2.1 Газодинамическая характеристика газотурбинных двигателей

Выходные параметры двигателя – тяга Р, удельная тяга Р_уд и удельный расход топлива С_уд – всецело определяются параметрами его рабочего процесса, которые у каждого типа двигателя находятся в определенной зависимости от условий полета и параметра, определяющего режим работы двигателя.

Параметрами рабочего процесса являются: температура воздуха на входе в двигатель T_в*, степень повышения полного давления воздуха в компрессоре, степень двухконтурности т, температура газа перед турбиной , скорость потока в характерных сечениях газовоздушного тракта, коэффициенты полезного действия отдельных его элементов и т.д.

Условия полета характеризуются температурой и давлением невозмущенного потока Т_н и Р_н, а также скоростью V (или приведенной скоростью λ_н, или числом М) полета.

Параметры Т_н и V (М или λ_н) , характеризующие условия полета, определяют и параметр рабочего процесса двигателя Т_в*.

Потребная тяга двигателя, установленного на самолете, определяется характеристиками планера, условиями и характером полета. Так, в горизонтальном установившемся полете тяга двигателя должна в точности равняться аэродинамическому сопротивлению самолета Р = Q; при разгоне как в горизонтальной плоскости, так и с набором высоты, тяга должна превышать сопротивление

и чем выше потребные величины ускорения и угла набора высоты , тем выше потребная величина тяги. Потребная тяга возрастает также при увеличении перегрузки (или угла крена) при совершении виража.

Предельные значения тяги обеспечиваются максимальным режимом работы двигателя. Тяга и удельный расход топлива на этом режиме зависят от высоты и скорости полета и обычно соответствуют предельным по условиям прочности значениям таких параметров рабочего процесса как температура газа перед турбиной, частота вращения ротора двигателя и температура газа в форсажной камере.

Режимы работы двигателя, на которых тяга ниже максимальной, называются дроссельными режимами. Дросселирование двигателя – снижение тяги осуществляется уменьшением теплоподвода.

Газодинамические особенности газотурбинного двигателя определяются значениями расчетных параметров, характеристиками элементов и программой управления двигателем.

Под расчетными параметрами двигателя будем понимать основные параметры рабочего процесса на максимальных режимах при определенной для данного двигателя температуре воздуха на входе в двигатель = .

Основные элементы газовоздушного тракта различных схем двигателей – это компрессор, камера сгорания, турбина и выходное сопло.

Характеристики компрессора (каскадов компрессора) (рис. 5) определяются

Рис. 5. Характеристики компрессора: а-а – граница устойчивости; в-в – линия запирания на выходе из компрессора; с-с – линия рабочих режимов [3]

зависимостью степени повышения полного давления воздуха в компрессоре от относительной плотности тока на входе в компрессор и приведенной частоты вращения ротора компрессора, а также зависимостью коэффициента полезного действия от степени повышения полного давления воздуха иприведенной частоты ротора компрессора:

. (7)

Приведенный расход воздуха связан с относительной плотностью тока q(λ_в) выражением

(8)

где — площадь проточной части входного сечения компрессора, она редставляет собой величину расхода воздуха при стандартных атмосферных условиях на земле = 288 К, = 101325 Н/м². По величине ._пр расход воздуха при известных значениях полного давления и температуры торможения Т* вычисляется по формуле

(9)

Последовательность рабочих точек, определяемых условиями совместной работы элементов двигателя на различных установившихся режимах работы, образует линию рабочих режимов . Важной эксплуатационной характеристикой двигателя является запас устойчивости компрессора в точках линии рабочих режимов, который определяется выражением

(10)

Индексу "гр" соответствуют параметры границы устойчивой работы компрессора при том же значении n_пр, что и в точке линии рабочих режимов.

Камеру сгорания будем характеризовать коэффициентом полноты сгорания топлива и коэффициентом полного давления .

Полное давление газа в камере сгорания падает из-за наличия гидравлических потерь, характеризуемых коэффициентом полного давления _г, и потерь, вызванных подводом теплоты. Последние характеризуются коэффициентом . Общие потери полного давления определяются произведением

. (11)

Как гидравлические потери, так и потери, вызванные подводом теплоты, увеличиваются при повышении скорости потока на входе в камеру сгорания. Потери полного давления потока, вызванные подводом теплоты, увеличиваются также по мере увеличения степени-подогрева газа, определяемого отношением значений температуры потока на выходе из камеры сгорания и на входе в нее

/.

Увеличение степени подогрева и скорости потока на входе в камеру сгорания сопровождается повышением скорости газа в конце камеры сгорания, и в случае приближения скорости газа к скорости звука происходит газодинамическое "запирание" канала. При газодинамическом "запирании" канала дальнейшее повышение температуры газа без уменьшения скорости на входе в камеру сгорания становится невозможным.

Характеристики турбины определяются зависимостями относительной плотности тока в критическом сечении соплового аппарата первой ступени q(λ_{с а}) и коэффициента полезного действия турбины от степени понижения полного давления газа в турбине, приведенной частоты вращения ротора турбины и площади критического сечения соплового аппарата первой ступени:

Реактивные сопло характеризуется диапазоном изменения площадей критического и выходного сечений и коэффициентом скорости .

На выходные параметры двигателя существенное влияние оказывает также характеристика воздухозаборника, который является элементом силовой установки самолета. Характеристика воздухозаборника представлена коэффициентом полного давления

где – полное давление невозмущенного потока воздуха; – полное давление потока воздуха у входа в компрессор.

Каждый тип двигателя имеет, таким образом, определенные размеры характерных сечений и характеристики его элементов. Кроме того, двигатель имеет определенное число управляющих факторов и ограничения по значениям параметров его рабочего процесса. Если число управляющих факторов выше единицы, то некоторым условиям полета и режиму работы в принципе может соответствовать ограниченная область значении параметров рабочего процесса. Из всей этой области возможных значении параметров рабочего процесса целесообразным будет лишь одно сочетание параметров: на максимальном режиме — то сочетание, которое обеспечивает максимальную тягу, а на дроссельном режиме — которое обеспечивает минимальный расход топлива при определяющем данный режим значении тяги. При этом необходимо иметь в виду, что число независимо управляемых параметров рабочего процесса – параметров, на основе количественных показателей которых производится управление рабочим процессом двигателя (или кратко – управление двигателем), равно числу управляющих факторов двигателя. И определенным значениям этих параметров соответствуют определенные значения остальных параметров.

Зависимость управляемых параметров от условий полета и режима работы двигателя определяется программой управления двигателем и обеспечивается системой автоматического управления (САУ).

Условия полета, оказывающие влияние на работу двигателя, наиболее полно характеризуются параметром , который является и параметром рабочего процесса двигателя. Поэтому под программой управления двигателем понимается зависимость управляемых параметров рабочего процесса или состояния управляемых элементов двигателя от температуры торможения воздуха на входе в двигатель и одного из параметров, определяющих режим работы – температуры газа перед турбиной , частоты вращения ротора одного из каскадов или тяги двигателя Р.