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

где le = lT— /к; 1Т и lK— эффективные работы турбины и компрес­ сора.

Работа, используемая на вращение винта,

где г)в— к. п. д. винта.

_ Тяговая работа реакции струи, отнесенная к единичному мас­

Работу, которую необходимо затратить для вращения дан­ ного винта, чтобы он произвел тяговую работу, равную суммар­ ной тяговой работе двигателя, называют эквивалентной. Из опре­ деления эквивалентной работы следует, что

Формула (7.9) позволяет определятьэквивалентную мощ­ ность двигателя при любой скорости полета, исключая случай ра­ боты двигателя на месте, когда Со= 0 и рв= 0 .

Эквивалентную мощность при работе двигателя на месте определяют путем испытания на стенде. В ходе испытания заме­ ряют крутящий момент на валу винта, число оборотов, скорость истечения газов из реактивного сопла и расход воздуха через дви­ гатель. По полученным данным находят мощность на валу винта Nsо и тягу от реакции струи Рро, а затем определяют эквивалент­ ную мощность, считая, что 1 кет мощности соответствует 1,47 дан тяги,

А7э0=А7в0—|—0,6ЪРр0: (7.10)

80

Экономичность двигателя оценивается по удельному эффек­ тивному расходу топлива се. Эта величина выражает часовой рас­ ход топлива, отвечающий единице эквивалентной мощности, т. е.

3600шт

(7Л1)

~ N T~

Если воспользоваться выражением (6.12) для т т, вытекаю­ щим из уравнения теплового баланса камеры сгорания, удель­ ный эффективный расход топлива можно представить в виде

§ 3. Оптимальное распределение работы цикла двигателя между винтом и кинетической энергией струи газа

В зависимости от условий полета располагаемая энергия (ра­ бота за цикл) будет определенным образом делиться между вин­ том и кинетической энергией струи газа (формула 7.2). Пусть эффективная работа 4 составляет долю х от работы /ц цикла

Если значение хопт подставить в уравнение (7.14), то оптималь­ ная скорость Свопт истечения газа из сопла составит

Выражения (7.18) и (7.19) говорят о том, что по мере увели­ чения скорости с0 полета и снижения приведенного к. п. д. винта (Лв’Пред) уменьшается доля работы цикла, используемая на при­ вод винта, т. е. увеличивается доля работы цикла, идущая на ус­ корение газового потока. Расчеты показывают, что применение ТВД становится нецелесообразным при числе полета Л4о>0,9

Рис. 7.3. Зависимость х 0пт от числа М0 полета'.

(рис. 7.3). При А4о>0,9 работа за цикл должна быть использо­ вана только на создание тяги за счет реакции струи, в связи с чем отпадает необходимость в воздушном винте, ТВД транс­ формируется в ТРД.

§ 4. Зависимость эквивалентной работы и удельного эффективного расхода топлива от параметров рабочего процесса

Эквивалентная работа (7.8) с учетом формул (7.2) и (7.3) может быть представлена в виде

Алгебраическая сумма последних двух членов уравнения оцени­ вается величиной 1,5—2% от работы цикла. Поэтому без. боль­ шой погрешности можно принять

Работа за цикл ТВД выражается, как и в случае ТРД, форму­ лой (6.8). Поэтому эквивалентная работа

и удельный эффективный расход топлива

82

При одних и тех же условиях полета и потерях энергии экви­ валентная работа и удельный эффективный расход топлива зави­ сят только от двух параметров рабочего процесса: степени повы­ шения давления я*' в компрессоре и температуры газа Т* перед

турбиной (рис. 7.4). Следует отметить две особенности:

1) оптимальное значение я*, при котором имеет место мак­

симальное значение эквивалентной работы ТВД, соответствует значению, отвечающему максимальной удельной тяге ТРД;

Рис. 7.4. Зависимость эквивалентной работы и удельного эффективного

2) эквивалентная работа ТВД в большей степени зависит от Т* (k~ T *), чем удельная тяга ТРД (РуД~У Т*).

§ 5. Управление двигателем

На основании данных § 4 можно утверждать, что эквивалент­ ная мощность и удельный эффективный расход топлива зависят от двух параметров рабочего процесса; степени повышения давле­ ния я* в компрессоре и температуры газа Т* перед турбиной.

Поэтому изменение эквивалентной мощности двигателя и удель­ ного эффективного расхода топлива может быть осуществлено путем соответствуйщего изменения отмеченных параметров ра­ бочего процесса.

Так как степень повышения давления я* в компрессоре опре­

деляется числом п оборотов, то обычно за регулируемые пара­ метры ТВД принимают число оборотов іі и температуру газа Т*

перед турбиной. Вместо температуры газа Т* перед турбиной

за регулируемый параметр может быть принята, как и у ТРД, температура газа Т* за турбиной. Отмеченные регулируемые па­

раметры изменяются при помощи регулирующих органов двига­ теля. К числу регулирующих органов относятся

1) у с т р о й с т в а , и з м е н я ю щ и е р а с х о д /и т т о п л и в а в к а м е р а х с г о ­

р а н и я ; 2) в и н т и з м е н я е м о го ш а г а (ВИШ).

У винта изменяемого шага может меняться угол ср установки лопастей винта, причем каждому типу ВИШ присущ свой интер­ вал изменения ср, ОТ фт ш ДО фтах-

М о щ н о с т ь , п о т р е б л я е м а я в и н т о м , в з а в и с и м о с т и о т ч и с л а о б о ­

сла п оборотов происходит в соответствии с (7.23) по закону ку-

Рис. 7.5. Зависимость мощности винта от числа оборотов при различных значениях угла ср установки лопастей.

бической параболы (рис. 7.5). При увеличении ф растет величина А, в связи с чем увеличивается мощность, потребляемая винтом (винт «затяжеляется»), и наоборот, при уменьшении ф ' снижа­ ется мощность, потребляемая винтом (винт «облегчается»). Та­ ким образом при помощи ВИШ можно за счет изменения ф ме­ нять число п оборотов при іѴв= const или мощность NB при п = = const. В связи с отмеченным становятся возможными два закона управления одновальным ТВД

9 —> ѣ\ тт-+ТІ или Т\ и m..t—> п\ ф—>- 7'з или Т\.

Преимущественное распространение получил первый закон управления ТВД. Поэтому в системе управления ТВД устанав­ ливаются два замкнутых регулятора: регулятор числа п оборо­ тов и регулятор температуры газа Т* или Т* (рис. 7.6). Управле­

ние двигателем производится одним рычагом управления {РУ) посредством агрегата объединенного управления (ЛОУ). Агре­ гат объединенного управления изменяет подачу топлива с помо­ щью топливного крана (ТКр) и перенастраивает оба регулятора

84

в соответствии с выбранной для данного двигателя программой регулирования и внешними условиями полета.

Трудно создать надежный и достаточно простой замкнутый регулятор температуры газа. Поэтому находят распространение

Рис. 7.6. Возможная принципиальная схема управления ТВД при помощи замкнутых регуляторов.

системы управления двигателя с замкнутым регулятором числа оборотов и разомкнутым регулятором температуры газов. В этом

Рис. 7.7. Возможная принципиальная схема управления ТВД при помощи замкнутого и разомкнутого регуляторов.

случае в качестве регулятора температуры газов выступает регу­ лятор расхода топлива' т т (рис. 7.7). Измеритель этого регуля­ тора фиксирует либо давление топлива перед форсунками, либо перепад давления'на топливном кране и в соответствии с этим при .неизменном положении ручки управления РУ дозирует по­ дачу топлива.

85

он является менее точным, чем замкнутый регулятор темпера­ туры газов.

§ 6. Программы регулирования двигателя

Программы регулирования ТВД предусматривают такое из­ менение параметров рабочего процесса, при котором на всех ско­ ростях и высотах полета автоматически выдерживается заданный закон изменения мощности Nb винта, эквивалентной УѴЭмощности или удельного эффективного расхода се топлива. Например, про­ граммы регулирования могут предусматривать получение макси­ мальной мощности УѴВвинта, эквивалентной /Ѵэ мощности двига­ теля и минимального удельного эффективного расхода се топ­ лива.

Программа регулирования на максимальную эквивалентную мощность реализуется при соблюдении следующих условии: п = = Птах= C o nst, Т*=Т*тах= Const, x = XOUT = f(C0).

Очевидно, что первые два условия можно выполнить, если в системе управления двигателем будет регулятор числа оборо­ тов и регулятор температуры газа. Поддержание оптимального значения л'ОПт или оптимальной скорости истечения газа из сопла, отвечающей выражению (7.19), возможно лишь при наличии ре­ гулируемого реактивного сопла. Применение регулируемого ре­ активного сопла со средствами автоматики усложняет и удоро­ жает двигатель без соответствующей компенсации мощности п экономичности двигателя. Вместе с этим при нерегулируемом ре­ активном сопле Fb= const и при полном расширении газа на тур­ бине Рі = р5 — Ро располагаемая энергия расходуется только на работу винта. При числе Мо<0,7 (рис. 7.3) значение х,тт близко к единице. Поэтому поддержание оптимального значения х при 7^5= const приближенно выполняется при Р4= Р5= Ро, если число полета Мо<0,7. В этих условиях эквивалентная мощность будет мало отличаться от максимального значения при выполнении первых двух условий программы регулирования.

§7. Характеристики двигателя

1.Дроссельная характеристика выражает зависимость мощ­ ности винта, реактивной тяги и удельного эффективного расхода топлива от числа оборотов при принятой программе регулирова­ ния и неизменных условиях полета.

Если угол установки лопастей винта cp = const, дросселирова­ ние двигателя осуществляется путем такого изменения подачи

86

топлива, при котором температура газа 7* перед турбиной сни­

жается, достигает минимального значения на средних оборотах, а затем повышается. Уменьшение числа оборотов приводит к снижению степени повышения давления я* в компрессоре и

расхода /п воздуха. В связи с этим снижается мощность NB винта, реактивная тяга Рѵ и увеличивается удельный эффектив­ ный расход се топлива (рис. 7.8).

• Если угол установки лопастей винта изменяется ср = ѵаг, тодросселирование двигателя может осуществляться при различ-

ном законе изменения температуры газа 7* перед турбиной: тем­ пература газа 7* может оставаться постоянной ■7* = 7* •= = const или меняться пропорционально оборотам Т *~п, или квадрату оборотов 7* ~ /г2.

Дросселирование двигателя при 7* = 7 ^ = const создает

предпосылки к помпажу компрессора на малых оборотах. Кроме того, лопатки турбины длительное время работают в условиях высокого теплового напряжения. Для улучшения приемистости и отдаления линии равновесных режимов от границы помпажа двигатель при разгоне до выхода на режим программы обычно работает по характеристике винта фиксированного шага с cpm in-

Расчеты показывают, что для получения высокой экономично­ сти двигателя на крейсерских режимах при дросселировании дви­ гателя целесообразно изменять температуру газа 7* перед тур­

биной пропорционально квадрату оборотов или более резко при п = const. Поэтому у современных одновальных ТВД запуск

8 7

.двигателя и выход на режим максимальных оборотов произво­ дится по характеристике винта фиксированного шага с фт ы (рис. 7.9), а регулирование рабочих режимов осуществляется при n = nmax = const путем изменения угла ср установки лопастей винта и температуры газа Т* перед турбиной.

2.Скоростная характеристика показывает изменение эквива­

лентной мощности и удельного эффективного расхода топлива от скорости) полета при принятой программе регулирования и не­ изменной высоте. На рис. 7.10 представлена скоростная характе­ ристика ТВД при программе регулирования на максимальную эквивалентную мощность. При увеличении скорости полета ра­ стет расход воздуха и степень повышения давления. В связи

с этим увеличивается степень расширения газа на турбине и рас­ тет мощность на валу винта; реактивная тяга несколько снижа­ ется, так как скорость полета увеличивается более, чем скорость истечения газа при относительно небольшом росте расхода воз­ духа в обычном для ТВД диапазоне скоростей. Таким образом эквивалентная мощность двигателя увеличивается по мере роста скорости полёта. Удельный эффективный расход топлива с рос­ том скорости полета снижается, так как увеличивается степень повышения давления и растет температура воздуха на выходе из компрессора.

3. Высотная характеристика отражает зависимость эквива­ лентной мощности и удельного эффективного расхода топлива от высоты полета при принятой программе регулирования и не­ изменной скорости полета.

Рассмотрим высотную характеристику ТВД (рис. 7.11) при программе регулирования на максимальную эквивалентную

88