7.5.5. Режимы работы двигателя

Зависимости Р и С_уд от величин, характеризующих режим ра­боты двигателя в условиях полета, называются характеристиками двигателя. Различают дроссельные, скоростные и высотные харак­теристики.

Наиболее точными являются характеристики, полученные экс­периментальным путем — испытанием на стенде или в полете на летающей лаборатории. В ряде случаев характеристики получают расчетным путем.

В условиях эксплуатации потребная тяга двигателя изменяется в широких пределах. В момент взлета, набора высоты она должна быть максимальной, при посадке — минимальной или даже отри­цательной. Тяга двигателя регулируется путем изменения режима его работы.

Режимы работы, используемые в полете и для управления по­летом, называются рабочими режимами. В настоящее время для ТРД без форсирования различают следующие режимы работы: взлетный (максимальный), номинальный, крейсерские режимы и режим малого газа.

Максимальный (взлетный) режим используется для взлета, на­бора высоты, достижения максимальной скорости и выполнения маневров. Этот режим соответствует наибольшей тяге, которую двигатель может развивать в определенных условиях в течение ограниченного времени (не более 5 ... 10 мин). Общая наработка двигателя на напряженном взлетном режиме составляет для граж­данских самолетов 2 ... 5% от ресурса.

Номинальный режим используется для набора высоты и как основной режим для полета с максимальной скоростью. Тяга на режиме составляет 80 ... 90% от взлетной, непрерывная работа ограничивается одним часом, а общая наработка составляет при­мерно 40% ресурса.

Крейсерские режимы предназначены для длительной работы двигателя, они отличаются пониженными частотами вращения и тягами. Время работы на этих режимах не ограничивается. Мак­симальный крейсерский режим (0,85 Р_тах) используется при даль­них полетах с максимальной скоростью. Имеются пониженные крейсерские режимы (например, 0,7Р_тах)-

Режим малого газа представляет собой минимальный устано­вившийся режим, применяемый при планировании самолета, при пробеге его после посадки, при работе двигателя после запуска. При этом двигатель развивает тягу Р_М._Т= (0,03 ... 0,05)Р_mах при

Режимы работы двигателя устанавливаются положением ры­чага управления двигателем (РУД). При изменении внешних усло­вий и неизменном положении РУД поддержание режима работы двигателя возлагается на систему его регулирования.

7.5.6. Дроссельные характеристики

Дроссельной характеристикой называется зависимость тяги, удельного расхода топлива и других основных параметров двига­теля от режима его работы при заданных условиях полета (V_п= const и H = const). Режим работы задается расходом топлива, температурой газа перед турбиной T_v* или частотой вращения. Ха­рактеристика может быть построена по любому из указанных па­раметров, а также и по углу установки РУД. Обычно такая харак­теристика строится по частоте вращения (рис. 7.16). Приведенная к земным стандартным условиям она называется стендовой ха­рактеристикой.

Дросселирование — уменьшение подачи топлива в двигатель — приводит к снижению температуры газа перед турбиной Т_г*, к уменьшению работы и мощности турбины, следовательно, к снижению частоты вращения. Это влечет за собой, как видно из ри­сунка, быстрое снижение Р, снижение С_уд до минимального значе­ния, а затем его увеличение.

Изменение Р может быть охарактеризовано с помощью урав­нения (1.2), согласно которому тяга определяется удельной тягой Руд и расходом воздуха G_B. Удельная тяга, в свою очередь, опре­деляется параметрами в сечении с—с на выходе из двигателя. По­этому для нахождения зависимости Р от n нужно проследить из­менение G по п и Руд по п.

Изменение G по п показано на рис. 7.17. С уменьшением п сни­жается работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха, что при­водит к уменьшению _к* и G_B примерно пропорционально п. В об­ласти максимальной частоты вращения эта зависимость отклоня­ется от линейной. Объясняется это тем, что вблизи п_тах скорость c_1a приближается к скорости звука, q( _B) приближается к своему предельному значению, что ведет к прекращению роста G.

Изменение удельной тяги определяется значением скорости ис­течения с_с, которая согласно формуле (6.3) зависит от _с и Т_т*.

Характер изменения Т_т* по п, показанный на рис. 7.18, объяс­няется следующими причинами. При снижении п, связанном с уменьшением подачи топлива в двигатель, на режимах сверхкри­тического истечения газа из сопла , степень

понижения давления газа в турбине _т* остается постоянной, по­этому уменьшение работы турбины L_T происходит только за счет снижения температуры газа Т_г* ( = const). При уменьшении n в зоне докритического истечения газа из сопла L_T уменьшается за счет частичного снижения _т*, что ведет к замедлению снижения Т_г*.

Дальнейшее снижение n сопровождается резким падением КПД компрессора и турбины _т*. Сохранение баланса мощности компрессора и турбины ,V_Т при этом обеспечивается увеличением Т_Т*, и при некотором п Т_г* достигает максимально допустимого значения. Зависимость температуры газа за турбиной (перед соплом) Т_Т* имеет тот же характер, что и Т_т* (рис. 7.18).

Таким образом, характер изменения Р_уд по п (рис. 7.17) объяс­няется следующими причинами. Вначале Р_уд уменьшается из-за снижения скорости с_с, происходящего вследствие снижения Т_т*.

В дальнейшем снижение Р_уд, несмотря на уменьшение _с, происходит медленнее, из-за роста Т_т*.

Изменение Р_уд и G по п приводит к резкому снижению Р по я (см. рис. 7.16). Так, при изменении n на 1% тяга изменяется на 3 ... 4%.

Удельный расход топлива по частоте вращения (рис. 7.16) из­меняется аналогично изменению температуры газа перед турбиной.

Удельный расход топлива согласно формуле (1.8) зависит от удельной тяги и количества тепла, подводимого к 1 кг воздуха, ко­торое, в свою очередь, определяется температурой Т_г* газов перед турбиной и Т_к* воздуха за компрессором.

Ранее был определен характер изменения Р_уд и Т_г* по n (см. рис. 7.17 и 7.18). На рис, 7.18 показан характер изменения Т_к* по частоте вращения. При снижении п уменьшается работа L_K и мощность компрессора, что влечет за собой снижение температуры воздуха Т_к* на его выходе.

Зависимость Р_уд, Т_г* и Т_к* по п позволяет объяснить характер изменения С_уд при частоте вращения. Уменьшение п сопровожда­ется уменьшением удельной тяги. Что касается количества тепла, подводимого к каждому килограмму воздуха, то оно в основном определяется разностью температур Т_г*—Т_к*, которая в начале уменьшается из-за быстрого уменьшения Т_г*, а затем, когда Т_т* возрастает, а Т_к* продолжает уменьшаться, увеличивается. При дросселировании вначале уменьшение Q₀ оказывает более сильное влияние, нежели падение Р_уд, поэтому С_уд несколько снижается. Но в дальнейшем уменьшение Р_уд и увеличение Q₀ приводят к бы­строму росту С_Уд.

Изображенная на рис. 7.16 дроссельная характеристика имеет нерегулируемую проточную часть. Наличие на двигателе элемен­тов, изменяющих проточную часть (перепуск воздуха из компрес­сора, изменение площади F_Kр критического сечения сопла), оказы­вает влияние на протекание характеристик (рис. 7.19).

В диапазоне изменения n от _тах до _п, где перепуск закрыт, a F_KV минимальна, характер изменения Р и С_уд не отличается от рассмотренного ранее (см. рис. 7.16). При п = п_п открывается пе­репуск, часть воздуха выпускается в атмосферу. Уменьшение рас­хода газа приводит к снижению мощности турбины, поэтому для поддержания равновесного режима увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к увеличению температуры газов Т_г* перед турбиной. Тяга при этом из-за уменьшения расхода газа скачкообразно уменьшается, а удельный расход топлива С_уд скач­кообразно увеличивается, что объясняется непроизводительным расходованием энергии топлива на сжатие воздуха, перепускаемого в атмосферу.

При п = п₀ раскрывается сопло, что приводит к повышению: степени расширения газа _т* на турбине и снижению T_v* для со­хранения энергетического баланса (N_T=N_K). Несмотря на неболь­шое увеличение расхода, тяга при этом уменьшается, так как сни­жение р_т* и Т_т* приводят к уменьшению скорости истечения с_с и удельной тяги Р_уд.

Уменьшение Т_т* должно приводить к уменьшению С_уд. В то же время снижение на малой частоте вращения _к и ухудшает эко­номичность двигателя. В результате действия противоположно влияющих факторов С_уд при раскрытии сопла изменяется незна­чительно.