- •А.А. Григорьев
- •ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)
- •1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ
- •1.2. Принцип создания тяги ТРД
- •1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД
- •1.4. Основные параметры ТРД
- •2.2. Идеальный цикл ТРД
- •3. РЕАЛЬНЫЕ (ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ) ЦИКЛЫ ВРД
- •3.1. Процессы в действительном цикле
- •3.2. Работа действительного цикла ТРД
- •3.3. Эффективный КПД ТРД
- •3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД
- •3.5. Полный (экономический) КПД
- •Контрольные вопросы
- •Задачи
- •4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ
- •4.1. Назначение компрессоров и требования, предъявляемые к ним
- •4.2. Основные параметры ОК
- •4.3. Характеристики OK (ХК)
- •Контрольные вопросы
- •5.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД
- •5.3. Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ)
- •5.4. Формы дозвуковых диффузоров
- •Контрольные вопросы
- •Задача
- •6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД
- •6.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
- •6.6. Потери полного давления в КС
- •6.7. Эксплуатационные характеристики КС
- •Контрольные вопросы
- •7. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА (ВУ) ВРД
- •7.1. Назначение, состав и требования к ВУ ВРД
- •7.2. Реактивное сопло
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТРД
- •8.4. Понятие о свободной энергии ВРД
- •8.5. Основы газодинамического расчета ВРД
- •9.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР
- •9.4. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неустановившихся режимах
- •9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД
- •Задача
- •10. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД
- •10.1. Термодинамические основы регулирования ТРД
- •10.2. Типы характеристик ТРД и их назначение
- •10.3. Методы получения ЭХ
- •Контрольные вопросы
- •12. ДВУХКОНТУРНЫЕ ТРД (ТРДД)
- •12.1. Схемы ТРДД и их основные параметры
- •12.2. Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД
- •12.5. Особенности законов регулирования ТРДД
- •12.6. Особенности характеристик ТРДД
- •Контрольные вопросы
- •13. ТУРБОВАЛЬНЫЕ (ТВАД), ТУРБОВИНТОВЫЕ (ТВД)
- •13.1. Принцип действия ГВаД и ТВД
- •13.2. Схемы ТВД и ТВаД
- •13.3. Основные параметры ТВД
- •13.5. Совместная работа узлов ТВД
- •13.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД
- •13.7. Климатические характеристики ТВаД
- •13.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД
- •Контрольные вопросы
- •14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах
- •14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения
- •14.4. Особенности эксплуатационных характеристик ТРДФ
- •Контрольные вопросы
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ГРИГОРЬЕВ Андрей Алексеевич
при запуске, учитывая |
величины давления р и |
и температуры |
||||||
Ти на входе в двигатель. |
|
|
|
|
||||
Раскрутка |
ротора |
осуществляется |
стартерами различ |
|||||
ных типов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
ВРД |
с |
М в< 60 |
кг/с |
применяются электростартеры, |
|||
электрические |
|
стартеры-генераторы, |
воздушно-турбинные |
|||||
стартеры. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
ВРД |
с |
М в> 60 |
кг/с |
применяются |
газотурбинные |
||
стартеры. |
|
|
|
|
|
|
|
|
9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД
Максимальный (взлетный) режим
Параметры: RmM; Тг\пм ; птм
Используется при взлете, наборе высоты, боевом маневри ровании. Время работы на максимальном режиме ограничено, так как на элементы конструкции двигателя действуют макси мальные нагрузки.
Номинальный режим
Параметры: /?|ЮМ= (0,85...0,9)ЯПШ; «||0М= (0,96...1,0)и„га. Используется при наборе высоты в гражданской авиации
и как основной режим в истребительной авиации. На номиналь ном режиме двигатель должен проработать весь ресурс.
Крейсерский (максимальный крейсерский) режим
Параметры: /?кр = (0,7...0,75)Rnux =0,85Лиом ; лкр = 0,9лпш
Экономический (пониженный крейсерский) режим
Параметры: /?ж =(0,5... 0,6)RmM =(0,6...0,75)Л|ЮМ. Используется при полете на максимальную дальность
на наиболее экономичных скорости и высоте полета.
Параметры: й мг = (0,03...0,05)/?1пах; л?мг = (0,4... 0,6)л1ТО
|
имг - минимальная п, при которой возможна устойчивая |
||
работа двигателя. |
|
||
|
Т^г |
незначительно ниже Г,’.1Х из-за существенного сниже |
|
ния КПД ОК Г)’ на |
/7МГ. Так как из-за снижения расхода воз |
||
духа |
М л на режиме МГ условия охлаждения турбины ухудша |
||
ются, |
то |
требуется контроль за Т ^ г и ограничение времени |
|
работы |
на режиме |
МГ Время работы на режиме МГ |
|
-(10... 15) минут. |
|
Задача
Задана линия л* = / [г/(Лвх), д] на характеристике ком прессора (изобразить произвольно). Как изменится положение этой линии, если при программе регулирования п = const 1. Увеличивается площадь FCA на 10 %?
2.Уменьшается площадь F„, на 20 %?
10.ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД
Общие положения
Важнейшими параметрами, характеризующими ТРД при его эксплуатации, являются тяга R и удельный расход топ лива cR.
Двигатель, установленный на летательный аппарат, экс плуатируется в широком диапазоне скоростей и высот полета, а также режимов работы от МГ до максимального. Важно знать, как изменяются R и cR при изменении скорости М , высоты И и режима работы двигателя ( п ).
Зависимости /?(М, Я , п) и ся(М, Я , п) называются экс плуатационными характеристиками (ЭХ) ТРД. Протекание ха рактеристик двигателя существенно зависит от особенностей
его схемы и программы регулирования двигателя и его узлов (ОК, ГТ. PC).
Изменение М и |
Н |
приводит к изменению температуры Ти, |
||||
давления |
р и, скорости |
V воздуха на входе в двигатель. Это вы |
||||
зывает изменение полных параметров |
Твх и р*х вследствие из |
|||||
менения |
динамической |
степени |
повышения |
давления |
||
riv (q = р V 2/ 2) и изменения |
пк (п ~ п / л]Твх), следовательно, |
|||||
будет изменяться я*в = я*,я* |
|
|
|
|||
При изменении |
тс*в изменяется расход воздуха |
М в. давле |
||||
ние за компрессором |
/?* и по всему тракту двигателя. Увеличе |
ние или уменьшение давления газа за турбиной (на входе в PC)
рт вызывает увеличение или уменьшение полной степени по нижения давления газа в реактивном сопле пс = рт/ р и, следо вательно, увеличение или уменьшение скорости истечения га
за сс Удельная тяга R |
|
= сс - V и тяга |
R = RyAM B при этом бу |
|||
дут изменяться. |
|
|
|
|
|
|
При |
изменении |
р'вх |
и |
ТВУ |
изменяются |
|
-Ч,.пр |
|
и " п р - ^ 'д /с " |
следовательно, изменя |
|||
ются КПД компрессора Г)*, турбины Г|* и полный КПД л п • |
||||||
Полный КПД Г|п |
изменяется также вследствие изменения |
|||||
эффективного |
г|с(л‘е) |
и тягового |
Г)тяг(сс IV) КПД. Изменение |
rin вызывает изменение cR - l/r|n
Смена режима работы двигателя обычно связана с измене
нием частоты вращения ротора |
п, при этом изменяются приве |
|
денная частота вращения ротора n„p ~ n / f r l x |
тс* (лмр) и г|0, |
|
следовательно, изменяются R и ся . |
|
|
Изменение п достигается, |
как правило, увеличением или |
|
уменьшением расхода топлива |
А/т , а значит |
изменением 7"', |
что также вызывает изменение Le, Т]е, Т|п(г|е), следовательно,
изменение R и cR.
10.1.Термодинамические основы регулирования ТРД
10.1.1.Основные понятия из теории регулирования
силовой установки
Задачи регулирования ТРД
1. В различных условиях полета (А/, Н) поддерживать та кие значения параметров (Г, р , с) и КПД отдельных узлов, при которых обеспечиваются оптимальные характеристики ВРД
исиловой установки (СУ) J1A в целом.
2.Обеспечение устойчивой работы ВРД на всех режимах,
иисключение механических и тепловых перегрузок в отдель ных узлах.
3.Автоматическое поддержание заданного режима работы СУ при заданном положении «РУД».
4.Обеспечение быстрого и устойчивого перехода с одного режима работы на другой.
Регулируемые параметры и регулирующие факторы
Режим работы двигателя, характеризуемый R и cR, опре деляется (при известных коэффициентах потерь) регулируемы ми параметрами (РП).
Активные РП: я*(л); Т*(мт, FKp); Гф(мт<ф) - для ТРДФ. Изменяя п\ Т*\ Гф, можно наиболее эффективно влиять на из менение тяги R и удельного расхода топлива cR.
Пассивные РП: ДК - обеспечение устойчивой работы ОК;
пс _ обеспечение расчетной степени расширения газа в ре активном сопле на всех режимах работы ТРД;
М в - обеспечение устойчивой работы СВЗ; т)* - обеспечение эффективной работы ОК.
На РП (для их изменения) воздействуют с помощью регу
лирующих факторов (РФ). |
|
|
|
|
||
Активные РФ: |
|
|
|
|
||
Мт - для изменения я* (п); |
|
|
|
|||
А/т ф - для изменения |
; |
|
|
|
||
FKр - для изменения Т" |
|
|
|
|
||
Пассивные РФ: |
|
|
|
|
||
Fr - |
площадь горла |
СВЗ (обеспечение изменения рас |
||||
хода М в); |
|
|
|
|
|
|
)3К- |
угол |
установки |
клина |
СВЗ |
(обеспечение |
измене |
ния М в); |
|
|
|
|
|
|
/'на - |
угол |
поворота |
лопаток НА |
(обеспечение |
ДЛГ |
|
И Лк,,ал ); |
|
|
|
|
|
|
FQ - относительная площадь |
среза PC (обеспечение рас |
|||||
четного режима работы PC - |
п* р;]Сп |
= nl n). |
|
|
Так как все параметры ВРД взаимосвязаны, то изменение какого-либо одного РФ вызывает изменение всех его РП. Одна ко одним РФ можно воздействовать по заданному закону только на один РП. Следовательно, для регулирования двигателя по заданному закону число РФ должно равняться количеству РП.
При поддержании неизменными активных РП с изменени ем условий полета (М; Н ) пассивные РП могут изменяться и достигать недопустимых значений. В связи с этим на них ус танавливают ограничения, и называют ограничиваемыми РП. Ограничение осуществляется воздействием на РФ.
10.1.2. Основные программы регулирования ТРД и ТРДФ Программы регулирования (ПР)
Программа регулирования ТРД - это изменение активных РП при изменении внешних условий ( Т*ах, р*х ), осуществляемое автоматикой двигателя (САУ) при заданном неизменном поло жении «РУД».
Обеспечить закон регулирования Лт.,х можно с помощью ПР
для ТРД |
ицшх |
= const; Т*гпах = const; |
для ТРДФ |
fimix |
= const; Tr' mx = const; T*max = const. |
Данные программы регулирования позволяют наиболее полно использовать возможности двигателя для получения мак симальной тяги.
Регулирование осуществляется изменением РФ Мт => п\
г,Р=>К> м тф => т ;.
Реализация приведенных ПР связана с трудностями быст
рого и точного измерения Т* и так как отсутствуют без-
инерционные датчики достаточной точности для таких высоких температур. Поэтому на практике применяются ПР, позволяю
щие косвенно поддерживать Т* = const; |
= const путем замера |
других, связанных с ними параметров. |
|
Например: |
|
ПР для ТРДФ: |
|
"max = COnSt; |
|
К „и, = const (r;max = const); |
|
M.Т.ф = const (г:;П1ах = const).
Рж
ПР для ТРД: «.ш* = const;
Кии, = const (г;1ШХ= const).
Для ТРД и ТРДФ с нерегулируемым соплом FKp = const
(применяется при изменении числа М полета в узком диа пазоне):
ПР для ТРД: nmM = const. ПР для ТРДФ:
«.шх = const;
Л* = const (Гф = const).
У современных ТРД встречаются и более сложные ПР, обу словленные тем, что все элементы ГТД четвертого и пятого по колений работают на пределе своих возможностей для получе ния максимальных характеристик и с необходимостью учета целого ряда ограничений.
Например: ПР, учитывающая снижение эффективности системы охлаждения ГТ с ростом числа М полета: п = const;
т; = /<тп).
При использовании данной ПР с увеличением Ти обеспе
чивается снижение Т* Это необходимо потому, что при
Т Ти =>? Tlx = > Т Г температура воздуха, идущего на охлажде ние ГТ, растет. При этом эффективность охлаждения ГТ сни жается.
10.1.3. Сравнение различных ПР при изменении числа М полета
1. |
ПР п = const; |
Т\ = const |
|
|
r-r |
_ _ ж m* |
I |
п - const |
- |
При увеличении |
М => I Гвх =>Т п |
----- рабочая точ- |
К
ка движется по ЛРР в область меньших t/(Xox) (рис. 10.1),
уменьшаются &К v и Г|'к.
Рис. 10.1. ПР: п~- const; Т* = const
При некотором значении М = М тах запас устойчивости ОК станет минимальным Д/£Гу min и регулировать ТРД по данной ПР
при дальнейшем увеличении М нельзя, так как наступает огра ничение по ДЛ'у,,,!,, •
|
2. ПР ппр = const; Т* = const. |
|
При |
увеличении |
м=>Т С =>i ипр |
=> САУ Т FKp |
=>Т л; => L, > LK |
п =>Т ппр = лпрлад. |
Так как при увеличении М=>Т р 'х =>Т М в рабочая точка |
||
движется по напорной кривой |
нпрлал = const в область больших |
расходов (рис. 10.2), при этом увеличивается Т ДК .
Рис. 10.2. ПР: /1пр = const, Т* = const
При некотором значении М = М |ШХ Тн = /г|ШХ Регулиро
вать ТРД по данной ПР при дальнейшем увеличении М нельзя, так как наступает ограничение по ип,.,х. Во всем диапазоне
М < М 1Ш> , п < л1Т1ах двигатель создает тягу меньше максимально
возможной R < Rimx.
Уменьшение высоты Н полета будет действовать так же как рост М . Для расширения возможностей ТРД в широком диапазоне скоростей и высот полета применяют комбинирован ные ПР.
|
|
Пример комбинированной ПР |
|
|
|
||
1. |
ПР |
п = const; |
Т* = const |
Применяется при увеличении |
|||
числа |
М |
полета до наступления |
ограничения |
по |
лт;1Х= const |
||
(рис. 10.3). |
|
|
|
|
|
|
|
2. |
ПР |
п = const; |
Г* = const. Применяется |
при |
дальней |
||
шем увеличении М |
до наступления ограничения |
по |
Д£ in |
||||
(см. рис. 10.3). |
|
|
|
|
|
Рис. 10.3. Комбинированная ПР
Если ТРД работает на пониженном режиме ( п < лт11Х), то
при использовании комбинированной ПР, с ростом М полета (см. рис 10.3), на участке 1-2 за счет поддержания ппр = const