Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание воздушно-реактивного двигателя (ВРД) начинается с его проектирования. ВРД состоит из отдельных узлов, представляющих собой сложнейшие технические устройства, работа которых должна быть взаимосвязана. Главная задача проектирования ВРД заключается не только в разработке узлов с высокими параметрами, но и в обеспечении их успешной совместной работы. Для грамотного проектирования важно понимать сущность физических процессов, протекающих в узлах ВРД и в двигателе в целом при его работе на различных режимах и в различных условиях эксплуатации, что невозможно без знания основ термодинамики и газовой динамики.

Принципы работы ВРД различных схем идентичны, хотя и имеются свои особенности совместной работы узлов. Исходя из этого вполне логично изучать теорию ВРД методом от простого к сложному, то есть изучив теорию наиболее простой схемы одновального ТРД, затем исследовать эволюцию данной схемы в двухвальную, двухконтурную, турбовинтовую, турбовальную. Особенности совместной работы узлов ВРД различных схем удобно исследовать в сравнении с совместной работой узлов в одновальном ТРД.

Опыт преподавания дисциплины «Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок» показал, что разрыв между преподаваемыми отдельно «Термодинамикой», «Механикой жидкостей и газов», «Теорией турбомашин» и «Теорией, расчетом и проектированием авиационных двигателей и энергетических установок» не позволяет студентам глубоко понимать физические процессы, протекающие в ВРД.

В данном 2-м издании учебного пособия сделана попытка последовательного изложения курса «Теории, расчета и проектирования авиационных двигателей и энергетических

11

λ– коэффициент скорости (отношение скорости потока

η– КПД

13

x– коэффициент распределения энергии между контурами ТРДД

Мв(г) – массовый расход воздуха (газа), кг/с F – площадь проходного сечения, м2

ρ– плотность, кг/м3

q – скоростной напор, Н/м

α– коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

14

ВВЕДЕНИЕ

Предметом изучения дисциплины «Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок» являются:

–принципы работы воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов и схем;

–отдельные узлы ВРД и их характеристики;

–законы регулирования и характеристики ВРД;

–экспериментальное и математическое моделирование процессов в ВРД.

Задачи изучения:

–изучить принципы работы ВРД, теорию по их расчету

ипроектированию;

–получить представление о термодинамических основах работы ВРД и газодинамических процессах в узлах ВРД;

–научиться проводить газодинамический расчет ТРД, ТРДД, ТВД, ТВаД, и строить их высотно-скоростные и дроссельные характеристики;

–овладеть методами и приемами экспериментального

ичисленного газодинамического анализа отдельных узлов ВРД;

–получить навыки работы с экспериментальным оборудованием и ВТ при анализе работы ВРД.

Структуру дисциплины для удобства изучения можно представить в виде трех последовательных блоков (рис. В.1):

1) теория АД и ЭУ;

2) расчет АД и ЭУ;

3) проектирование АД и ЭУ.

15

Историческая справка. В настоящее время наибольшее распространение в качестве авиационных двигателей и приводных двигателей для мощных газоперекачивающих станций и автономных электростанций получили газотурбинные двигатели (ГТД).

Теоретические основы реактивного движения заложил Николай Егорович Жуковский. В своих работах он первым разработал основные принципы реактивного движения и метод расчета тяги и КПД водометных судовых двигателей.

Основоположником отечественной теории воздушнореактивных двигателей является племянник Н.Е. Жуковского академик Борис Сергеевич Стечкин, который еще в 1929 году

вработе «Теория воздушного реактивного двигателя» изложил основы теории турбовинтового двигателя (ТВД).

В1932 году профессор В.В. Уваров начал работу над ТВД. В 1935 году Архип Михайлович Люлька разработал ГТД прямой реакции – турбореактивный двигатель (ТРД), а через два года предложил схему двухконтурного ТРД (ТРДД).

Большой вклад в практическое создание современных авиадвигателей (АД) внесли коллективы КБ под руководством А.А. Микулина, В.Я. Климова, С.К. Туманского, А.М. Люльки, Н.Д. Кузнецова, В.А. Добрынина, А.Г. Ивченко, С.П. Изотова, П.А. Соловьева, А.А. Иноземцева и др.

Кризис поршневых силовых установок для летатель-

ных аппаратов (ЛА). Послевоенное бурное развитие авиации требовало увеличения скоростей полета. Применяемые

вто время винтовые силовые установки (СУ) на основе поршневых двигателей (ПД) при скоростях, превышающих ≈ 650 км/ч, теряли свою эффективность. Это объясняется тем, что при вращении воздушный винт (ВВ) отбрасывает массу воздуха назад со скоростью большей, чем скорость полета V, сообщая этой массе ускорение. Возникающая в соответствии со вторым законом Ньютона сила реакции RПД воспринима-

17

ется лопастями ВВ и через вал двигателя и его крепления передается ЛА, разгоняя его. Таким образом, ВВ сообщает ЛА полезную мощность, определяемую как произведение RПДV.

Эффективная мощность Ne, сообщаемая воздушному винту поршневым двигателем, должна быть больше полезной мощности ВВ на величину потерь в винтомоторной группе (ВМГ), то есть

RПДV = NeηВ ↓↓ RПД = ↑NVe ↓↓ ηВ .

С увеличением скорости полета V выше 650 км/ч относительная скорость воздушного потока на периферии лопастей ВВ возрастает до сверхзвуковых скоростей, при этом

резко падает КПД ВВ(↓↓ ηВ ) . Вследствие этого тяга ВВ ПД RПД быстро снижается (рис. В.2).

Рис. В.2. Зависимость тяги двигателя от скорости полета ЛА

Одновременно с увеличением скорости полета растет сила аэродинамического сопротивления набегающего потока

воздуха(↑ X ), на преодоление которой затрачивается тяга двигателя Rпотр.

18

Минимальная потребная тяга для полета ЛА со скоростью V

Rпотр = Χ = cх ρV2 2 Fм ,

где cx – коэффициент аэродинамического сопротивления; Fм – максимальная площадь поперечного сечения ЛА (миделевое сечение); ρ – плотность воздуха.

У воздушно-реактивного двигателя тяга RВРД падает с ростом скорости полета менее заметно, чем у поршневой СУ, а у ракетного двигателя тяга RРД незначительно зависит от скорости полета.

19

1.ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ИГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ

1.1. Основы термодинамики

Термодинамика изучает закономерности превращения энергии в различных физических, химических и других процессах и представляет собой науку об энергии и ее свойствах.

Техническая термодинамика изучает вопросы взаимного превращения теплоты и работы в тепловых машинах.

Объектом изучения термодинамики являются различные термодинамические системы (совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии).

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплом с внешней средой (атмосферой), называют теплоизолированной или адиабатически изолированной системой.

1.1.1. Основные понятия

Работа процесса

В общем случае термодинамическая система может совершать одновременно работу по увеличению своего объема (работа расширения); работу по преодолению внешних сил давления, трения; работу по предолению воздействия гравитационных, магнитных и прочих полей. Внешняя (полезная) работа системы может быть выражена в виде

где Lϑ – работа расширения; Lp – работа по преодолению

внешних сил давления; ΣLпр – работа по преодолению сил трения, гравитационных, магнитных и прочих полей.

20