Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы

.pdf
Скачиваний:
92
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
4.85 Mб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

А.А. Григорьев

ТЕОРИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

2-е издание, переработанное и дополненное

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации

по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений РФ, обучающихся

по направлению подготовки дипломированных специалистов 160300 «Двигатели летательных аппаратов»

испециальности 160301 «Авиационные двигатели

иэнергетические установки»

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 621.452.3.01(078) Г83

Рецензенты:

доктор технических наук В.Г. Августинович (ОКБ ОАО «Авиадвигатель»);

профессор Х.С. Гумеров (Уфимский государственный авиационный

технический университет)

Григорьев, А.А.

Г83 Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы: учеб. пособие / А.А. Григорьев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 368 с.

ISBN 978-5-398-00369-7

Рассмотрены вопросы теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов, включая термодинамические и газодинамические основы рабочего процесса ВРД и их узлов, включая компрессор и турбину. Особое внимание уделяется рассмотрению закономерностей совместной работы узлов ВРД различных типов и их эксплуатационных характеристик.

Предназначено для студентов специальностей «Двигатели летательных аппаратов» и «Авиационные двигатели и энергетические установки».

УДК 621.452.3.01(078)

ISBN 978-5-398-00369-7 © ГОУ ВПО

«Пермский государственный технический университет», 2010

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ...........................................................................

11

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................

13

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................

15

1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И ГАЗОВОЙ

 

ДИНАМИКИ.................................................................................

20

1.1. Основы термодинамики....................................................

20

1.1.1. Основные понятия......................................................

20

1.1.2. Первый закон термодинамики...................................

24

1.1.3. Виды термодинамических процессов.......................

26

1.2. Основы газовой динамики................................................

36

1.2.1. Основные свойства движущегося газа.....................

37

1.2.2. Пограничный слой......................................................

38

1.2.3. Типы течений потока..................................................

39

1.2.4. Основные уравнения газовой динамики..................

40

1.2.5. Разгон газового потока...............................................

48

1.2.6. Торможение газового потока.....................................

60

Контрольные вопросы..............................................................

68

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО

 

ДВИГАТЕЛЯ ................................................................................

70

2.1. Преимущества турбореактивного двигателя

 

перед поршневой СУ................................................................

70

2.2. Принцип создания тяги ТРД ............................................

70

2.3. Изменение параметров рабочего тела

 

и превращения энергии по тракту ТРД..................................

72

2.4. Основные параметры ТРД. Тяга ТРД..............................

75

2.5. Классификация и области применения реактивных

 

двигателей .................................................................................

78

2.5.1. Классификация реактивных двигателей ..................

78

2.5.2. Области применения РД ............................................

80

3. ЦИКЛЫ ВРД.............................................................................

82

3.1. Сущность второго закона термодинамики .....................

82

3.2. Идеальный цикл ТРД........................................................

83

3.2.1. Условия и диаграммы идеального цикла ТРД.........

83

3.2.2. Работа идеального цикла ТРД...................................

84

3.2.3. Термический КПД идеального цикла ТРД ..............

85

3.2.4. Идеальный цикл со ступенчатым подводом тепла...

87

3

3.3. Реальные (действительные) циклы ВРД.........................

91

3.3.1. Процессы в действительном цикле..........................

91

3.3.2. Работа действительного цикла ТРД.........................

94

3.3.3. Эффективный КПД ТРД............................................

97

3.3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД.................................

101

3.3.5. Полный (экономический) КПД.................................

106

3.3.6. Энергетический баланс и потери в ТРД..................

107

Контрольные вопросы.............................................................

 

108

Задачи........................................................................................

 

 

109

4. ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРД

 

ОТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА. ОСНОВЫ

 

РАСЧЕТА ВРД.............................................................................

 

 

110

4.1. Зависимость R (

π*

, Т* ) ...............................................

110

уд

дв

г

 

4.2. Зависимость cR (π*дв,

Тг* ) ................................................

111

4.3. Зависимости Rуд и сR от КПД процессов сжатия

 

и расширения............................................................................

 

 

114

4.4. Понятие о свободной энергии ВРД.................................

116

4.5. Основы газодинамического расчета ВРД.......................

117

Контрольные вопросы.............................................................

 

119

5. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСЕВЫХ

 

КОМПРЕССОРАХ ВРД

..............................................................

 

121

5.1. Назначение компрессоров и требования,

 

предъявляемые к ним...............................................................

 

 

121

5.2. Основные параметры ОК.................................................

122

5.3. Устройство и принцип работы ступени ОК...................

125

5.4. Основные параметры ступени ОК...................................

127

5.5. Формы проточной части ОК............................................

132

5.6. Потери энергии в ОК

........................................................

133

5.7. Характеристики ОК..........................................................

 

134

5.7.1. Нормальные характеристики ОК..............................

134

5.7.2. Приведенные (универсальные) характеристики.......

136

5.8. Регулирование компрессоров ВРД..................................

141

Контрольные вопросы.............................................................

 

144

6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ

 

В ВОЗДУХОЗАБОРНИКАХ ВРД..............................................

146

6.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД....

146

6.2. Основные параметры ВЗ..................................................

146

4

6.3. Дозвуковые воздухозаборники........................................

148

6.3.1. Расчетный режим работы дозвуковых

 

воздухозаборников ...............................................................

 

148

6.3.2. Нерасчетные режимы работы ДВЗ...........................

149

6.4. Сверхзвуковые воздухозаборники...................................

152

6.4.1. Типы сверхзвуковых воздухозаборников

 

и их характеристика..............................................................

 

152

6.4.2. Схема и работа СВЗ внешнего торможения

 

на расчетном режиме............................................................

 

156

6.4.3. Изменение параметров по тракту СВЗ.....................

158

6.4.4. Нерасчетные режимы работы СВЗ ...........................

159

6.4.5. Неустойчивые режимы работы СВЗ.........................

164

6.4.6. Скоростные характеристики СВЗ.............................

166

6.4.7. Дроссельные характеристики СВЗ ...........................

168

6.4.8. Регулирование СВЗ.....................................................

170

Контрольные вопросы..............................................................

 

177

Задача.........................................................................................

 

178

7. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ

 

КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВРД .....................................................

179

7.1. Назначение камер сгорания ВРД и требования,

 

предъявляемые к ним...............................................................

 

179

7.2. Основные понятия о процессе горения в КС ВРД.........

180

7.2.1. Основные закономерности горения топлива в КС....

180

7.2.2. Топлива, применяемые в ВРД...................................

182

7.3. Типы КС и их краткая характеристика ...........................

184

7.3.1. Индивидуальная КС ...................................................

184

7.3.2. Трубчато-кольцевая КС .............................................

185

7.3.3. Кольцевая КС..............................................................

 

186

7.4. Организация процесса горения в КС ВРД......................

187

7.4.1. Трудности организации горения в КС ВРД.............

187

7.4.2. Мероприятия по организации устойчивого

 

горения в КС ВРД.................................................................

 

187

7.4.3. Этапы рабочего процесса в КС .................................

188

7.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД.............

191

7.6. Потери полного давления в КС........................................

193

7.7. Эксплуатационные характеристики КС..........................

196

7.7.1. Зависимость ηг (α, Тк ) ...............................................

196

7.7.2. Зависимость η

( р ) ..................................................

197

г

к

 

5

7.7.3. Зависимость ηг(ск) ......................................................

198

7.7.4. Зависимость ηг(n) .......................................................

198

7.8. Вредные выделения КС и пути их снижения.................

199

7.9. Снижение выбросов оксидов азота

 

в перспективных КС................................................................

203

7.9.1. Концептуальные основы ...........................................

203

7.9.2. Реализация способов снижения эмиссии NOх.........

208

Контрольные вопросы.............................................................

214

8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ................

215

8.1. Назначение газовых турбин и требования,

 

предъявляемые к ним...............................................................

215

8.2. Основные параметры ГТ..................................................

216

8.3. Устройство и принцип работы ступени ГТ....................

218

8.4. Понятие об активной и реактивной ступени ГТ............

220

8.5. Основные параметры ступени ГТ...................................

221

8.6. Формы проточной части ГТ.............................................

223

8.7. Потери энергии в ГТ.........................................................

225

8.8. Характеристики ГТ...........................................................

226

Контрольные вопросы.............................................................

228

9. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВРД........................................

229

9.1. Назначение, состав выходных устройств ВРД

 

и требования, предъявляемые к ним......................................

229

9.2. Реактивное сопло ..............................................................

229

9.2.1. Назначение и выбор типа РС....................................

229

9.2.2. Сверхзвуковое РС.......................................................

230

9.2.3. Потери энергии в РС..................................................

231

9.2.4. Характеристики реактивного сопла.........................

235

9.2.5. Регулирование РС ......................................................

237

9.3. Управление вектором тяги...............................................

239

9.3.1. Реверсивные устройства............................................

239

9.3.2. Девиаторы тяги...........................................................

240

9.4. Снижение шума в ВРД.....................................................

241

Контрольные вопросы.............................................................

242

10. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА УЗЛОВ В СИСТЕМЕ ТРД.........

243

10.1. Совместная работа ГТ и РС на установившихся

 

режимах.....................................................................................

243

10.2. Совместная работа компрессора, камеры сгорания

 

и турбины ТРД на установившихся режимах......................

245

10.2.1. Уравнения совместной работы ОК, КС, ГТ..........

245

6

10.2.2. Уравнение линии совместной работы....................

246

10.2.3. Влияние различных факторов на положение

 

ЛСР.........................................................................................

250

10.3. Особенности совместной работы ОК и ГТ

 

на неустановившихся режимах...............................................

253

10.3.1. Неустановившиеся режимы работы ТРД...............

253

10.3.2. Приемистость ТРД....................................................

253

10.3.3. Запуск ТРД ................................................................

255

10.4. Номенклатура основных режимов работы ТРД..........

257

Контрольные вопросы..............................................................

259

Задача.........................................................................................

259

11. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД........

260

11.1. Термодинамические основы регулирования ТРД........

261

11.1.1. Основные понятия из теории регулирования

 

силовой установки................................................................

261

11.1.2. Основные программы регулирования ТРД

 

и ТРДФ...................................................................................

263

11.1.3. Сравнение различных ПР при изменении

 

числа M полета......................................................................

264

11.2. Типы характеристик ТРД и их назначение...................

267

11.2.1. Дроссельные характеристики ТРД .........................

267

11.2.2. Скоростные характеристики ТРД ............................

275

11.2.3. Высотные характеристики ТРД ..............................

284

11.2.4. Климатические характеристики ТРД .....................

286

11.3. Методы получения эксплуатационных

 

характеристик............................................................................

288

11.3.1. Экспериментальные методы....................................

288

11.3.2. Расчетные методы.....................................................

288

11.4. Приведение параметров ТРД к стандартным

 

атмосферным условиям ...........................................................

289

11.5. Области эксплуатационных ограничений ТРД............

290

11.5.1. Ограничение по устойчивой работе ОК.................

291

11.5.2. Ограничение по устойчивой работе ВЗ..................

292

11.5.3. Ограничение по устойчивости горения в КС ........

293

11.5.4. Ограничения по условиям прочности узлов

 

и деталей................................................................................

293

11.5.5. Ограничения по максимальной

 

производительности топливных насосов...........................

295

7

11.5.6. Области эксплуатационных ограничений

 

режимов работы двигателя..................................................

295

Контрольные вопросы.............................................................

296

Задачи........................................................................................

297

12. ДВУХВАЛЬНЫЕ ТРД...........................................................

298

12.1. Саморегулирование ОК..................................................

298

12.2. Особенности совместной работы узлов

 

двухвального ТРД....................................................................

300

12.2.1. Положение ЛСР КВД и КНД..................................

300

12.2.2. Влияние Fкр на положение ЛСР КВД и КНД........

301

12.3. Особенности программ регулирования

 

и характеристик двухвальных ТРД........................................

303

12.3.1. Особенности программ регулирования

 

при Fкр = const.......................................................................

303

12.3.2. Особенности характеристик при Fкр = const .........

304

12.3.3. Особенности ПР и характеристик при Fкр = var ...

305

12.3.4. Особенности характеристик

 

при комбинированных ПР...................................................

306

Контрольные вопросы.............................................................

308

13. ДВУХКОНТУРНЫЕ ТРД.....................................................

309

13.1. Схемы двухконтурных ТРД и их основные

 

параметры .................................................................................

309

13.1.1. Схемы двухконтурных ТРД....................................

309

13.1.2. Классификация ТРДД по особенностям схемы....

310

13.2. Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД...

311

13.3. Оптимальное распределение энергии между

 

контурами ТРДД ......................................................................

313

13.3.1. Основные параметры ТРДД....................................

313

13.3.2. Оптимальное распределение Le между

 

контурами в ТРДД................................................................

315

13.4. Зависимость удельных параметров ТРДД (Rуд, сR)

 

от m и x ......................................................................................

320

13.4.1. Зависимости Rуд(m), cR(m) при xопт и M = const....

320

13.4.2. Зависимости cR(x), Rуд(x) при m = const

 

и M = const.............................................................................

322

13.4.3. Зависимости Rуд (Тг* ) при m = const,

 

π*к = const и сR (Тг* , π*к )................................................

322

8

13.5. Влияние отбора воздуха из-за КВД и КНД

 

на запасы устойчивой работы и характеристики ТРДД.........

324

13.5.1. Влияние отбора воздуха от КВД ТРДД.................

324

13.5.2. Влияние отбора воздуха от КНД ТРДД ................

325

13.6. Особенности законов регулирования ТРДД.................

326

13.6.1. Особенности регулирования ТРДД........................

326

13.6.2. Особенности регулирования ТРДДФ.....................

328

13.7. Особенности характеристик ТРДД................................

329

13.7.1. Особенности скоростных характеристик ТРДД....

329

13.7.2. Особенности дроссельных характеристик ТРДД...

330

13.7.3. Особенности высотных характеристик ТРДД........

332

Контрольные вопросы..............................................................

332

14. ТУРБОВАЛЬНЫЕ, ТУРБОВИНТОВЫЕ

 

И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГТД..................................................

334

14.1. Принцип действия турбовальных и турбовинтовых

 

двигателей .................................................................................

334

14.2. Характеристика ТВД и ТВаД различных схем.............

335

14.2.1. Преимущества и недостатки ТВД

 

и ТВаД различных схем.......................................................

335

14.2.2. Особенности конструкции ТВаД со свободной

 

турбиной................................................................................

336

14.3. Основные параметры ТВД..............................................

338

14.4. Оптимальное распределение Le между ВВ и РС..........

339

14.5. Совместная работа узлов ТВД (ТВаД)..........................

341

14.5.1. Зависимость удельных параметров ТВД

 

от параметров рабочего процесса Nуд (Тг* , π*к ) ;

 

се (Тг* , π*к ) ..............................................................................

341

14.5.2. Влияние отбора мощности на запас

 

устойчивой работы и характеристики ТВД (ТВаД)..........

342

14.5.3. Влияние числа М полета на запас устойчивой

 

работы ТВД ...........................................................................

345

14.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД..................

346

14.6.1. Дроссельные характеристики одновального

 

ТВД.........................................................................................

346

14.6.2. Дроссельные характеристики ТВаД

 

со свободной турбиной ........................................................

348

14.7. Климатические характеристики ТВаД..........................

350

14.7.1. Зависимости Ne(Тн) и сe(Тн) при рн = const ............

350

9

14.7.2. Зависимости Ne(рн) и сe(рн) при Тн = const.............

351

14.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД....

352

14.8.1. Высотно-скоростные характеристики

 

одновального ТВД................................................................

 

352

14.8.2. Высотно-скоростные характеристики ТВаД

 

со СТ (вертолетных ГТД) ....................................................

 

353

Контрольные вопросы.............................................................

 

353

15. ФОРСИРОВАНИЕ ТЯГИ ГТД.............................................

 

355

15.1. Назначение и способы форсирования тяги..................

355

15.1.1. Форсирование тяги увеличением n > nmax .............

355

15.1.2. Форсирование тяги увеличением Т*

> T*

 

г

max

 

при nmax = const .....................................................................

 

356

15.1.3. Форсирование тяги впрыском воды в ОК .............

356

15.1.4. Форсирование тяги впрыском воды в КС..............

357

15.1.5. Форсирование тяги сжиганием топлива

 

в форсажной камере.............................................................

 

357

15.2. Рабочий процесс в форсажных камерах.......................

 

359

15.3. Понятие о неустойчивых режимах горения.................

361

15.3.1. Вибрационное горение............................................

 

361

15.3.2. Пульсационное горение...........................................

 

362

15.4. Особенности эксплуатационных характеристик

 

ТРДФ.........................................................................................

 

363

15.4.1. Скоростные характеристики ТРДФ .......................

 

363

15.4.2. Дроссельные характеристики ТРДФ......................

 

364

Контрольные вопросы.............................................................

 

365

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................

 

366

10

Соседние файлы в папке книги