительный рост
/?уд, и уменьшается относительный рост СR ТРДФ по сравне
нию с ТРД (см. рис. 14.2, 14.3).
Вывод: Эффективность ТРДФ возрастает с увеличением Т М полета ЛА.
14.4.2. Дроссельные характеристики ТРДФ При дросселировании ТРДФ снижением Мтф (рис. 14.4),
происходит уменьшение /?ф вследствие снижения Т* Гф =>
IZ>NL Сс ^=>vl /?уд =>>1 /?ф .
Значение Л/тфт]п |
( Дрф min) ограничено возхможностью сры |
ва при Гф, близких к |
Т*, поэтому при выключении форсажа |
скачкообразно падают R и cR.
Рис. 14.4. Дроссельные характеристики ТРДФ
Далее ДХ проходят так же, как у ТРД (см. рис. 14.4).
Так как одновременно с уменьшением Л/тф уменьшается
FK(), то режим работы турбокомпрессора ( Т* = T*nwx, п = пт м )
остается неизменным.
Доля ФК в увеличении температуры газа снижается, так
как снижается доля |
Л/Т()1 в £ М Т, поэтому |
растет суммарная |
|
полнота сгорания топлива Хг|, =>Т т\.. |
|
|
|
Рост г)тяг обусловлен снижением сс . |
|
|
|
В результате растет Т1п, следовательно, снижается |
сR |
||
(улучшается экономичность). |
|
|
|
Контрольные вопросы |
|
|
|
1. Перечислить |
возможные способы |
форсирования |
тя |
ги ТРД. |
|
|
|
2.Преимущества и недостатки форсирования тяги впры ском воды в основную камеру сгорания.
3.Особенности организации процесса устойчивого горения
вфорсажной камере.