книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

Если при постоянных оборотах двигателя летчик затяжелит винт, увеличив угол <р, то при этом нарушится баланс мощно­ стей

N, < N 1+ ^

иобороты ТВД начнут уменьшаться. Но регулятор оборотов, стремясь сохранить их постоянными, восстановит нарушенное равновесие увеличением подачи топлива в камеру сгорания (центробежные грузики регулятора при снижении угловой ско­ рости вращения переместят дросселирующую иглу на увеличе­ ние От). В результате температура газа перед турбиной возрас­ тет, и мощность турбины увеличится в соответствии с увеличе­ нием мощности винта.

Таким образом, семейству кривых Ив для разных значении ср°

будут соответствовать семейства кривых Т% и Сс. Чем больше <р, тем выше температура газа перед турбиной Т3 и ниже эффек­

тивный расход топлива Се. Действительно, при п = сопз{ затяжеление винта приводит к повышению Т 3 и «*, что повышает эф­

фективный к. п. д. двигателя и снижает эффективный расход топ­ лива. Это следует непосредственно из формулы

632

(5.4)

НиЧе

Таким образом, каждому значению <р = сопз1 соответствует определенная закономерность протекания параметров рабочего процесса и выходных данных ТВД по числу оборотов (рис. 5.5).

Так как расход воздуха изменяется достаточно точно по линейной зависимости от числа оборотов, т. е.

Ов~ п,

то в соответствии с уравнением (5.3) можно заключить, что при Ф= сопз1

(5.5)

т. е. работа винта оказывается пропорциональной квадрату оборотов.

Причины, приводящие к росту [,„ = ^ с увеличением оборо­ тов ТВД в основном те же, что и у ТРД, т. е. возрастание сте­ пени сжатия компрессора при относительно мало изменяющемся

значении Тз-

Изменение Се по числу оборотов

Непрерывное снижение эффективного расхода топлива с уве­ личением оборотов одновального ТВД объясняется главным об­

разом ростом я*. Этому способствует в области больших обо­ ротов значительное повышение температуры газа Т3.

131

Таким образом, режим максимальной винтовой мощности ТВД совпадает с режимом наилучшей его экономичности. Лю­ бое дросселирование ТВД связано с ухудшением экономичности работы двигателя. В этом отношении свойства дроссельной ха­ рактеристики ТВД отличаются от характеристики ТРД, при дросселировании которого удельный расход топлива сначала снижается.

Влияние регулирования угла установки лопастей винта на дроссельные характеристики одновального ТВД

Рассмотрим, как влияет регулирование винта на дроссель­ ные характеристики одновального ТВД (рис. 5.6).

Пусть кривые 1 соответствуют некоторому постоянному уг­

ностью компрессора и винта была наибольшей. С этой целью необходимо при запуске винт возможно больше о б л е г ч ит ь , установив его на угол, близкий к углу нулевой мощности. Тогда

ДЛ^ = Ломакс>— ./Ук= максимум.

У ряда современных одновальных ТВД запуск двигателя и выход его на максимальные обороты совершается при ф = 0° (рис. 5.7,а). Это означает, что регулирование рабочих режимов ТВД в эксплуатации происходит при /г= соп$1. Такая система регулирования обеспечивает хорошую приемистость двигателя.

На рис. 5.7,6 приведен закон изменения угла установки ло-

132

пастей по оборотам ТВД «Мамба». Из рисунка видно, что раз­ гон двигателя в диапазоне оборотов А«= (0,2 -ь 0,8) ямаКс про­ исходит с минимальным углом ср=12°. Лишь в диапазоне Ап= (0,8ч- 1) «макс происходит затяжеление винта с увеличени­ ем ф от 12 до 23°.

а)

Рис. 5.8. Влияние регули­ рования ф на линию ра­ бочих режимов одновального ТВД

На рис. 5.8 представлено семейство линий рабочих режимов турбокомпрессора одновального ТВД при ф = соп$1. С затяжелением винта линия (р = сопз1 смещается в область повышенных

значений ТI и л^; при этом запас по помпажу компрессора уменьшается.

Приведение параметров ТВД к стандартным атмосферным условиям

Приведение параметров ТВД к стандартным атмосферным условиям осуществляется при неизменном шаге винта

( ф = С О П 5 {).

числу оборотов

135

прежнему снижаются, а эффективный расход топлива увеличи­ вается. Таким образом, к а ч е с т в е н н ы е изменения основных

этих характеристик, рассмотрим закономерность изменения перепадов давления и температуры газа в основных элементах двухвального ТВД по числу оборотов.

Изменение температуры и давления газа в характерных сечениях двухвального ТВД (рис. 1.4, б)

На рис. 5.12 приведены кривые изменения степени сжатия компрессора и степеней расширения газа в турбинах высокого давления и низкого давления. Из рисунка видно, что при дрос­ селировании турбина высокого давления в некотором диапазо­ не чисел оборотов оказывается «запертой» по перепаду давле­ ния (до тех пор, пока в первом сопловом аппарате турбины низкого давления сохраняется критический режим истечения). Закон изменения температуры газа Т3* по числу оборотов оп­ ределяется уравнением баланса работ турбокомпрессора высо­ кого давления

откуда находим

Ьк

квд

•0.25

Теперь легко прийти к выводу, что при равных значениях *квд и Т*3 на расчетном режиме закономерность изменения

температуры газа перед турбиной Т з у двухвальных ТРД, ТВД и ДТРД практически одна и та же.

Влияние регулирования шага винта на дроссельную характеристику двухвального ТВД

Можно с высокой степенью точности считать, что в ТВД с полным расширением газа в турбине низкого давления

Рассмотрим особенности процесса дросселирования двух­ вального ТРД.

Пусть ф= соп51. С уменьшением подачи топлива в камеру

сгорания из-за снижения температуры газа Т з и возникшего

136

дисбаланса работ турбокомпрессора высокого давления оборо­ ты последнего падают. Однако мощность турбины низкого дав­ ления уменьшается быстрее мощности турбины высокого дав­

ления, так как, кроме уменьшения Т4 и Ов, еще падает пере­ пад давлений ** . Поэтому возникающий дисбаланс работ

турбокомпрессора низкого давления устраняется более интен­ сивным снижением угловой скорости вращения каскада низкого давления.

Как же влияет регулирование ша­ га винта на дроссельную характери­ стику двухвального ТВД?

Прежде всего отметим, что регули­ рование шага винта практически не влияет на мощность и работу турби­ ны низкого давления, параметры ра­ бочего процесса которой определяются полностью турбокомпрессором высо­ кого давления. Поэтому регулирование шага винта приводит лишь к измене­ нию числа оборотов турбокомпрессо­ ра низкого давления так, что по-преж- иему соблюдается условие:

мощность Ыв и тяга Рв, т. е.

установив наивыгоднейшие обороты каскада низкого давления,

тельно, ЛГ„ и Рв (рис. 5.13).

Заметим также, что регулирование шага винта в двухвальном ТВД не влияет на положение линии рабочих режимов характеристики компрессора.

Итак, дроссельные характеристики двухвального ТВД отли­ чаются от подобных характеристик одновального ТВД за­

кономерностью изменения Тз по числу оборотов (что оказывает

137

известное влияние на течение кривых Л/в, /? и Сс.), а также воз­ можностью обеспечения с помощью системы двух раздельных турбин оптимальных значений к. п. д. винта и турбины низкого давления (максимума произведения этих к. п. д.).

Если регулированием ф в одновальиом ТВД можно добить­ ся обеспечения оптимального закона изменения Т*г по числу

оборотов, то преимуществом двухвального ТВД все же остается возможность достижения наиболее высоких значении г|п и г|*.

§ 2. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВД

С к о р о с т н ы м и х а р а к т с р и с т и к а м и ТВД называют зависимости винтовой или суммарной (эквивалентной) мощно­ сти, а также эффективного расхода топлива от скорости полета при заданной программе регулирования.

Скоростная характеристика ТВД может быть получена экс­ периментальным путем, например в летных испытаниях с по­ мощью летающей лаборатории, а также приближенно аналити­ ческим методом.

Программы регулирования ТВД в полете

К данным программам относятся программы регулирования на максимальную винтовую и максимальную суммарную (экви­ валентную) мощность, на наилучшую экономичность идр. Каж­ дая из этих программ обеспечивает такое изменение параметров рабочего процесса, при котором автоматически на всех скоро­ стях и высотах полета реализуется заданная зависимость изме­ нения .V,,, Агэкв или Се.

Регулируемые параметры и регулирующие факторы в ТВД

Турбовинтовой двигатель имеет в общем случае большее число режимных параметров, чем обычный ТРД, и соответст­ венно большее число регулирующих факторов и органов. На­ пример, у одновального ТВД дополнительным по сравнению с

что и регулирование критического (выходного) сечения реак­ тивного сопла ТРД и позволяет осуществлять независимо друг

1 Имеется в виду одновальный ТРД с неизменной геометрией.

138

от друга изменения числа оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной.

На рис. 5.14 приведена структурная схема регулирования одновального ТВД с двумя независимыми регуляторами: чисел оборотов и подачи топлива. Двигатель имеет агрегат объеди­ ненного управления регуляторами 1 с единым рычагом управ-

Рнс. 5.14. Структурная схема регулирования одновального ТВД

ления двигателем. Связь между регулирующими факторами и регулируемыми параметрами осуществляется по схеме

С ? т Т з ; « — > п .

В двухвальном ТВД дополнительным регулирующим факто­ ром оказывается по-прежнему угол ср, а регулируемым пара­

помощью автомата подачи топлива, сблокированного с регуля­ тором. Управление же числом оборотов турбокомпрессора низ­ кого давления осуществляется вторым, независимым от перво­ го, регулятором оборотов.

Связь между регулирующими факторами и регулируемыми параметрами двухвальиого ТВД осуществляется по схеме

/ птк Ог\ Т1

На рис. 5.15 приведена структурная схема регулирования двухвальиого ТВД.*

* Командно-топливный агрегат (КТА).

139

Управление двигателем может быть осуществлено одним рычагом, перемещение которого дает возможность автоматиче­ ски поддерживать на всех скоростях и высотах полета макси­

мальное произведение ЛвЛтнд =макс.

Введение регулятора реактивного сопла (/'5=уаг) у ТВД дает возможность обеспечить наивыгоднейшее распределение энергии между винтом и реакцией и, следовательно, макси­ мальную эквивалентную (суммарную) мощность. В соответст-

Рис. 5.15. Структурная схема регулирования двухвального ТВД

вии с принципом перераспределения тяги ТВД следует по мере увеличения скорости полета одновременно прикрывать реактив­ ное сопло для увеличения реактивной тяги и облегчать винт для

снижения тяги винта, соблюдая условие л —соп$1 и Т з =соп$1. При этом облегчение винта и, следовательно, снижение Ьв бу­ дет компенсироваться уменьшением перепада давлений на об­ щей турбине так, что будет непрерывно выполняться равенство

1т= 1 к + 1„.

Целесообразность введения регулятора выхлопного сопла определяется влиянием изменения скорости истечения С5 на тягу (или эквивалентную мощность) ТВД.

На рис. 5.16 показана зависимость оптимальной скорости истечения из оопла от к. п. д. винта и скорости полета. Из ри­ сунка видно, что. с увеличением скорости полета от 0 до 220 м/сек оптимальные скорости истечения при т)п= 0,6 возрас­ тают от 70 до 360 м/сек.

Выше было отмечено, что на стенде отклонение скорости истечения с5я*С4а от оптимального значения приводит к значи­ тельному падению тяги. С увеличением скорости полета этот эффект все более ослабевает (рис. 5.17). При больших около-

140