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

ратурой газа Т* перед турбиной и расходом m воздуха через

двигатель. Аналогичным образом на характеристику компрес­ сора могут быть нанесены липни равновесного режима ТРД с ре­ гулируемым реактивным соплом и перепуском воздуха из комп­

с уменьшением расхода воздуха и увеличением степени повыше­ ния давления я * . При прекращении перепуска воздуха из сред­

них ступеней повышается противодавление на выходе из первых ступеней и снижается расход воздуха на входе в компрессор. В связи с этим увеличивается степень повышения давления я*.

Рост давления по газовому тракту двигателя обусловливает увеличение скорости истечения газа и расхода газа через реак­ тивное сопло двигателя.

Следует заметить, что при разгоне двигателя (рис. 6.7). сте­ пень повышения давления я* и температура Т* имеют большее

значение, а расход воздуха m меньшее в сравнении с равновес-\ ным режимом при тех же оборотах. Горючая смесь при разгоне двигателя обогащается, при очень резкой подаче топлива созда­ ются предпосылки к прекращению горения топлива в камерах сгоранйя.

При торможении двигателя расход воздуха /п оказывается большим, а.степень повышения давления я* и температура Г*

меньшими по сравнению с равновесным режимом при одинако­ вых оборотах. Горючая смесь при торможении двигателя обедня­ ется. При резком уменьшении подачи топлива давление перед форсунками может оказаться ниже минимально необходимого для нормального распыла топлива, в связи с чем возможна оста­ новка двигателя. Для предотвращения самоостановкп камер сго­ рания при разгоне и торможении двигатели снабжаются автома-, том приемистости, который согласует темп подачи топлива с тем­ пом поступления воздуха и автоматом минимального давления топлива, - предотвращающим падение давления топлива перед форсунками ниже допустимого по условиям хорошего распыла топлива.

§ 6. Влияние условий полета на параметры рабочего процесса

На параметры рабочего процесса двигателя оказывают опре­ деленное влияние условия полета: давление и температура атмо­ сферного воздуха, а также скорость и высота полета. Допустим, что двигатель с нерегулируемым реактивным соплом (77с== const) имеет постоянное число оборотов (n = const).

Изменение только атмосферного давления р0 приводит, как показывает опыт, к пропорциональному изменению давления по всему газовому тракту двигателя. В .связи с этим не изменя­

60

ются степень повышения давления, температурные поля и ско­ рость истечения газа из реактивного сопла, а следовательно, удельная тяга и удельный расход топлива. Однако при измене­ нии давления меняется плотность воздуха. Это приводит к изме­ нению расхода воздуха через двигатель'и расхода топлива. Так, при увеличении ро растет расход воздуха, расход топлива и' тяга двигателя.

Изменение только температуры Г0 окружающей среды (меня­ ется Т* = Т*) вызывает смещение рабочей точки на линии рав­

Рі

степени повышения давления я* в компрессоре происходит в со­ ответствии с уравнением (2.9). (при п = const /кт)*= const). Из-

т Ѵ 1*

менение параметра---- *— отражает изменение расхода воздуха

Р\

т через двигатель в связи с изменением плотности воздуха, обус­ ловленным Г0.

На равновесных режимах работы справедливо следующее ра­

При сверхкритическом перепаде давления нареактивном сопле ö* = const. В таком случае температура газа Г* перед тур­

биной изменяется в соответствии с равенством

при повышении Г* эффективная работа компрессора /к увеличи­ вается, если расчетная степень повышения давления я*р>6, уменьшается, если я*р<6, и не изменяется, если я*р =6. Таким образом, при повышении То температура Г* npH .n = const изме­

I

сравнению со степенью повышения давления я* в компрессоре и расходом воздуха т. Изменение расхода т воздуха и степени

давления я^ в компрессоре, а следовательно, общая степень по­

вышения давления я* в двигателе, растут степень подогрева-----

m Y *т *

рI

Общая степень повышения давления я* в двигателе, несмотря на снижение я*, увеличивается (рис. 2.4), так как растет степень

повышения давления во входном устройстве я* . В связи с этим увеличивается плотность воздуха, поступающего в двигатель, и

на равновесных режимах в соответствии с (6.21). Поэтому тем­ пература Т* с ростом скорости полета с0 (увеличение Т*) будет

несколько меняться в зависимости от расчетной степени повыше-

62

виях полета тяга Р двигателя, как и удельный расход суд топ­

Изменение этих параметров или любого из них приводит к из­ менению тяги двигателя и удельного расхода топлива. В связи с этим управление двигателем осуществляется путем изменения л* и Т*. Эти параметры рабочего процесса принято называть

регулируемыми. С целью упрощения системы управления вместо зт* за регулируемый параметр обычно принимают число оборо­

тов п — величину, от которой зависит л* и расход воздуха пг.

Таким образом регулируемыми параметрами двигателя ока­ зываются п и Т*. Каждому значению п и Т* соответствует опре­

деленная степень повышения давления л* в компрессоре и неко­

торое значение расхода воздуха пг через двигатель (рис. 6.7). В настоящее время нередко за регулируемый параметр вместо температуры газа Г* перед турбиной принимают температуру

газа Т* за турбиной. Эти температуры связаны между собой

к

Принимая за регулируемый параметр температуру газа Т*

за турбиной, стремятся повысить точность замера (за турбиной наблюдается более равномерное температурное поле) и надеж­ ность измерителя (температура Т* ниже Г* на 150—260°).

ства, при помощи которых изменяется расход т т топлива (топ­ ливный насос переменной производительности или система пере­ пуска топлива при наличии насоса постоянной производительно­ сти) и, во-вторых, регулируемое реактивное сопло, у которого меняется площадь Fuv критического сечения.

Если двигатель имеет нерегулируемое реактивное сопло ( f Kp = const), то-регулирующим .воздействием оказывается лишь расход т т топлива. В этом случае простейшей системой управ­ ления двигателем является система с регулятором расхода

63

Изменение расхода топлива в связи с изменением условий полета (ро, То, с0) осуществляется при помощи корректирующего устройства, входящего в состав регулятора расхода топлива. Превышение оборотов сверх допустимых предотвращается огра­ ничителем максимальных оборотов, работающим по сигналу п. Система управления двигателем с регулятором расхода топлива

Р0 т0 со

Рис. 6.8. Принципиальная схема управления ТРД с нерегу­ лируемым реактивным соплом при помощи регулятора рас­ хода топлива.

не в состоянии точно поддерживать значения регулируемых параметров п и Г*, а следовательно, точно поддерживать режим

работы двигателя, так как по отношению к нему система оказы­ вается разомкнутой. Вместе с этим система проста и позволяет получить 'сравнительно хорошие динамические характеристики объекта регулирования. Более точное поддержание режима ра­ боты двигателя может быть получено, если в системе управле­ ния двигателем будет установлен регулятор, замкнутый по отно­ шению к одному из регулируемых параметров п или Т* (Т*).

В таком случае закон управления представляется в форме /пт^ - ->-п; Г*.или ^^ограничивается или т т-*-Т*(Т*)\ п ограничива-

вается. Обычно используют первый закон управления. В рас­ сматриваемом случае двигатель снабжается замкнутым регуля­ тором числа оборотов п_іг ограничителем максимальной /темпе­ ратуры газа Т* или Т* (рис. 6.9). Дополнительным устройством

в системе может быть ограничитель максимальных оборотов.

64

Работа регулятора числа оборотов сводится к следующему. Сигнал от измерителя оборотов поступает в суммирующее уст­ ройство регулятора, в котором он сравнивается с сигналом на­ стройки. При наличии рассогласования результирующий сигнал усиливается и выдается на иполнительный механизм. Последний воздействует в соответствии со знаком сигнала и его величиной на регулирующий орган (например, наклонную шайбу топлив­ ного насоса переменной производительности), который, изменяя подачу топлива, приводит оборрты двигателя к величине, задан­ ной настройкой.

Если двигатель имеет регулируемое реактивное сопло, то ре­ гулирующими воздействиями оказываются расход топлива т т и

Наст ройка

Рис. 6.9. Принципиальная схема управления ТРД с нерегулируемым реактивным соплом при помощи регулятора числа оборотов.

площадь критического сечения FKp сопла. В этом случае закон управления двигателя представляется в форме

т ^ п ; F Kp ~ > :Т з(Т І)

или

Обычно принимают первый закон управления.

Изменение температуры газа Т*' за счет изменения площади

критического сечения FKp сопла происходит следующим образом. Увеличение, например, площади критического сечения Екр сопла приводит к снижению давления р* за турбиной. Это обусловли­

вает увеличение степени расширения газа б* на турбине и

стремление турбины увеличить обороты. Однако регулятор обо­ ротов, поддерживая заданные обороты, уменьшает подачу топ­ лива, что приводит к снижению температуры газа Т* перед тур­

биной.

В систему управления двигателем с регулируемым реактив­ ным соплом входит замкнутый регулятор числа п оборотов и

Рис. 6.10. Принципиальная схема управления ТРД с регулируе­ мым реактивным соплом при помощи замкнутых регуляторов.

замкнутый (рис. 6.10) или разомкнутый (рис. 6.11) регулятор температуры газа Т* перед турбиной или Т* за турбиной.

Рис. 6.11. Принципиальная схема управления ТРД с регулируе­ мым реактивным соплом при помощи замкнутого и разомкнутого регуляторов.

Система управления с разомкнутым регулятором темпера­ туры Г* проще, но обеспечивает меньшую точность в поддержа­

нии необходимой температуры газа Т* перед турбиной.

66

Настройка регулятора оборотов и регулятора температуры газа перед турбиной (рис. 6.10) осуществляется от ручки управ­ ления (РУ) через агрегат объединенного управления АОУ (командный агрегат). Агрегат объединенного управления позво­ ляет производить настройку регуляторов в соответствии с уста­ новленной программой регулирования двигателя. Кроме этого, с его помощью может осуществляться управление топливным краном ТКр и выдача командных сигналов на отдельные автома­ тические устройства, обеспечивающие необходимый режим ра­ боты сверхзвукового диффузора и реактивного сопла, предотвра­ щение помпажа компрессора и др.

§ 8. Программы регулирования двигателя

Закономерность изменения параметров рабочего процесса, обеспечивающая получение желательных характеристик двига­ теля,— это программа регулирования. Типичными программами являются

1)программа регулирования.на максимальную тягу;

2)программа регулирования на наибольшую4 экономичность;

3)программа регулирования на полное подобие режима ра­ боты турбокомпрессора.

Программа регулирования на максимальную тягу обеспечи­ вает получение максимальной тяги на всех скоростях и высотах

полета. Это оказывается возможным при соблюдении услов'ий

ваемой программы система управления двигателем должна иметь два регулятора: регулятор числа оборотов п и регуля­ тор температуры Т* газа перед турбиной (рис. 6.10). Строгое

соблюдение условия Т* = Т* = const оказывается возможным,

если площадь критического сечения сопла FKр непрерывно ме­ няется по мёре изменения скорости и высоты полета. Применение «всережимного» сопла значительно усложняет систему управле­ ния двигателем. Поэтому нередко применяют «ступенчатое» ре­ гулирование реактивного сопла.

У двигателей с неизменной геометрией, FKp = const, рассмат­ риваемая программа регулирования обеспечивается одним регу­

1 3 Если у двигателя с неизменной геометрией отмеченные условия

не выполняются, то может осуществляться лишь программа

регулирования птах= const, Т* =ѵаг. В таком случае на всех ско­ ростях и высотах полета при Т*<Т*„ когда n = n max= const,

тяга ТРД оказывается ниже максимальной.

Программа регулирования на наибольшую экономичность имеет цель получить минимальный удельный расход топлива при заданном значении тяги на крейсерском режиме. У двигателей с изменяемой геометрией, FKр = ѵаг, программа выполняется пу­ тем поддержания таких заранее установленных значений п и Т*, которым отвечает суд= суд. mln при заданном значении тяги.

Программа регулирования на полное подобие работы турбо­ компрессора имеет цель получить наилучшие и неизменные усло­ вия работы компрессора и турбины при изменении скорости и высоты полета. Выполнение программы возможно при соблюде­ нии следующих условий:

/іпр= п = const, т. е. обороты двигателя изменяются,

п~1Т*0,

288

. П , = Г * -——= const, т. е. температура газа перед турбиной

1 о

изменяется

При FKp = const и сверхкритическом перепаде давления про­ грамма реализуется при подаче топлива по закону

удельного расхода топлива от числа оборотов при принятой про­ грамме регулирования в условиях неизменной скорости и высоте

полета.

У двигателя с нерегулируемым реактивным соплом с ростом

газа Т* перед турбиной сначала несколько снижается, а по мере

увеличения оборотов растет. Поэтому при увеличении оборотов растет скорость истечения газа из реактивного сопла, а следова­ тельно,, и удельная тяга, причем на малых оборотах рост удель­

68

ной тяги несколько тормозится снижением Т*, а на больших обо­ ротах в связи с повышением Т* увеличивается. Тяга двигателя

с ростом числа оборотов возрастает (рис. 6.12, а) в большей сте­ пени, чем удельная тяга, так как одновременно с последней во­ зрастает расход воздуха через двигатель.

Удельный расход топлива (формула 6.13), если бы темпера- ■туры Т* и Т* не изменялись при увеличении числа оборотов,

уменьшался бы обратно пропорционально изменению удельной тяги. Однако по мере роста числа оборотов меняется не только Т*, но и растет Т*. Отсюда разность Т* — Т* при увеличении

Рис. 6.12. Дроссельная характеристика ТРД: а — с нерегули­ руемым реактивным соплом; б— с регулируемым реактивным

соплом и перепуском воздуха из компрессора.

оборотов вначале уменьшается, а затем возрастает вблизи мак­ симальных оборотов. Поэтому с ростом числа оборотов удель­ ный расход топлива снижается, достигает минимума вблизи мак­ симальных оборотов, а затем несколько увеличивается (рис. 6.12, а).

У двигателя с регулируемым реактивным соплом и перепус­ ком воздуха Из компрессора (применительно к случаю, отмечен­ ному в § 5) изменение скорости истечения газа из реактивного сопла, а следовательно, удельной тяги в зависимости от числа оборотов носит ступенчатый характер, хотя в общем плане

и изменением температуры газа Т* перед турбиной. Следует, од­

нако, иметь в виду следующее:

а) увеличение удельной тяги на оборотах п\ и nma'x обуслов­ ливается уменьшением площади сечения сопла, в связи с чем возрастает температура газа Г* перед турбиной (рис. 6.6);

69