книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

расширение газа в обычном суживающемся сопле ТРД оказы­ вается уже неполным. С повышением чисел оборотов сверх «кри­ тических» на срезе сопла «появляется и непрерывно растет избы­ точное статическое давление, т. е. Рь>Рн (рис. 2.6).

Появление критического перепада давлений на срезе реак­ тивного сопла приводит к «запиранию» турбины по перепаду давлений: степень расширения газа в турбине остается постоян­ ной, как бы ни росли обороты:

Рассмотрим, как перераспределяется суммарная степень рас­ ширения газа между турбиной и реактивным соплом ТРД на докритических режимах истечения из двигателя (А5<1).

Введем следующие допущения:

1) <7(^са) = 1 или ?(Хса) = соп51 в широком диапазоне дрос­ сельных режимов;

2) т,; = 1 и, следовательно, п = к (где п — показатель поли­ тропы) ;

3) Ор.с= 1 , т. е. Р5.= Ра-

Используя систему относительных параметров, представим уравнение расхода (2.13) в виде:

Заменим в равенстве

7ГК--7Гх7Гр.с

параметр лт его значением из уравнения (2.14). Получим

П (>.3)

21

Температура воздуха за компрессором с увеличением оборо­ тов непрерывно растет примерно по квадратичной зависимости. Это видно из уравнения энергии потока для компрессора

Наиболее важной н сложной зависимостью является измене­

ние температуры газа перед турбиной Т3 по числу оборотов (рис. 2.8). От величины этой темпера­ туры зависит, с одной стороны, эффек­ тивность цикла двигателя и его «вы­ ходные» показатели, а с другой сто­ роны, теплонапряженпость «горячей» части двигателя. Изменение температу­ ры газа перед турбиной в зависимости от числа оборотов определяется урав­ нением баланса работ турбокомпрес­ сора

жается, причем примерно пропорционально квадрату чисел обо­ ротов (см. рис. 2.8).

С дальнейшим уменьшением оборотов (п<п1<р) работоспо­

собность турбины, определяемая степенью расширения ят, начи­ нает уменьшаться. Это приводит к прекращению падения темпе­

ратуры газа Т3.

На режимах глубокого дросселирования двигателя наступа­ ет интенсивное падение к. п. д. компрессора и турбины; степень же расширения газа в турбине при этом настолько незначитель­ на, что осуществление равновесного режима работы двигателя (т. е. поддержание я = соп51) оказывается возможным только при повышенных значениях температуры газа перед турбиной; причем, поскольку с уменьшением оборотов двигателя .падение

я*, т(т и т/к усиливается, увеличение Т3 также возрастает.

23

Таким образом, изменение температуры Тз по числу оборо­ тов изображается вогнутой кривой с тремя характерными участ­ ками (рис. 2.9). При уменьшении оборотов ТРД температура га­ за перед турбиной сначала резко уменьшается (участок /-2), затем в широком диапазоне чисел оборотов ее падение замед­ ляется и практически прекращается (участок 2-3) и, наконец, в области оборотов, близких к малому газу, происходит интенсив­

ное возрастание Тз (участок 3-4). Этот «заброс» температуры является весьма значительным и резким. Длительная работа двигателя на режиме малого газа может привести к недопусти­ мому перегреву ТРД и даже к его аварии. Поэтому необходимо иметь средства и устройства для предотвращения нежелательно­ го повышения температуры Тя в зоне максимальных и минималь­ ных оборотов двигателя.

пропорциональный работе компрессора А , постепенно уменьша­ ется. В зоне оборотов малого газа кривые Т з и А практически

мы можно вполне обоснованно судить об уровне температуры га­ за перед турбиной и о теплонапряжениости двигателя в целом.

Изменение расхода воздуха по числу оборотов

Из теории лопаточных машин известно, что расход воздуха через компрессор возрастает примерно пропорционально его числу оборотов. Однако в области максимальных оборотов эта

'/4

зависимость, как показывает эксперимент, отклоняется от линей­ ной в сторону уменьшения расхода воздуха (рис. 2.10). Такая за­ кономерность связана с явлением «запирания» на входе .в комп­

^(>и) приближается к своему предельному значению и, следова­ тельно, рост расхода воздуха прекращается, так как

Поэтому, чем ближе число к\ к 1 на расчетном режиме (что обусловлено стремлением уменьшить габаритный диаметр дви­ гателя), тем больше зависимость С=[(п) отклоняется от линей­ ной.

Изменение удельной тяги ТРД по числу оборотов

С увеличением числа оборотов возрастает скорость истечения газов из реактивного сопла, равная

^5= < ? [ / 2ё ^ Т \ г р.с,

где

Увеличение с5 обусловлено ростом перепада давлений в ре­

25

активном сопле, а в области максимальных оборотов, кроме то­ го, повышением полной температуры газа на входе в реактивное

сопло.

Таким образом, с увеличением числа оборотов непрерывно возрастает удельная тяга ТРД (рис. 2.10), равная

Неполное расширение газа, происходящее при сверхкритиче­ ских перепадах давления в обычном (суживающемся) сопле ТРД, снижает удельную тягу двигателя. Однако расчеты пока­

зывают, что при обычных значениях Гз и разница между /?уд при полном и неполном расширении газа на максимальном режиме на стенде не превышает 2—3%.

Увеличению удельной тяги ТРД с ростом числа оборотов можно дать и другое объяснение, связанное с «изменением рабо­

на максимальных оборотах, когда наступает интенсивное повы­ шение температуры газа перед турбиной. Увеличение же работы цикла приводит к росту скорости истечения и, следовательно, удельной тяги.

Изменение полной тяги ТРД по числу оборотов

Изменение полной тяги ТРД по числу оборотов (рис. 2.11) полностью определяется закономерностями изменения удельной тяги и секундного расхода воздуха.

Рассмотрим ТРД со средней сте­ пенью сжатия компрессора и уме­ ренным значением осевой скорости на входе в компрессор на макси­ мальном режиме (?ча = 0,6). Для этих условий можем полагать дос­ таточно точно, что расход воздуха пропорционален оборотам в первой степени, а удельная тяга примерно пропорциональна квадрату числа оборотов, т. е.

Обработка многочисленных экспериментальных данных пока­ зывает, что эта зависимость тяги от числа оборотов справедлива для большинства ТРД при программе регулирования /5 = соп51

20

1з области чисел оборотов, которые меньше номинальных. В об­ ласти номинальных и максимальных чисел оборотов рост тяги ТРД замедляется в соответствии с закономерностью роста ра­ схода воздуха (при этом показатель степени при п снижается).

Таким образом, зависимость тяги от числа оборотов описы­ вается степенной зависимостью

% = А пх (где А = соп5{),

у которой показатель х имеет переменное значение (х = \—4).

Изменение суммарного коэффициента избытка воздуха по числу оборотов

Рассмотрим сначала как изменяется относительный расход топлива:

тсРт(г1 - А ) оТ

*к.сНи Ов

по числу оборотов ТРД.

Из равенства Ат= /-Ки при допущении, что срг=срв= Ср сле­ дует приближенное соотношение

т*2- т0= т1 - т4* или П-т*2=т:-т0.

Таким образом, параметр т т изменяется пропорционально полной температуре газа за турбиной (см. рис. 2.10).

Суммарный коэффициент избытка воздуха

1 а = -------

/Ит/п

изменяется обратно пропорционально величине т т. С уменьше­ нием оборотов сначала происходит обеднение смеси (до а=4,5— —5); при дальнейшем дросселировании двигателя топливовоз­ душная смесь обогащается.

Изменение удельного расхода топлива по числу оборотов

Изменение удельного расхода топлива по числу оборотов оп­ ределяется особенностями изменения параметров рабочего про­

цесса двигателя Лк, Тз и т,к.

С уменьшением оборотов двигателя от максимальных до ми­ нимальных степень сжатия компрессора снижается во много раз

(от ~к(расч) до величины, примерно равной 1). Это обусловлива­ ет увеличение удельного расхода топлива при дросселировании двигателя. Однако ю области максимальных оборотов, в которой

абсолютные значения як еще высоки, интенсивное снижение температуры газа перед турбиной, пропорциональное квадрату

27

оборотов, а также некоторое увеличение к. п. д. компрессора вдоль линии рабочих режимов приводят к тому, что удельный расход топлива ТРД сначала несколько снижается (на 3—5%).

Таким образом, зависимость удельного расхода топлива от числа оборотов имеет вид вогнутой кривой иногда с четко обо­ значенным минимумом, определяющим минимальный удельный расход топлива ТРД (см. рис. 2.11).

Полученная закономерность может быть объяснена также совместным влиянием двух факторов: удельной тяги и относи­ тельного расхода топлива, так как

С.. = 3 6 0 0 - ^ - .

)д п

''уд

Рис. 2.12. Дроссельная характеристика ТРД Вайпер-11 и Вайпер-20

Действительно, при дросселировании удельная тяга ТРД па­ дает непрерывно. Относительный же расход топлива изменяется

в соответствии с зависимостью 7\)=/ (п).

Первоначальное обеднение смеси предопределяет появление минимума на кривой Суд. Последующее же обогащение смеси (увеличение тг) усиливает рост Суд в области пониженных ре­ жимов ТРД.

На рис. 2.12 приведены дроссельные характеристики англий­ ских ТРД Вайпер-11 и Вайпер-20.

§ 3. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ДРОССЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Дроссельная характеристика ТРД при постоянных оборотах

Когда турбореактивный двигатель снабжен регулируемым реактивным соплом, запуск двигателя и вывод его «а максималь­ ные обороты в ряде случаев производится при максимальном от-

28

крытпи сопла. Это существенно снижает время раскрутки двигателя, предотвращает появление помпажа компрессора, улучшает его приемистость. После выхода ТРД иа мак­ симальные обороты увеличение тяги двигателя осуществляется прикрытием реактивного сопла при /г = сопз1; при этом растут сте­

и Тл резко увеличивает удельную тягу ТРД. Что же касается расхо­ да воздуха, то его изменение при /? = сопз1 определяется особенно­ стью протекания напорной харак­ теристики компрессора. Обычно расход воздуха при прикрытии сопла несколько снижается (на­ клонная характеристика) или ос­ тается постоянным (случай вер­ тикальной характеристики) '.

Таким образом, тяга двигате­ ля с прикрытием реактивного соп­ ла ТРД непрерывно возрастает.

Удельный же расход топлива при этом сначала снижается, а в области высоких значений Тз снова возрастает.

Дроссельная характеристика ТРД, снабженного системой перепуска воздуха

Обозначим число оборотов п, на которых при дросселирова­ нии ТРД система перепуска вступает в работу, через ппер. При л < я Пер имеем

На рис. 2.14 приведена дроссельная характеристика ТРД, снабженного системой перепуска воздуха, а также характери­ стика компрессора с нанесенной на ней ЛРР а-Ь-с-й. При дрос-

1 Связь между л*, и Т\ при вертикальной характеристике компрессора определяется уравнением расхода (2.8), из которого получаем

<”У тз-

29

Рис. 2.14. Дроссельная характеристика ТРД с одной лентой перепуска воздуха (а) и с двумя лентами перепуска — дви­

гатель «Эвон» (б)

30