6.4. Факторы, влияющие на избыточную мощность турбины

Решающее влияние на время приемистости оказывает избыточная мощность турбины, которая при приемистости может быть представлена в виде следующего соотношения:

N_т = G_в L_т = G_в, (6.7)

где L_т = с_р.г – работа турбины; L_к = с_р – работа компрессора; а = (1 – g_охл – g_отб)(1 + g_т) – коэффициент, учитывающий отбор воздуха от компрессора и расход топлива в основной камере сгорания.

С помощью формулы (6.7) можно проанализировать влияние различных факторов на избыточную мощность турбины.

Работа, потребная для вращения компрессора при данном значении , зависит от его расчетных параметров и программы регулирования. Прикрытие лопаток НА в первых ступенях компрессора снижает потребную для его вращения работу, но одновременно ведет и к уменьшению расхода воздуха, в результате чего избыточная мощность турбины возрастает при этом сравнительно слабо.

Работа, развиваемая турбиной, зависит в первую очередь от температуры газа на входе в турбину. Для получения избыточной мощности турбины в процессе разгона надо увеличивать температурупо сравнению с ее значением на установившемся режиме за счет подачи в камеру сгорания дополнительного (избыточного) количества топлива. Следовательно, расход топлива на режимах разгона должен превышать расход топлива на установившихся режимах. В турбинах ГГ двигателей других схем, как правило, значениена всех практически важных эксплуатационных режимах неизменно вследствие того, что они заперты по перепаду давлений критическим сечением элемента, установленного за ГГ. Поэтому такой способ увеличения избыточной мощности турбины в ГТД других схем нереализуем.

Из формулы (6.7) видно, что избыточная мощность турбины зависит также от расхода воздуха через двигатель. Этот факт обуславливает влияние на приемистостьГТД скорости и высоты полета самолета, поскольку величина G_в возрастает при прочих равных условиях с ростом скорости полета и значительно уменьшается с ростом высоты полета. На малых высотах и при больших скоростях полета G_в имеет наибольшие значения, что снижает время приемистости. С ростом высоты и уменьшением скорости полета величина G_в, а следовательно, и N_т уменьшаются, что приводит к увеличению времени приемистости двигателя.

На рис. 6.1 показан характер изменения процесса приемистости одновального ТРД при различных условиях полета. С ростом скорости полета у земли время приемистости существенно сокращается, что обусловлено в основном увеличением расхода воздуха через двигатель и соответственно расхода газа через турбину. С увеличением высоты полета время приемистости возрастает. Несмотря на возрастание с высотой полета (что связано с ограничением минимально допустимого расхода топлива на больших высотах), время приемистости существенно увеличивается вследствие снижения по уже указанной причинеG_в и избыточной мощности турбины.

Рис. 6.1. Влияние условий полета

на приемистость ТРД

6.5. Изменение параметров рабочего процесса при приемистости и сбросе газа в одновальныхтрд

Рассмотрим работу одновального газогенератора, установленного в ТРД (рис. 6.2), на режимах приемистости и сброса газа. Приемистость осуществляется за счет подачи в камеру сгорания избыточного количества топлива и повышения вследствие этого температуры . Сброс газа происходит при уменьшении подачи топлива в камеру сгорания до значений, более низких, чем на установившихся режимах.

Рис. 6.2. Одновальный ТРД	Рис. 6.3. Рабочие линии на характеристике компрессора

Увеличение температуры таза перед турбиной в процессе приемистости приводит к увеличению избыточной мощности турбины. Приэтом в соответствии с формулой (6.4) происходит процесс увеличения частоты вращения ротора и обусловленное этим изменениевсех параметров по времени. Если характеристики элементов двигателя известны, то все параметры в переходном процессе могут быть определены (в рамках гипотезы квазистационарности) исходя из условий совместной работы элементов по соотношениям, установленным для одновального ТРД.

Расположение рабочих линий на характеристике компрессора на неустановившихся режимах отличается от их расположения на установившихся режимах по причине отличия (при каждом текущем значении n) значения температуры отна установившемся режиме (). В процессе приемистости. Но из баланса расходов воздуха через компрессор и газа через турбину следует,что

.

Рис. 6.4. Зависимости иТРД

от : 1- установившиеся режимы, 2, 3 приемистость, 4- сброс газа

Поэтому при увеличении отношениевозрастает, т.е. рабочая линия на характеристике компрессора отклоняется от линии установившихся режимов (рис. 6.3) влево, в сторону границы устойчивых режимов. Причем при недопустимо высоком темпе увеличенияG_т, рабочая точка моможет пересечь границу устойчивости компрессора, т.е. может произойти потеря устойчивости компрессора. Физически это объясняется тем, что превышение текущей температуры по отношению к температурепри каждом значении частоты вращения приводит к тепловому дросселированию компрессора за счет того, что при более высокой величине температурыснижается плотность газа перед турбиной и уменьшается пропускаемый ею расход газа. И только тогда, когда(в точках1 и 2 на рис. 6.3), параметры компрессора для установившегося и переходного режимов являются одинаковыми.

На режимах сброса газа за счет уменьшения подачи топлива температура газа перед турбиной снижается по сравнению с ее значениями на установившихся режимах. Это приводитк увеличению расхода газа, пропускаемого турбиной, а следовательно, к раздросселированию компрессора и к смещению рабочей линии на его характеристике вправо и вниз от линии установившихся режимов.

На рис. 6.4 показаны относительные изменения расхода топлива и температуры газа перед турбиной по частоте вращения ротора ГГ на режимах приемистости (при различных темпах подачи топлива) и сброса газа. Здесь линии 1 соответствуют установившимся режимам работы двигателя, линии 2 и 3 приемистости (с разным темпом изменения G_т), а линия 4  процессу сброса газа.

Для уменьшения t_п необходимо в процессе приемистости максимально увеличивать избыточную мощность турбины. Если рассматриваемый ГГ не имеет регулируемых элементов проточной части и его турбина «заперта» по перепаду давлений (π*_т = const), что является наиболее типичным для существующих ГТД, то избыточную мощность турбины можно увеличивать только за счет повышения температуры

до предельно допустимых значений. Ограничение предельно допустимой температурыгаза в процессе приемистости может быть обусловлено следующимипричинами:

 недопустимостью неустойчивой работы компрессора;

 недопустимостью перегрева лопаток турбины;

 недопустимостью нарушения устойчивости процесса горения в камере сгорания.

Рассмотрим характер этих ограничений.

Ограничение по газодинамической устойчивости работы компрессора (ГДУ) связано с возможностью чрезмерного приближения рабочей линии

(рис. 6.1) при высоких темпах увеличения подачи топлива в камеру сгорания к границеустойчивых режимов работы (ГУР) компрессора.

Предельно допустимое приближение линии к ГУР ограничивается тем, что сама ГУР может в условиях эксплуатации сместиться вправо вследствие износа элементов проточной части компрессора, а также под влиянием возмущений потока на входе в двигатель. Поэтому необходимо, чтобы в процессе приемистости запас устойчивости не снижался до значений, меньших 4…5%.

Ограничение по жаропрочности турбины учитывает необходимость защиты лопаток турбины от перегрева. Его сущность состоит в том, что в процессе разгона температура газа перед турбиной не должна превышать некоторого максимально допустимого значения. При этом, учитывая, что время разгона (приемистости) невелико и что часть этого времени турбина работает при пониженных окружных скоростях и, следовательно, при пониженных напряжениях от центробежных сил, допускается кратковременный «заброс» температуры перед турбиной в процессе приемистости на 50…70^оС по сравнению с предельно допустимым её значениям на максимальном режиме.

На рис.6.4 при относительном значении расчетной температуры газа перед турбиной =1,0 отмечено значение температуры > 1,0 (штриховая линия). Видно, что наибольшие возможности по увеличению температурыв процессе приемистости имеются при пониженных значенияхn, где температура на установившихся режимах намного ниже, чем.

Ограничение по устойчивости процесса горения обусловлено возможным недопустимо большим снижением коэффициента избытка воздуха  (недопустимым обогащением горючей смеси) при приемистости в результате чрезмерного увеличения подачи топлива.

На рис. 6.5 показано изменение коэффициента  в зависимости от частоты вращения ротора ГГ на различных режимах. На установившихся режимах увеличение с ростомn требует увеличения доли топлива в смеси, т.е. её обогащения, поэтому  уменьшается. Увеличение подачи топлива в процессе приемистости приводит к еще большему обогащению смеси (уменьшению ) и в принципе при чрезмерном увеличении подачи топлива может привести к срыву пламени («богатый срыв»).

Рис. 6.5. Зависимость  от n

Рис. 6.6. Изменение иGт по n при приемистости: 1  ; 2 Ку.min;	Рис. 6.7. Изменение по у ТРД при приемистости

Обычно раньше наступают ограничения по ГДУ компрессора и по жаропрочности турбины. Однако в условиях полета на больших высотах с малыми скоростями возможен и «богатый срыв» пламени в камере сгорания в процессе приемистости.

Оптимальная приемистость ТРД – это такая приемистость, когда при каждом значении n подача топлива поддерживается на предельно высоком уровне, допустимом с учетом указанных ограничений. В этом случае ускорение ротора при каждом значении n будет максимальным, а время приемистости – минимальным.

На рис. 6.6 показано изменение G_т и по n на установившихся режимах и при оптимальной приемистости (кривая 3) с ограничениями по (1) и по (2).

Рис. 6.8. Относительное изменение

частоты вращения и тяги при

приемистости ТРД в стартовых

условиях

Характер изменения избыточной мощности турбины N_т (в процентах от мощности турбины на максимальном режиме) для одновального ГГ ТРД при М_Н = 0 и Н = 0 (при наличии эксплуатационных ограничений) представлен на рис. 6.7. Как видно, при низких частотах вращения значения N_т малы из-за малых расходов воздуха, а также из-за ограниченности (по соображениям ГДУ) возможного увеличения температуры . При средних значенияхвеличинаN_т заметно повышается из-за возрастания G_в и . МаксимумN_т соответствует в данном случае примерно ≈ 0,8. При дальнейшем повышениивеличинаN_т уменьшается из-за снижения =–. Как видно, величина, достигаемая в данном примере при≈ 0,8, составляет13% от мощности турбины на максимальном установившемся режиме.

На рис. 6.8 показан соответствующий характер изменения частоты вращения и тяги двигателя в процессе приемистости для ТРД с одновальным ГГ в стартовых условиях. Характерным является сравнительно медленное ускорение вращения ротора на начальном участке процесса приемистости и значительно более быстрое на среднем и конечном. Это соответствует характеру изменения избыточной мощности турбины.

Тяга двигателя вначале повышается еще более медленно и только на конечном участке приемистости тяга быстро нарастает до максимальной величины.