книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

телями, как правило, снабжаются одноконтурныевТРД (напри­ мер «Эвон», Пратт-Уитни Л-ЗС43 и др.). С их помощью уровень шума выхлопной струи ТРД снижается примерно на 3—5 Об. Лишь применение более сложных' гофрированных насадков с эжек­ тором позволяет уменьшить уро­ вень шума на 12—15 Об.

Недостатком шумоглушащих сопел является увеличение веся силовой установки (на 2—3%)* снижение тяги двигателя (на 2—- 4%)» увеличение внешнего сопро­ тивления гондолы двигателя (за счет возрастания донного сопро­ тивления) , ухудшение экономич­ ности работы двигателя.

Рациональным образом под­ бирая конфигурацию шумоглу­ шащего сопла, можно добиться смещения акустической энергии в зону высокочастотных колебаний. Такой шум, как известно, быстро затухает на больших расстояниях от сопла.

В целом следует отметить, что удовлетворительного решения проблемы снижения уровня шума посредством шумоглушителей до сих пор не найдено.

Рациональное расположение двигателей на самолете

Расположение двигателей в одной плоскости дает возмож­ ность значительно снизить уровень шума, развиваемый ими. Эф­ фект снижения уровня шума в данном случае объясняется аку­ стическим экранированием и взаимодействием зон смешения струй. Замена одного мощного двигателя на ряд двигателей (равной суммарной тяги) может снизить общий уровень шума на 5—15 дб.

Применение ДТРД

Влияние степени двухконтурности ДТРД на уровень шума

Увеличение степени двухконтурности при неизменных пара­ метрах рабочего процесса исходного ТРД приводит к непрерыв­ ному снижению скоростей истечения из контуров, а следователь­ но, к снижению уровня шума.

На рис. 8.6 показано влияние степени двухконтурности на скорость истечения газа из ДТРД при оптимальном распределе­

181

нии энергни.#В качестве исходного ТРД взят двигатель со ско­ ростью истечения ^5= 600 м/сен. С увеличением у средняя ско­ рость истечения газа непрерывно уменьшается:

На рис. 8.7 дано влияние степени двухконтурности и темпе­ ратуры газа перед турбиной на относительный уровень шума ДТРД. Из рисунка видно, что увеличение у от 0 до 1,5 снижает

уровень шума на 20 дб. В то же время снижение Г3* от 1350 до 1200° К (т. е. на 150°) уменьшает уровень шума только на 5 дб.

С целью снижения уровня шума двигателя и эксплуатацион­ ных расходов целесообразно при большой дальности полета при­ менять высокотемпературные ДТРД с большой степенью двух­ контурности без всяких дополнительных устройств, поннжаю-

182

щих уровень шума. По сравнений с ТРД это обеспечивает значи­ тельный экономический эффект А практически решает проблему борьбы с шумом.

Смешение потоков в нефорсированном ДТРД дополнительно снижает уровень шума (на 3—4 да) за счет выравнивания про­ филя скоростей в выхлопной струе (рис. 8.8).

Влияние степени двухконтурности на спектр шума

Увеличение степени двухконтурности не только приводит к снижению уровня шума. Оно, кроме того, изменяет частотную характеристику спектра шума, сдвигая максимум его уровней в область низкочастотных колебаний.

При этом восприятие одного и того же уровня шума челове­ ческим ухом становится более благоприятным, ибо оно ощу­ щается как более слабый звук (шум).

На рис. 8.9 изображены кривые спектров шума, создаваемые ТРД С1-805-3 без шумоглушения и с шумоглушителем, а также ДТРД СЛ-805-23 с задним расположением вентилятора. Из рисун­ ка видно, что в области высокочастотных колебаний двигатель С1-805-23 имеет самый низкий уровень шума (на 10 дб ниже, чем у ТРД СЛ-805-3 без шумоглушения). Это преимущество оказы­ вается весьма значительным, если учесть, что применение турбо­ вентиляторной приставки при у = 1,5 увеличивает взлетную тягу двигателя на 35—40%.

183

Дальнейшее снижение скоростей истечения из ТВА, обуслов­ ленное стремлением еще болылё уменьшить уровень шума, уже не является оправданным вследствие ограничений, накладыва­ емых компрессором двигателя и вентилятором ТВА. В самом де­ ле, соображения уменьшения габаритов и веса двигателя вы­ нуждают конструкторов применять компрессорные и 'вентилятор­ ные ступени с высокой осевой скоростью на входе, доходящей до 200 м/сек и более. Это увеличивает уровень шума на входе в компрессор (вентилятор). Таким образом уровень шума в 100—105 дб, определяемый «свистом» компрессора (вентилято­ ра), по-видимому, является сейчас нижним пределом шума сов­ ременного ДТРД. Для снижения уровня шума вентилятора не следует перед ним устанавливать направляющий аппарат.

Применение акустических решеток в воздухозаборниках двигателей или самолетов

Можно воспрепятствовать «излучению» шума вентилятора в окружающую среду, если в воздухозаборнике двигателя или са­ молета установить акустическую решетку. Решетка либо демп­ фирует акустическую энергию вращающегося компрессора, либо не «пропускает» звуковые колебания вверх по входному потоку. Такие устройства по зарубежным сообщениям применяются на ДТРД ЛТ-8Э-1 фимы Пратт-Уитни.

Рациональный выбор профиля взлета самолета

Максимальный уровень воспринимаемого шума под самоле­ том в районе жилых массивов на расстоянии 5— 6 км от начала взлетно-посадочной полосы аэродрома не должен превышать не­ которого допустимого предела. В качестве последнего в США ус­ тановлена дневная норма 112 дб и ночная 102 дб.

Рациональным выбором профиля взлета самолета можно обеспечить соблюдение этих норм на границе аэродрома даже при недостаточности шумоглушащих средств.

На рис. 8.11 приведена траектория взлета транспортного са­ молета, снабженного газотурбинными двигателями, со скоро­ стью разгона (после взлета) до 480 км/ч (кривая а).

При пологом взлете с двигателями, работающими на макси­

107 дб (1 = 8,8 км, Я = 360 м).

Более рационально осуществить разгон самолета до меньшей скорости, например 290 км/ч, и производить на максимальной тяге двигателей набор высоты до 300 м (кривая б). По достиже­ нии этой высоты летчик снижает тягу двигателей (до 50%) и

184

ет угол набора высоты, сохраняя скорость полета уменьшя^с

290 «л/‘г |НН0М СЛуЧае ПрИ пролете через контрольную точку " Н = 300 м) уровень шума равен только 98<дб, т. е. на

П =С О П 8

!

§

г

I со

^орой; при равном снижении тяги он характеризуется

ляется в ;зКИМ уровнем шума вытекающей струи газа (рис. 8.12). более ни:/

§1. ЗАПУСК ГТД

лгазотурбинного двигателя возможен только с помоЗапусг0р0ннего мощного и действующего в течение относн-

щью поеЛцтельлого промежутка времени источника энергии. В тельно Д-^щении запуск ГТД существенно отличается от запуска

этом отн<Го двигателя, для которого достаточна прокрутка копоршневс/

ленчатого вала вручную или механическим путем на 2—3 оборо­ та. У газотурбинного двигателя, только начиная с определенно­ го, достаточно большого числа оборотов (назовем их оборотами малого газа), при котором создается повышенное давление на выходе из компрессора, оказывается возможной устойчивая ра­ бота камеры сгорания, а турбина может развивать избыточную мощность для вращения компрессора.

На пониженных режимах, когда обороты ГТД ниже оборотов малого газа, автономная работа газотурбинного двигателя не­ возможна.

Устройства, которые вырабатывают потребную для запуска мощность и раскручивают ротор ГТД до оборотов малого газа, называются с т а р т е р а м и.

Типы стартеров

Для запуска ГТД применяются поршневой, электрический, газотурбинный, воздушный и пороховой стартеры.

П о р ш н е в о й с т а р т е р представляет собой небольшой двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгора­ ния, приводимый в свою очередь в действие электростартером. Такой стартер (типа «Ридель») применялся на первых турборе­ активных двигателях ЮМО-004 и БМВ-003 с тягой в 700— 900 кГ. Он развивал мощность до 12—15 л. с.

Недостатком поршневого стартера является чрезмерно боль­ шой удельный вес и габариты. Кроме того, трудно обеспечить его надежную работу в зимнее время.

Э л е к т р о с т а р т е р — более эффективное средство запуска. Он успешно применяется на ТРД средней тяги (до 2000— 3000 кГ). Электростартер представляет собой генератор с па­ раллельным или смешанным возбуждением. Питается от борто­ вых или аэродромных аккумуляторных батарей с напряжением до 48 в. Он прост в эксплуатации, позволяет полностью автома­ тизировать запуск ГТД. Однако крупным его недостатком яв­ ляется большой вес аккумуляторных батарей, достигающий 120—180% от веса генератора, а также резкое падение их емко­ сти с понижением температуры наружной среды. Удельный вес современного электростартера 5—8 кГ/л. с.

Г а з о т у р б и н н ы й с т а р т е р получил весьма широкое применение на современных авиационных ГТД с большой тягой. Это небольшой газотурбинный двигатель, передающий мощ­ ность от турбины на вал ротора запускаемого ГТД. Запуск газо­ турбинного стартера производится электростартером.

Газотурбинный стартер может развивать весьма значитель­ ную мощность (до 300—400 л. с.) при сравнительно небольшом весе и габаритах. Удельный вес стартера 1,3—1,8 кГ/л. с.

186

Широкое распространение получил газотурбинный стартер со свободной турбиной.

Недостатком газотурбинного стартера является конструктив­ ная сложность и большая продолжительность запуска ТРД (включающая время запуска газотурбинного стартера и его электростартера).

В о з д у ш н ы й с т а р т е р имеет свободную турбину, приво­ димую во вращение с помощью сжатого воздуха. Турбина снаб­ жена механизмом сцепления с турбокомпрессорным валом ГТД. Сжатый воздух отбирается от специального воздухогенератора, представляющего собой газотурбинный двигатель, у которого избыточная мощность турбины расходуется на сжатие дополни­ тельного количества воздуха в специальном центробежном ком­ прессоре.

Система воздушного запуска по сравнению с другими харак­ теризуется наименьшим весом и наибольшей надежностью. Она получила широкое распространение, в частности, на американ­ ских военных и транспортных ГТД.

Динамика запуска ГТД

Основное уравнение запуска ГТД

Запуск ГТД является неустановившнмся процессом; он мо­

/ — полярный момент инерции ротора;

//о» е = -------- угловое ускорение ротора.

Заменив моменты вращения через мощности с помощью из­ вестных соотношений

получим основное уравнение запуска:

187

Этапы запуска

Процесс запуска ГТД может быть подразделен на три этапа (рис. 9.1).

П е р в ы й э т а п — камера сгорания ГТД не работает и тур­ бина не развивает мощности; он описывается уравнением

Т р е т и й э т а п — стар­ тер отключается, и ротор ГТД выходит на обороты малого газа. Данный этап описывается следующим уравнением:

я,т = (1,5 2) п'.

Запуск ГТД в полете

Особенность запуска ГТД в полете состоит в том, что здесь нет необходимости в раскрутке ротора двигателя с помощью стартера. Встречный поток воздуха приводит ротор в быстрое вращение (режим авторотации), при котором оказывается воз­ можным воспламенение топлива в камерах сгорания.

Следует иметь в виду, что на режиме авторотации компрес­ сор не развивает почти никакого избыточного давления. Необхо­ димое повышение давления для эффективного сгорания обеспе­ чивается за счет скоростного напора. Поэтому условия работы камеры сгорания у авторотнрующего двигателя менее благопри­ ятны, чем в случае нормального запуска на земле.

188

При запуске в полете с поднятием на высоту возможен срыв уже возникшего пламени. Для обеспечения надежного высотно­ го запуска на режимах авторотации необходимо предусмотреть образование в камере сгорания мощного очага пламени.

Влияние наружных атмосферных условий на запуск ГТД

С понижением наружной температуры возрастает мощность трения. Вследствие этого избыточная мощность стартера снижа­ ется, запуск «затягивается», обороты малого газа снижаются, условия разгона ротора до рабочих режимов ухудшаются. Кро­ ме того, в соответствии с увеличением приведенного числа обо­ ротов растет мощность компрессора.

§ 2. ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ ГТД

После того как процесс запуска завершен и турбореактив­ ный двигатель выведен на режим малого газа, дальнейший раз­ гон ТРД до максимальных оборотов осуществляется только пу­ тем увеличения подачи топлива в камеру сгорания. Это произ­

ной падает, мощность турбины оказывается ниже мощности ком­ прессора (Мт</Ук). и обороты компрессора соответственно сни­ жаются от максимальных до минимальных (на режиме малого газа).

Процессы разгона и торможения турбокомпрессора представ­ ляют собой неустановившиеся переходные режимы работы дви­

189

На рис. 9.2 приведена линия АА'тВ совместных режимов работы компрессора и турбины динамического переходного про­ цесса разгона турбокомпрессора ТРД. Как видно, она сущест­ венно отличается от линии АСВ рабочих режимов установивше­ гося, а лучше сказать квазистатического процесса, которым мы заменяем бесконечно большую совокупность равновесных состо­ яний турбокомпрессора на разных числах оборотов. На рисунке также дана линия динамического процесса торможения турбо­ компрессора ТРД (ВВ'пА).

Так как при увеличении подачи топлива в камеру сгорания в первое мгновение обороты ротора остаются неизменными, а температура газа резко возрастает, то динамическая режимная точка компрессора перемещается вдоль его напорной характери­ стики (/г = соп5!) в направлении границы помпажа. По мере ак­ кумулирования избыточной мощности на валу турбокомпрессо­ ра последний разгоняется, но с некоторым запозданием. При этом динамическая линия рабочих режимов деформируется так, как это показано на рис. 9.2, постепенно сближаясь с линией •статических режимов.

При уменьшении подачи («сбросе») топлива в первое мгнове­ ние обороты ротора также остаются неизменными, температура

же 7з резко снижается. При этом динамическая режимная точ­ ка компрессора перемещается вдоль линии п = сопз1, увеличивая запас по помпажу. Затем линия динамических режимов пересе­ кается с линией статических режимов в области малого газа.

Таким образом, при разгоне ротора линия рабочих режимов ТРД проходит в зоне неустойчивой работы компрессора и недо­

пустимо высоких температур газа 7^. При торможении ротора

она проходит в зоне весьма низких значений Г3, что может при­ вести к прекращению горения в камере сгорания.

Для предотвращения этих нежелательных явлений в эксплу­ атации ТРД и приближения динамических линий рабочих режи­

сгорания в соответствии с повышением давления воздуха за ком­ прессором. В этом случае динамические линии рабочих режимов мало отличаются от статической линии АСВ.

§ 3. ПРИЕМИСТОСТЬ ТРД (ДТРД)

Под п р и е м и с т о с т ь ю понимают способность двигателя при подаче топлива набирать обороты от малого газа до макси­ мальных оборотов. Соответственно время, потребное для разго­ на двигателя от режима малого газа до максимального режима, называется временем приемистости. Для большинства одновальных ТРД оно равно 15—20 сек. У новых двухвальиых ДТРД вре­ мя приемистости не превышает 10—12 сек.

190