книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

звуковых скоростях полета отклонение с5 от оптимального зна­ чения практически мало влияет на тягу ТВД. Таким образом, регулирование выхлопного сопла ТВД имело бы смысл глав­

ным образом на

стенде,

а

Г

/

т/

также

на

малых

и умерен­

ных скоростях

полета.

п

Однако

следует учесть,

V

ЧгРт

/

7—

7

что введение

регулируемого

Т

уГ"

сопла

потребует

конструк­

Г

й«/

7

тивного

усложнения, увели­

щу

чения размеров и веса дви­

7—

гателя,

что без надлежащей

компенсации

в тяге и

эко­

V /

7

номичности

не

оправдано.

1/

Дч/\

Поэтому

на

практике

при­

меняют

турбину

с полным

Г—Уу/!о/

расширением

газа

и нерегу­

г,//у

—1•

лируемым

выхлопным

уст­

//у// /

ройством. У такого ТВД не­

-Л

у у

1

которые потери в тяге име­

'Лу

ют место на

стенде, т. е.

в

А

1

—1

условиях,

когда

относитель­

*

|

ная тяга

ТВД

(по сравне­

80

ПО

т

200 са,М/сек

нию с ТРД)

достигает

мак­

Рис. 5.16. Зависимость

оптимальной

симального значения.

скорости истечения из сопла от к. п. д.

винта и

скорости

полета

Рис. 5.17. Влияние скорости истечения газа из турбины на удельную эквивалентную мощность и эквивалентный расход топлива в полете

Скоростная характеристика одновального ТВД

Рассмотрим скоростную характеристику одновального ТВД, рассчитанную для постоянной высоты полета и программы регу­ лирования на максимальную тягу.

Программа регулирования ТВД на максимальную суммар­

141

ную тягу или максимальную суммарную (эквивалентную) мощ­ ность включает следующие условия:

1)/1=ямакС = соп5{;

2)7’з = 7'з(макс)= СОП5{;

3) Х = Л Г о11т = / ( г 0) ИЛИ Г5(опт) = - ^ - .

ъ

Выполнение условий 1) и 2) обеспечивается использованием регуляторов винта и подачи топлива. Соблюдение условия 3) требует введения регулятора реактивного сопла, поэтому его можно заменить условием

	3') / :>= сопз! и р'4= р й= р н .
При	скоростях	полета	больше 6 0 0 — 7 0 0 км/час	реализация
условия	3' вместо	3 дает	небольшое отличие в	результатах

и практически обеспечивает максимум тяги ТВД.

Основные допущения

Будем полагать, что: 1) при л=сопз1 имеем /,к = соп$1, и 2) ко­ эффициенты частных потерь, к. п. д. турбины и компрессора сох­

раняют постоянное значение, т. е.г/т=соп51, % = соп§1, звх = соп$1,

°К.С = С0П51, ?в.с— С0пз1, $к.с= СОП31:.

Рассмотрим теперь особенности скоростной характеристики ТВД.

С увеличением скорости полета растет суммарная степень сжатия и соответственно степень расширения в турбине, также растут скорости истечения на выходе из турбины и выхлопной трубы ТВД. В самом деле, из уравнения расхода, написанного для критического сечения первого соплового аппарата турбины

и выходного сечения выхлопной трубы, получим
*	2л _ /-,<? (>.-,)	(5.9)
7ГТ

/ с а <7(*с а )

Отсюда следует, что с ростом <7 (Хб) увеличивается л*. Из уравнения баланса работ турбокомпрессора

		Лт= 1 к- К	0
можно сделать	вывод о	том, что	для сохранения Т* = сопз1
с увеличением	числа М о	полета, а	следовательно, ростом сум­

марной работы турбины /,т необходимо затяжелять винт. При этом избыточная работа турбины полностью потребляется винтом.

142

Изменение N „ по скорости полета

С увеличением скорости полета непрерывно возрастает рас­ ход воздуха СП, причем по такой же закономерности, как у ТРД. Удельная работа винта также .растет вследствие уве­ личения перепада давлений на турбине (рис. 5.18). Поэтому винтовая мощность ТВД с увеличением скорости полета непре-

Рнс.	5.18.	Изменение С„	Рис. 5.19, Изменение винтовой мощно-
и	по	скорости полета	стн ТВД и эффективного расхода топ­
			лива ТВД по скорости полета

рывно возрастает (рис. 5.19). Увеличение	на	скорости	поле­
та Сс = 200—250 м/сек весьма значительно	и может составлять
30—50% от исходного значения мощности	при	с0= 0.
Изменение Се по скорости полета
Из выражения Сг=3600		следует,	что по
II..

мере роста скорости полета эффективный расход топлива ТВД интенсивно уменьшается (см. рис. 5.19). В самом деле, отно­ сительный расход топлива на 1 кГ воздуха непрерывно падает, а удельная работа винта возрастает. Термодинамически сниже­ ние С,, по скорости полета объясняется повышением гр из-за увеличения л.

Снижение Сс на скорости полета с0=200—250 м/сек может составлять 15—25% от исходного значения расхода топлива

лри с0 = 0.

143

Изменение реактивной тяги

С увеличением скорости полета растет скорость истечения газа на выходе из турбины. Однако удельная реактивная тяга

Яуд ~ (с& — с0)

при этом падает, причем более интенсивно, чем у ТРД (из-за меньших начальных значений С5 (о>). Подсчеты показывают, что полная реактивная тяга также падает (рис. 5.20). Снижение

Рис.	5.20.	Изменение	Рис. 5.21. Скоростная характеристика
реактивной		тяги ТВД	одновального ТВД (высота 8000 .и)
по	скорости полета

реактивной тяги на скорости полета с0=200—250 м/сек может составить 20—30% от ее взлетного значения.

На рис. 5.21 показана скоростная характеристика одноваль* ного ТВД.

Ограничение винтовой мощности по скорости полета

Непрерывное увеличение винтовой мощности ТВД приводит к увеличению нагрузок (крутящего момента, окружных усилий) на детали редуктора винта. Обеспечение надежной работы это­ го чрезвычайно важного конструктивного узла требует либо увеличения веса редуктора (для большей прочности деталей), либо ограничения величины винтовой мощности, начиная со скорости полета, на которой Nв достигает заданного предель­ ного значения. Ограничение винтовой мощности осуществляет­ ся по крутящему моменту на турбинном валу путем снижения оборотов ТВД или посредством уменьшения температуры газа перед турбиной (например, облегчением винта). Но снижение

Т3 приводит к ухудшению экономичности работы двигателя на режимах полета с ограничением (рис. 5.19).

144

Особенности скоростных характеристик двухвальных ТВД

Рассмотрим особенности скоростных характеристик двух­ вальных ТВД (см. рис. 1.4,6).

Примем, что программа регулирования двигателя включает

следующие условия:
1) лтк =		ямакс = соп51;
2) / г,= сопз1;
3)	/гв = н||а„в (из		условия	обеспечения	г|тв	г|в = макс).			и
В	том	случае	когда при пти = соп54		имеем		^	= сопз1
и!вд	= соп51, условия /5= сопз( и Тз ='Соп$1 эквивалентны.
Пусть по-прежнему на всех скоростях					полета		р / = Р:, =		Р п -
С	увеличением		скорости	полета растет		работа		турбины
винта

11В= ^ В=118Г: ^ 1 -

в соответствии с повышением перепада давлений на ней. Тем пература же газа перед турбиной низкого давления

	^тк __т *	1 -	1
			•0,25 7)твд
	7 Т Г - Га
			хтвд

остается постоянной, так как мы полагаем, что перепад давле­ ний в турбине высокого давления сохраняется постоянным'.

Таким образом, по мере роста скорости полета увеличивает­ ся расход воздуха через двигатель, растет работа турбины низ­ кого давления и винтовая мощность двигателя. Эффективный же расход топлива двигателя уменьшается. Следовательно, по сравнению с характеристикой одновальиого ТВД значения Р„ и Ы0 двухвального ТВД несколько больше, а Сс соответственно меньше благодаря более высоким значениям т|в и С

Рассмотрение скоростных характеристик ТВД приводит к заключению, что с ростом скорости полета винтовая мощность растет, а эффективный расход топлива н е о г р а н и ч е н н о снижается во всем диапазоне дозвуковых и сверхзвуковых ско­ ростей полета.

Означает ли это, что применение ТВД тем выгоднее, чем больше число Мо полета? Нет, такой вывод был бы совершенно неправильным.

1 Это справедливо в тех случаях, когда скорости истечения из первого соплового аппарата турбины низкого давления достигают критических зна­ чений.

145

Основными критериями эффективности ТВД является не винтовая мощность, а суммарная тяга ТВД, не эффективный

расход	топлива, а удельный	расход		топлива	(отнесенный к
1 кГ суммарной тяги).
Из выражений суммарной тяги и удельного расхода топлива
ТВД
	п _	75Лгпт|»	|	п
и
	Суд= 3600 - ^ - = 3600 - - -------- ^ ---------
	РV		с,.	^ С	^ Г„
					8
следует,	что суммарная тяга	ТВД	по	числу	Мо непрерывно

падает, а удельный расход топлива растет, лаже в том идеаль­ ном случае, когда ть=1. Од­ нако падение к. п. д. винта на больших околозвуковых ско­ ростях полета заметно усугуб­ ляет снижение Р у и рост Сул.

Если при одном и том же генераторе газа (т. е. задан­

ных значениях Св,	и 7'з)
проанализировать	сравнитель­
ное протекание	скоростных

характеристик ТВД (л'о^'1) и

Рис. 5.22. Изменение к. п. д. винтя	Рис. о.23.	Сравнение	скоростных
по числу М г ,полета	характеристик ТВД		и	ТРД:
	а — тяги;	о — общие	к.	п. д.

ТРД (л:= 0), то можно сделать вывод, что весьма значительное преимущество ТВД над ТРД по развиваемой тяге и экономич­ ности иа стенде (в 4—5 раз) с ростом числа М0 быстро умень­ шается. Уже при околозвуковых числах М0 (М0«0,85—0,90) из-за резкого падения к. п. д. винта (рис. 5.22) наступает урав­ нивание тяг и удельных расходов топлива ТВД и ТРД (рис. 5.23).

146

Таким образом, область целесообразного использования ТВД по экономичности все еще, как и 15—20 лет назад, огра­ ничена дозвуковыми скоростями полета. Попытки распростра­ нения этой области на сверхзвуковые скорости полета не дали ожидаемых результатов главным образом вследствие трудно­ стей создания сверхзвуковых винтов, имеющих достаточно

высокий к. п. д. на стенде и дозвуковых скоростях полета.
§	3. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВД
Выс о т	н ы ми х а р а к т е р и с т и к а м и ТВД называют

зависимости винтовой или суммарной (эквивалентной) мощно­ сти, а также эффективного расхода топлива от высоты полета при заданной программе регулирования. Подобно скоростной характеристике высотная характеристика может быть получена в летном эксперименте, а также аналитическим путем.

Высотные характеристики одновальных ТВД

Рассмотрим высотную характеристику одновального ТВД с полным расширением газа в турбине при с0= сопз1 и при про­ грамме регулирования, включающей следующие условия:

1) л = с6п81;

2) 7"з= сопН; 3) /-, — сопз! и р \= р .= р н .

Выполнение условий 1) и 2) обеспечивается использованием двух регуляторов (винта и подачи топлива), объединенных в командно-топливном агрегате (КТА).

С увеличением высоты полета вследствие роста общей сте­ пени сжатия увеличивается перепад давлений на турбине и КТА автоматически затяжеляет винт, сохраняя неизменными число оборотов двигателя и температуру газа перед турбиной.

Изменение N „ в зависимости от высоты полета

С поднятием на высоту весовой расход воздуха через дви­ гатель непрерывно уменьшается, причем по такой же законо­ мерности, как у ТРД; удельная же работа винта возрастает

из-за увеличения л т. Так как падение расхода воздуха по

сравнению с изменением является определяющим, то вин­ товая мощность ТВД с поднятием на высоту также падает, однако медленнее, чем Са (рис. 5.24). Падение (V,, на высотах больше 11 км усиливается, так как в этом случае удельная работа винта сохраняет свое значение неизменным. Это объяс­ няется тем, что вследствие 7'и= соп51 прекращается увеличение

«е и

147

На высотах #>11 км им*оем

Рн•

(5.10)

Рис. 5.24. Изменение вин­ товой мощности ТВД с поднятием на высоту

Рис. 5.25. Изменение эффек­ тивного расхода топлива ТВД с поднятием на высоту

Изменение Се в зависимости от высоты полета

С поднятием на высоту эффективный к. п. д. цикла г\е воз­ растает, что обусловлено ростом суммарной степени сжатия

(				Увеличение	эффек-
т г ——-—) и степени подогрева ( Д = ——
	Рн '	\	тн )
тивного к. п. д. приводит к пропорциональному снижению
			*	НиЪ
	которое продолжается вплоть до высо­
	ты 11 км (рис. 5.25). С дальнейшим
	поднятием на высоту вследствие Тн =
	= соп$1 параметры т)е и Се остаются
	постоянными.
	Анализ		выражения Се по формуле
	Се =	3600— —		приводит нас	к тем
			ЛЦл
	же результатам, так как повышение
	оказывается фактором, доминирующим
	над	ростом тт~ (Т * —Г2г).

Рис. 5.26 Высотная характеристика «высотных» ТВД

Высотные ТВД

С поднятием на высоту винтовая мощность ТВД непрерывно падает. Поэтому турбовинтовой двигатель, по­ добно турбореактивному или поршне­ вому, является невысотным двигате­ лем.

148

последние годы ознаменовались интенсивным развитием так называемых высотных ТВД, мощность которых с поднятием до определенной высоты — высоты ограничения — остается посто­ янной. Особенность этих двигателей состоит в том, что они рас­ считаны на прочность не у земли, а на упомянутой высоте огра-

Рис. 5.27. Высотно-скоростные характеристики одновального ТВД

нпчення, т. е. в условиях пониженной плотности среды, а следо­ вательно, при пониженных значениях аэродинамических сил, действующих на лопатки компрессора и турбины, а также мощ­ ности и окружных усилий, действующих на элементы планетар­

ного редуктора.

Таким образом, такой ТВД, имея в высотно-скоростных усло­ виях необходимый запас прочности, оказывается облегченным

149

по сравнению с обычными ТВД, рассчитанными на прочность на максимальной скорости полета у земли.

По мере снижения высоты полета самолета с ТВД нагрузки, передающиеся на основные узлы двигателя, возрастают, и воз­ никает необходимость в ограничении величины параметра Nп. С этой целью нужно снижать обороты двигателя или температу­ ру газа перед турбиной (одновременно облегчая винт). У таких

ТВД	высотная характеристика имеет	вид, изображенный	па
рис.	5.26. Снижение температуры Т*	на высотах, меньших	вы­

соты ограничения, приводит к увеличению С.

С увеличением скорости полета дросселирование 7* делает­

ся более глубоким. Высота же ограничения соответственно воз­ растает.

На рис. 5.27 приведены высотно-скоростные характеристики, высотного одновального ТВД.

НЕУСТОЙЧИВАЯ РАБОТА

гла ва Ц АВИАЦИОННЫХ ГТД

ИМЕРЫ ЕЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

Эксплуатация газотурбинных двигателей в ряде случаев за­ трудняется возникновением неустойчивого режима работы.

Неустойчивая работа ГТД обычно проявляется в пульсациях потока воздуха (газа) в газовоздушном тракте двигателя, что приводит к падению тяги, повышению температуры газа перед турбиной, вибрациям п даже разрушению отдельных элемен­ тов конструкции ГТД.

Эксплуатация ГТД при возникновении неустойчивого режи­ ма недопустима.

В литературе неустойчивая работа двигателя обычно назы­ вается помпажом. Термин «помпаж» означает пульсирующую, неустойчивую работу компрессора. Неустойчивая работа турбо­ реактивного двигателя — явление более широкое, чем неустой­ чивая работа компрессора — одного из его элементов.

Причинами возникновения неустойчивой работы ГТД может быть помпаж компрессора, резкое перемещение рычага управ­ ления двигателя, а также особый режим горения топливовоз­ душной смеси в камерах сгорания ГТД — резонансное горение.

Неустойчивая работа ГТД чаще всего возникает при запуске двигателя (особенно зимой), на переходных режимах (при рез­

150