книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок
.pdfРис. 4.4. Образование срыва потока на РЛ компрессора. Запуск с закрытым перепуском воздуха из-за КВД
на режимах запуска зависит от создаваемого комп рессором давления воздуха и от подогрева воздуха
вКС. Величина допустимого подогрева воздуха
вКС определяется из условия обеспечения устой чивой работы компрессора во всем диапазоне пус ковых режимов.
4.1.12. Регулирование компрессора на пусковых режимах
Осевые компрессоры современных ТРД на мак симальном режиме имеют степень сжатия 16...20. Напомним, что характеристики компрессора выби раются из условия минимизации потерь посред ством обеспечения безотрывного обтекания лопа ток на расчетном режиме.
На пониженных (по сравнению с расчетным) режимах работы осевые скорости движения воз духа через ступени компрессора отличаются от значений на расчетном режиме. Скорость воздуха на входе в компрессор изменяется только за счет изменения расхода воздуха через двигатель (плот ность воздуха во входном сечении остается посто янной). Во всех последующих ступенях эта ско рость изменяется за счет изменения не только расхода, но и плотности воздуха.
Из условия неразрывности потока для сечений на входе в компрессор и выходе из него можно по лучить выражение для отношения осевых скорос тей в указанных сечениях:
C J C b = f x / W . |
(4.3) |
гдеУ! и СХа- площадь сечения и скорость воздуха на входе в компрессор,
и С^- то же на выходе из компрессора, як - степень сжатия воздуха в компрес
соре,
п- показатель политропы сжатия.
При неизменных (для конкретного двигателя) площадях сечений^ иf 2отношение осевых скоро стей зависит только от степени сжатия. С умень шением оборотов степень сжатия воздуха в комп рессоре уменьшается и соответственно этому отношение осевых скоростей на выходе из ком прессора и входе в него увеличивается. Т.е. осевая скорость на входе в компрессор при уменьшении оборотов падает быстрее, чем на выходе. Из при веденного уравнения видно, что чем больше сте пень сжатия на расчетном режиме, тем больше рас согласование между скоростями воздуха на входе
111
Регулирование компрессора на пусковых режи мах осуществляется специальными устройствами, которые позволяют обеспечить оптимальные тре угольники скоростей на первых ступенях посред ством перепуска воздуха из-за определенных сту пеней компрессора и изменения угла установки лопаток НА.
Перепуск воздуха осуществляется автоматичес ки по заданному алгоритму управления. Воздух перепускается через специальные клапаны или зас лонки, установленные на корпусе компрессора.
При перепуске воздуха через клапаны заслон ки расход воздуха до места отбора увеличивается, при тех же оборотах компрессора. Это приводит
кросту осевой скорости на входе в компрессор,
куменьшению угла притекания воздуха к профи лям лопаток компрессора и исключению срыва потока (см. рис. 4.5).
Такую же по весомости роль в обеспечении на дежности запуска, как и система перепуска воздуха, играет начальное положение НА первых ступеней компрессора. Поворот лопаток НА первых ступеней
всторону вращения РК (отрицательный угол) при водит к изменению направления скоростей потока до получения оптимального обтекания (см. рис. 4.6).
4.2. Особенности пусковых систем наземных ГТУ
При проектировании ПС для наземных ГТУ применимы принципы построения ПС авиацион ных двигателей, с учетом особенностей конструк ции, используемых топлив, области и условий эк сплуатации, требований по массе и габаритам.
Как правило, наземные ГТУ для привода ГПА или для ГТЭС создаются на основе газогенерато ров авиационных двигателей. При этом САУ и сис тема топливопитания проектируются заново для работы на газообразном или жидком топливе (в за висимости от требований заказчика). При проек тировании максимально используются узлы базо вого авиационного двигателя.
Для ГТУ, в отличие от авиационного двигателя, требуется предварительная прокрутка ротора пус ковым устройством для продувки проточной час ти и удаления из нее остатков газового топлива. Запуск производится с установившейся частоты вращения ротора. Число включений стартера на один час работы наземной ГТУ меньше, чем на авиационном двигателе.
К ГТУ наземного применения массово-габарит ные требования значительно ниже, чем для авиа ционных двигателей. Поэтому спектр применяе мых пусковых устройств по рабочему телу широк. Это могут быть турбодетандерные стартеры (ра
4.2. Особенности пусковых систем наземрных ГТУ
ботающие на сжатом газе или воздухе), электри ческие машины или гидравлические стартеры. Применение конкретного типа пускового устрой ства определяется требованиями заказчика, нали чием энергетических ресурсов и экологическими требованиями.
В отличие от авиационного двигателя на на земных ГТУ применятся перепуск газа минуя СТ, что повышает перепад давления газа на турбине ВД, а следовательно, и работу (мощность) этой турбины.
Контрольные вопросы
1.Перечислите функции системы запуска
2.Какие системы и устройства задействованы при запуске двигателя?
3.Какими соображениями определяются требова ния к области надежного высотного запуска?
4.Что такое коэффициент надежности запусков?
5.Охарактеризуйте этапы запуска двигателя
6.Что такое «дорожка запуска»?
7.Какими соображениями определяется выбор типа стартера?
8.Почему на современных двигателях не приме няют запуск двухроторного двигателя путем рас крутки ротора низкого давления?
9.Как на режиме запуска регулируется работа ком прессора?
10.В чем состоят особенности систем запуска на земных газотурбинных установок?
Англо-русский словарь-минимум
atomizerраспылитель, форсунка
fuel atomizer - топливная форсунка
air - blast atomizer - форсунка с воздушным распылом swirl atomizer - вихревая (центробежная) форсунка
blowoutсрыв пламени
rich blowout - срыв пламени при переобогащении сме си («богатый» срыв)
burner - форсунка, горелка, камера сгорания pilot burner - воспламенитель
cranking - прокрутка
dry cranking - холодная прокрутка
wet cranking - холодная прокрутка с подачей топлива (ложный запуск)
distributorраспределитель
fuel distributor - топливная форсунка disturbanceвозмущение
combustion disturbance - неустойчивость (неравномер ность) горения
die-out- срыв пламени
lean die-out - срыв пламени при обеднении смеси («бед ный» срыв)
flameoutсрыв пламени
lean flameout - срыв пламени при обеднении смеси («бедный» срыв)
113
Глава 4. Пусковые системы
rich flameout - срыв пламени при переобогащении смеси («богатый» срыв)
fuel/air mixture - топливовоздушная смесь hang-up - зависание
igniter - запальная свеча, воспламенитель igniter plug - свеча зажигания
ignition - зажигание, воспламенение injector - форсунка, распылитель, головка fuel injector - топливная форсунка
jetструя, жиклер, реактивный двигатель fuel jet - топливная форсунка (жиклер) metering jet - дозирующий жиклер swirl jet - центробежная форсунка
light-off - срыв пламени light-up - воспламенение limit - граница, предел
rick limit - границы срыва пламени при обогащении
смеси
weak limit - граница срыва пламени при обеднении смеси («бедная» граница)
margin - край, запас
learn blowout margin - граница срыва пламени при обеднении смеси («бедная» граница)
stall margin - запас по срыву (помпажу) surge margin - запас по помпажу
motoring - прокрутка
nozzle - сопло, форсунка, жиклер aerating fuel nozzle - airblast [fuel] nozzle -
airspray [fuel] nozzle - [топливная] форсунка с воздуш ным распылом
centrifugal nozzle - центробежная форсунка dual orifice nozzle -
duple[x][spray] nozzle - двухконтурная (двухканальная) форсунка
fuel nozzle - топливная форсунка
igniter fuel nozzle - форсунка воспламенителя simplex [spray] nozzle -
single orifice nozzle - одноканальная (одноконтурная) форсунка
spray nozzle - распылительная (струйная) форсунка swirl nozzle - завихритель, центробежная форсунка vortex nozzle - вихревая (центробежная) форсунка
reignition - повторное воспламенение (запуск)
relighting] - повторное зажигание (запуск), встречный запуск flight relight[ing] - запуск в полете
restarting] - повторный запуск rotating stall - вращающийся срыв spark - искра, свеча зажигания
start - запуск
air start - запуск в полете
false start - неудавшийся запуск
hot start - горячий запуск (с забросом температуры
газа)
hung start - затяжной запуск stagnated start - затяжной запуск
starter - стартер
air [turbine] starter - воздушный стартер electric starter - электростартер
fuel-air combustion starter - газотурбинный стартер gas turbine starter - газотурбинный стартер pneumatic starter - воздушный стартер
turbine starter - турбостартер starting - запуск
gross - bleed starting - запуск от работающего двига
теля
turning - прокрутка, вращение unit - агрегат
ignition unit - агрегат (коробка) зажигания transformer [exiter] unit - агрегат зажигания
Список литературы
4.1.Литвинов, Боровик. Характеристики и эксплуатацион ные свойства авиационных турбореактивных двигателей,- М: Машиностроение, 1979.-288 с.ил.
4.2.Алабин, Кац, Литвинов. Запуск авиационных газотур бинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1968. - 228 с.
4.3.Кац, Жаров, Винокуров. Пусковые системы авиацион ных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1976.
- 220 с.
4.4 Шляхтенко. Теория воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1975. - 568 с.
Глава 5
ВОЗДУШНЫЕ СИСТЕМЫ ГТД
Среди систем обеспечивающих функциониро вание ГТД (в том числе на объекте применения) есть ряд систем и устройств, работающих на от бираемом из газовоздушного тракта (ГВТ) возду хе, энергия которого в последующем полностью или частично не используется для создания тяги или мощности ГТД [5.1]. Совокупность этих уст ройств и протекающих в них потоков образуют воздушную систему (ВС) ГТД, часто называемую системой вторичных воздушных потоков. При этом потоки называют вторичными потоками (ВП)*, а сам воздух - вторичным воздухом (ВВ).
5.1. Функции ВС
ВС обеспечивают:
-охлаждение деталей «горячей» части двига теля, в том числе корпусов компрессора, турбины
всистемах управления радиальными зазорами; элементов подшипниковых опор; масла, циркули рующего в маслосистеме двигателя; агрегатов, коммуникаций и др.
-наддув уплотнений масляных полостей под шипниковых опор; полостей, формирующих опти мальные для работы радиально-упорных подшип ников осевые силы роторов;
-подогрев воздухозаборников, входных корпу
сов, лопаток ВНА (для защиты от обледенения); некоторых агрегатов, топлива, масла при низких температурах;
- отбор и подачу сжатого воздуха на нужды объектов применения ГТД; в воздушно - турбин ные приводы генераторов, устройств запуска (стар теров), пневмоприводных исполнительных меха низмов реверсивных устройств, регулируемых сопел, элементов механизации компрессора, агре гатов управления вторичными потоками и т.д.
На осуществление этих функций может расхо доваться более пятой части воздуха, поступающе го на вход в ГТД (для ТРДД - на вход во внутрен ний контур двигателя).
Пример построения схемы общей ВС авиацион ного ТРДД CFM56-5 представлен на рис. 5.1. Как видно из рисунка, современные ТРДД имеют дос таточно сложные и развитые общие ВС.
Нетрудно заметить, что ВС ГТД по существу со стоит из разветвленной сети каналов, с протекаю щим по этим каналам вторичным воздухом. Поэто му при анализе работы ВС (в частности, при гидравлическом расчете) ее часто представляют в виде графа, ветви которого соответствуют харак терным частям каналов, а узлы - местам соедине ния отдельных каналов в единую систему.
На рис. 5.2 показан фрагмент графа ВС ГТД. Каждый кружок означает полость в системе воз душных каналов, соединенную рядом гидравличес ких сопротивлений с соседними полостями. Двой ными кружками обозначены конечные элементы гидравлической сети (полости, в которые сбрасы вается вторичный воздух, в данном случае - про точная часть двигателя). Двойными кружками на графах ВС обозначаются также и источники под водимого в ВС вторичного воздуха.
Для удобства анализа общие ВС часто рассмат риваются как совокупность взаимодействующих между собой и с окружающей средой локальных ВС. В качестве локальных ВС могут быть выделе ны, например, система охлаждения турбины, сис тема наддува и охлаждения опор (фрагменты этих систем, в частности, представлены на рис. 5.2), также система активного управления радиальны ми зазорами (САУРЗ), противообледенительная си стема (ПОС), система кондиционирования возду ха (СКВ) самолета и др. Граф общей ВС в этом случае также может быть представлен в виде со вокупности графов соответствующих локальных ВС или даже отдельных их отдельных частей.
На рис. 5.3 изображен пример схемы ВС услов ного ГТД, состоящей из трех ВП различного на значения, а именно:
-ВП «А» - предназначенного для охлаждения соплового аппарата турбины;
-ВП «Б» - системы отбора воздуха на нужды объекта применения (в кабину самолета);
-ВП «В» - предназначенного для обогрева ло паток ВНА с целью их защиты от обледенения.
-ВВ потока «А», проходит по каналам в лопат ках, подогревается и поступает в ГВТ, где смеши вается с основным воздухом и уже в составе основ ного потока газа продолжает движение до выхода из реактивного сопла, тем самым участвуя в соз-
* - Вторичные потоки не следует смешивать с вторичными течениями, например, в межлопаточных каналах компрессора, турбины [5.2].
- К вторичным потокам не относятся различного рода утечки, которые могут иметь место в соединениях элементов конст рукции ГТД (стыках и сопряжениях корпусных и роторных деталей, соединениях трубопроводов и т.д.).
115
Глава 5. Воздушные системы ГТД
бираемого от ступени, может протекать в весь ма малые промежутки времени. Это обстоятельство должно приниматься во внимание при проектировании воздушных систем и может быть положено в основу следующего основного требования к воздушным системам авиационных ГТД.
2.ВС ГТД должна обеспечивать работу одной локальной ВС без влияния на работу другой.
В системах с переключением ступеней должна быть исключена возможность даже кратковремен ного сообщения полостей отбора высокой и низкой ступени компрессора из-за возможности снижения его устойчивости и возникновения помпажа.
Этим обусловлено требование к ВС, которое может быть сформулировано как:
3.Работа ВС ГТД не должна снижать запасы устойчивости компрессора.
Это требование обеспечивается конструкцией распределительных устройств переключения сту пеней компрессора.
4.Воздух, отбираемый из компрессора в ВС, особенно в СКВ, не должен содержать паров мас ла, механических частиц загрязнений и т.д.
Это требование обеспечивается конструкцией уплотнений масляных полостей, параметров сис темы их наддува, а также правильным выбором мест отбора воздуха в ВС.
5.3.Общие и локальные ВС ГТД
Как уже было сказано выше, общая ВС ГТД мо жет быть представлена как совокупность локаль ных (или частных) ВС, обеспечивающих функци онирование систем, агрегатов и устройств, как собственно ГТД, так и объекта его применения.
К наиболее важным локальным ВС ГТД, в час тности, относятся:
-система охлаждения турбины,
-система наддува уплотнений масляных поло стей и охлаждения подшипниковых опор ( корочесистема наддува и охлаждения опор),
-система защиты элементов двигателя ( вход ного корпуса, кока, лопаток ВНА и т.п.) от обледе нения ( противообледенительная система - ПОС),
-система отбора воздуха на нужды объектов применения ГТД.
Эти системы потребляют основное количество отбираемого от ГТД вторичного воздуха и в свою очередь могут состоять из локальных подсистем. Так система отбора воздуха на нужды объекта при менения ГТД в свою очередь может быть представ лена как совокупность расположенных на двига теле (или входящих в комплект поставки двигателя) составных частей локальных ВС самого объекта
применения. К типовым и наиболее важным ло кальным ВС летательных аппаратов, составные части которых (систем) могут быть расположены на двигателе, в частности, относятся:
-система кондиционирования воздуха (СКВ),
-ПОС воздухозаборников, крыла, оперения. Кроме этого, в зависимости от типа летатель
ного аппарата, в составе общей ВС авиационного ГТД могут быть выделены локальные системы (или их составные части), которые осуществляют сле дующие функции:
-наддув топливных и гидравлических баков,
-охлаждение масла, циркулирующего в маслосистеме приводов генераторов переменного тока,
-сдув пограничного слоя,
-обеспечение сжатым воздухом управляющих устройств (воздушных сопел) самолетов вертикаль ного взлета и посадки [5.3].
Более подробно с вопросами конструкции и ра боты воздушных систем летательных аппаратов можно ознакомиться в [5.4, 5.5, 5.6, 5.7].
К наиболее важным и «воздухоемким» ВС объектов применения промышленных ГТД отно сятся ПОС воздухоприемных устройств газотур бинных электростанций (ГТЭС) и газоперекачива ющих агрегатов (ГПА).
5.4.Работа локальных ВС
Основной принцип работы локальных ВС зак лючается в том, чтобы «отобрать» воздух из ГВТ и доставить его к потребителю с необходимыми па раметрами (по Р*, Т* и чистоте) и в нужном коли честве (G).
Тогда задача сводится к определению мест отбо ра воздуха из ГВТ, при необходимости - его подго товке (по параметрам), транспортировке в нужное место с допустимыми (минимальными) потерями и, наконец, определению мест и транспортировке от работавшего воздуха туда, куда его можно «сбро сить» с максимальной эффективностью. При этом подразумевается, что ([5.8, 5.9, 5.10]):
Р*ОТБОРА > р* ПОТРЕБИТЕЛЯ > р СБРОСА
Схему отборов в ВС рассмотрим на примере авиационного ТРДД ПС-90А (см. рис. 5.4). Воздух в ВС двигателя отбирается из канала наружного контура, из-за подпорных ступеней, а также из-за 6-й, 7-й и 13-й ступеней КВД.
Воздух из канала наружного контура использу ется:
- В1 - на продувку воздухо-воздушного тепло обменника (ВВТ) СКВ самолета,
118
611
j g хтнчиихои тиодод -p-g
