книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

селировашш двигателя в области оборотов п1ЩЬ<^п<пмакс (когда перепускные клапаны закрыты) кривые Я = [ (/г), Суд = / (п) и

Тз=! (п) ничем не отличаются от ранее рассмотренных зависи­ мостей.

режима работы турбокомпрессора регулятор оборотов увеличи­ вает подачу топлива в камеру сгорания и температура газа пе­ ред турбиной возрастает в необходимой степени.

Так как с открытием клапанов перепуска снижается противо­ давление на выходе из первых ступеней компрессора, то расход воздуха через компрессор обычно несколько возрастает. В итоге

степень сжатия лк падает (кривая й-с). Соответственно сни­ жается давление вдоль всего газовоздушиого тракта. В резуль­ тате скорость истечения газа, удельная тяга, расход газа через реактивное сопло уменьшаются. Следовательно, падает и полная тяга двигателя. Удельный же расход топлива ТРД растет. Пос­ леднее объясняется тем, что увеличивается интервал подогрева

газа в камере сгорания (Г3 — Т^), в то время как удельная тяга

Дроссельная характеристика ТРД, снабженного поворотным направляющим аппаратом компрессора

Пусть при дросселировании двигателя на некотором числе оборотов (пнл<Пмакс) лопатки поворотного направляющего ап­ парата поворачиваются на угол Дф в сторону вращения компрес­ сора и дальнейшее уменьшение оборотов двигателя производит­ ся уже при новом и неизменном положении лопаток (например,

Фнл = 10°).

В результате поворота направляющего аппарата в сторону вращения ротора работа компрессора и его степень сжатия уменьшаются. Следовательно (полагая в области больших обо­

возможно относительное увеличение Суд и Т\ (по сравнению со случаем, когда направляющий аппарат нерегулируем).

31

Участок характеристики ТРД при повернутых лопатках нап­ равляющего аппарата (на угол ф н л > 0 ° ) показан на рис. 2 .1 5 в виде штрихпунктирных линий.

Область возможных режимов работы турбореактивного двигателя

Выше было показано, что при регулировании выходного се­ чения реактивного сопла линия рабочих режимов ТРД, нанесен­ ная на характеристику компрессора, смещается и таким образом

пример, при увеличении чисел оборотов двигателя и температуры газа перед турбиной сверх допустимых пределов).

На рис. 2.16 представлена типовая характеристика компрес­ сора с нанесенными на ней линиями ограничения режимов рабо­ ты турбореактивного двигателя.

Здесь а — граница устойчивой работы компрессора;

Ь— граница устойчивой работы камеры сгорания (на ма­ лых оборотах);

с — линия газодинамического «запирания» на входе в компрессор; теоретически «запирание» наступает при <7(Л.|) = 1, практически (с учетом сужений во вход­ ном канале) при ^(Я|)«0,80—0,85;

32

й — линия «запирания» на выходе из компрессора; «за­ пирание» наступает при приближении числа К на выходе из компрессора (&2а) к 1 [</ (Х2а) = 1];

е — линия «запирания» на выходе из турбины; теоретиче­

д(К4а) =0,70—0,75;

Рис. 2.16. Типовая характеристика компрессора с нанесенными на ней линиями ограничения режимов работы ТРД

Г— линия максимальной допустимой температуры газа перед турбиной;

§ — линия максимально допустимых оборотов.

Особенности дроссельных характеристик двухвальных ТРД

Дроссельные характеристики двухвальных ТРД изображают в виде зависимостей основных параметров двигателя от числа оборотов того ротора, регулятор вращения которого связан с автоматом подачи топлива в камеру сгорания.

Пусть подача топлива связана с регулятором вращения ро­ тора высокого давления. С уменьшением подачи топлива в каме­

ру сгорания снижается температура газа перед турбиной Т*з. Вследствие этого падает работа турбины высокого давления. На­ ступивший дисбаланс работ /*твд<^квд преодолевается сниже­ нием оборотов ротора высокого давления. В результате у послед­ него падает суммарная степень сжатия, а значит, суммарная

степень расширения газа. Это прежде всего отражается на пере­ паде давления турбины низкого давления, который снижается значительно интенсивнее, чем у турбины высокого давления '. Так как при дросселировании ТРД по числу оборотов компрес­

лвд Как известно, скольжение роторов дает возможность автома­

тически улучшить противопомпажные свойства двигателя.

Особенности протекания линий рабочих режимов компрессоров высокого давления и низкого давления одновального и двухвального ТРД

Рассмотрим особенности протекания линий рабочих режимов компрессо­ ров высокого давления и низкого давления одновального и двухвального ТРД.

Пусть заданы каскады низкого давления и высокого давления, состоящие каждый из компрессора и турбины, установленных на одном валу. Будем по­ лагать известными геометрию и характеристики компрессоров и турбин, обра­ зующих каскады.

Сначала сравним линии рабочих режимов турбокомпрессоров высокого и низкого давлений в двухвальном ТРД (со свободными каскадами высокого давления и низкого давления) и в одновальном ТРД (с этими же жестко свя­ занными каскадами, рис. 2.17, а).

Допустим, что на исходном, расчетном, режиме параметры и выходные показатели одновального и двухвального ТРД одинаковы. В этом случае рас­ четные режимы работы компрессоров высокого давления и низкого давления изображаются на характеристиках соответствующих компрессоров одноваль­ ного и двухвального ТРД одной и той же точкой О.

При дросселировании подачи топлива в камеры сгорания линия ОБ рабо­ чих режимов компрессора низкого давления одновального ТРД будет проте­

давления). Линия же рабочих режимов компрессора высокого давления (ОБ')

Нанесем теперь на характеристике компрессора низкого давления линию

турбины низкого давления переходит на докритический режим работы.

34

и

Рис. 2.17. Сравнение линии рабочих режимов турбокомпрессоров одновальных и двухвальных ТРД

ного ТРД. Она пройдет значительно круче линии рабочих режимов связанного каскада (ОБ). Линия же рабочих режимов свободного каскада высокого дав­ ления (ОА'), наоборот, пройдет значительно положе линии связанного каска­ да высокого давления ОБ', так что будут автоматически устранены режимы «запирания».

Объяснить эту закономерность можно следующим образом.

Предположим, что на некотором числе оборотов одновального ТРД расход газа равен С\. Мысленно на этом числе оборотов выведем каскады высокого и низкого давлений из зацепления. Тогда одновальный ТРД превра­ тится в двухвальный ТРД. В результате наступившего дисбаланса работ ком­

В результате разъединения каскадов степень сжатия компрессора низкого давления упадет, компрессора высокого давления увеличится. Суммарная же степень сжатия, а также расход воздуха через ТРД практически не изменятся.

Нетрудно заключить из рис. 2.17, а, что падение я кнл при С=сопз1 озна­ чает смещение линии рабочих режимов в направлении вывода компрессора низкого давления из помпажа. Увеличение же я Кцд при О’=соп51 приводит к

смещению линии рабочих режимов в направлении вывода компрессора высо­ кого давления из режимов «запирания».

Физически устранение помпажа у компрессора низкого давления при дрос­ селировании двухвального ТРД по числу оборотов объясняется тем, что умень­ шение окружной скрростн лопаток при той же величине осевой скорости при­ водит к снижению углов атаки рабочих лопаток, в результате этого падает сте­ пень сжатия каскада и уменьшается опасность срыва потока со спинки лопа­ ток компрессора. Аналогично вывод компрессора высокого давления из зоны «запирания» объясняется тем, что увеличение окружной скорости лопаток при той же величине осевой скорости приводит к увеличению углов атаки рабочих лопаток; вследствие этого возрастает степень сжатия каскада и ступени ком­ прессора высокого давления выводятся из режима «запирания».

Если теперь на характеристику компрессора, построенного в относитель­ ных параметрах г.* = / [? (д 1)), нанести линии рабочих режимов компрессо­

ров высокого и низкого давлений (см. рис. 2,17,а), то линия рабочих режимов компрессора низкого давления (ОА) пройдет значительно положе (т. е. с меньшим запасом устойчивости), чем эта же линия компрессора высокого давления (ОА'). В области же чисел оборотов больше расчетных свойства линии рабочих режимов меняются: в ней линия рабочих режимов компрессора высокого давления проходит с меньшим запасом устойчивости, чем у компрес­ сора низкого давления.

Сравним теперь линии рабочих режимов свободного каскада высокого давления в двухвальиом ТРД и этого же отдельно взятого каскада турбоком­ прессора одновального ТРД (см. рис. 2.17,6).

При оговоренных выше условиях линии рабочих режимов данных каска­ дов высокого давления совпадают. В самом деле, влияние компрессора низ­ кого давления на компрессор высокого давления в двухвальиом ТРД сводится к изменению полного давления и полной температуры воздуха на входе в компрессор высокого давления. Другими словами, компрессор низкого давления выполняет роль с т у п е н и н а д д у в а на входе в компрессор высокого дав­ ления. При этом изменение полного давления не влияет на положение линий

рабочих режимов. Изменение же полной температуры (Г1ВД) изменяет при­

веденное число оборотов каскада высокого давления. Поэтому при равных физических оборотах компрессора высокого давления в рассматриваемых двух случаях приведенные обороты его не будут совпадать, они всегда будут мень-

36

Пусть начальные режимы работы этих двух каскадов совпадают (точка О, рис. 2.17,6). Тогда при равной степени уменьшения физических оборотов при­ веденные обороты КВД будут больше, чем у компрессора одновального ТРД

каскада низкого давления двухвального ТРД и отдельно взятого этого же каскада турбокомпрессора одновального ТРД (рис. 2.17, в).

При сформулированных условиях линии рабочих режимов этого каскада в рассматриваемых случаях не совпадают. При общей режимной точке на максимальном режиме линия рабочих режимов свободного каскада (ОА) про­

ходит более полого, т. е. меньшим запасом устойчивости, чем у отдельно

ния) на входе в ТНД.

Приведенная выше закономерность протекания линии рабочих режимов объясняется следующим образом. При дросселировании двухвального ТРД

снижается л к11 и 7'3 . Однако давление надает более интенсивно, чем тем­

пература газа, в результате чего плотность газа на входе в сопловой аппарат турбины низкого давления резко снижается, а это эквивалентно эффекту дрос­ селирования сечений в турбине или дополнительного подогрева газа в камере сгорания. В итоге линия рабочих режимов свободного каскада низкого дав­

ления отклоняется в область повышенных значений л к.

§4. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРД

Кнастоящему времени пока еще не установлена единая но­ менклатура основных режимов работы газотурбинных двигате­

лей. За рубежом каждая фирма, выпускающая авиационные двигатели, каждая авиакомпания, эксплуатирующая эти двига­ тели, в ходе доводки и эксплуатации ГТД уточняет и изменяет перечень основных режимов работы двигателей, соотношение между тягами, значение основных параметров двигателя на этих режимах. В СССР для ТРД принята следующая номенклатура основных режимов: максимальный (или взлетный), номиналь­ ный, крейсерский, экономический и режим малого газа.

режим, при котором двигатель развивает максимальную тягу при непрерывной работе в течение ограниченного времени, как правило, не более 5—10 мин. На этом режиме (максимальном

'37

числе оборотов) предельно допустимая температура газа за тур­ биной ограничивается из условия обеспечения надежной работы двигателя. Максимальным режимом пользуются на взлете, при наборе высоты, для достижения максимальной скорости по­ лета в боевых условиях (при преследовании противника, уходе от него).

Номинальный режим

Н о м и н а л ь н ы м р е ж и м о м называется такой режим, при котором двигатель развивает наибольшую тягу при непре­ рывной работе в течение 30 мин (до 1 ч). На этом режиме (номи­ нальном числе оборотов) также ограничивается предельно до­ пустимая температура газа за турбиной. Тяга на номинальном режиме обычно на 10—15% ниже, чем на максимальном ре­ жиме:

# Вом «(0,85 -0,90) Я*.*;

при ЭТОМ «ном « (0,96— 1)я„акс.

Основные расчеты двигателя (на прочность, газодинамиче­ ский, подбор проходных сечений) производятся для номиналь­ ного режима.

Номинальный режим является основным режимом эксплуа­ тации двигателя на самолете-истребителе. На пассажирских са­ молетах этим режимом пользуются при наборе высоты.

Крейсерский режим

К р е й с е р с к и м р е ж и м о м называется такой режим,при котором гарантируется наибольшая тяга при непрерывной и на­ дежной работе двигателя в течение всего установленного срока службы (ресурса). Им пользуются при полете по маршруту на дальность.

Тяга на крейсерском режиме на 25—30% ниже, чем на мак­ симальном режиме:

Якр= (0>70— 0,75) Ямакс — 0,85ЯНОМ,

при ЭТОМ ИКр^;0,9я„акс-

Указанный режим часто называется м а к с и м а л ь н ы м к р е й с е р с к и м .

Экономический режим

Э к о н о м и ч е с к и м р е ж и м о м называется такой режим, который примерно соответствует минимальному удельному рас­

38

Этот режим называют также пониженным крейсерским ре­ жимом.

Возможны еще более пониженные режимы работы ТРД (0,6 и 0,4 /?„ом).

Режим малого газа

Р е ж и м о м м а л о г о г а з а называется такой режим, при котором двигатель устойчиво работает на минимальных оборо­ тах в течение ограниченного времени (10—15 мин). Тяга на данном режиме составляет 3—5% от максимальной (при Лмакс= 5000 кГ имеем /?м.г= 150—250 кГ). Эта тяга должна быть достаточной для руления самолета на аэродроме, но не должна быть чрезмерной во избежание увеличения пробега самолета при посадке с работающими двигателями.

Обычно /гм.г=(0,2 — 0,4)яМакс-

На режиме малого газа температура газа за турбиной также

аварийной ситуации должен проработать 1—2 мин без поломки.

§ 5. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИИ НА РАБОТУ ТРД

Выше мы подробно рассмотрели дроссельные характеристики ТРД, полагая при их анализе, что атмосферные условия оста­ ются неизменными. Однако последние (температура Тн и дав­ ление рн) оказывают существенное влияние на параметры рабо­ чего процесса, режим работы, основные показатели турбореак­ тивного двигателя.

Поясним это подробней. Пусть число оборотов двигателя и положение органов регулирования остаются неизменными (п=сопз1 и /5= сопз1).

Рассмотрим сначала случай, когда атмосферное давление повышается. Повышение рн, а значит и плотности воздуха, вы­ зывает увеличение весового расхода воздуха через двигатель. Так как изменение рИ вызывает пропорциональное изменение давления по всему тракту двигателя, то скорость истечения газа из реактивного сопла, а следовательно, и удельная тяга ТРД не изменяются. В итоге полная тяга ТРД возрастает про­ порционально увеличению атмосферного давления. С пониже­ нием рцу наоборот, тяга ТРД падает.

Рассмотрим теперь случай, когда наружная температура по­ нижается. Понижение ТИ вызывает увеличение весового расхо­ да воздуха через двигатель (растет плотность воздуха ун); кро­

39

ме того, растет удельная тяга ТРД, так как при одной и той же затраченной работе на сжатие 1 кГ воздуха

и = Ш,ЪТН (-к0,286- 1) — = сопз!

г*.

повышаются значения степени сжатия компрессора и как след­ ствие давление газа на входе в реактивное сопло. В конечном счете скорость истечения с5 из двигателя увеличивается. Это приводит к повышению тяги ТРД в результате изменения ее двух составляющих (Оп и # уд), а не одной (Ов), как в преды­ дущем случае. Повышение Гн, наоборот, приводит к падению тяги ТРД.

Относительные колебания наружного давления значительно меньше, чем наружной температуры. Действительно, реальное изменение температуры от —45° С зимой до +45° С летом отно­ сительно стандартной температуры *л=15°С составляет ве­ личину

Изменение же ри от 720 до 780 мм рт. ст. относительно стандартного значения давления рн = 760 мм рт. ст. дает лишь

Поэтому изменение наружной температуры оказывает боль­ шее влияние на работу двигателя, чем изменение наружного давления. Так, например, при эксплуатации самолетов с ТРД в условиях крайнего Севера двигатели развивают существенно большие тяги (на 30—40%), чем в южных широтах. Повышение температуры наружного воздуха от +15 до +30° С (т. е. на 5%) приводит к падению тяги ТРД на 7—11 %.

Влияние температуры Тн и давления наружного воздуха рц на дроссельные характеристики ТРД показано на рис. 2.21.

Итак, изменение наружных атмосферных условий оказывает существенное влияние на работу ТРД. Возникает вопрос, как учесть это влияние на дроссельную характеристику двигателя. Ведь стендовые характеристики ТРД снимаются при различных атмосферных условиях.

Какие показатели двигателя следует записывать в его пас­ порт? Как сравнивать между собой характеристики, например, двигателей одной и той же серии, снятые при различных значе­ ниях рц и Г/г?

Было бы бессмысленным пытаться снимать характеристики ТРД точно при одних и тех же атмосферных условиях.

Очевидно, что правильное решение задачи учета влияния на­ ружных атмосферных условий на характеристики ТРД состоит

40