Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

Вактивной ступени ГТ (ρт = 0) работа на РК совершается только за счет уменьшения кинетической энергии (уменьшения абсолютной скорости с), а давление и температура остаются неизменными (Т = const, p = const), так как w = const.

Вреактивной ступени ГТ работа на РК совершается как за счет снижения абсолютной скорости c в РК, так и за счет реактивной составляющей, получаемой при разгоне потока

вмежлопаточных каналах (↑ w). В работу ступени превра-

щается часть энтальпии потока (↓ p, ↓Т) . С увеличением

степени реактивности ρт увеличивается мощность, развиваемая ступенью ГТ, но при этом возрастают потери на трение, а из-за увеличения относительной скорости w и потери с выходной скоростью (снижается КПД ГТ ηт ). Важной задачей

при проектировании ГТ является выбор оптимального значения степени реактивности ступеней ГТ.

ГТ с активными ступенями развивают меньшую мощность, но имеют более высокий ηт и применяются, в основном, в воздушных турбостартерах.

8.5. Основные параметры ступени ГТ

Параметрами ступени, так же как и у многоступенчатой ГТ, являются: степень понижения давления ступени

Геометрические параметры:

– наружный диаметр проточной части Dт;

221

– внутренний (втулочный) диаметр проточной части Dвт;

– относительный диаметр втулки dт = Dвт Dт =

=0,55…0,85;

–высота лопатки h = 0,5(Dт – Dвт);

–удлинение лопатки h = h b = 2…8, где b – ширина ло-

патки;

– средний диаметр лопаток Dср = 0,5(Dт + Dвт).

Кинематические и газодинамические параметры. Рас-

смотрим треугольники скоростей в сечениях 1–1 и 2–2 (см. рис. 8.4) на среднем диаметре, совмещенные на одном чертеже (план скоростей ступени ГТ) (рис. 8.5).

Рис. 8.5. План скоростей ступени ГТ

Окружная скорость для цилиндрической поверхности тока на среднем диаметре u = u1 = u2 = 270…500 м/c.

Осевая составляющая скорости газового потока несколько увеличивается по тракту ГТ (с2а > c1а), так как уменьшается плотность газа и площадь проходного сечения

при постоянном расходе газа (Мг =↑ са ↓ρ↓ F = const) .

Угол α2 на выходе из ступени для одноступенчатой ГТ или последней ступени многоступенчатой ГТ для снижения потерь в затурбинном пространстве должен быть близок к 90°.

222

Число М на выходе из РК (Мт) принимают в диапазоне

0,4…0,7.

Коэффициент расхода ступени с1а/u находится в преде-

лах 0,5…1,0.

Коэффициент нагрузки ступени

Параметр µт является одним из важнейших параметров, так как определяет работу, которую можно получить в ступени при данной окружной скорости. Для авиационных ГТД µт = 1,2…1,8, причем с увеличением значения µт, уменьшается КПД ступени.

Необходимо иметь в виду, что выше рассматривались осредненные по радиусу параметры ступени, и этого достаточно для решения многих практических задач. Однако при детальном расчете конкретной ступени необходимо учитывать изменение параметров потока по высоте лопатки, вследствие возрастания окружной скорости ui лопаток РК от основания к периферии. Выбор оптимального закона изменения параметров треугольников скоростей ступени по высоте лопатки, обеспечивающих высокий КПД, является задачей аэродинамического расчета ступени ГТ.

8.6. Формы проточной части ГТ

При установившемся течении расход газа через все ступени турбины одинаковый и определяется пропускной способностью выходного сечения соплового аппарата первой ступени ГТ (минимальное сечение ГТ). В соответствии

223

с уравнением неразрывности Мг = ρСА1сСА1аFСА1 = const. По мере понижения давления по тракту ГТ плотность газа падает. Падение плотности должно быть компенсировано увеличением осевой скорости или площади поперечного сечения проточной части. Обычно в многоступенчатых ГТ увеличение осевой скорости сочетается с увеличением площади поперечного сечения, то есть с увеличением высоты лопаток (рис. 8.6). Это объясняется тем, что увеличение са i ограничено условием λСА аi < 0,75…0,8.

Рис. 8.6. Схемы проточной части ГТ: а – Dт = const; б – Dвт = const;

в – Dср = const

Преимуществом схемы Dт = const (рис. 8.6, а) является получение максимального коэффициента нагрузки µт на первой ступени за счет большой окружной скорости на среднем диаметре uср1 при значительной закрутке газового потока с2u. В результате на первой ступени реализуется наибольшее снижение температуры газа, что позволяет делать охлаждаемой только первую ступень в высокотемпературных ГТ и улучшает условия работы лопаток первой ступени.

Недостаками данной схемы являются:

–наименьшая длина лопаток первой ступени, следовательно, меньший КПД ступени из-за роста доли концевых потерь и технологическая сложность изготовления охлаждаемых лопаток;

–увеличение массы ГТ из-за увеличения размеров дисков первых ступеней.

В схеме Dвт = const (рис. 8.6, б) длина лопаток наибольшая, однако uср i наменьшая, поэтому она является прямой

224

противоположностью по своим преимуществам и недостаткам схеме Dт = const.

Компромиссная схема Dср = const (рис. 8.6, в) сочетает в себе преимущества двух других схем. Кроме того, при использовании этой схемы наименее вероятен отрыв потока от поверхности втулки или корпуса вследствие малого их наклона к оси турбины. Однако схема Dср = const наиболее сложна в изготовлении.

Иногда возникает необходимость применения комбинированных схем, когда закон профилирования проточной части изменяется по тракту ГТ.

8.7. Потери энергии в ГТ

Гидравлические потери могут быть следующих видов.

1.Профильные – связаны с трением в пограничном слое (ПС) на поверхности профиля лопаток СА и РК, вихреобразованием в зоне за выходными кромками и отрывом потока от поверхности профиля.

2.Концевые – связаны с трением в пограничном слое на стенках, ограничивающих проточную часть турбины, перетеканием воздуха через концевые зазоры между торцевыми поверхностями лопаток и корпусом ступени из зоны повышенного давления в зону пониженного.

3.Вторичные – связаны с образованием поперечных парных вихрей в межлопаточных каналах СА и РК.

Вторичные потери обусловлены, в основном, разностью давлений на спинке и корытце лопаток, что вызывает перетекание воздуха в пограничном слое у стенки канала из области повышенного давления на «корытце» в область пониженного давления на «спинке». Это течение, взаимодействуя с основным потоком, образует два вихревых шнура, расположенных у спинки лопатки и получивших название «парного вихря».

225

4. Потери кинетической энергии с выходной скоро-

стью (ст2 2) – являются потерями только для ГТ, но не для двигателя.

8.8. Характеристики ГТ

Наиболее распространенными характеристиками ГТ являются зависимости КПД турбины ηт и параметра расхода газа

от степени понижения давления в турбине πт при фиксиро-

226

(реактивная ступень) ГТ не станет критической (λСА а.г = 1

или λРК а.г = 1).

Дальнейший рост скорости потока в сужающемся канале становится невозможным, происходит «запирание» СА (в активной ступени) или РК (в реактивной ступени). Так как площадь выходного сечения СА постоянна (FСА = const), то дальнейший рост приведенного расхода (расходного параметра) также становится невозможным.

Характер протекания зависимости ηт (πт ) объясняется

тем, что на расчетном режиме работы двигателя углы набегания потока на рабочие лопатки являются оптимальными,

следовательно, ηт max.

При отклонении от расчетного режима в сторону увеличения или уменьшения πт углы набегания потока увеличи-

ваются или уменьшаются по сравнению с оптимальными значениями, что приводит к снижению ηт.

Характеристики многоступенчатых ГТ в целом схожи с характеристиками отдельной ступени, но имеют ряд особенностей:

1. При отклонении режима работы турбины от расчетного происходит рассогласование в работе ее ступеней, то есть степень изменения плотности газа по тракту ГТ при изменении πт перестает соответствовать изменению площади про-

ходных сечений. В результате максимальные значения ηт ,

при уменьшении параметра n Тг , снижаются в большей

степени.

2. Близость режимов течения газа в выходных сечениях межлопаточных каналов к критическим режимам существенно влияет на характер распределения перепадов давления между ступенями при изменении πт . В то же время степень понижения давления на первой ступени сохраняется практи-

227

чески неизменной в широком диапазоне изменения режимов работы турбины в целом.

3. Изменение параметра n Тг практически не сказывается на распределении перепадов давления между ступе-

нями (при πт = const ).

4. Вследствие слабой зависимости степени понижения давления в первой ступени от режима работы турбины пара-

метр расхода Мг Тг рг остается неизменным в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Контрольные вопросы

1.Назначение, состав и классификация ГТ.

2.Перечислить основные параметры ГТ.

3.Определить принцип работы ступени ГТ.

4.Назвать преимущества и недостатки реактивной ступени ГТ.

5.Дать характеристику потерь в ГТ.

6.Сравнить ГТ по форме проточной части.

228

9.ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВРД

9.1.Назначение, состав выходных устройств ВРД и требования, предъявляемые к ним

Выходные устройства (ВУ) ВРД в зависимости от типа двигателя предназначены для частичного преобразования энтальпии газового потока в кинетическую энергию струи, истекающей из реактивного сопла (создание тяги), для согласования совместной работы узлов двигателя за счет изменения Fкр реактивного сопла, для отвода или направления отработанных газов в нужном направлении.

Состав ВУ:

–реактивное сопло (РС);

–соединительные (удлинительные) трубы;

–устройства регулирования Fкр и Fс;

–устройства реверса или девиации тяги;

–системы подачи воздуха для охлаждения элементов конструкции ВУ.

Требования, предъявляемые к ВУ:

–минимальные потери эффективной тяги;

–обеспечение высокой экономичности ВРД при изменении условий полета на всех режимах работы;

–небольшие габариты и масса;

–простота конструкции и регулирования.

9.2.Реактивное сопло

9.2.1. Назначение и выбор типа РС

РС является основной частью ВУ ВРД и предназначено для преобразования части энтальпии газового потока после ГТ в кинетическую энергию струи газа, истекающей из двигателя (создание реактивной тяги).

Выбор типа РС (дозвуковое или сверхзвуковое) определяется в первую очередь полной степенью расширения газа

229

в РС – πc.п = рт рн . Величина πc.п зависит от типа ВРД, режима его работы и параметров полета. При дозвуковых ско-

ростях полета у ТРД и ТРДД с сужающимся РС: πc.п = 6…7 (Н ≥ 11 км); πс.п = 2,5…3,0 (Н = 0).

При πc.п > πкр сужающееся РС работает на режиме недорасширения (см. рис. 1.13, б). При незначительном превышении πc.п > πкр потери из-за недорасширения невелики, по-

этому выгодно применять сужающиеся сопла, отличающиеся простой конструкцией и малым весом.

Сужающиеся сопла применяются при полете на дозвуковых и малых сверхзвуковых (М < 1,3) скоростях.

Так как температура на срезе РС Тс > Тн, то критическая скорость истечения газа из РС скр = kRTc > а = kRTн – скорости звука в атмосфере, следовательно, на малых сверхзвуковых скоростях полета удельная тяга Rуд = скр – V > 0, где V = аМ, следовательно, R > 0, и разгон ЛА до сверхзвуковой скорости возможен.

При πc.п >> πкр потери из-за недорасширения в сужаю-

щемся РС существенно возрастают и целесообразно применять сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).

9.2.2. Сверхзвуковое РС

Для увеличения тяги R необходимо увеличивать cc, увеличивая степень расширения газа в сопле πc , и сохранять

при этом режим полного расширения (πс.расп = πс.п ). Этого

230