книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

Влияние параметров процесса (температуры газа перед турбиной и стендовой степени сжатия компрессора)

на особенности скоростных характеристик ТРД

Приведенные зависимости основных параметров ТРД по ско­ рости полета носят принципиальный характер. Однако числен­ ные значения удельных и безразмерных параметров (/?уд, Суд, тр, Ля, ЛоЬ характеризующие совершенство ТРД, величины ско­ ростей полета, на которых тяга ТРД обращается в нуль, зависят от уровня параметров рабочего процесса ТРД.

Влияние тс*

К1)

' н не определенная предельная величина суммарной степени сжа­ тия ТРД, равная

‘".макс — :д= СОПЗ{,

при которой С5= с0 и полезная работа цикла обращается в нуль (1,,=0). Следовательно, с увеличением степени сжатия компрес­

быть и полная тяга, резче падают при увеличении скорости по­ лета, достигая нуля при малых значениях с0макс (рис. 3.5). В со­

ответствии с более резким падением /?уд быстрее растет по ско­ рости полета величина удельного расхода топлива, устремляясь в бесконечность при малых значениях гомаксСтендовое же зна­

чение Суд при этом оказывается тем меньше, чем выше величп-

на < • Кривые протекания расхода воздуха также зависят от чис­

ленного значения лКо. Чем больше я к», тем меньше доля динамического сжатия по сравнению с механическим, тем мед­ леннее увеличивается расход воздуха по скорости полета.

степенно исчезает «горб» на скоростных характеристиках. Уже при я*. >10—12 и обычных значениях Та ( < 1200° К) тяга

61

падает непрерывно во всем диапазоне скоростей полета (см, рис. 3.5).

Анализ рис. 3.5 показывает, что применение высоких значе­

ний - Кп(>12—15) резко улучшает экономичность ТРД на стен­ де и дозвуковых скоростях полета. Переход же к пониженным значениям Лк0 (4—8) дает возможность улучшить тяговые ха­ рактеристики, повысить экономичность работы двигателей на сверхзвуковых скоростях полета.

Влияние Т\

(рис. 3.6)

С увеличением температуры газа перед турбиной возрастает полезная работа цикла и скорость истечения газа из реактив-

62

ного сопла. При этом падение удельной тяги по скорости полета замедляется. В итоге удельная л полная тяги ТРД обращаются в нуль при больших значениях Ямпкс и 0>моксСоответственно,

удельный расход топлива достигает бесконечности также при больших значениях с0. С увеличением Т3 стендовое значение Сул непрерывно возрастает.

Характерно, что увеличение Т3 не влияет на закономерность изменения расхода воздуха по скорости полета. Однако проте­ кание характеристики полной тяги становится более благопри­ ятным.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: для улучшения экономичности работы ТРД на стенде и на дозвуко­

вых скоростях полета следует применять высокие значения як

существенно улучшить экономичность ТРД и протекание тяго­ вых характеристик двигателя на больших сверхзвуковых чис­ лах Мо.

ОСОБЕННОСТИ СКОРОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХВАЛЬНЫХ ТРД

Рассмотрим особенности скоростных характеристик двухвальных ТРД при двух программах регулирования:

1)Япд= СОП51 и /- = сопз1;

2)янд = сопз1 и / 5 = сопз1.

Прежде всего выясним, как изменяются .по скорости полета число оборотов свободного каскада компрессора и температура газа перед турбиной.

Схема двухвального ТРД с обозначениями характерных се­ чений газовоздушного тракта приведена на рис. 1.2,6. Будем полагать, что на всех скоростях и высотах полета реактивное сопло работает на сверхкритическом перепаде давлений [0(*-5)= 11-

Программа П в д= С О П 8( И !5 = СОП81

С увеличением скорости полета наступает «затяжеление» каскада компрессора низкого давления (растут углы атаки на лопатках и как следствие увеличиваются степень сжатия и рабо­

В соответствии с этим линии рабочих режимов компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД) деформируются, отклоняясь от направления, которое они занимали бы, если бы ТРД состоял только из турбокомпрессора

63

низкого давления или высокого давления (исключено было бы совместное влияние каскадов компрессора).

Снижение работы компрессора высокого давления при я вд = 001151 вызывает уменьшение подачи топлива в камеру сго­

при к^вд=соп51 следует, что

/-квд~ Т'з-

Уменьшение 7'з в свою очередь приводит к некоторому сни­

жению температуры газа перед турбиной низкого давления 7'4вд Следовательно, турбина низкого давления «облегчается» — се работа уменьшается. Так как компрессор низкого давления с ростом Со «затяжеляется», то наступивший дисбаланс работ

/-кнд > /-тнд

устраняется только путем снижения оборотов каскада низкого давления.

В итоге с увеличением скорости полета падают обороты ком­ прессора низкого давления и температура газа перед турбиной. Режимные точки компрессоров низкого и высокого давления пе­ ремещаются вдоль линий рабочих режимов в направлении по­ ниженных приведенных оборотов.

Программа пНд = соп$1 и {5=соп8*

С увеличением скорости полета, как и в предыдущем случае, наступает «затяжеление» каскада компрессора низкого давле­ ния и «облегчение» каскада компрессора высокого давления.

Увеличение работы компрессора низкого давления при

янд= сопз1 вызывает дополнительную подачу топлива в камеру

4> :*с

сгорания и, следовательно, повышение 7’3 и 7%вд. В самом деле, из баланса работ компрессора низкого давления

^ к н д = ^ т н д = 1 1 8 7 \ш д гт н д т |т н д

при Ц.нд =сопз1 следует, что

/-кпд — Т'цвд — 7"з.

Облегчение компрессора высокого давления при одновремен­

ном увеличении /-тнд (из-за роста Тз) приводит к дисбалансу работ на турбокомпрессоре высокого давления, т. е.

/•КВД < /"ТВД-

64

Последний преодолевается за счет раскрутки ротора высо­ кого давления.

В итоге с увеличением скорости полета возрастают обороты компрессора высокого давления и растет температура газа пе­ ред турбиной.

В качестве иллюстрации скоростной характерцешки одповального ТРД на рис. 3.7 показана характеристика английского двигателя «Эвон».

§ 2. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

гателей называют зависимости тяги и удельного расхода топли­ ва от высоты полета при заданной программе регулирования двигателя. Высотные характеристики подобно скоростным часто дополняют кривыми изменения температуры газа перед турби­ ной, часового расхода топлива, а также других важных в экс­ плуатации параметров.

С поднятием на высоту используют те же программы регу­ лирования двигателя, что и по скорости полета. Мы ограничим­ ся здесь анализом высотных характеристик одновальных ТРД, построенных для программы регулирования на максимальную тягу.

ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОВАЛЬНЫХ НЕФОРСИРОВАННЫХ ТРД

Рассмотрим высотные характеристики одновальных нефор­ сированных ТРД, построенных на основании приближенного теплового и газодинамического расчета двигателя при програм­ ме регулирования на максимальную тягу.

В качестве основных условий построения высотных характе­ ристик примем:

=соп$1.

К допущениям, обычно принимаемым в приближенных рас­ четах высотных и скоростных характеристик, по-прежнему от­ несем:

постоянство работы компрессора при неизменных его обо­ ротах;

постоянство к. п. д. и коэффициентов потерь элементов ТРД; полное расширение газа в реактивном сопле ТРД. Допущение постоянства к. п. д. компрессора и турбины на

больших высотах (#> 15 км) является достаточно приближен­ ным. Известно, что на больших высотах наступает падение чисел Рейнольдса, отнесенных к хорде лопаток — характерному линей­ ному размеру компрессорных и турбинных решеток. В резуль­ тате этого у ТРД небольших размеров может наступить паде­ ние к. п. д. указанных элементов *.

Также приближенным оказывается допущение о неизменно­ сти коэффициента полноты сгорания с поднятием двигателя на высоту. На очень больших высотах понижение давления в топ­ ливной системе и в камерах сгорания приводит к резкому ухуд­ шению смесеобразования и к падению механической полноты сгорания топлива. Сохранение высокой полноты сгорания тре­ бует применения специальных испарительных камер сгорания,

(#=11 км) наружная температура Тп непрерывно уменьшается. Поэтому падает и полная температура воздуха на входе в ком­

прессор, равная

О

Указанное обстоятельство приводит, с одной стороны, к уве­ личению числа Мо полета12 и повышению динамической степени сжатия

кд = (1-Ь0Ж ) 3‘Ч ,

1 Подробнее этот вопрос освещен в главе 7.

2 Так как уменьшается скорость звука.

66

где

Vьект,!

ас другой, — к повышению степени сжатия компрессора. Действительно, из рассмотрения равенства

Таким образом, суммарная степень сжатия

также увеличивается (рис. 3.8).

Увеличение суммарной степени сжатия оказывается тем зна­ чительнее, чем больше абсолютное значение стендовой степени

сжатия компрессора (тгКо) и чем меньше скорость полета (рис. 3.9).

Изменение расхода воздуха

Рассмотрим теперь, как изменяется весовой расход воздуха через ТРД с поднятием на высоту (рис. 3.10).

Из выражения расхода воздуха, написанного для соплового аппарата турбины,

О в = т - Рз° СА / с а я (*с а ),

следует, что

Таким образом, расход воздуха через двигатель с поднятием на высоту уменьшается, однако медленнее, чем падает наруж­ ное давление. Фактором, задерживающим падение Ов, оказы­ ваете/* увеличение суммарной сте­ пени сжатия, которое обусловлено снижением температуры наруж­ ной атмосферы до //=11 км. На высоте //=11 км относительное

давление составляет

Изменение удельной тяги

(см. рис. 3.10)

При постоянной скорости полета изменение удельной тяги зависит только от скорости истечения газа из сопла.

Нетрудно заключить, что при условии Гз = сопз1 и ^к=сопз1 скорость истечения газа зависит только от перепада давлений в реактивном сопле, т. е.

("Р .с) *

*

га. *

кР.с=— (принимая, чтоят=соп$1).

*“т

Так как степень сжатия с поднятием на высоту до изотер­ мической границы растет, то увеличивается скорость истечения

из двигателя, а следовательно, и удельная тяга. Повышение удельной тяги оказывается тем интенсивнее, чем больше земная

степень сжатия компрессора (иКо), ниже температура газа пе­ ред турбиной (Г3), больше скорость полета.

С поднятием на высоту до //=11 км удельная тяга возра­ стает в обычном диапазоне значений - Ко и / 3 на 40—60%.

Изменение полной тяги

Изменение полной тяги (см. рис. 3.10) с поднятием на вы­ соту определяется изменением ее составляющих

Я=77УД ,= /( Я ) .

Основным фактором изменения полной тяги по высоте поле­ та является падение расхода воздуха, обусловленное непрерыв­ ным уменьшением наружного давления. Однако падение тяги происходит медленнее, чем снижение 0„. Оно задерживается ростом удельной тяги. При пятикратном уменьшении наружного давления расход воздуха падает примерно в три раза, а тяга 'ГРД не больше, чем в два раза.

Падение тяги усиливается при уменьшении скорости полета, снижении лк0 и росте Гз.

Изменение тяги ТРД на высотах, больших 11 км

На высотах, больших 11 км, наружная температура сохра­ няет неизменное значение 77г=216,5°К вплоть до высоты Н=2Ъ—30 км. На этих высотах (во всей изотермической обла­ сти) имеем л=сопз1. Следовательно, удельная тяга здесь также постоянна. Падение же расхода воздуха и полной тяги двига­ теля ускоряется. Теперь оно происходит пропорционально атмо­ сферному давлению, т. е.

Изменение коэффициентов полезного действия

Э ф ф е к т и в н ы й к. п. д.

С поднятием «а высоту растет скорость истечения газа из сопла, а следовательно, увеличивается кинетическая энергия каждого килограмма газа на выходе из двигателя. С другой стороны, возрастает количество тепла, внесенного с топливом к этому килограмму газа в камере сгорания (так как растет ин­

тервал подогрева &Тк.с=Тз — Т2). Ввиду того что Ье увеличи­

69

вается быстрее, чем ^пн, эффективный к. п. д. г\с ТРД с под­ нятием на высоту растет (рис. 3.11).

Увеличение г\е по высоте можно также объяснить как резуль­ тат одновременного возрастания суммарной степени сжатия

Тя г о в ый к. п. д.

Об щи й к. п. д.

Изменение общего к. п. д. г\о зависит от изменения его со­ множителей

ГЮ= 1|И#.

Расчеты показывают, что при высоких значениях г\ц опреде­ ляющим элементом является повышение эффективного к. п. д. Таким образом, с поднятием на высоту общий к. п. д. ТРД растет. Этот факт характеризует улучшение экономичности ра­ боты двигателя на высоте.

Удельный расход топлива

Так как при постоянной скорости полета удельный расход топлива обратно пропорционален общему к. п. д.

то с поднятием на высоту вплоть до Н= 11 км величина Суд непрерывно снижается (см. рис. 3.11).

Дальнейший подъем на высоту (когда //>11 км) не оказы­ вает влияния на величину Суд. Исключением являются те случаи,.

70