книги из ГПНТБ / Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие

Система управления высотным ТВД может иметь замкнутый регулятор числа п оборотов и разомкнутый регулятор темпера­ туры газа Т* (регулятор расхода т т топлива), который связан

с ограничителем эффективной мощности Ne. Ограничитель мощ­ ности работает в определенных пределах высоты и скорости по­ лета. Его измерители фиксируют внешние условия: р0, Т0, с0- Ограничитель мощности изменяет подачу топлива посредством регулятора расхода т т, а следовательно, косвенным образом ре­ гулирует температуру газа Г* перед турбиной в соответствии

с высотной характеристикой.

Глава VIII

ДВУХКОНТУРНЫЕ ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1. Устройство и принцип действия двигателя

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД) могут иметь различные конструктивные формы. На рис. 8.1 приведены две из возможных принципиальных схем ДТРД. Одновалы-іый

Рис. 8.1. Принципиальная схема ДТРД с полным разделением потоков а и с камерой смешения 6.

ДТРД с полным разделением потоков (рис. 8.1, а) представля­ ется в виде турбореактивного двигателя (первый контур), во­ круг которого создан кольцевой проточный канал 4 (второй кон­ тур). В состав первого контура входит компрессор 3, камера сгорания 5, газовая турбина 6 и реактивное сопло 8. Во втором

90

контуре, имеющем реактивное сопло 7, располагается низкона­ порный компрессор или вентилятор 2. Двигатель имеет общее входное устройство 1. Газовая турбина 6 обеспечивает не только работу компрессора 3, но и работу вентилятора 2

где Nт-— мощность газовой турбины; NKi и УѴК 2— мощность, рас­ ходуемая на привод компрессора соответственно первого и вто­ рого контура.

В связи с отмеченным на газовой турбине ДТРД происходит более глубокое расширение газа (рис. 7.2), чем у ТРД; газовые турбины, как и у ТВД, выполняются многоступенчатыми.

Низконапорный компрессор (вентилятор) 2 обеспечивает по­ вышение давления воздуха во втором контуре обычно до вели­ чины, близкой к давлению газа за турбиной первого контура. Ра­ бочий процесс в первом контуре протекает таким же образом, как и у турбовинтового двигателя. Во втором контуре воздух после сжатия во входном устройстве и в низконапорном компрес­ соре поступает в реактивное сопло, где и ускоряется. Поэтому тяга двигателя складывается из тяги Рі первого и тяги Рг вто­ рого контуров

Так как часть работы за цикл первого контура используется для работы вентилятора второго контура, скорость истечения газа см из сопла первого контура ниже, чем у ТРД; скорость же истечения воздуха из сопла второго контура Сьг<См-

Вдвигателе может быть предусмотрено объединение потоков

иперемешивание газов первого контура и воздуха второго кон­ тура в камере смешения 9 после турбины (рис. 8.1, б). В этом случае двигатель-снабжается одним реактивным соплом, в связи с чем упрощается конструкция двигателя и управление им. Оче­

видно, что в этом случае скорость Сь истечения газа из сопла бу­ дет С5<Сйо скорости истечения газа из сопла ТРД. Если у ТРД расход воздуха составляет т', а у ДТРД т "> т ', так как при­ соединяется масса воздуха второго контура, то при равенстве энергии, затрачиваемой на ускорение газового потока в отмечен­ ных двигателях при скорости полета Со,

При т "> т г С5< с 5о- С увеличением т" (за счет присоединяемой массы) снижается ускорение газа. Если тяга ТРД

Р '= т ' (с50—с0),

тяга ДТРД

Р"— іп" (с5— с0),

91

Таким образом, увеличение массы рабочего тела, ускоряемого в ДТРД, приводит к снижению скорости истечения и увеличению тяги, в связи с чем повышается экономичность двигателя и тем больше, чем ниже скорость полета с0.

Двухконтурные двигатели могут иметь форсажные камеры, установленные как во втором контуре, так и в первом 10 (рис. 8.1, б). В этом случае двигатели должны иметь регулируе­ мые реактивные сопла.

В ряде случаев ДТРД представляются в двухвальном испол­ нении с турбиной высокого давления (В Д ) и турбиной низкого давления (Н Д ). Обычно турбина ВД обеспечивает работу высо­ конапорного компрессора первого контур?, а турбина НД — ра­ боту низконапорного компрессора (вентилятора) второго кон­ тура.

ѵ§ 2. Удельная тяга и удельный расход топлива

Тяга, создаваемая каждым из контуров (рис. 8.1, а) на рас­ четном режиме работы сопла, составляет1

Л = /Л і(с5, — с0), Р2= т 2(с52—с0),

где-mi и m2— массовый расход воздуха соответственно через пер­ вый и второй контуры; с51 и С52— скорость истечения газа из сопла первого контура и воздуха — из сопла второго контура. Суммарная тяга двигателя

скорость-истечения газа из сопла второго контура при работе ка­ меры сгорания. ^

92

Если тягу двигателя отнести к суммарному массовому рас­ ходу газа через оба контура, то удельная тяга

Удельная тяга двухконтурного двигателя при неизменной ско­ рости полета зависит от скорости истечения газа из сопел конту­ ров, а также от степени двухконтурности. У существующих дви­

Удельный расход [топлива ДТРД без камеры сгорания во вто­ ром контуре зависит от степени двухконтурности и скоростей ис­ течения газа из двигателя при прочих одинаковых условиях.

§ 3. Зависимость удельной тяги и удельного расхода топлива от параметров рабочего процесса

Работа за цикл первого контура Іщ расходуется на ускорение газового потока и на получение эффективной работы Іе, исполь­ зуемой на вращение ротора вентилятора,

Ѵ (8.9)

93

Величину 4 можно представить как некоторую долю х от ра­ боты /ц1

Потери энергии в низконапорном компрессоре (вентиляторе) и канале второго контура могут быть оценены общим к. п.д. вто­

Так как мощность низконапорного компрессора равна эффектив­ ной мощности на валу первого контура

Г* , rip!, т]ei), от скорости со полета и температуры То окружаю­

щей среды, но и от параметров второго контура (х, у, т)2). Если показатели, характеризующие двухконтурность х, у, ц2 неиз­ менны, удельная тяга и удельный расход топлива зависят от двух

94

параметров рабочего процесса л* и Г* при прочих равных ус­

ловиях. Это влияние в качественном отношении оказывается ана­ логичным одноконтурным ТРД.

Влияние степени двухконтурности у и показателя распреде­ ления энергии .Vмежду контурами на удельную тягу и удельный расход топлива представляется в следующем виде. Если увели­ чивается степень двухконтурности у при х = const, то снижается удельная тяга и удельный расход топлива (рис. 8.2). Причина

такого изменения заключается в том, что с ростом у , т. е. с уве­ личением присоединяемой массы, снижается скорость истечения С52, а следовательно, и удельная тяга двигателя. Однако снижение скорости С52 происходит медленнее, чем увеличение присоединяе­ мой массы. В связи с этим возрастает тяга двигателя и снижа­ ется удельный расход топлива. Из рис. 8.2 следует, что ДТРД всегда имеет более низкую удельную тягу и меньший удельный расход топлива по сравнению с ТРД, которому соответствует

У = 0 .

Каждому значению степени двухконтурности у соответствует определенная оптимальная величина показателя распределения энергии X= -Ѵопт между контурами (рис. 8.3), при котором

95

удельная тяга и тяга имеют максимальное значение при мини­ мальном удельном расходе топлива. Исследование уравнения (8.7) на максимум с учетом выражений (8.11) и (8.13) приводит к следующему результату:

Таким образом, для получения максимальной тяги необхо­ димо с ростом у увеличивать долю х работы /ці цикла первого контура, передаваемую на второй контур (рис. 8.4). С ростом

степени доухконтурности у.

скорости Со*полета и уменьшением /щ снижается оптимальное значение степени распределения энергии между контурами х0Пт-

§ 4. Управление двигателем

Тяга ДТРД

В связи с этим можно утверждать, что при неизменных значениях с0, Т0 и к. п.д. элементов тяга нефорсированного двигателя

От этих же параметров зависит и удельный расход топлива. По-

96

у

этому управление двигателем сводится к изменению по опреде­ ленной программе отмеченных параметров, которые принято на­ зывать регулируемыми. Обычно в качестве регулируемого пара­ метра вместо я* принимают число оборотов п, вместо х — сте­

пень повышения давления во втором контуре и вместо у —

расход воздуха т% или пи. Изменение регулируемых параметров может быть достигнуто в самом общем случае путем изменения

1) расхода топлива тТ в основную камеру сгорания первого контура,

2 ) расхода форсажного пг-тфтоплива,

3)площади сечения сопла F5l первого контура,

4)площади сечения сопла F52 второго контура,

5)угла остановки <рна направляющего аппарата вентилятора. Современные ДТРД весьма разнообразны по' конструктив­

ному оформлению. Не все ДТРД имеют регулирующие органы, которые позволяют осуществлять отмеченные выше регулирую­ щие воздействия. В связи с этим различны и структурные схемы управления ДТРД.

нам управления соответствуют рис. 6.8 и 6.9.

2. ДТРД без форсажной камеры с регулируемым соплом пер­ вого контура (E52=const, српа= const) или общим соплом при на­ личии камеры смешения. В этом случае возможным законом управления является mT->-n; .р5і-»-7’* . Этому закону отвечает

принципиальная схема управления, представленная на рис. 6.10. Схема управления упрощается, если замкнутый регулятор тем­ пературы Т* газа заменить разомкнутым регулятором площади

сечения реактивного сопла первого контура (рис. 6.11).

3. ДТРД без форсажной камеры с регулируемым соплом пер­ вого и второго контуров (ср„а= const). Возможный закон управ­ ления тт->п] ЕД— ; Е52-э- п*2. Принципиальная схема

управления ДТРД будет отличаться от рис. 6.10 наличием регу­ лятора я*2.

4. ДТРДФ с изменяемой геометрией и регулируемым направ­ ляющим аппаратом вентилятора. При изменении угла установки Фиа лопаток направляющего аппарата меняется расход воздуха и степень повышения давления. Так, с уменьшением угла уста­ новки лопаток направляющего аппарата при неизменных

оборотах ротора вентилятора снижается расход воздуха и сте­ пень повышения давления. При полном перекрытии лопатками направляющего аппарата сечения канала второй контур двига­ теля выключается из работы.

Таким образом, в составе системы управления может быть пять замкнутых регуляторов. Система управления оказывается весьма сложной. Поэтому часто отказываются от регулирования

Р0 Т0 со

Ро То с0

Рис. 8.5. Возможная принципиальная схема управления ДТРДФ с ре­ гуляторами расхода основного и форсажного топлив: ТЫ — топливный насос, ТНФ — топливный насос, форсажный.

параметров я* и у. В таком случае отмеченные параметры ме­ няются в соответствии с изменением п и Т'*\, а также скорости

с0 и высоты Н полета. Кроме того, в целях упрощения системы управления некоторые регуляторы выполняются по разомкнутой схеме. Одна из возможных простейших схем управления ДТРД с форсажной камерой во втором контуре представляется систе­ мой с регуляторами расхода основного и форсажного топлива (рис. 8.5).

, Для ДТРД могут быть приняты различные программы регу­ лирования: на максимальную тягу, на наивысшую экономич­ ность, на полное подобие режимов работы турбокомпрессора и другие. Каждая из программ требует поддержания таких режи­ мов работы двигателя, при которых соблюдается выполнение

98

определенных условий. Например, программа регулирования на максимальную тягу одновального двигателя с форсажными ка­ мерами в контурах требует, чтобы на всех скоростях и высотах полета соблюдались следующие условия: n = n ma7i —const, Г* =

Гф2= const.

Заданная программа регулирования не всегда может быть осуществлена в полном объеме в связи с тем, что у двигателя могут отсутствовать некоторые необходимые регулирующие ор­ ганы и регуляторы в системе управления. В таком случае про­ грамма регулирования с той или иной точностью приближается

кзаданной лишь при определенных условиях полета.

§5. Характеристики двигателя

1.Дроссельная характеристика геометрически неизменяемого одновального ДТРД (рис. 8.6) напоминает дроссельную характе­ ристику ТРД, но с тем отличием, что при дросселировании тяга ДТРД снижается в более медленном темпе, чем у ТРД, а удель­ ный расход топлива возрастает быстрее, причем минимум рас­ хода отвечает значению максимальной тяги.

Степень двухкоитурности у увеличивается при снижении чи­ сла оборотов (рис. 8.7). Это объясняется тем, что при дроссели­

ровании степень повышения давления л* в первом контуре, Имея большее значение, чем во втором я* ,, снижается сильнее, чем л*,. Степень расширения газа 6* на турбине ДТРД выше,

а на реактивном сопле 6рсменьше, чем у ТРД. Поэтому при дросселировании двигателя, когда уменьшается л*£, степень

расширения газа на турбине ДТРД снижается быстрее, чем у ТРД. Так как при этом одновременно возрастает у, то равно­ весные режимы турбокомпрессора имеют место при температуре Т*± газа, более высокой, чем у ТРД. Таким образом, у ДТРД

по сравнению с ТРД при дросселировании оказывается более высокая температура газа Г*4 перед турбиной и менее интенсив­

ное падение расхода воздуха. Это и обусловливает отмеченную закономерность изменения тяги и удельного расхода топлива ДТРД по сравнению с ТРД.

2. Скоростная характеристика одновального нефорсирован- ' ного ДТРД при программе регулирования л = const и Т* =const

(рис. 8.8) показывает снижение тяги и увеличение удельного рас­ хода топлива с ростом скорости при неизменной высоте полета. Это объясняется тем, что с ростом скорости полета, несмотря на увеличение рахода воздуха через контуры (при увеличении сте­ пени двухкоитурности у), снижается удельная тяга контуров,