книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

пени можно обеспечить поворотом лопаток статора в сторону, противоположную вращению ротора (созданием предваритель­ ной закрутки потока). При этом углы атаки на рабочих лопат­ ках возрастают, и восстанавливается нормальное обтекание ло­ паток.

Наилучшим решением вопроса обеспечения устойчивой рабо­ ты компрессора было бы выполнение ряда или даже всехстаторов компрессора поворотными с пе­ ременными углами поворота на раз­ личных ступенях. В некоторых слу­ чаях так и поступают, хотя это су­ щественно усложняет конструкцию компрессора. Так, например, комп-

рессор турбореактивного двигателя /-79 имеет шесть поворот­ ных статоров из семнадцати.

Чаще же всего ограничиваются применением поворотного статора на входе в компрессор.

Применение перепуска воздуха

Перепуск воздуха из промежуточных ступеней компрессора в атмосферу дает возможность согласовать работу всех ступе­ ней высоконапорного компрессора. Конструктивно это осущест­ вляется так: в кожухе компрессора по всей внешней окружно­ сти решетки данной ступени выполняются перепускные окна, которые закрываются стальной лентой. В необходимые моменты лента отходит от окон и перепускает воздух в атмосферу. Для перепуска воздуха применяются также клапаны с управляемой дроссельной заслонкой.

Механизм перепуска управляется автоматически и вручную. У высоконапорных осевых компрессоров помпаж всегда

161

возникает на малых и средних оборотах (из-за особенностей1 взаимного протекания линии совместных режимов и границы помпажа; см. рис. 6.7), поэтому у них лента перепуска при запуске находится в открытом положении до определенных обо­ ротов, на которых опасность появления помпажа не возникает.

Рассмотрим принцип действия системы перепуска воздуха, (рис. 6.14).

Пусть воздух отводится из средней ступени компрессора. Система перепуска гидравлически представляет собой дополни­ тельный канал с дросселем, включенный параллельно основно­ му каналу.

Рис. 6.14. Согласование работы крайних ступеней компрессора пе­ репуском воздуха

При открытии дросселя перепуска вследствие уменьшения сопротивления сети расход воздуха через ступени компрессора, установленные до окон перепуска, возрастает. Следовательно, возрастают осевые скорости протекания воздуха, а углы атаки на первых ступенях уменьшаются (см. рис. 6.2). Запас устойчи­ вости по помпажу при этом увеличивается, режимная точка / (см. рис. 6.14) перемещается по характеристике в сторону боль­ ших расходов.

Расход воздуха через ступени, установленные за окнами пе­ репуска, уменьшается, так как значительная часть его вытекает через окна перепуска с меньшими гидравлическими потерями. Это приводит к тому, что в последних ступенях уменьшаются осевые скорости протекания воздуха, углы атаки возрастают, и лопатки выходят из турбинного режима.

Уменьшение осевых скоростей протекания в последних сту­ пенях (при открытой ленте перепуска) объясняется также тем, что повышение напориоети первых ступеней компрессора при выводе их из помпажа приводит к увеличению плотности, а следовательно, к уменьшению объемного расхода через послед­ ние ступени. Таким образом, рабочая точка последней ступени

(г) перемещается по характеристике л„р = соп51 в сторону мень­ ших расходов.

162

Теоретически наилучшим решением вопроса было бы обеспе­ чение переменного числа оборотов каждой ступени. Однако кон­ структивно это выполнить очень трудно/ да и не нужно. Доста­ точно многоступенчатый компрессор разделить на два ротора (два каскада) так, чтобы степень повышения давления каждого из них не превышала 3,5—4,5, при которой все ступени еще работают достаточно согласованно. Двухроторный компрессор

Рис. 6.16. Схематическое изображение основных принципов предот­ вращения помпажа ступени осевого компрессора

может обеспечить устойчивую и согласованную работу ступеней осевого компрессора с суммарной степенью повышения давле­ ния 12—20*. Причем по сравнению с исходным одновальным компрессором на пониженных оборотах при том же значении расхода и степени сжатия первый каскад двухзального комп­ рессора имеет меньшее число оборотов, а второй каскад — боль­ шее число оборотов.

Двухвальный ТРД обладает свойством самосогласования ре­ жимов работы каскадов компрессора. Этот процесс происходит за счет взаимного «скольжения» роторов (изменения соотноше­ ния между числами оборотов компрессоров высокого и низкого давления на нерасчетных режимах). Объяснение данного явле­ ния приведено при рассмотрении дроссельных, высотных и ско­ ростных характеристик ТРД.

На рис. 6.16 схематически представлены способы устранения

164

поворотного направляющего аппарата (введением предваритель­ ной закрутки потока на входе в рабочее колесо), перепуска воз­ духа (увеличением осевой скорости потока), перехода к двухвальной схеме (снижением окружной скорости вращения ро­ тора).

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ гл а в а Т ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ГТД.

IЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ

§ 1. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА РЕЖИМ РАБОТЫ И ПАРАМЕТРЫ ГТД

Существенное влияние на режим работы и параметры ГТД оказывают эксплуатационные факторы, приведенные ниже.

Наружные и полетные условия

К наружным и полетным условиям относятся состояние на­ ружной атмосферы (давление и температура воздуха, влажность атмосферы), а также скорость и высота полета. Влияние их на работу двигателя проявляется через изменение полных пара­

метров воздуха рп и 7>/.

Выше было отмечено, что понижение Тн зимой приводит к существенному увеличению тяги ТРД или мощности ТВД. Со­ ответственно возрастают моменты и усилия в элементах конст­

ния неизменного секундного (часового) расхода топлива и соответствующим снижением числа оборотов и температуры газа перед турбиной. При этом, начиная с некоторой температуры ограничения (Тн <й Т01Р), тяга (мощность) ГТД поддерживается неизменной или мало изменяется.

При температурах воздуха, больших температуры ограниче­ ния (77/>7ОГ])), тяга падает. Однако значительное падение ее весьма невыгодно в эксплуатации. Оно затрудняет взлет, требует введения специального форсирования ГТД либо по числу оборо­ тов (что снижает ресурс двигателя), либо с помощью впрыска

водометаноловой смеси на входе в компрессор, либо путем до­ жигания топлива за турбиной. Эти мероприятия также имеют определенные ограничения. Обычно важно поддержать неизмен­

изменения наружной температуры без впрыска водометаноловой смеси на входе в компрессор и со впрыском ее. Впрыск водо-

Рис. 7.1. Зависимость тяги ДТРД Рис. 7.2. Влияние наружной темпера* «Спэй» от температуры наружной сре* туры на тягу ТРД «Эвон»

ды:

На рис. 7.2 показано влияние наружной температуры на тягу ТРД «Эвон». При температурах ниже +15° С тяга двигателя несколько возрастает.

П од в л а ж н о с т ь ю а т м о с ф е р ы понимают содержа­ ние в ней водяных паров. Так как влажность атмосферы непре­ рывно меняется от минимальной (сухой воздух) до максималь­

жащихся в 1 кГ воздуха. Величина относительной влажности определяется в основном температурой воздуха, а также давле­ нием атмосферы.

Многочисленные испытания двигателей показывают, что вла­ жность оказывает заметное влияние на работу ГТД. Фи­ зическая сущность влияния влажности атмосферы на параметры ГТД выражается через изменение газовой постоянной воздуха, которая с ростом <7 увеличивается (#н,о=47 кГм/кГ град про­

166

высотах наступает резкое снижение чисел Рейнольдса и вслед­ ствие этого падение к. п. д. компрессора и турбины.

Возрастание потерь в газовоздушном тракте, как правило, нарушает режим работы двигателя и ухудшает его экономич­ ность.

Следует иметь в виду, что увеличение гидравлических потерь

работы, возникают вибрации в узлах двигателя.

Факторы, приводящие к ухудшению смесеобразования

вкамерах сгорания и форсирования

Вряде случаев эксплуатации ухудшается смесеобразование

вкамерах сгорания и форсирования, в результате чего снижает­ ся полнота сгорания топлива и возрастает удельный и часовой расходы топлива.

Причинами, приводящими к ухудшению смесеобразования, могут быть: падение давления в камере сгорания на больших высотах, нагарообразование в топливных форсунках и их засо­ рение, разрегулировка топливного насоса и т. д.

Разрегулирование двигателя

впроцессе эксплуатации или ремонта

Впроцессе эксплуатации и ремонта двигателя возможны нарушения в системах регулирования его узлов, механизмов и автоматов. Эти нарушения, если они своевременно не обнару­ жены и не устранены, могут привести к поломкам н аварии двигателя. Типичным примером разрегулирования двигателя яв­ ляется отказ механизма управления регулируемого реактивного сопла в момент подачи топлива в форсажную камеру ТРД. Изза нераскрытой реактивного сопла наступает недопустимый «за­ брос» температур в основной камере сгорания, помпаж компрес­

сора и другие опасные явления. К аналогичным результатам приводит неправильный подбор выходного сечения реактивного сопла ТРД при ремонте.

Другим примером нарушения регулирования двигателя яв­ ляется неправильная установка при ремонте входного направ­ ляющего аппарата компрессора, что также может привести к уменьшению запаса по помпажу, нежелательному повышению температуры газа перед турбиной, изменению тяги и расхода топлива двигателя.

Особенно опасно разрегулирование топливной системы дви­ гателя, которое нарушает нормальную его эксплуатацию.

168

Влияние отдельных эксплуатационных факторов на работу ТРД при я = сопз1 приведено в табл. 3.

Изменение наружного давления не оказывает влияния на режим работы турбокомпрессора, так как оно вызывает про­ порциональное изменение давления по всему газовоздушному тракту ТРД без изменения температурных полей. В результате скорость истечения из двигателя и удельный расход топлива сохраняют постоянные значения. Изменяется весовой расход воздуха через двигатель, который оказывается тем большим, чем выше наружное давление. Пропорционально параметру 0 Пизме­ няется полная тяга ТРД.

Изменение наружной температуры смещает режимную точку

В ы сотно -скорост ные услоВия

Регулирование ВЬигатепя

169

расход воздуха и удельные параметры двигателя и особенно ин­ тенсивно полную тягу.

Влияние потерь в газовоздушном тракте на работу двигате­ ля имеет некоторые особенности. Так, например, увеличение по­ терь в различных элементах тракта расширения (камере сгора­ ния, турбине, форсажной камере, реактивном сопле) приводит к одним и тем же последствиям: забросу температуры перед тур­ биной, смещению линии рабочих режимов к границе помпажа, ухудшению экономичности работы двигателя. Тяга двигателя при этом может даже возрасти.

Увеличение потерь на входе в ТРД .при сверхкритическом пе­ репаде давлений в реактивном сопле не влияет на режим работы

170