- •А.А. Григорьев
- •ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)
- •1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ
- •1.2. Принцип создания тяги ТРД
- •1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД
- •1.4. Основные параметры ТРД
- •2.2. Идеальный цикл ТРД
- •3. РЕАЛЬНЫЕ (ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ) ЦИКЛЫ ВРД
- •3.1. Процессы в действительном цикле
- •3.2. Работа действительного цикла ТРД
- •3.3. Эффективный КПД ТРД
- •3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД
- •3.5. Полный (экономический) КПД
- •Контрольные вопросы
- •Задачи
- •4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ
- •4.1. Назначение компрессоров и требования, предъявляемые к ним
- •4.2. Основные параметры ОК
- •4.3. Характеристики OK (ХК)
- •Контрольные вопросы
- •5.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД
- •5.3. Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ)
- •5.4. Формы дозвуковых диффузоров
- •Контрольные вопросы
- •Задача
- •6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД
- •6.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
- •6.6. Потери полного давления в КС
- •6.7. Эксплуатационные характеристики КС
- •Контрольные вопросы
- •7. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА (ВУ) ВРД
- •7.1. Назначение, состав и требования к ВУ ВРД
- •7.2. Реактивное сопло
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТРД
- •8.4. Понятие о свободной энергии ВРД
- •8.5. Основы газодинамического расчета ВРД
- •9.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР
- •9.4. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неустановившихся режимах
- •9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД
- •Задача
- •10. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД
- •10.1. Термодинамические основы регулирования ТРД
- •10.2. Типы характеристик ТРД и их назначение
- •10.3. Методы получения ЭХ
- •Контрольные вопросы
- •12. ДВУХКОНТУРНЫЕ ТРД (ТРДД)
- •12.1. Схемы ТРДД и их основные параметры
- •12.2. Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД
- •12.5. Особенности законов регулирования ТРДД
- •12.6. Особенности характеристик ТРДД
- •Контрольные вопросы
- •13. ТУРБОВАЛЬНЫЕ (ТВАД), ТУРБОВИНТОВЫЕ (ТВД)
- •13.1. Принцип действия ГВаД и ТВД
- •13.2. Схемы ТВД и ТВаД
- •13.3. Основные параметры ТВД
- •13.5. Совместная работа узлов ТВД
- •13.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД
- •13.7. Климатические характеристики ТВаД
- •13.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД
- •Контрольные вопросы
- •14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах
- •14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения
- •14.4. Особенности эксплуатационных характеристик ТРДФ
- •Контрольные вопросы
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ГРИГОРЬЕВ Андрей Алексеевич
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
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, обучающихся по направлению подготовки дипломированного специалиста 160300
«Двигатели летательных аппаратов»
Издательство Пермского государственного технического университета
2007
УДК 621.452.3.01(078) Г83
Рецензенты:
доктор технических наук, зам. начальника ОКБ ОАО «Авиадвигатель»
В.Г. Августинович; доцент кафедры «Авиационные двигатели
и энергетические установки» Казанского государственного технического университета А.М. Турилов
Григорьев, А.А.
Г83 Теория, расчет и проектирование авиационных двигате лей и энергетических установок : учеб, пособие / А.А. Гри горьев. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 253 с.
ISBN 5-88151-606-0
Изложены вопросы теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД) различных типов, включая термодинамические основы рабочего процесса ВРД. Особое внимание уделяется рассмотрению закономерно стей совместной работы узлов ГТД и их эксплуатационных характери стик.
Предназначено для студентов специальностей «Двигатели лета тельных аппаратов» и «Авиационные двигатели и энергетические уста новки».
УДК 621.452.3.01(078)
ISBN 5-88151-606-0 |
© ГОУ ВПО «Пермский государственный |
|
__ технический университет», 2007 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
Основные условные обозначения............................................. |
10 |
|
Введение...... |
|
12 |
1. Принцип работы турбореактивного двигателя (ТРД) |
15 |
|
1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ |
15 |
|
1.2. Принцип создания тяги ТРД............................................ |
15 |
|
1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения |
|
|
энергии по тракту ТРД............................................................. |
|
16 |
1.4. Основные параметры ТРД.............................................. |
18 |
|
1.5. Вывод формулы тяги......................................................... |
|
19 |
1.6. Классификация и области применения РД.................. |
22 |
|
1.6.1. Классификация РД.................................................. |
22 |
|
1.6.2. Области применения РД......................................... |
23 |
|
2. Идеальные циклы ВРД........................................................... |
|
24 |
2.1. Сущность второго закона термодинамики................... |
24 |
|
2.2. Идеальный цикл ТРД........................................................ |
25 |
|
2.2.1. Условия и диаграммы идеального цикла ТРД... |
25 |
|
2.2.2. Работа идеального цикла ТРД.............................. |
26 |
|
2.2.3. Термический КПД идеального цикла ТРД........ |
27 |
|
2.2.4. Идеальный цикл со ступенчатым подводом |
|
|
тепла...................................................................................... |
|
28 |
3. Реальные (действительные) циклы ТРД........................... |
32 |
|
3.1. Процессы в действительном цикле................................ |
32 |
|
3.2. Работа действительного цикла ТРД............................... |
34 |
|
3.2.1. Внутренняя (индикаторная) работа...................... |
35 |
|
3.2.2. Эффективная работа цикла ТРД........................... |
35 |
|
3.3. Эффективный КПД ТРД.................................................. |
37 |
|
3.3.1. Зависимость r|e(n 'n, Г/) |
37 |
|
3.3.2. Зависимость г|е |
от высоты полета Н .................. |
38 |
3.3.3. Зависимость Г|е |
от скорости полета V |
39 |
3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД....................................... |
39 |
|
3.4.1. Физический смысл тягового КПД........................ |
39 |
|
3.4.2. Зависимость Г)тяг от высоты полета Н |
41 |
|
3.4.3. Зависимость |
я ’ ) ................................. |
|
3.4.4. Зависимость Г)тяг(Г*)............................................... |
43 |
|
3.5. Полный (экономический) КПД....................................... |
44 |
3.6. Энергетический баланс и потери в ТРД........................ |
45 |
Контрольные вопросы................. |
46 |
Задачи |
47 |
4. Общие сведении об осевых компрессорах ВРД............... |
47 |
4.1. Назначение компрессоров и требования, предъяв |
|
ляемые к ним............................................................................. |
47 |
4.2. Основные параметры ОК................................................. |
48 |
4.3. Характеристики OK (ХК)................................................. |
49 |
Контрольные вопросы........................................................... |
54 |
5. Процессы, протекающие в воздухозаборниках (ВЗ) |
|
ВРД..................................................................................................... |
55 |
5.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД |
55 |
5.2. Основные параметры ВЗ.................................................. |
56 |
5.3. Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ)............................ |
57 |
5.3.1. Расчетный режим работы ДВЗ.............................. |
57 |
5.3.2. Нерасчетные режимы работы ДВЗ..................... |
59 |
5.4. Формы дозвуковых диффузоров...................................... |
61 |
5.5. Сверхзвуковые воздухозаборники (СВЗ)...................... |
62 |
5.5.1. Особенности сжатия сверхзвукового газового |
|
потока............................. |
62 |
5.5.2. Типы СВЗ и их характеристика............................. |
65 |
5.5.3. Схема и работа СВЗ внешнего торможения |
|
на расчетном режиме.......................................................... |
68 |
5.5.4. Изменение параметров по тракту СВЗ................ |
69 |
5.5.5. Нерасчетные режимы работы СВЗ....................... |
71 |
5.5.6. Неустойчивые режимы работы СВЗ..................... |
75 |
5.5.7. Скоростные характеристики СВЗ (СХ)............... |
77 |
5.5.8. Дроссельные характеристики СВЗ (ДХ). |
79 |
5.5.9. Регулирование СВЗ................................................. |
81 |
Контрольные вопросы.......................................................... |
89 |
Задача......................................................................................... |
89 |
6. Процессы, протекающие в основных камерах сгора |
|
ния (КС) ВРД..................... |
90 |
6.1. Назначение камер сгорания ВРД и требования к ним |
90 |
6.2. Основные понятия о процессе горения в КС ВРД...... |
91 |
6.2.1. Основные закономерности горения топлива |
|
в КС........................ |
91 |
6.2.2. Топлива, применяемые в ВРД............................... |
94 |
|
6.3. Типы КС и их краткая характеристика.......................... |
95 |
|
6.3.1. Индивидуальная КС (ИКС).................................... |
95 |
|
6.3.2 Трубчато-кольцевая КС.......................................... |
95 |
|
6.3.3. Кольцевая КС |
............................................................ |
96 |
6.4. Организация процесса ....................горения в КС ГТД |
97 |
|
6.4.1. Мероприятия по организации устойчивого |
|
|
горения в КС ВРД............................................................... |
|
97 |
6.4.2. Этапы рабочего .............................процесса в КС |
97 |
|
6.5. Топливные форсунки, ...........применяемые в КС ВРД |
100 |
|
6.6. Потери полного давления .......................................в КС |
102 |
|
6.7. Эксплуатационные .........................характеристики КС |
104 |
|
6.7.1. Зависимость .......................................... |
Т1г(а, Г*) |
104 |
6.7.2. Зависимость ............................................... |
Г|г(р*) |
105 |
6.7.3. Зависимость ................................................ |
Г|г(ск) |
106 |
6.7.4. Зависимость .................................................. |
Г|г(н) |
106 |
6.8. Вредные выделения ..............КС и пути их снижения |
107 |
|
Контрольные вопросы........................................................... |
ПО |
|
7. Выходные устройства (ВУ) ......................ВРД |
111 |
|
7.1. Назначение, состав ................и требования к ВУ ВРД |
111 |
|
7.2. Реактивное сопло............................................................... |
|
111 |
7.2.1. Назначение и выбор .................................типа PC |
I ll |
|
7.2.2. Сверхзвуковое ....................................................PC |
113 |
|
7.2.3. Потери в дозвуковых ........................................PC |
114 |
|
7.2.4. Потери в сверхзвуковых ..................................PC |
115 |
|
7.2.5. Характеристики ........реактивного сопла (ХРС) |
117 |
|
7.2.6. Регулирование ....................................................PC |
119 |
|
7.3. Реверсивные устройства, девиаторы тяги, глушители |
|
|
шума................................................................................................ |
|
122 |
7.3.1. Реверсивные устройства ................................(РУ) |
122 |
|
7.3.2. Девиаторы тяги .................................................(ДТ) |
123 |
|
7.3.3. Шумоглушители...................................................... |
123 |
|
Контрольные вопросы........................................................... |
124 |
|
8. Зависимость удельных параметров ТРД от параметров |
|
|
рабочего процесса. Основы ................................расчета ТРД |
124 |
|
8.1. Зависимость /?уд(я*в; ..............................................Г*) |
124 |
|
8.2. Зависимость сл(л*в, Т *).................................................. |
126 |
8.3. Зависимости /?уд и cR от КПД процессов сжатия |
|
и расширения............................................................................. |
129 |
8.4. Понятие о свободной энергии ВРД................................ |
130 |
8.5. Основы газодинамического расчета ВРД..................... |
131 |
Контрольные вопросы.......................................................... |
133 |
9. Совместная работа узлов в системе ТРД......................... |
133 |
9.1. Совместная работа ГТ и PC............................................. |
133 |
9.2. Совместная работа компрессора, камеры сгорания |
|
и турбины ТРД на установившихся режимах...................... |
135 |
9.2.1 Уравнения совместной работы ОК, КС, ГТ........ |
135 |
9.2.2. Уравнение линии совместной работы (ЛСР)... |
136 |
9.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР |
140' |
9.3.1. Влияние изменения Г.пна положение ЛСР |
140 |
9.3.2. Влияние изменения ^СА на положение ЛСР..... |
141 |
9.3.3. Влияние изменения числа М полета на поло |
|
жение ЛСР........................................................................... |
141 |
9.3.4. Влияние поворота лопаток НА на положение |
|
ЛСР........................................................................................ |
143 |
9.3.5. Влияние перепуска воздуха на положение |
|
ЛСР....................................................................................... |
144 |
9.4. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неуста- |
|
новившихся режимах работы.................................................. |
146 |
9.4.1. Неустановившиеся режимы (HP) работы дви |
|
гателя...................................................................................... |
146 |
9.4.2. Приемистость ТРД..................................................... |
147 |
9.4.3. Запуск ТРД................................................................. |
148 |
9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД........... |
150 |
Задача........................................................................................ |
151 |
10. Эксплуатационные характеристики ТРД...................... |
151 |
10.1. Термодинамические основы регулирования ТРД... |
153 |
10.1.1. Основные понятия из теории регулирования |
|
силовой установки............................................................. |
153 |
10.1.2. Основные программы регулирования ТРД |
|
иТРДФ................................................................................. |
154 |
10.1.3. Сравнение различных ПР при изменении |
|
числа М полета.................................................................... |
156 |
10.2. Типы характеристик ТРД и их назначение |
................. |
159 |
10.2.1. Дроссельные характеристики ТРД..................... |
|
159 |
10.2.2. Скоростные характеристики (СХ) ТРД............. |
169 |
|
10.2.3. Высотные характеристики (ВХ) ТРД................ |
180 |
|
10.3. Методы получения ЭХ.................................................... |
|
183 |
10.3.1. Экспериментальные методы................................ |
|
183 |
10.3.2. Расчетные методы................................................... |
|
183 |
10.4. Приведение параметров ТРД к стандартным атмо |
|
|
сферным условиям........................................................... |
|
184 |
10.5. Области эксплуатационных ограничений ТРД......... |
184 |
|
10.5.1. Ограничение по устойчивой работе .......... |
ОК |
185 |
10.5.2. Ограничение по устойчивой работе .......... |
ВЗ |
187 |
10.5.3. Ограничение по устойчивости горения ...в КС |
187 |
|
10.5.4. Ограничения по условиям прочности узлов |
|
|
и деталей................................................................................ |
|
188 |
10.5.5. Ограничения по максимальной производи |
|
|
тельности топливных насосов (ТН)...................... |
|
189 |
10.5.6. Области эксплуатационных ограничений |
|
|
режимов работы двигателя.............................................. |
|
189 |
Контрольные вопросы........................................................... |
|
191 |
Задачи.......................................................................................... |
|
191 |
11. Двухвальные ТРД..................................................................... |
|
191 |
11.1. Саморегулирование ОК............................................. |
|
192 |
11.2. Особенности совместной работы узлов двухваль- |
|
|
ного ТРД............................................ |
|
194 |
11.3. Особенности программ регулирования и характе |
|
|
ристик двухвальных ТРД......................................................... |
|
196 |
11.3.1. Особенности программ регулирования |
|
|
при F = const |
|
196 |
11.3.2. Особенности характеристик при F= const |
198 |
|
11.3.3. Особенности ПР и характеристик при |
|
|
FKp = var |
|
199 |
11.3.4. Особенности характеристик при комбиниро |
|
|
ванных ПР |
|
200 |
Контрольные вопросы........ |
|
202 |
12. Двухконтурные ТРД (ТРДД)................................................ |
|
203 |
12.1. Схемы ТРДД и их основные параметры..................... |
|
203 |
12.1.1. Схемы ТРДД............................................................ |
203 |
12.1.2. Классификация ТРДД по особенностям |
|
схемы........... |
204 |
12.2.Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД 204
12.3.Оптимальное распределение энергии между конту
рами ТРДД.................................................................................. |
206 |
12.3.1. Основные параметры ТРДД................................ |
206 |
12.3.2. Оптимальное распределение Lt между конту |
|
рами в ТРДД. |
208 |
12.4. Зависимость удельных параметров ТРДД ( /?уя;сд) |
|
от т и а |
214 |
12.4.1. Зависимости Rya(m), Сп{т) при аопти М = const |
214 |
12.4.2. Зависимости сДх), Rya(x) при т = const |
|
и М = const.............................................................................. |
215 |
12.4.3. Зависимости /?уд(Гг) при т = const, |
|
= const и cR(T*,Y.n*K) ................................................... |
215 |
12.5. Особенности законов регулирования ТРДД................. |
217 |
12.5.1. Особенности регулирования ТРДД..................... |
217 |
12.5.2. Особенности регулирования ТРДДФ.................. |
219 |
12.6. Особенности характеристик ТРДД................................. |
219 |
12.6.1. Особенности скоростных характеристик |
|
ТРДД..................................................................................... |
219 |
12.6.2. Особенности дроссельных характеристик |
|
ТРДД..................................................................................... |
221 |
12.6.3. Особенности высотных характеристик ТРДД |
222 |
Контрольные вопросы....... |
222 |
13. Турбовальные (ТВаД), турбовинтовые (ТВД) и вспо |
|
могательные ГТД............................................................................. |
223 |
13.1. Принцип действия ТВаД и ТВД................................... |
223 |
13.2. Схемы ТВД и ТВаД........................................................... |
224 |
13.2.1. Преимущества и недостатки одновальных |
|
ТВД.................................................................. |
225 |
13.2.2. Преимущества и недостатки ТВД и ТВаД |
|
со свободной турбиной..................................................... |
225 |
13.2.3. Особенности конструкции ТВаД со свобод |
|
ной турбиной....................................................................... |
225 |
13.3. Основные параметры ТВД............................................. |
227 |
13.4. Оптимальное распределение Le между ВВ и PC...... |
228 |
13.5. Совместная работа узлов ТВД......................................... |
229 |
13.5.1. Зависимость удельных параметров от пара |
|
метров рабочего процесса Nya(T*,nl), се(Г*.я*) |
229 |
13.5.2. Особенности совместной работы......................... |
231 |
13.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД.................. |
233 |
13.6.1. ДХ одновального ТВД........................................... |
233 |
13.6.2. Дроссельные характеристики ТВаД со СТ |
236 |
13.7. Климатические характеристики ТВаД........................ |
238 |
13.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД |
238 |
13.8.1. ВСХ одновального ТВД......................................... |
238 |
13.8.2. ВСХ ТВаД со СТ...................................................... |
240 |
Контрольные вопросы............................................................ |
240 |
14. Форсирование тяги ГТД........................................................ |
241 |
14.1. Назначение и способы форсирования тяги................... |
241 |
14.1.1. Форсирование сжиганием топлива в форсаж |
|
ной камере (ФК).................................................................... |
241 |
14.1.2. Форсирование тяги увеличением п > птм |
242 |
14.1.3. Форсирование тяги увеличением 7’*>7’*ах |
|
при п,шх = const..................................................................... |
243 |
14.1.4. Форсирование тяги впрыском воды в ОК........ |
243 |
14.1.5. Форсирование тяги впрыском воды в ОКС..... |
244 |
14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах..................... |
244 |
14.2.1. Назначение и схема ФК........................................ |
244 |
14.2.2. Организация рабочего процесса в ФК................. |
245 |
14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения............... |
246 |
14.3.1. Вибрационное горение (ВГ)................................ |
246 |
14.3.2. Пульсационное горение (ПГ).............................. |
247 |
14.4. Особенности эксплуатационных характеристик |
|
ТРДФ............................................................................................ |
248 |
14.4.1. Скоростные характеристики ТРДФ................... |
248 |
14.4.2. Дроссельные характеристики ТРДФ................. |
249 |
Контрольные вопросы........................................................... |
250 |
Библиографический список................................................. |
251 |