3.2. Рабочие линии на характеристике кнд и влияние на них различных факторов

Если в ТРДДсм F_кр=const, то на расположение рабочей линии на характеристике КНД может влиять выбор расчетных параметров элементов двигателя:

• расчетной величины площади F_кр.р;

• степени двухконтурности ;

• 

  Рис. 3.6. Влияние площади F_кр на

  расположение рабочих линий на

  характеристике КНД

  и напорности КВД, характеризуемой величиной .

Влияние изменения расчетной площади F_кр.р (или ) на расположение рабочей линии показано на рис. 3.6. Изменяя расчетную величину площадиF_кр.р, можно смещать рабочую линию на характеристике КНД и, тем самым, влиять на взаимосвязь параметров ТРДДсм и на протекание его тягово-экономических характеристик. Рабочая линия на характеристике КВД при этом остается неизменной, если . У ТРДДсм при увеличении площадиF_кр.р преобладающее влияние имеет раздросселирование КНД, возрастание приведенной скорости и увеличение степени двухконтурности. Это, несмотря на уменьшение скольжения роторов, вызывает смещение рабочей линии на характеристике КНД в сторону удаления от границы устойчивых режимов при высоких значениях(рис. 3.6). Но при низких значенияхрабочая линия смещается в меньшей степени. Это объясняется замедлением, а затем прекращением ростаи, если наступает запирание камеры смешения по наружному контуру (). С этого момента прекращается увеличениепри возрастании площадиF_кр, и под воздействием уменьшения S рабочая линия уже смещается к границе устойчивых режимов.

Влияние расчетной степени двухконтурности m₀ на крутизну расположения рабочей линии в поле характеристик КНД состоит в следующем. Чем выше расчетная величина , тем значительнее рабочая линия удаляется от границы устойчивых режимов работы при пониженных значениях, как показано на рис. 3.7а.

Влияние m можно объяснить, если составить уравнение неразрывности для сечения на выходе из КНД и на входе в КВД. В этом случае

q(_кНД) = (1+m)q(_вВД) const. (3.8)

В формуле (3.8) величина (1+m) повышается при снижении и тем значительнее, чем выше. Это и приводит к более интенсивному увеличениюq(_кНД) и раздросселированию КНД.

Влияние величины на расположение рабочей линии в поле характеристик КНД показано на рис. 3.7 б. Увеличение приводит к более интенсивному снижениюq(_вВД) КВД при уменьшении (рис. 3.7 в).

а) б)	в)
Рис. 3.7. Влияние m0 и на расположение рабочих линий на характеристике КНД и q(вВД) вдоль рабочих линий при = const

По этой причине КВД оказывает более сильное дросселирующее влияние на поток воздуха, протекающий через КНД. Это вызывает приближение рабочей линии на характеристике КНД к границе его устойчивой работы при уменьшении (рис. 3.7б).

3.3. Формирование программ управления трддсм

Программа управления влияет на протекание характеристик двигателя. Важными являются режимы, на которых от двигателя требуют получения наиболее высоких значений тяги. У всех типов самолетов значительную роль играет обеспечение высокой экономичности на крейсерских режимах полета.

Другим важным требованием к программе управления двигателя является обеспечение эксплуатационных ограничений. Оно сводится к недопущению механических и тепловых перегрузок элементов конструкции двигателя и к предотвращению неустойчивых режимов работы каскадов компрессора.

Прочностные ограничения вводятся из условия сохранения допустимых запасов прочности в элементах конструкции при изменении условий полета и режимов работы двигателя. Характерным для всех ГТД является ограничение максимально-допустимых частот вращения роторов n_max, а также максимально-допустимой температуры газа перед турбиной . Указанные параметры очень сильно влияют на запасы прочности лопаток и дисков каскадов турбомашин.

Рис. 3.8. К определению ограничения

по К_у.min

Ограничения по запасу устойчивости каскадов компрессора вводится в тех случаях, когда величина запаса устойчивости К_у одного из каскадов приближается к минимально допустимому при данных условиях полета значению. У ТРДДсм при снижении приведенных частот вращения каскадов компрессоров в условиях их реального регулирования величины К_у.ВД и К_у.НД обычно повышаются и ограничений по запасу устойчивости вводить не требуется. Ограничение по К_у.min у этих двигателей, как правило, наступает в области режимов, где приведенные частоты вращения каскадов компрессора достигают величин более 100% и дальнейшее повышение уже недопустимо. Тогда ограничиваемыми параметрами являются величиныили.

Определение предельно допустимых значений приведенных частот вращения каскадов компрессора производится после построения рабочих линий на их характеристиках. Способ определения допустимого значения К_у.доп КВД в качестве примера иллюстрирует рис. 3.8. Как видно, в расчетной точке «р» (при = 1,0) величинаК_у.р здесь составляет 15%. Но при = 1,05 (точка 1) запас устойчивости снижается до минимально-допустимого значения, которое в данном примере принято равным 10%, а при= 1,1 (точка «в») уже К_у = 0, а следовательно, возникает потеря устойчивости КВД («верхний срыв»). В данном случае величине = 1,05 соответствует вполне определенная величина, которая и принимается в качестве предельно-допустимой. У ТРДДсм всякий раз, когда программой управления задана рабочая линия на характеристике КНД, между рабочими точками на рабочих линиях КНД и КВД устанавливается однозначная связь, и значениюоднозначно соответствует определенная величина. Поэтомунезависимо от того, какой каскад вызывает необходимость ограничения максимально допустимой приведенной частоты вращения,это ограничение вводится исходя из условия .

Если для двигателя установлены величины основных ограничиваемых параметров, то может быть определена (сформирована) программа управления на режимах ограничения. Переход на повышенные режимы работы двигателя связан с одновременным увеличением температуры , а также физических и приведенных частот вращения роторов.

Под режимами ограничения подразумеваются такие режимы, при которых какой-либо из ограничиваемых параметров достигает предельно допустимого значения. В условиях ограничения двигатель, как правило, работает на максимальном режиме.

Формирование программы управления для максимального режима рассмотрим в качестве примера при условии, что система управления двигателем обеспечивает заданное расположение рабочей линии на характеристике КНД и свободным является только один управляющий фактор – расход топлива G_т. В этом случае в качестве управляемого может быть принят только один какой-либо параметр. Им может быть ,,,. Задание закона изменения одного из этих параметров однозначно определяет изменение всех остальных параметров.

Программы управления изображают в виде зависимостей управляемых параметров от температуры , которая характеризует влияние на двигатель внешних условий. Изменение условий полета (М_Н и Н) или атмосферных условий (р_Н, Т_Н) приводит к изменению температуры на входе в двигатель и соответственно приведенных частот вращения роторови, а как следствие этого, к изменению основных параметров элементов двигателя по их рабочим линиям (;;;;;;,…) и параметров ТКМ (;;;;;,…). Взаимосвязь параметров при той или иной программе управления будет в каждом конкретном случае своя. Она зависит от расчетных параметров и индивидуальных свойств характеристики элементов двигателя.

При каждом заданном значении температуры на предельных режимахможно вводить ограничение только на один какой-либо параметр (по максимально-допустимой его величине).

Формирование программы управления на предельных режимах сводится к выявлению на этих режимах ограничиваемых параметров в зависимости от температуры . Вначале назначают, исходя из газодинамических и прочностных расчетов, предельные значения ограничиваемых параметров. Они могут быть либо постоянными величинами (при любых условиях полета)

; ;;, (3.9)

либо величинами, зависящими от температуры .

Зная требуемое изменение ограничиваемых параметров по температуре и имея взаимосвязь их с остальными параметрами, устанавливаемую характеристиками ТКМ, находят значения параметров, при которых может наступать каждое из рассмотренных ограничений.

Для каждого ограничиваемого параметра величина имеет свою функциональную зависимость от температуры. В частности при однопараметрической системе управления (когда задана рабочая линия на характеристике КНД) все параметры ТКМ взаимосвязаны таким образом, что задание какого-либо одного из ограничиваемых параметров позволяет определить все остальные – в том числе значения , соответствующие этому ограничиваемому параметру.

Технология определения этих зависимостей для различных ограничений состоит в следующем:

1. Для ограничения по эта зависимость, очевидно, имеет вид:.

2. Зависимость для ограничения поопределяется из соотношения.

Подставляя в эту формулу величину , найденную по условиям прочности, и варьируя температурой, получаем искомую функцию.

3. Величины для ограничения поопределяются через параметр. По этим величинам, найденным при различных значениях температуры, с помощью характеристики ТКМ определяются зависимостьдля предельных режимов по.

4. Зависимость для ограничения поопределяется с использованием формулы (3.7), по которой , а переход косуществляется с использованием зависимости, взятой из характеристик ТКМ.

Характер зависимостей отпри рассматриваемых ограничениях показан на рис. 3.9.

Из четырех рассмотренных управляемых параметров (,,,) в однопараметрической системе управления двухвального ТРДДсм при стабилизации одного из них остальные изменяются, причем это изменение однозначно определяется температуройна входе в двигатель, либо величиной.

Определив значения для каждого из рассматриваемых ограничиваемых величин, строят графики зависимостей этих величин от температуры. Вследствие различного наклона указанных кривых они между собой пересекаются, как показано на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Определение линии предельных режимов	Рис. 3.10. Комбинированная программа управления ТРДДсм

Огибающая этого семейства кривых снизу, именуемая линией предельных режимов (ЛПР), дает комбинированную программу управления двигателя при заданных ограничениях. Как видно, в каждом диапазоне температур (между вертикальными штриховыми линиями) действует свое какое-либо ограничение. Точки излома указанной линии предельных режимов соответствуют переходу от одного ограничения к другому. Зная, что в диапазоне возможного изменения температурыкакой из параметров выходит на ограничение, далее находят изменение всех остальных управляемых параметров от температуры.

На рис. 3.10 в качестве примера изображена комбинированная программа управления ТРДДсм на предельных режимах, имеющая четыре участка: I – n_{НД.пр.max} = const; II – n_НД.max = const; III – = const;IV – n_{ВД. max} = const.

На участке I при низких значениях температур ограничиваемым параметром является, причем условиюn_НД.пр = const соответствует n_ВД.пр = const и поэтому соблюдается подобие режимов ТКМ. В этом случае с ростом температуры , как указывалось,n_НД и n_ВД увеличиваются пропорционально , а температураизменяется пропорционально. Такое управление обеспечивает постоянство величинК_у.ВД и К_у.НД.

На участке II достигается ограничение по , причем поддержаниеn_НД.max = const требует значительного увеличения температуры , что вызывает раскрутку ротора высокого давления. Следовательно, на участкеII автоматически обеспечивается «температурная раскрутка» РВД при увеличении температуры (росте числа М полета). Это способствует увеличению крутизны нарастания тяги по числу М полета, что благоприятно сказывается на соотношении потребных и располагаемых тяг.

Физические причины появления «температурной раскрутки» РВД, т.е. возрастания иприn_НД = const и увеличении связано с особенностями рассогласования ступеней каскадов компрессора. Увеличение температурына входе в компрессор вызывает уменьшение приведенных частот вращения и степеней повышения давления обоих каскадов. Вызванное этим рассогласование ступеней приводит к тому, что первые ступени переходят на повышенные углы атаки, они «затяжеляются», а последние ступени переходят на пониженные углы атаки, они «облегчаются».Как распределяются «облегчающиеся» и «затяжеляющиеся» ступени в каскадах по их количеству зависит от расчетной величины и ее распределения между КНД и КВД. Для современных ТРДДсм они таковы, что «затяжеляются» все ступени КНД и часть первых ступеней КВД, а «облегчаются» последние ступени КВД.

Следовательно, для поддержания n_НД = const, поскольку КНД «затяжеляется», нужно повышать температуру . Это и является причиной возрастанияn_ВД, т.е. «температурной раскрутки» РВД. Следует отметить, что «затяжелению» РНД с увеличением у двухвальных ТРДДсм, в отличие от ТРД, дополнительно способствует возрастание степени двухконтурности. Повышениеу ТРДДсм при увеличении(по сравнению с двухвальным ГГ ТРД) требует дополнительного повышения температуры газа перед турбиной для обеспеченияn_НД = const. Интенсивность раскрутки РВД зависит также от параметров и свойств самого КВД. Если КВД имеет , то, как указывалось, он при увеличенииобычно склонен к «затяжелению»; а при меньших значениях– к «облегчению». Влияет на поведение КВД его регулирование поворотом лопаток НА группы первых ступеней. При увеличениии снижениилопатки НА КВД поворачиваются на прикрытие, т.е. на уменьшение углов атаки регулируемых ступеней, что снижает степень «затяжеления» КВД, либо вызывает его «облегчение». Если КВД склонен к «затяжелению», то увеличениена участкеII, где n_НД =const, будет происходить медленнее, чем в случае «облегчающегося» КВД, но температурная раскрутка на этом участке всегда будет иметь место.

На участке III (рис. 3.10) своего максимально допустимого значения достигает температура . При поддержаниив рассматриваемом примере, как видно, продолжается увеличениес ростом температуры(в данном случае КВД является «облегчающимся»). Вступление в работу ограничителя температурыприводит к замедлению темпа нарастанияпо, а частота вращенияначинает падать.

На участке IV в случае «облегчающегося» КВД уже возникает потребность ограничения , что сопровождается уменьшениеми еще более сильным, чем на участкеIII, снижением с увеличением.

Степень двухконтурности и скольжение роторов на участке I сохраняются неизменными, так как здесь n_НД.пр = const и n_ВД.пр = const, а далее с ростом величинавсе время уменьшается, поэтому степень двухконтурностии скольжение ротороввозрастают. Чем интенсивнее снижается, тем значительнее повышаютсяи.

Причины увеличения степени двухконтурности и скольженияу ТРДДсм при снижениибыли рассмотрены ранее. Как указывалось, величинаопределяется по формуле (3.1). Она при повышенииувеличивается вследствие сниженияq(_в)_ВД и повышения q(_II).

Темп нарастания тяги по числу М полета определяется в первую очередь интенсивностью повышения с ростом М_Н температуры и расхода воздухаG_в.