книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

тели при отмеченных выше параметрах рабочего процесса уже оказываются экономичнее современных турбовинтовых двига­ телей, к тому же значительно превосходя их своей высокой эксплуатационной надежностью, простотой конструкции, низким удельным весом (удв= 0,16—0,17 кГ/кГ).

Использование ДТРД с большими степенями двухконтурности в гражданской авиации дает возможность значительно сни­ зить эксплуатационные расходы (примерно на 20—25%) и обес­ печить быстрый рост пассажирских перевозок.

Ниже рассмотрены некоторые особенности эксплуатационных характеристик таких двигателей.

Влияние степени двухконтурности на падение тяги ДТРД при разбеге самолета

При разбеге самолета по аэродрому перед взлетом тяга ТРД (ДТРД) всегда падает. Эта закономерность обусловлена быст­

рым увеличением входного импульса (— V ) при практически

постоянном для этих скоростей движения самолета выходном импульсе. Для ТРД падение тяги невелико и не превышает 5—7%. Падение тяги ДТРД более значительно; оно тем боль­ ше, чем меньше по абсолютной величине скорости истечения газа из контуров, т. е. чем больше степень двухконтурности ДТРД.

Относительная тяга ДТРД при разбеге может быть подсчи­ тана по приближенной формуле

# = 1 -----— , ^5ср

где ^5 — средняя скорость истечения газа из контуров.

Ниже приведены значения Я для скорости отрыва самолета ^отр= 70 м/сек при различных степенях двухконтурности:

121

Падение тяги ДТРД на взлете необходимо учитывать при расчете взлетно-посадочных характеристик самолета.

На рис. 4.43 показано влияние у на падение тяги ДТРД при разбеге самолета.

Влияние степени двухконтурности на дроссельные характеристики двигателя

на крейсерском режиме полета

Известно, что величина тяги двигателей дозвукового само­ лета подбирается из условия обеспечения удовлетворительных взлетно-посадочных характеристик. В полете на крейсерском

режиме (например, на числе Мокр = 0,8 и #,ф= 11 км) тяга си­

ловой установки оказывается чрезмерной и ТРД (ДТРД) необ­ ходимо дросселировать.

В главах 2 и 4 было показано, что при снижении числа обо­ ротов ТРД (ДТРД) удельный расход топлива сначала снижает­ ся и только при глубоком дросселировании начинает расти. Од­ нако при больших значениях у дросселирование ДТРД на крей­ серском режиме полета приводит к тому, что снижение Суд замедляется и даже совсем прекращается. При у > 6-4-8 сниже­ ние числа оборотов двухвального ДТРД связано уже с непре­ рывным ростом удельного расхода топлива (рис. 4.44).

Влияние степени двухконтурности на взлетную тягу ДТРД

Пусть потребная тяга самолета для полета с дозвуковой ско­ ростью на высоте сохраняет постоянное значение. Это значит, что двигатель на крейсерском режиме также должен развивать постоянную тягу. Тогда, с увеличением степени двухконтурности

122

будет расти взлетная (максимальная) тяга, а отношение крей­ серской (полетной) тяги к взлетной (стендовой)

ЯКр(У. Н)

^взл (0)

будет непрерывно падать (рис. 4.45). При у = 8 по срав­

нению с у = 0 взлетная тяга возрастет пример­ но на 60%, а отношение

увеличивается удельная тяга ДТРД. Последнее обусловлено тем, что с ростом у падает и, следовательно, быстрее падает тяга

второго контура.

Увеличение взлетной тяги с ростом у улучшает взлетно-поса­ дочные характеристики самолета, но одновременно приводит к некоторому утяжелению силовой установки.

§ 6. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДТРД С КАМЕРАМИ СМЕШЕНИЯ

В настоящее время все большее распространение получают конструкции двухконтурных ТРД с камерами смешения (ДТРД «Спэй», ТР-106, ТР-30 и многие другие). В этих камерах проис­ ходит массовый и энергетический обмены между потоками, вы­

После смешения или объединения потоков в общей камере полученная смесь газов, характеризуемая определенной степенью неравномерности полей скоростей, полных давлений и полных температур, поступает либо в общую форсажную камеру, либо в общее реактивное сопло.

Многочисленные теоретические и экспериментальные иссле­ дования показали, что рационально выполненная камера сме­ шения несколько улучшает экономичность двигателя. В опти­

123

мальном случае смешения (когда нефорсированный ДТРД суще­ ственно отличается полными температурами и имеет равные пол­ ные давления исходных потоков) удельный расход топлива сни­ жается на 1—2%.

Применение камеры смешения дает возможность:

—упростить конструкцию, систему регулирования и автома­ тику выходного устройства двигателя, снизить его вес;

—обеспечить максимально возможную степень форсирования двигателя (применение раздельного форсирования в двух кон­ турах ДТРДФ нерационально из-за трудностей обеспечения на­ дежного охлаждения средней обечайки, омываемой с обеих сто­ рон горячими газами).

§ 7. ФОРСИРОВАНИЕ ДТРД НА ВЗЛЕТЕ

Одним из существенных преимуществ двухконтурных ТРД по сравнению с другими типами авиационных ГТД является возможность весьма значительного форсирования тяги двига­ теля на взлете путем дополнительного сжигания топлива в фор­ сажных камерах.

Наибольший прирост в тяге ДТРД практически может быть получен при равенстве температур форсирования и равных пол­ ных давлениях газа в обоих контурах.

При неизменном суммарном расходе воздуха (С$ — Мет) степень форсирования двухконтурного ТРД зависит только от отношения максимальной температуры форсирования к средне­ массовой температуре газа в контурах (перед сжиганием топ­ лива):

(4.24)

где

С увеличением у степень форсирования непрерывно возрас­

тает; при у = 2, 7'ф=2000°К и 7^ —1000° К она равна примерно 2 (вместо 1,4 у ТРД). Наряду с этим увеличение степени двухконтурности уменьшает оптимальную скорость истечения газа из реактивных сопел контуров и, следовательно, удельную тягу ДТРД (ДТРДФ).

Таким образом, с ростом у при Ог = к1ет отношение полной (удельной) тяги ДТРДФ (ДТРД) к полной (удельной) тяге ТРДФ (ТРД) непрерывно падает (см. табл. 2).

Итак, чем больше степень форсирования ДТРД, тем мень­ ше его относительная тяга по сравнению с ТРДФ. Однако

124

уменьшение последней не столь велико, чтобы серьезно затруд­ нить условия взлета самолета.

Заметим, что ДТРД с большой степенью двухконтурности при выключенной системе форсажа может обеспечить на дозву­ ковых скоростях полета исключительно хорошую экономичность, а при включенной системе форсирования — очень большую сте­ пень увеличения тяги.

Преимущество ДТРД по степени форсирования еще больше возрастает в полете.

§ 8. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДТРД

Важным преимуществом ДТРД (по сравнению с ТРД) яв­ ляется большая пожарная безопасность. Наружный (второй) контур двигателя обтекается сравнительно холодным воздухом и имеет относительно низкую температуру стенок. Это предот­ вращает опасность возникновения пожара от попадания случай­ ных капель масла или керосина на нагретые наружные элемен­ ты двигателя. Двухконтурный ДТРД обладает также тем пре­ имуществом, что его второй контур представляет своеобразную «броню» или экран от механического повреждения или пора­ жения наиболее важных элементов конструкции, сосредоточен­ ных внутри основного контура (например, кам<' ы сгорания, тур­ бины и т. д.).

Наконец, ДТРД обладает большими возможностями и в смысле отбора воздуха для обеспечения сдува пограничного слоя, создания «газовых рулей». Для этого следует «органи­ зовать» отвод воздуха из второго контура в соответствующие устройства. Потери в тяге при таком отборе будут минималь­ ными.

Важными вопросами, в значительной степени определяющи­ ми возможности внедрения двигателя в авиации, является комп­ лекс производственно-технических проблем. Сюда относятся во-

125

просы конструктивной простоты и технологичности двигателя, его стоимости, длительности доводки опытного экземпляра до серийного образца и т. д.

Двухконтурный ТРД в конструктивном отношении значи­ тельно сложнее обычного одноконтурного ТРД. Проблема авто­ матизации регулирования и управления этого двигателя, осо­ бенно в области больших чисел Мо полета, решается также намного сложнее, чем у ТРД.

Доводка опытного образца ДТРД до серийного производст­ ва занимает значительно больше времени, чем у ТРД. Поэтому чрезвычайно важно уже в стадии предварительного проектиро­ вания предусмотреть возможные модификации и модернизацию двигателя, с последующим форсированием его по тяге, улучше­ нием экономичности и т. д.

Накопленный конструкторско-производственный опыт по со­ зданию ДТРД еще мал. Однако имеются уже убедительные дан­ ные, показывающие, что кропотливая совместная работа конст­ рукторов, технологов и металлургов может привести к значи­ тельному упрощению конструкции, удешевлению производства ДТРД, особенно при большой степени двухконтурности, повы­ шению надежности в эксплуатации. В этом отношении весьма интересен опыт английской фирмы Роллс-Ройс, сконструировав­ шей ДТРД КСо-12. Темп повышения ресурса этого двигателя

126

больше, чем у любого другого. На 1 апреля 1965 г. ресурс дви­ гателя равен 7200 час с промежуточным осмотром жаровых труб. Число досрочных снятий у этого двигателя минимально и составляет 1 на 25000 час наработки.

ДТРД

Успешное развитие двухконтурных Т Р Д при наличии благо­ приятных объективных условий будет в значительной степени зависеть от удачных конкретных решений конструкторскими кол­ лективами заводов и НИИ всего комплекса вопросов, опреде­ ляющих эффективную авиационную силовую установку, а также от критической оценки накопленного опыта конструирования, доводки, производства и эксплуатации Д Т Р Д .

На рис. 4.46 и 4.47 приведены основные эксплуатационные характеристики «Конвэй»

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ гл а в а 5 ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТУРБОВИНТОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВД

Д р о с с е л ь н ы м и х а р а к т е р и с т и к а м и ТВД называ­ ют зависимости эффективной мощности, эффективного расхода топлива, а также реактивной тяги от степени дросселирования

127

подачи топлива в двигатель при заданной программе его регу­ лирования. Так как изменение подачи топлива обычно связано с изменением числа оборотов вала двигателя, то дроссельные характеристики изображают как кривые зависимости основных параметров ТВД Мв, Сс и /? от числа оборотов вала двигателя.

В двухвальных ТВД дроссельные характеристики изобража­ ют как функции оборотов турбокомпрессорного вала (или кас­ када высокого давления). В тех случаях когда дроссельные характеристики снимаются при неизменном числе его оборотов, они изображаются в виде зависимостей от часового расхода топлива:

На дроссельные характеристики ТВД также наносят кривую изменения температуры газа перед турбиной или за ней. Эта кривая дает возможность судить о тепловом состоянии «горя­ чей» части двигателя при его эксплуатации.

Дроссельные характеристики получают обычно эксперимен­ тальным путем, на стенде. Они могут быть получены с высокой степенью точности и аналитическим путем.

Дроссельные характеристики одновальных ТВД

Рассмотрим дроссельную характеристику одновального ТВД (рис. 5.1). Пусть на номинальном (взлетном) режиме в турбине ТВД имеет место полное расши­

рение газа: р'4 =р5=рн.

Такой случай работы турбины

имея высокое исходное значение на взлетном режиме, с пониже­ нием оборотов сначала падает, достигая некоторого минималь-

128

ного значения на средних оборотах, а затем непрерывно увели­ чивается.

Для объяснения закономерности протекания основных пара­ метров ТВД по числу оборотов рассмотрим предварительно как изменяются температура и давление газа в характерных сече­ ниях двигателя при дросселировании.

Изменение температуры и давления газа в характерных сечениях газовоздушного тракта ТВД

На рис. 5.2 представлено изменение степени сжатия компрес­ сора и степени расширения турбины по числу оборотов. Так как скорость истечения газа из выхлопного устройства ТВД не-

селированием ТВД она непрерывно падает. Непрерывное сни­

жение величины я* приводит к тому, что температура газа перед турбиной по числу оборотов у ТВД во всем диапазоне рабочих оборотов оказывается значительно выше, чем у ТРД

при равных значениях Як(Р) и Гз(р) на исходном номинальном

(или взлетном) режиме (рис. 5.3).

Действительно, решая уравнение баланса работ турбокомп­

относительно Тз , получаем

где С соп8*.

Из уравнения (5.2) следует, что непрерывное снижение я* сдвигает зависимость Т*3 = / (п) для ТВД по сравнению со слу­

чаем я т =сопз1 у ТРД в область повышенных значений тем­ ператур газа.

Здесь мы приближенно полагали, что удельная работа винта, как и работа компрессора, изменяется пропорционально квадра­ ту оборотов.

Изменение мощности по числу оборотов

Многочисленные проведенные испытания турбовинтовых дви гателей показывают, что закон изменения винтовой мощности ТВД по числу оборотов за­ висит от угла установки ло­ пастей винта (ф°).

оборотов изображается достаточно точно кубической параболой

где А = / (ф°).

При постоянном числе оборотов с увеличением угла уста­ новки лопастей (с затяжелением винта) винтовая мощность рас­ тет, с уменьшением его (облегчением винта) снижается. Таким образом, различным значениям угла ф соответствуют различ­ ные кубические параболы УУ„, проходящие через начало коорди­ нат (рис. 5.4).

Выясним, как с изменением угла ф изменяется располагае­ мая мощность турбины ТВД.

130