книги из ГПНТБ / Шевяков, Алексей Андреевич. Автоматика авиационных силовых установок учебник для авиационных вузов
.pdf) 8 |
Глава 11. Газотурбинные двигатели . |
||
k — 1 |
|
kr — 1 |
|
Alp2l |
■1; Кл1р41 |
А*г |
i ^2т4—0,5; |
It —1 |
|||
'-к10 |
— 1 |
|
|
* г -
^,4 . = 1 + - Т -Л-
*‘ — 1 *Т20 1
|
^2р4—^2р41 |
I! |
|
^22ор2---’ |
_ЙОк2_\ |
|
^ 2 10 |
|
GK2Q |
||||||
|
|
^21 /0 _ |
^к20 |
|
ЛлО |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
: —1 |
fe- 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pi\0~ |
* ~ |
||||
|
|
К4 p 2 l ' |
|
P2\Q |
l |
OGI |
|
|
k |
«1 |
|||||
|
|
GkO |
\ |
dp2\ |
L) - J + |
ft—I |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
. |
|
* |
|
, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*K1 |
|
V |
- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h—1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
~ \ |
|
* h |
|
|
|
|
|
|
IS |
_ _ |
л |
^ 2 1 0 |
|
|
|
h |
”k1 |
is |
|
|
1 |
^20 ( dG ki \ . |
||
Л5/721— 1 |
1210 |
|
|
k—1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
* |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
К*,тя— 1 |
0,5; |
Кйр2— |
|
^нтз------ 0,5; /C8/,41— 1; |
A87-41— 0,5; |
||||||||||
Kopn~\\ |
Agp4 = l ; |
K97-4 = |
0,5; |
KSF — 1; |
АГ]0От= 1 ; |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
- |
\ |
* |
* |
|
|
^ |
21= ~ |
|
(71 - П ) 0Ок0 |
" |
fc |
|
"«I |
|
|
|||||
|
|
|
ft—1 |
|
|
||||||||||
|
|
|
Vo |
|
|
|
|
|
|
|
* |
* |
t, . — 1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*K1 |
|
Vi |
|
|
|
Коэффициенты уравнения (2. 73) одинаковы с коэффициентами уравнения (2.38), причем следует принимать пк = пк1 пк2; коэффициент же KUF—1 .
Остальные коэффициенты имеют то же выражение, что и приведенные выше. Пользуясь приведенными выражениями для коэффициентов и данными теплового расчета двигателя, после раскрытия определителей можно определить значение коэффициентов уравнений (2.69), (2.70), (2.71), (2.72) и (2.74).
4. Двухконтурный ТРД (ТРДД ) |
99 |
4. ДВУХКОНТУРНЫИ ТРД (ТРДД) |
|
Общие сведения |
|
Двухконтурные ТРД отличаются от одноконтурных |
наличием |
второго контура, по которому течет воздух. Две принципиальные схемы одновальных ТРД приведены на фиг. 2. 37, откуда виден спо соб их работы.
Дополнительное большое количество воздуха, проходящего че рез внешний контур такого двигателя, увеличивает реактивную тягу по сравнению с одноконтурным ТРД. Для этого в двухконтур
ном двигателе применяется низ |
|
|||
конапорный |
компрессор |
(кото |
|
|
рый можно рассматривать и как |
|
|||
высоконапорный |
винт) с |
боль |
|
|
шим расходом |
воздуха. |
Разви |
|
|
ваемая реактивная тяга двух |
|
|||
контурного |
ТРД складывается |
|
||
из тяги основного контура и до |
|
|||
полнительного, т. е. |
|
|
||
« - * ! + / ? ! = - у - |
+ |
Ю |
||
+ |
|
2 - V ) . |
(2.75) |
Фиг. 2.37. Схемы одновальных двух- |
|
контурных ТРД. |
|||
Удельная тяга определяется как отношение развиваемой двига телем реактивной тяги R к расходу воздуха через основной кон тур G,i, т. е.
|
-р Т?2 _ТС'ст -р Kwc2— (1 Н~ АГ) V |
(2. 76) |
||
|
Я,уд |
|
S |
|
|
<?в1 |
|
|
|
где К — |
<?В2 коэффициент расхода воздуха через вспомогатель |
|||
|
0В1 |
|
|
|
|
ный контур. |
|
|
|
Удельный расход топлива определяется выражением |
|
|||
|
с |
3600GB1 _ |
3600 |
(2. 77) |
|
уД |
aio(^1 R?) |
°А)^уд |
|
|
|
|||
Из этого выражения следует, что прн коэффициенте избытка воз духа a=const удельный расход топлива уменьшается с увеличе нием удельной тяги Rja.
Большое влияние на величины Луд и Суд оказывает распределение распола гаемой энергии между основным 1» вспомогательным контурами. Не останавли ваясь на этом вопросе, заметим лишь, что наивыгоднейшему распределению энер гии при определенном значении коэффициента расхода К соответствует макси-
7*
100 |
Глава II. Газотурбинные двигатели |
мальное значение удельной тягн Ryu и минимальное значение удельного расхода топлива Суд.
В зависимости от значения коэффициента К и изменяющихся условий полета изменяются значения удельной тяги м удельного расхода топлива. С увеличением значения К, при прочих неизменных условиях, удельная тяга Гул возрастает
(в ограниченном диапазоне скоростей полета), а удельный расход топлива Суд уменьшается.
Некоторые эксплуатационные свойства двухконтурного ТРД можно выразить такими же характеристиками, как и для других двигателей, т. е. высотными, ско ростными и дроссельными характеристиками. Для примера на фиг. 2. 38 приведе
но относительное |
изменение |
развиваемой двухконтурным ТРД реактивной тяги |
и удельного расхода топлива от скоро |
||
сти полета, а на |
фиг. 2.39 |
приведены |
дроссельные характеристик®. Выбор спо соба получения крейсерских режимов для
Фиг. 2. 38. Относитель- |
Фиг. 2. 39. Характер протекания |
|
ное изменение H = R v IRq |
дроссельных характеристик. |
|
И С уд = |
С уд. р/Суд.О - |
|
такого двигателя |
во многом аналогичен |
приведенному для ТРД, т. е. крейсер |
ские режимы необходимо получить в первую очередь за счет уменьшения темпе ратуры T jгаза перед турбиной до значения, соответствующего Суд=ш!п,и дате’
как за счет уменьшения температуры газа, так и за счет уменьшения числа обо ротов двигателя.
Для увеличения развиваемой двигателем тяги во втором контуре может сжи гаться дополнительное количество топлива, что приводит к увеличению скорости истечения газа из сопла второго контура.
Схема двухвального двухконтурного двигателя приведена на фиг. 2.40, из которой ясен способ его работы. В таком двигателе так же возможно сжигание топлива во втором контуре.
В заключение этого раздела остановимся еще на одном возможном типе дви гателя, в котором до известной степени сочетаются свойства ТРД и прямоточного двигателя ПВРД.
На больших сверхзауковых скоростях полета более целесообразно применять в качестве силовой установки не турбореактивные, а прямоточные двигатели. Однако, учитывая, что ПВРД не может запускаться и работать при низких ско
ростях полета, желательны такие двигатели, |
в которых сочетают свойства ТРД |
|
и ПВРД. |
схема такого |
двигателя, который |
Для примера на фиг. 2.41 представлена |
||
состоит из обычного ТРД с воздушным входным каналом 1, |
окруженного кольце |
|
вым каналом 2. В этом канале расположены |
форсунки 3 и камеры сгорания 4. |
|
4. Двухконтурный ТРД (ТРДД ) |
101 |
Два канала соединяются в один в передней части 5 двигателя и на входе в регу лируемое реактивное сопло 6.
Двигатель имеет подвижные лопатки 7, регулирующие расход воздуха; много ступенчатый вентилятор на входе 8, одна из ступеней которого— 9 может от ключаться от ротора турбины компрессора /0 ; клапан 11, регулирующий воз
душный поток, поступающий под большим давлением из осевого |
компрессора rJ2 |
в кольцевой канал; подвижные лопатки 13, регулирующие поток |
газа через тур |
бину 14.
Когда двигатель работает на максимальной тяге, регулируемые лопатки на входе в вентилятор и турбину полностью открыты. Вентилятор включен и вну тренний клапан 11 закрыт. Тогда разделенный в сечении 5 поток воздуха направ-
Фиг. 2. 41. Схема ДТРД, объединяющая свой ства ТРД и ПВРД [22].
ляется в камеры сгорания 15 и 4 турбореактивной и прямоточной частей двига теля, поступая в дальнейшем в регулируемое реактивное сопло 6.
Обе части двигателя могут работать независимо друг от друга и таким обра зом достигается максимальная эффективность.
На крейсерском режиме и на пониженной мощности регулируемые лопатки, вентилятор и внутренний регулируемый клапан соответственно устанавливаются в другое положение. Топливо, поступающее в форсунки 3, выключается, а в фор сунки 16 уменьшается. Воздух, который не нужен для работы ТРД, проходит в канал ПВРД через клапан //.
При работе на промежуточных режимах система регулирования 17 автома тически регулирует расход топлива, устанавливает и поддерживает в должных положениях элементы управления. Затронутые вопросы по ПВРД освещаются во второй части книги.
102 Глава'II. Газотурбинные двигатели
Уравнения движения двухконтурного ТРД
В зависимости от схемы двухконтурного двигателя уравнения движения будут различные.
Для двигателя, схема которого приведена на фиг. 2. 37, а, урав нения движения можно составить исходя из тех же основных сооб ражений, которые были использованы при рассмотрении одновального ТРД. Различие будет лишь в том, что в этом случае необхо
димо рассмотреть совместно с (2.21) еще уравнения |
движения, |
учитывающие условия работы второго контура. |
|
Для этого первое уравнение (2.21) следует записать в виде |
|
Ы . ^ - = М Т- М К~ М В, |
(2.78) |
at |
|
где Мш— крутящий момент, необходимый для привода компрессо ра второго контура.
Для случая, когда угол установки лопастей компрессора вто рого контура постоянный, для неизменных внешних условий мож но написать
М в= Мв (п, Ов2, *;), |
(2.79) |
где Ов2—количество воздуха, проходящего через второй контур; я*—степень повышения давления в компрессоре второго
контура.
Дополнительными уравнениями будут следующие: |
|
- ^ = 1 + К Т- 1 ] ^ ; |
(2.80) |
Ов2= О с,в, |
(2.81) |
где 7^—температура воздуха за компрессором второго контура; С7с.в—расход воздуха через реактивное сопло второго контура.
Нелинейные зависимости для случая нерегулируемого реактив ного сопла второго контура имеют следующий вид:
Ов2= Ов2(п, /?*); |
(2.82) |
Ос.в = О с.(/£. Гв), |
(2.83) |
где р*в — давление воздуха за компрессором второго контура.
Линеаризируя (2.78), (2.80), (2.81) обычным путем с учетом
(2.22), (2.79), (2.82), (2.83), получим следующие уравнения:
{Т \р + р ) Х „ Х1ТЗХ ТЗ K lp2Xpi-\-K\PiXpi |
^ ipBXpB —0\ ( 2 - 8 4 ) |
K6nX n- K s pBXpB = 0. |
(2.85) |
4. Двухконтурный ТРД (ТРДД ) |
103 |
Решая совместно (2.84), (2.85) и последние четыре уравнения из (2.30) относительно координат Х„, Хтз, Х Т4, получим такие уравнения:
(7>+ * )* „ = & .* * ; |
|
(Тр + р]) Хтз — (b2p -f Ь3) Х 0т; |
( 2. 86) |
(Тр + р:) Х Т4 = (Ь4р + Ьъ) Х ат. |
|
Уравнение, учитывающее изменение реактивной тяги, развива емой двигателем, можно получить при совместном рассмотрении с дополнительным уравнением
R = R 1+ R 2= G cR ° l + - ^ ( W ' „ - V), |
(2.87) |
где — удельная тяга основного контура;
wQB—скорость истечения воздуха из реактивного сопла до
полнительного контура.
Нелинейные зависимости выразятся так: |
|
|
^ “ |
^ ( Г з . |
(2-88) |
®с.в = |
®'с.в(/’*в. 71Y. |
(2-89) |
Ос= О с( / 4, Т*). |
(2.90) |
|
Линеаризируя (2.87) с учетом (2.83), (2.88), (2.89) и (2.90),
получим
Хц —Х7р4Х р4 К7Т4 ХТА К7ТЗХ ТЗ |
К1р2Хр2 К7раХр„ |
- К 1ТвХ т,= 0 . |
(2.91) |
Решая совместно (2.84), (2.85), (2.91) и последние четыре уравнения из (2.30) относительно координаты X R, получим
(Тр + рЛ X R — (b3p + b7) Х а^. |
(2.92) |
Из сравнения (2.86) и (2.92) с ранее полученными (2.34), (2.35), (2.36) и (2.40) видна полная аналогия уравнений движе ния одноконтурного и двухконтурного одновального ТРД.
Для двигателя по схеме фиг. 2. 37, б вывод уравнений движения остается аналогичным рассмотренному, за исключением необходи мости учета уравнений G= GK+ G»-> и GB=mGK, выражающих рас пределение воздуха по контурам. Если сжигание топлива происхо дит во втором контуре, то необходимо дополнительно учитывать уравнение типа шестого из (2.21). Очевидно в этом случае двига тель должен иметь регулируемое сопло во втором контуре.
Для двигателя, схема которого приведена на фиг. 2. 37, а, уравнения движе ния можно получить, используя те же основные положения, которые были принедены при рассмотрении двухвального ТРД и одновального двухконтурного ТРД.
104 |
Глава II. Газотурбинные двигатели |
В этом случае имеются два аккумулятора энергии в виде вращающихся масс, т. е. компрессор + первая турбина и вентилятор+вторая турбина. Исходные урав нения движения будут следующие:
dri\
2 ^ i — г = М п - Л 1 к ; at
2к/2dn2 |
|
/Ит2 —AfB; |
||||
|
|
dt |
|
|
|
|
г* - |
I /_*т |
|
,\_ L . |
|||
‘т Ь |
|
— 1) |
> |
|||
At |
= |
l + « |
T- |
l ) ^ |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
G = G„ + |
GK; |
GB= mGK; |
||||
T* |
|
1 |
Л |
*“ T'\ |
||
41 |
|
|||||
1з |
= 1 — TITl U — rTi |
); |
||||
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
1 — T„9 0 |
* - T i |
|||
Г = |
- ят2 |
); |
||||
T41 |
|
|
|
|
|
|
G;11utv.x —cpGK(T^ — 7^.);
Нелинейные зависимости для обобщенных координат останутся теми же, как и для двухвального ТРД, и одновального двухконтурного ТРД-
В результате линеаризации для случая, когда во втором контуре топливо не сжигается и когда имеется одно регулируемое сопло в основном контуре, по лучим такую систему уравнений:
{ T i p + pi) Х п — К \ т з Х т з — К \ р 2Х р2 + K i p i \ X p n + K i p 2 i X P2i = 0;
( Т 2Р + Рг) Х п 2 — Х 2Т 4 \ Х Г41 — К 2 р 4 \ Х р 4\ -)- К 2р4Х р4 -f- К 2р 2 \Х р 2 \ = 0;
Х Т2\ — K 3P2i Х Р 2х = 0;
Х п — К 4т 2\Хтз\ — Х 4р 3Х р з -J- К 4р 2 \ Х Р2\ = 0;
К $ п 2 Х п 2 — К 3р 2 \ Х р 2 \ — К ЗП\ Х П\ + Х 5р 2Х р 2 = 0;
^б7"41-^Г41 + КвтзХтз —Xep4iXp4i -{-Кер3Хрз = 0;
Хтт4Хт4+ ^ 7Г41^Г41 + Х2р4\Хр44— К1р4х р4= 0;
Х3п\Хп\ + К%р_Хр2— К3т4Хтз = 0;
К др2Х р 2 + К ц тзХ тз — К 2Т4\Х т 4\ — К 2р4\Х р4\ — 0 ;
Х}0Т4\Хт41~\- К } 0р41= К ю р Х р ]
kn T 3Xj-3^ - Кир2\Хр21 Кип\Х,ц -+- К\\р2Хр2 + К\\Т?Хт2 —KGjX o^-
5. ТРД с форсажным устройством (ТРДФ) |
105 |
Полученные уравнения справедливы при сверхкритических перепадах |
на |
сопловых аппаратах турбин, неизменных внешних условиях и нерегулируемом реактивном сопле во втором контуре. Решая полученную систему уравнений дви
жения |
относительно интересующих |
координат, получим уравнения вида |
( 2 69), |
(2.70), (2.71) и (2.72), |
откуда во многом видна аналогия с |
двухвальным ТРД. Если в рассматриваемом двигателе сжигается топливо во втором контуре, то для вывода уравнений движения необходимо использовать уравнение типа шестого из (2.21). В этом случае реактивное сопло второго кон
тура должно быть регулируемым.
Из приведенного по двухконтурным двигателям можно сделать вывод, что свойства их близки к одновальному и двухвальному одноконтурным ТРД, поэтому и системы автоматического управления для таких двигателей должны быть во многом аналогичны.
5. ТРД С ФОРСАЖНЫМ УСТРОЙСТВОМ (ТРДФ)
Общие сведения
При эксплуатации самолета часто требуется увеличить тягу, развиваемую турбореактивным двигателем, хотя бы на короткий промежуток времени.
Для этой цели применяются специальные устройства, позволя ющие кратковременно значительно увеличить развиваемую двига телем реактивную тягу. Такие двигатели принято называть турбо реактивными двигателями с форсажным устройством (ТРДФ).
Существует несколько способов кратковременного форсирова ния тяги ТРД, однако каждый из них, обладая определенными по ложительными и отрицательными факторами, может применяться лишь при удовлетворении определенных требований, предъявля емых к форсажным устройствам.
Один из способов форсирования развиваемой ТРД реактивной тяг® заклю чается в охлаждении сжимаемого в компрессоре воздуха, происходящем за счет испарения впрыскиваемой жидкости в поток сжимаемого воздуха. Жидкость впрыскивается с помощью специальной системы через форсунки для распыла.
При испарении жидкости в сжимаемом воздухе от последнего отнимается тепло, равное теплу парообразования, за счет чего и происходит охлаждение воз духа, в связи с чем уменьшается потребная работа для сжатия воздуха до задан ного давления и уменьшается температура его в конце сжатия.
Это позволяет увеличить давление воздуха за компрессором и, следователь но, давление газа перед турбиной при сохранении одной и той же мощности тур бины, отнесенной на единицу протекающего через нее газа. В результате уве личивается перепад давлений, срабатываемый в реактивном сопле, что приводит
к |
увеличению |
скорости истечения газа |
из реактивного сопла |
и, следовательно, |
к |
увеличению |
реактивной тяги. Кроме |
того, при сохранений |
постоянной темпе |
ратуры газа 73 перед турбиной, увеличивается также и весовой расход воздуха через двигатель. Одновременно с уменьшением температуры воздуха на выходе из компрессора и при Т3 =const увеличивается расход топлива, что приводит
к увеличению его удельного расхода. Этот относительно простой способ форси рования тяги обладает, однако, большим недостатком, выражающимся в большом расходе впрыскиваемой жидкости. Например, расход воды, необходимый для уве личения тяги при взлете на 1 0 °/о, превышает расход топлива почти в 1 ,5 раза. Кроме того, не во всех условиях полета впрыскиваемую жидкость удается пол ностью испарить в сжимаемом воздухе.
1С6 |
Глава If. Газотурбинные двигатели |
Этот способ форсирования тем более целесообразно применять, чем больше
•скорость полета самолета, так как в этом случае выше температура воздуха перед компрессором.
Одним из способов форсирования тяги, получивших на практи ке широкое распространение, является дополнительное сжигание топлива между турбиной и реактивным соплом, для чего устанав ливается специальная форсажная камера сгорания. Такой способ форсирования тяги связан с увеличением удельного расхода топ лива. Для пояснения на фиг. 2. 42 приведена принципиальная схема ТРДФ с форсажной камерой. Сгорание дополнительного топлива в форсажной камере происходит за счет имеющегося в отходящих из турбины газах неиспользованного кислорода, т. е. избытка воз-
Фиг. 2.42. Схема двигателя с форсажной камерой (ТРДФ).
.духа в основной камере сгорания. Благодаря сжиганию дополни тельного количества топлива в форсажной камере температура газа перед реактивным соплом резко повышается и увеличивается ско рость истечения газа из реактивного сопла, что и приводит к повы шению реактивной тяги, развиваемой двигателем.
Способ управления двигателем с таким форсажным устройством должен быть таким, чтобы включение и выключение форсажного устройства не отражалось на режимах работы основного контура. Действительно, если предположить неизменной величину проход ного сечения реактивного сопла, то увеличение температуры газа
.в форсажной камере (за счет сжигания дополнительного топлива) приведет к повышению давления газа за турбиной и к уменьшению перепада давления, срабатываемого в турбине. Это в свою очередь приведет или к переходу двигателя на пониженные режимы рабо
ты при 7 з= const, или к увеличению Тз. Отсюда следует, что при всех прочих одинаковых условиях для сохранения неизменным ре жима работы основного контура ТРДФ при сжигании дополнитель ного топлива в форсажной камере необходимо соответственно изме нять площадь проходного сечения реактивного сопла.
Увеличение скорости истечения газа из реактивного сопла форсажной каме ры по сравнению со скоростью без форсажной камеры происходит примерно про-
5. ТРД с форсажным устройством (ТРДФ) |
107 |
порционально корню квадратному из отношения температур газа Tg перед реак
тивным соплом и за турбиной 7"4, т. е.
где шс.ф — скорость истечения газа из реактивного сопла форсажной камеры.
кг
*%д.Ф кг/ сек
Фиг. 2 .43. Зависимость реактивной тяги и удельной тяги для ТРДФ и обычного ТРД от скорости полета для различных значений
температуры газа Т 6 в форсажной камере.
Используя известные соотношения из теории двигателей, можно от скоро сти истечения газа из реактивного сопла перейти к развиваемой двигателем тяги, т. е.
(2. 94)
где R — тяга, развиваемая двигателем без форсажа.
Из этого выражения следует, что увеличение тяги при форсировании тем больше, чем больше отношение температур Т*$1Т*А « чем больше скорость полета V.
На фиг. 2. 43 для примера приведены графики, показывающие изменение развиваемой ТРДФ тяги Дфи удельной тяги /?уд,ф в зависимости от скорости по лета V для различных значений температуры газа Т6 в форсажной камере. Там же
для сравнения приведено изменение реактивной тяги и удельной тяги для того же ТРДФ, но при неработающей форсажной камере.