7.5.8. Высотные характеристики

Высотной характеристикой называется зависимость тяги, удельного расхода топлива и других параметров от высоты полета при постоянной скорости и при работе двигателя на постоянном ре­жиме. Будем считать, что режим задан постоянным значением п.

Характеристика представлена на рис. 7.27. Как видно, увеличение высоты полета до 11 км приводит к резкому увеличению тяги и незначительному уменьшению С_уд. Начиная с 11 км тяга уменьшается более интенсивно, а С_уд перестает уменьшаться.

Расход воздуха G через двигатель с ростом высоты полета изменяется вследствие снижения температуры Т_т* и давления р_н* наружного воздуха. Снижение Т_н* приводит к росту расхода, уменьшение р_н* снижает расход воздуха. Но так как с увеличением высоты полета до 11 км давление снижается в большей степени (в 4,5 раза), чем температура, расход воздуха до высоты 11 км снижается. После 11 км, когда температура Т_н* наружного возду­ха остается неизменной, расход воздуха изменяется пропорцио­нально изменению давления, т. е. более интенсивно, чем до 11 км.

Удельная тяга с ростом высоты полета до 11 км увеличивается. Объясняется это тем, что снижение температуры наружного воздуха при L_K=const (Т_г* = const) приводит к увеличению суммарной степени повышения давления и скорости истечения с_с, а удельная тяга Р_уд. изменяется только в зависимости от с_с [см. формулу (1.3)]. После высоты 11 км удельная тяга не «меняется, так как температура наружного воздуха остается по­стоянной.

Поскольку снижение G оказывает более сильное действие, чем которое увеличение Р_уд, тяга двигателя с ростом Н резко умень­шается, причем более резко после 11 км (пропорционально изме­нению Рн), где Т_н остается постоянной, а расход воздуха изменя­ется пропорционально изменению давления. С ростом Н из-за уменьшения температуры воздуха Т_к* за компрессором при Т_г* = const увеличивается количество тепла Q₀, вносимое в камеру сгорания. Поскольку Р_уд оказывает более сильное воздействие, чем рост Qо, удельный расход топлива [см. формулу (1.8)] с увеличе­нием высоты полета до 11 км уменьшается. После высоты 11 км из-за постоянства Q₀ и Р_уд удельный расход также остается постоянным.

Эффективный КПД с увеличением высоты полета растет (рис. 7.28). Объясняется это влиянием двух факторов: увеличением ко­личества тепла, подводимого к 1 кг воздуха в связи с увеличением интервала подогрева Т_г*—Т_к*, уменьшающим величину КПД, и ростом скорости истечения газа из сопла, увеличивающим работу цикла. Из-за большего влияния увеличения работы цикла КПД _е с ростом Я увеличивается. Увеличение скорости истечения газа из сопла приводит к росту потерь кинетической энергии и к уменьше­нию тягового КПД [см. формулу (7.16)].

Полный КПД ТРД по высоте полета в связи с более сильным влиянием _е увеличивается.

7.6. Неустановившиеся режимы работы трд

Установившиеся (равновесные) режимы работы двигателя, ко­торые рассматривались ранее, отличаются постоянством во времени параметров двигателя (частоты вращения, температуры перед турбиной и др.). Вместе с тем в условиях полета параметра двигателя являются неустановившимися (переходными). Такова режимы работы при быстром наборе высоты, снижении, разгоне других эволюциях.

Изменение режима ГТД, как правило, вызывается перемещен;: ем РУД и связано с изменением частоты вращения ротора и тяг:. Исключениями являются включение форсажа, которое осуществляется при постоянной частоте вращения ротора, и реверс — переха от положительной тяги к отрицательной, который тоже может осу­ществляться при практически постоянной частоте вращения.

Режим, связанный с увеличением частоты вращения, называет­ся режимом разгона, а с уменьшением •— режимом сброса частоты вращения. Работа двигателя на переходных режимах характе­ризуется приемистостью — способностью двигателя быстро изменять режим работы (тягу) в соответствии с изменением положения РУД. Качественно приемистость характеризуется временем перехода с одного режима работы до другого при быстром (до 1 с) пере­мещении РУД. Временем приемистости называется время, необходимое для увеличения тяги от ее значения на малом газе до значения, равного 95% максимального. У ТРДФ время приемистосп складывается из времени, потребного для получения 95% макси­мальной тяги и времени от включения форсажной камеры до вы­хода ее на максимальный режим.

К числу процессов, при которых двигатель работает на неуста­новившемся режиме, относится также и запуск. Наиболее харак­терные переходные режимы показаны на рис. 7.29, где тяга Р и частота вращения даны в относительных единицах.

Осуществление разгона требует избы­точного момента и избыточной мощности турбины по сравнению с мощностью, по­требной компрессору, для чего нужна увеличить температуру газа перед турбин ной Т_г* либо степень понижения давления в турбине я_т*.

В ТРД применяют способ повышения Т_г*, для чего в камеру сгорания подается избыточное топливо.

Поскольку на установившемся режиме Т*_гаах достигается при I «шах, заброс температуры, неизбежный при подаче избыточного топлива, разрешается иметь не более 40 ... 70° С.

У величение температуры Т_г* (рис. 7.30) оказывает дроссели­рующее действие на компрессор, что уменьшает запас его устой­чивости (рабочая линия приближается к границе устойчивой работы). При очень большой подаче топлива (линия 4) может нарушиться устойчивая ра­бота компрессора. Поэтому подача топлива должна проводиться так, что­бы запас устойчивости компрессора ДДу был не менее 5 ... 7%.

Подача топлива в камеру сгорания приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха, что как видно из рис. 7.30, приводит рабочую линию к грани­це богатого срыва и при больших из­бытках топлива (линия 4) может при­вести к погасанию пламени.

Если вести подачу топлива на каж­дом таким образом, чтобы она бы­ла максимальна, но в то же время не нарушалась устойчивость компрессо­ра, не было срыва пламени и заброс температуры был в норме, то можно достичь максимального ускорения ротора и минимального времен" разгона. Характер изменения подачи топлива и изменения Т_т* при таком разгоне, называемом оптимальным, приведен на рис. 7.31.

Следует добавить, что наличие регулируемого сопла позволяет улучшить характеристики разгона. На режиме разгона сопло сле­дует раскрывать (увеличивать площадь критического сечения), увеличивая перепад давлений на турбине и повышая избыток мощности турбины, идущий на ускорение ротора.

Для осуществления сброса частоты вращения следует умень­шить подачу топлива в камеру сгорания. При этом имеет мест: обеднение смеси в камере сгорания, которое может быть настолько сильным, что приведет к срыву пламени и выключению двигателя Чтобы устранить эту опасность на двигателях устанавливают регу­лятор-ограничитель, который регламентирует темп уменьшения передачи топлива на режиме сброса частоты вращения.