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