5.10. Оптимальное распределение работы цикла твд и тввд между винтом и реакцией газовой струи

У турбовальных двигателей, применяемых на вертолетах, работа цикла

L_ц =L_е +

полностью передается на вал винта и реактивная тяга у них практически равна нулю. У ТВД и особенно у ТВВД, применяемых на самолетах, как видно из формулы (5.9), тяговая работа создается как за счет винта, так и за счет реакции проходящего через двигатель газового потока. Возникает задача оптимального распределения работы цикла между винтом и реактивной струей, вытекающей из сопла. Оптимальным является такое распределение работы цикла, при котором тяговая работа при заданных условиях полета получается максимальной.Целевая функция для оптимизации в таком случае определяется соотношением (5.9).

Оптимизация производится отысканием такой скорости истечения из сопла с_с.опт, при которойL_тяг =L_тяг.maxпри заданных значениях скорости полета и работы цикла.

Если из (5.1) определить L_е и подставить в (5.9), получим

L_тяг =_ред_в + (с_с–V)V.

Для определения с_с.оптвычислим производнуюприL_ц = const иV = const и приравняем ее к нулю, тогда

= – с_с_ред_в +V = 0.

Отсюда получим формулу для определения скорости истечения из сопла с_с.опт при оптимальном распределении работы цикла между винтом и реакцией, впервые выведенную Б.С. Стечкиным в 1944 г.:

с_с.опт =. (5.13)

Условие (5.13) показывает, что при больших скоростях полета и низких КПД винта следует увеличивать долю работы цикла, используемую для получения реактивной тяги. При уменьшении скорости полета передача работы цикла для создания реактивной тяги становится менее выгодной. Именно по этой причине у турбовальных двигателей, применяемых при очень малых скоростях полета (V 0), оптимальное распределение работы цикла соответствует условиюL_ц =L_е.

5.11. Совместная работа элементов и программы управления твд

У ТВД одновальной схемы имеется два независимых регулирующих фактора – расход топливаG_ти угол установки лопастей винта_в. Это позволяет у них осуществлять независимое управление двумя параметрами. Такими параметрами могут быть частота вращения ротораnи температура газа перед турбиной. По указанной причине на максимальных режимах работы одновальных ТВД в высотно-скоростных условиях может быть реализована программа управления

n = n_max = const; и = = const. (5.14)

Наибольшее распространение у одновальных ТВД получили САУ, в которых частота вращения ротора регулируется путем изменения _в, а температура – изменениемG_т. Для обеспечения программы управления (5.14) в полете подбирается закон подачи топлива, обеспечивающий косвенное поддержание постоянства температуры газа перед турбиной.

Рабочая линия (РЛ) на характеристике компрессора при программе управления (5.14) определяется как для одновального ГГ при n = const и = const, т.е. с использованием уравнения

= const n_пр.

При этом расположение рабочей точки на РЛ зависит только от температуры .

Рис. 5.16. Рабочие линии на характеристике

компрессора одновального ТВД: при n = const,

= const (а); при дросселировании (б)

Условие баланса мощностейдля каждой точки рабочей линии (в отличие от одновального ГГ ГТД прямой реакции) здесь выполняется за счет регулирования величины мощности, передаваемой на винт, путем изменения угла установки его лопастей_в. Точка 1 на рис. 5.16асоответствует_в.max(при), а точка 2 –_в.min(при).

Дросселирование одновального ТВД при заданной температуре на входе может производиться с использованием различных РЛ в поле характеристик компрессора. Такими линиями, в частности, могут быть: линияa-б, соответствующая дросселированию при n = const, линия а-в, соответствующая одновременному снижению n и (что возможно, например, при_в = const), линия а‑б‑в – отвечающая дросселированию по комбинированной программе: вначале по n = const, а затем по _в = const и др. (рис. 5.16 б).

Наиболее выгодным, как показали исследования, является дросселирование одновальных ТВД при n=const, так как это обеспечивает быстрое снижение иN_экв практически при таких же значениях С_экв, что и дает дросселирование, например, по линии а-в. Снижение в случае дросселирования приn = const благоприятно влияет на показатели надежности работы двигателя, так как на пониженных режимах значительно снижается температура . При таком дросселировании улучшается приемистость двигателя, поскольку отпадает необходимость раскрутки ротора, но затрудняется запуск из-за большого момента инерции вращающихся масс.

У ТВД со свободной турбинойна максимальных режимах работы также возможно применение (в области отсутствия других ограничений) программы управления

n_в = n_в.max = const; и ==const. (5.15)

И в этом случае условие =constобеспечивается за счет подачи топлива –G_т, а условиеn_в=const– за счет установки лопастей винта –_в.

Изменение параметров ГГ по при этом сохраняется таким же, как у ГТД других типов и, в частности, в области низких температур возможно ограничение поn_{т.к.пр.max}, а на малых высотах и больших скоростях полета возникает ограничение по N_{e max}. Расчет характеристик ТВД (и ТВВД) с использованием характеристик ГГ является таким же, как для ТВаД (см.п.21.3).