5.7. Дроссельные характеристики турбовальных двигателей

Рис. 5.12. Дроссельные характеристики турбовального двигателя

В отличие от дроссельных характеристик ГТД прямой реакции, которые при М = const в ряде случаев могут быть представлены в виде критериальных зависимостей от одного критерия подобия – приведенной частоты вращения , у турбовальных двигателей, как уже указывалось, такая возможность исключается. Это объясняется тем, что приn_т.к.пр = const у них режимы подобия на свободную турбину не распространяются, поскольку она работает при условииn_с.т = const, а следовательно, у нееn_с.т.пр const. Поэтомудроссельными характеристиками турбовальных двигателей называют зависимости мощности на валу свободной турбины N_е и удельного расхода топлива С_е от физической частоты вращения ротора ГГ n_т.к при заданных атмосферных условиях р_Н и Т_Н или, что то же самое, при заданных значениях температурыТ_Ни высоты полетаН. Они имеют вид, показанный на рис. 5.12.

Физическое объяснение протекания дроссельных характеристик турбовального ГТД имеет много общего с ГТД других типов. При увеличении n_т.к возрастает G_в. Повышается также работа L_с.т = L_ц, поскольку увеличиваются параметры термодинамического цикла  и . Это приводит к интенсивному возрастанию N_e.

Внутренний КПД с увеличением n_т.к все время возрастает, как и у любого другого ГТД, вследствие одновременного повышения  и . Отличие от ТРД и ТРДД состоит в том, что турбовальный ГТД является чисто тепловым двигателем и эффективность использования теплоты в нем оценивается только величиной _вн, как это следует из формулы (5.5). Поэтому с увеличением n_т.к величина С_е все время снижается. У ГТД прямой реакции при определении С_уд приходится учитывать еще тяговый КПД, который при повышении режима работы двигателя снижается, что приводит к появлению на дроссельной характеристике этих двигателей характерной «ложки», аналогичной той, которая наблюдается при анализе зависимости С_уд от  при  = const. У турбовальных ГТД минимум С_е обеспечивается на максимальном режиме.

На дроссельной характеристике принято отмечать точки, соответствующие крейсерскому, номинальному и максимальному режимам.

5.8. Климатические характеристики турбовальных двигателей

Климатическими характеристиками турбовальных ГТД называются зависимости N_e и С_е от температуры Т_Н на разных высотах полета. Следует отметить, что изменение только барометрического атмосферного давления р_Н не приводит к изменению режима работы ГГ. Не изменяется при этом также и L_с.т. Величины же G_в и N_е изменяются пропорционально р_Н, что легко учитывается расчетом. Поэтому климатические характеристики турбовальных ГТД рассматривают в зависимости от двух параметров, характеризующих внешние условия – температуры Т_Н и высоты полета Н.

Климатические характеристики могут быть определены для ГТД любого типа. Но при изучении характеристик ТРД и ТРДД на этом вопросе внимание не заостряется по той причине, что, имея дроссельные характеристики этих двигателей при стандартных атмосферных условиях, их можно пересчитать на другие атмосферные условия путем использования формул подобия. Для турбовальных двигателей такой пересчет произвести нельзя, поскольку, как указывалось, при n_т.к.пр = const подобие режимов не распространяется на свободную турбину, а следовательно, и на весь двигатель в целом.

При заданном (например, максимальном) режиме работы двигателя и при отсутствии эксплуатационных ограничений повышение температуры окружающего воздуха при условии р_Н = const приводит при n_т.к = const к снижению мощности двигателя и к увеличению его удельного расхода топлива (штриховые линии на рис. 5.13). Снижение N_е с ростом Т_Н физически объясняется уменьшением расхода воздуха через двигатель (вследствие падения его плотности), а также уменьшением работы L_с.т (вследствие снижения и соответственно _с.т при снижении n_т.к.пр с ростом температуры Т_Н). Возрастание C_е обусловлено падением внутреннего КПД вследствие уменьшения  и .

Рис. 5.13. Климатические характеристики

при Н =Н_р:с учетом и - - - - без учета

эксплуатационных ограничений

Такое влияние температуры Т_Нна изменениеN_еявляется неблагоприятным с точки зрения согласования потребной мощности для полета вертолета, которая от температурыТ_Н практически не зависит, и располагаемой мощности двигателя, сильно снижающейся с ростомТ_Н. Это противоречие может быть преодолено уменьшением полезной нагрузки вертолета в условиях жаркого климата, либо установкой более мощного двигателя, подбираемого из условий обеспечения полета при высоких значениях температурыТ_Н. Этому последнему условию отвечают высотные турбовальные двигатели. У них при работе у земли и в некотором диапазоне высотН Н_pдвигатель работает с ограничением поN_{е max}, т.е. он в той или иной степени задросселирован. В таком случае на рассматриваемой высоте полета величинаN_ес ростом температурыТ_Нвначале поддерживается постоянной за счет увеличенияn_т.ки температурыдо выхода ГГ на расчетный режим работы.

Климатические характеристики высотного турбовального двигателя на максимальном режиме с учетом эксплуатационных ограничений для случая Н = Н_р представлены на рис. 5.13 сплошными линиями. Их протекание легко объяснить с использованием рис. 5.8, на котором для этого же случая показано изменение параметров в областях соответствующих ограничений. Постоянная максимальная мощность N_е поддерживается в области II (рис. 5.13) за счет раскрутки ротора ГГ. В точке «р» двигатель выходит на ограничение по n_т.к.max и только с этого момента N_е при дальнейшем возрастании Т_Н начинает падать – вначале на участке III более медленно (вследствие повышения температуры ), а на участкеIV более интенсивно (вследствие снижения n_т.к в области ограничения по ). На участкеI снижение мощности при уменьшении Т_Н вызвано необходимостью поддержанияn_т.к.пр = const из условияK_у.min =const, что требует более интенсивного дросселирования двигателя, чем на участкеII. Некоторое увеличениеС_ев областяхI,IIиIV(по сравнению со штриховой линией) связано со снижением_вниз-за уменьшенияn_т.к. На участкеIвеличинаС_есохраняется практически постоянной (вследствие неизменности параметрови).

Рис. 5.14. Объединенные дроссельно-климатические характеристики

при n_с.т = 100% иН = 1 км

На высотах, меньших расчетной, диапазон температур, соответствующих условию N_е.max = const, существенно расширяется. В частности, на взлетном режиме (приН = 0), как это видно из рис. 5.9, условиеN_е.max = const обеспечивается во всем диапазоне температурТ_Н <Т_Н3, в том числе на участке0-3приТ_Н > 288 К.

Поддержание постоянства мощности ТВаД на взлетном режиме при увеличении температуры Т_н до определенного значения является важным эксплуатационным показателем вертолетного двигателя. Эти температуры могут составлять 30…40С.

Объединенные дроссельно-климатические характеристики турбовального двигателя ТВ3-117 при Н = 1 км изображены на рис. 5.14. Они представляют собой совокупность дроссельных характеристик при различных значениях температуры t_Н,°C. На рис. 5.14 а показано изменение мощности двигателя N_e , а на рис. 5.14 б – расхода топлива G_т от относительной частоты вращения ротора ГГ ,%. Выход на тот или иной режим ограничения зависит от величины температурыt_Н. При t_Н < –40 С достигается ограничение по n_{т.к.пр.max}, в диапазоне t_Н от –40 С до +15 С наступает ограничение по N_е.max, а при t_Н > 15 С – по . Отштрихованными линиями на рис. 5.14 отмечены режимы, соответствующие максимальному, номинальному и крейсерскому режимам работы двигателя.