книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

когда наступает ухудшение полноты сгорания, в результате чего Гуд растет, так как

Суд

Ск.(

Рис. 3.12. Высотная характеристика ТРД «Эвон»

В качестве иллюстрации высотной характеристики ТРД на рис. 3.12 приведена характеристика двигателя «Эвон».

§ 3. ОСОБЕННОСТИ СКОРОСТНЫХ и ВЫСОТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ТРДФ

Программа регулирования ТРДФ на максимальную тягу

Программа регулирования ТРДФ на максимальную тягу ■предусматривает одновременное выполнение следующих усло­ вий:

1 Ф.макс

Регулирование подачи топлива в форсажную камеру

В связи с необходимостью поддержания постоянной темпера­ туры газа на выходе из форсажной камеры по скорости и вы­ соте полета возникает вопрос о рациональном обосновании принципа регулирования параметров газовоздушного тракта,

•обеспечивающего 7'ф=соп51 при неизменном критическом сече* нии реактивного сопла. Таким принципом является автоматиче­ ское поддержание постоянного перепада давлений на турбине,

т. е. обеспечение ях=соп$1 при подаче топлива в форсажную

.камеру.

71

положении реактивного сопла двигателя любое изменение пода­

чи топлива, нарушающее условие 7ф=соп$1, приводит к теп­ ловому регулированию двигателя, т. е. изменению режима ком­

прессора и турбины. Например, с увеличением 7\|, растет про­ тиводавление газа за турбиной таким образом, как это происходит при прикрытии реактивного сопла. В этом случае

перепад давлений на турбине уменьшается, режимная точка компрессора смещается в направлении границы помпажа. Оче­

кономерность же изменения расхода воздуха по скорости полета у ТРДФ и ТРД совпадает. В результате суммарная тяга ТРД

72

с ростом скорости сначала изменяется мало, а затем значитель­ но растет; лишь в области больших чисел Мо тяга резко падает, стремясь к нулю.

На рис. 3.13 приведены скоростные характеристики ТРДФ при включенной и выключенной форсажной камере. Видно, что во всем диапазоне чисел М0 полета тяга ТРДФ значительно больше, чем у ТРД.

Удельный расход топлива ТРДФ

с увеличением скорости полета возрастает.

Однако на сверхзвуковых скоростях полета резкое увеличе­ ние эффективного, а следовательно, общего к. п. д. может при­ вести даже к некоторому «местному» снижению СуЛф.

На рис. 3.14 приведено изменение общего к. п. д. и удель­ ного расхода топлива ТРДФ при включенной и выключенной форсажной-камере в зависимости от скорости полета. Если на стенде и дозвуковых скоростях полета ТРД экономичнее, чем ТРДФ, то на больших числах Мо полета (>3) удельный расход топлива ТРДФ ниже, чем у ТРД. Последнее объясняется тем, что увеличение удельной тяги ТРДФ на этих скоростях с избыт­ ком компенсирует дополнительный расход топлива. Эффектив­ ный к. п. д. цикла ТРДФ теперь уже выше, чем у ТРД.

Особенности высотных характеристик ТРДФ

Высотные характеристики ТРДФ при программе регулиро­ вания на максимальную тягу практически не отличаются от ха­ рактеристик ТРД. С поднятием на высоту тяга ТРДФ непре­ рывно падает; выше 11 км падение тяги ускоряется, причем оно подчиняется закономерности

Что касается удельного расхода топлива, то последний с под­ нятием на высоту снижается вплоть до //=11 км. Дальнейший подъем на высоту приводит к ухудшению экономичности рабо­ ты двигателя лишь в случае уменьшения полноты сгорания.

Степень форсирования тяги

Степенью форсирования тяги ТРДФ называют отношение форсированной тяги к исходной, нефорсированной, тяге двига­ теля

73

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ 4 ДВУХКОНТУРНЫХХАРАКТЕРИСТИКИ

ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДТРД

Регулирующие органы и регулируемые параметры ДТРД

Задачей регулирования ДТРД является осуществление та­ кого закона изменения р е ж и м о в работы двигателя на стен­ де и в полете, при котором обеспечивается наивыгоднейшее те­ чение его основных характеристик — тяги, удельного расхода топлива, избыточной мощности турбины и т. д.

Режим работы ДТРД характеризуется в общем случае боль­ шим числом независимых переменных, чем ТРД и ТВД. Это определяет необходимость иметь дополнительные органы регули­ рования для осуществления наивыгоднейшего распределения рас­ хода воздуха и эффективной работы между контурами, реализа­ ции заданного закона подвода тепла (расхода топлива) во вто­ ром контуре и т. д. В соответствии с данным обстоятельством ДТРД имеет дополнительные (по сравнению с ТРД) регулирую­

щие факторы: расход топлива во втором контуре (От), угол установки направляющего аппарата компрессора второго конту­

ра ( <рнл), площадь выходного (критического) сечения реактив­

ного сопла второго контура (/") и т. д., а также соответствую­ щие им органы (в том числе автоматы) регулирования.

Указанные регулирующие факторы дополнительно определя­ ют регулируемые физические режимные параметры ДТРД: тем­ пературу на выходе из камеры сгорания второго контура

(7'ф1), работу, передаваемую из первого контура для привода компрессора второго контура (/,т ), и эквивалентный ей пара­

метр — коэффициент распределения эффективной работы между контурами — л#, а также степень сжатия в компрессоре второго

контура лк*п , обороты компрессора второго контура, расход воз­ духа во втором контуре Оц и т. д., причем число регулирующих факторов точно равно числу независимых регулируемых пара­ метров.

Некоторые частные случаи сочетания регулирующих факто­ ров и регулируемых параметров различных авиационных газо­ турбинных двигателей приведены в табл. 1.

75

Из таблицы видно, что число независимых регулируемых па­ раметров ДТРД может быть больше на одну, две и больше еди­ ниц, чем у других авиационных ГТД.

Заметим, что переход к двухвальной конструкции двигателя само по себе еще не означает введение дополнительного регули­ руемого параметра. При неизменной геометрии одновального ДТРД единственному регулирующему фактору Отсоответствует

и единственный регулируемый параметр я (или Т ). Другой па­

раметр Тз (или я) автоматически и однозначно связан с пер­ вым. В двухвальном ДТРД регулирующему фактору От соответ­ ствует по-прежнему единственный регулируемый параметр, нап­ ример число оборотов каскада высокого давления. Параметры

Тз и Янд однозначно связаны с Явд.

На рис. 4.1, а показана структурная схема регулирования од­ новального ДТРДФ 11 с двумя независимыми регуляторами — подачи топлива в основную и в форсажную камеры.

Связь между регулирующими факторами и регулируемыми параметрами двигателя в этой схеме имеет вид:

От Т 1 я;

Структурная схема регулирования двухвального ДТРД с* двумя независимыми регуляторами подачи топлива и реактивно­ го сопла второго контура представлена на рис. 4.1,6.

76

Связь между регулирующими факторами и регулируемыми параметрами ДТРД в данной схеме следующая:

От—> Пцд -> Т$\ /ъ * ^нд-

Рис. 4.1. Структурная схема регулирования ДТРДФ:

а — с двумя регуляторами — подачи топлива в основную и форсажную камеры; б — с двумя регуляторами — подачи топлива и реактивного соп­ ла второго контура

Программы регулирования ДТРД

Вследствие наличия дополнительных органов регулирования (во втором контуре двигателя) количество программ для ДТРД значительно больше, чем для ТРД. К ним относятся программы регулирования на максимальную тягу, на наилучшую экономич­ ность на крейсерских режимах полета, на полное подобие режи­ ма работы турбокомпрессора, различные комбинированные про­ граммы и др.

77

В данной книге нет возможности проанализировать указан­ ные программы. Рассмотрим кратко лишь особенности регули­ рования ДТРД на максимальную тягу.

Для обеспечения максимальной тяги одновального ДТРД на всех скоростях и высотах полета необходимо осуществление тех

же условий, что и у одновального ТРД: п= лчакг. = соп51, 7'з = = 7'змякс = сопз1 и. кроме того, дополнительных условий у = у 0пт, х=Хопт или лк = * , а при наличии форсажных камер в

контурах Тф = сопз1 и 7’ф*= сопз1.

Соблюдение этих условий обеспечивает получение на всех скоростях и высотах полета максимум расхода воздуха и удель­

практически не всегда может быть реализовано. Поэтому обычно отказываются от специального регулирования параметров у и

5тК[1 , предоставляя нм изменяться в соответствии с изменением параметров рабочего процесса по скорости и высоте полета, а также условиями л = лма,;о = сопз1 и Т3 = 7змакс —сопзТ

Для ДТРД, предназначенных для сверхзвуковых скоростей полета, целесообразно осуществить регулирование на оптималь­ ную степень двухконтурности. При этом с целью улучшения эко­ номичности работы двигателя следует на стенде и дозвуковых скоростях полета увеличивать степень двухконтурности; на сверхзвуковых скоростях полета, наоборот, целесообразно у уменьшать (вплоть до 0), переводя ДТРД на режим работы ТРД.

Поддержание Т3 =сопз1 в одновальном ДТРД может быть осуществлено дополнительным регулированием критического се­ чения реактивного сопла (первого или второго контуров, а при наличии камеры смешения — общего сопла), а также направля­ ющего аппарата компрессора второго контура.

В связи с этим различают дополнительные условия реализа­ ции рассматриваемой программы регулирования:

автоматически при соблюдении условия лвд = сопз1 с точностью до 7,квд = сопз1 по скорости и высоте полета. Сохранение 7-квд= = сопз{ может быть обеспечено соответствующим подбором ха­

78

рактеристики компрессора высокого давления с расчетной сте­ пенью сжатия, близкой к 6.

При соблюдении условия п нд=соп$1 и неизменной геометрии

двигателя температура Т3 в полете меняется. Для ее сохране­ ния требуется введение ранее рассмотренных дополнительных органов регулирования.

Совместная работа компрессора и турбины в ДТРД. Влияние различных регулировочных факторов

на линии рабочих режимов компрессоров ДТРД

Протекание дроссельных, высоты! IX и скоростных характеристик ДТРД, выбор программ регулирования для I х осуществления в большой степени определяется особенностями совместной работы компрессора и турбины, особенностямн газодинамической схемы двигателя, зависит от свойств и реальных характеристик компрес­ соров первого и второго контуров.

Рассмотрим методы построе­ ния линии рабочих режимов ком­ прессоров ДТРД, влияние различ­ ных эксплуатационных и регули­ ровочных факторов на их проте­ кание.

Я (^са) —1* Я Оз)=1. *<*")=!•

Это означает, что степень расширения газа в турбине остается неизмен­ ной, я т =соп$(.

На рис. 4.2 приведены зависимости максимальной степени двухконтурно-

79

2. Коэффициенты полезного действия турбины, г также коэффициенты по­ терь в элементах двигателя неизменны:

Г|^ = СОП31. ЗцХ = СОП31, 3* с = СОП31, <рр с = СОП31, ; К.с = С01151, с(р к =

= сопз1; *ф.к = соп з1.

Одновальный ДТРД с раздельными газовоздушными трактами

(см. рис. 1.3, а)

1. Уравнения основных газодинамических связей турбокомпрессора двигателя (уравнения режимов совместной

работы турбины и компрессора)

Применительно к рассматриваемой схеме двигателя уравнения режимов совместной работы компрессора и турбины включают уравнения расхода воз­ духа (газа) через первый и второй контуры двигателя, а также уравнение ба­ ланса работ (мощностей) турбокомпрессора двигателя.

У р а в н е н и е р а с х о д а в о з д у х а ч е р е з п е р в ы й к о н т у р

Напишем уравнение расхода воздуха (газа) для сечения на входе в ком­ прессор /- / и критического сечения первого соплового аппарата турбины

Уравнение (4.3) не отличается от аналогичного уравнения для однокон­

V т \