книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы

Пропускная способность горла регулируется изменением величины площади его проходного сечения (Fг).

В некоторых плоских СВЗ дополнительно делают створку подпитки 2 и створку перепуска 3 (противопомпажную створку) для уменьшения рвх в тех случаях, когда возможности регулирования исчерпаны.

Например, если при уменьшении числа М полета уменьшить угол β2 до потребного значения β2п (см. рис. 6.15), увеличится коэффициент расхода (по сравнению с φвх.расп нерегулируемого СВЗ) до потребного значения φвх.п. Одновременно увеличится площадь горла СВЗ до потребного значения Fг.п (по сравнению с располагаемой Fг).

Регулирование осесимметричного СВЗ осуществляется перемещением центрального тела 1 (рис. 6.16), при этом одновременно изменяются площадь горла и коэффициент расхода. Например, если при уменьшении М полета вдвинуть конус 1, увеличится коэффициент расхода (по сравнению с φвх.расп нерегулируемого СВЗ) до потребного значения φвх.п. Одновременно увеличится площадь горла СВЗ до потребного значения Fг.п (по сравнению с располагаемой Fг).

Рис. 6.16. Регулирование осесимметричного СВЗ при уменьшении М

Программа регулирования СВЗ подбирается под заданные расходные характеристики двигателя в следующей последовательности:

171

1.Определяются потребные значения коэффициента

расхода φвх.п и площади горла Fг.п при различных числах М полета и режимах работы двигателя (n).

2.Заданные значения φвх.п и Fг.п обеспечиваются соответствующим регулированием СВЗ.

Для определения φвх.п запишем уравнение расхода для сечений н–н и вх–вх:

Зная число М полета, то есть величину q(λн), и определив q(λвх) для соответствующего режима работы двигателя (n), а также оценив максимально возможное для заданного режима значение σвх :

где σm – коэффициент сохранения полного давления в системе скачков перед входом в СВЗ; σS – коэффициент сохранения полного давления в S-скачке; σг – коэффициент со-

172

хранения полного давления, учитывающий потери на «перерасширение» горла; σтр – коэффициент сохранения полного

давления, учитывающий потери на трение, можно вычислить φвх.п для различных чисел М полета (рис. 6.17).

Величина φвх.п зависит, в первую очередь, от расчетного значения числа Мр и расходных характеристик двигателя (nпр). При увеличении πк.р (напорности ОК)

темп снижения φвх.п с уменьшением М полета замедляется, так как ускоряется рост q(λн).

вышает φвх.расп нерегулируемого СВЗ. Регулирование СВЗ должно в данном случае сводиться к увеличению φвх до значений φвх.п при изменении числа М полета.

Для определения относительной потребной площади

173

учитывая, что q(λг) = const, так как λг = λг.кр = 1; Fг.п = kгFг.опт и подставив в уравнение (6.9) выражение для φвх.п из (6.4),

получим

Чем выше значение πк.р , тем значительнее требуется

увеличить Fг при уменьшении числа М полета (рис. 6.18). Это объясняется тем, что чем выше значение πк.р , тем ин-

тенсивнее растет q(λвх) при уменьшении числа М полета.

При программе регулирования nпр = const, следовательно, q(λвх) = const, Fг.п = const регулировать Fг

174

ся. Однако при реализации ПР nпр = const из-за снижения расхода Мдв падает тяга R.

Существуют две основные программы регулирования СВЗ.

1. Программа регули-

рования СВЗ при изменении

М и n. В случае уменьшения числа М полета убирают конус или уменьшают угол на-

Расход воздуха через СВЗ увеличивается, восстанавливается баланс расходов МСВЗ = Мдв, и СВЗ устойчиво работает

при М < Mp.

При увеличении числа М происходит обратный процесс до полного выдвижения конуса при Мрег. Если продолжается рост М > Мрег, когда возможности регулирования выдвижением конуса исчерпаны, для уменьшения давления рвх (недопущение «помпажа») открывают створку перепуска за гор-

лом (↑αст ) и сбрасывают избыточный воздух в атмосферу.

На самолетах с большими расчетными числами Мр полета величина φвх на малых сверхзвуковых скоростях значительно меньше единицы, что приводит к резкому увеличению сх.вн вследствие значительной диффузорности струи перед входом в СВЗ. То же самое происходит при дросселиро-

175

вании двигателя (↓ n) на малых сверхзвуковых скоростях

полета.

В этом случае открывают створки перепуска, что позволяет увеличить расход воздуха через СВЗ. В результате увеличивается φвх за счет уменьшения диффузорности струи. Вследствие уменьшения диффузорности струи перед входом в СВЗ уменьшается сх.вн.

При уменьшении n < np

угол наклона клина (↑ Lк ) ,

при этом Fг уменьшается до

потребного значения Fг.п (рис. 6.20). Косой скачок на входе в СВЗ отходит от передней кромки обечайки до

тех пор, пока φвх не достигнет потребного значения φвх.п для уменьшенной частоты вращения n.

Расход воздуха через СВЗ уменьшается, восстанавливается баланс расходов МСВЗ = Мдв, и СВЗ устойчиво работает при n < np. Однако вследствие уменьшения φвх возрастает сх.вн и уменьшается σвх .

Конструктивно величина выдвижения и уборки конуса ограничена. Поэтому для сохранения заданной пропускной способности СВЗ при полностью выдвинутом конусе (n2) и продолжающемся уменьшении n < n2 открываются створки

перепуска (↑αст ) за горлом СВЗ, и избыточный воздух

сбрасывается во внешний поток, не допуская роста рвх.

2. Программа регулирования СВЗ при изменении Тн.

Изменение температуры Тн с изменением высоты полета Н при постоянных скорости (М = const) и режиме работы дви-

176

πк и Мдв.

Например, при увеличении Тн (↓ H ) увеличивается

Твх и уменьшается nпр, следо-

вательно, снижается расход

Мдв < МСВЗ, необходимо выдвинуть конус или увеличить

угол наклона клина (↑ Lк ) ,

при этом Fг уменьшается до потребного значения (рис. 6.21). Косой скачок на

входе в СВЗ отходит от передней кромки обечайки до тех пор, пока φвх не достигнет потребного значения φвх.п для восстановления баланса расходов воздуха Мдв = МСВЗ при увеличенном значении Тн.

При полностью выдвинутом конусе (Тн2) и продолжении роста Тн > Тн2 открываются створки перепуска (↑αст ) .

Таким образом, применение всережимного непрерывного регулирования СВЗ позволяет при оптимальном регулировании СВЗ ( Мдвпотр = МСВЗрасп ) добиться работы СВЗ в области

σвх.max с максимальным запасом устойчивости по «помпажу»

и «зуду». Это особенно актуально для военных маневренных самолетов.

Контрольные вопросы

1.Назначение и основные параметры воздухозаборников.

2.Основные требования к воздухозаборникам и их классификация.

177

3.Изобразить схему и пояснить работу дозвукового воздухозаборника на расчетном режиме.

4.Изобразить схему и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на расчетном режиме.

5.Изобразить схемы и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на нерасчетном режиме.

6.Изобразить схемы и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на неустойчивых режимах.

7.Изобразить дроссельные характеристики и объяснить характер изменения критериев эффективности при изменении частоты вращения ротора.

8.Изобразить скоростные характеристики и объяснить характер изменения критериев эффективности при изменении скорости полета.

9.Каковы задачи и способы регулирования сверхзвуковых воздухозаборников?

Задача

Определить площадь входного сечения F0 и длину конического дозвукового воздухозаборника, если потребный расход воздуха через двигатель Мдв = 60 кг/с, скорость и плотность воздуха на входе в двигатель соответственно свх = = 170 м/с, ρвх = 0,882 кг/м3, угол уширения диффузора γ = 8°, относительная площадь входа F0/Fвх = 0,8.

178

7. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ВРД

7.1. Назначение камер сгорания ВРД и требования, предъявляемые к ним

Камера сгорания (КС) ВРД предназначена для повышения температуры рабочего тела (воздуха) от Tк до Tг путем

сжигания в нем топлива.

От устойчивой работы КС зависит устойчивая работа и экономичность ВРД в целом.

Требования, предъявляемые к КС:

1.Устойчивое горение топлива в широком диапазоне составов топливно-воздушной смеси (ТВС), давлений, температур и скоростей поступающего в КС воздуха при изменении условий полета (М, Н) и режима работы двигателя (n).

2.Высокая полнота сгорания топлива. Это позволяет обеспечить лучшую экономичность, отсутствие догорания топлива в ГТ, уменьшение выбросов вредных веществ из ВРД.

3.Надежное воспламенение топлива независимо от внешних условий. Это позволяет обеспечить надежный запуск двигателя во всем диапазоне температур атмосферного воздуха Тн и чисел М полета.

4.Высокая теплонапряженность (количество тепла, выделившееся в КС на единицу объема):

где ηг – коэффициент полноты сгорания топлива в КС; VКС – рабочий объем КС; Hu – теплотворная способность топлива.

Увеличение QКС позволяет уменьшить габариты и массу КС.

QКС ВРД = (3,5…6,5)·106 Дж/(ч·м3·Па), что в 10…15 раз выше, чем QКС паровозной топки.

179

5. Минимальные гидравлические потери полного давления в КС. Это способствует снижению суммарных потерь полного давления в КС, оцениваемых коэффициентом восстановления полного давления – σКС = рг рк .

6.Обеспечение заданного и стабильного поля температур на выходе из КС.

Поле температур в радиальном направлении характеризуется пониженной температурой во втулочном и периферийном сечениях и определяется предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины.

7.Высокая жаропрочность и жаростойкость элементов конструкции КС, их надежное охлаждение. Это позволяет повысить эффективность и ресурс двигателя.

8.Отсутствие нагарообразования и дымления.

9.Высокая надежность, большой ресурс, производственная и эксплуатационная технологичность.

7.2.Основные понятия о процессе горения

вКС ВРД

7.2.1. Основные закономерности горения топлива в КС

ВВРД процесс подвода тепла к рабочему телу (воздуху) осуществляется в основной и форсажной КС (КС и ФК)

ипредставляет собой процесс сгорания топлива в воздухе.

ВВРД окислителем является кислород, содержащийся в воздухе, а топливом – органические вещества.

Всовременных авиационных ВРД применяются углеводородные топлива на основе нефти – керосин (авиационные ВРД) или топливный газ (ВРД наземного применения).

Процесс сгорания топлива – это совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в тепловую энергию, а самого топлива в газообразные вещества (продукты сгорания).

180