книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей
..pdfи ТРД определяется особенностями протекания линий рабочих режимов на характеристике компрессора.
Ранее мы выяснили, что степень расширения турбины ДТРД значительно больше, чем у исходного ТРД. Поэтому перепад давлений в реактивном сопле первого контура ДТРД всегда меньше, чем у исходного ТРД, т. е. лр.с(1)<Яр.с(0).
Рассмотрим случай, когда на максимальном режиме работы двигателя перепад давлений в реактивном сопле докритический, т. е.
|
к |
^р.сО) |
= 1,85. |
Этому случаю соответствуют сравнительно низкие значения |
|
7з и высокие значения у |
(рис. 4.2). Тогда при дросселировании |
двигателя по мере снижения числа оборотов и, следовательно*
Рис. 4.9. Перераспределе ние перепада давлении между турбиной и реак тивным соплом при дрос селировании одновально-
го ДТРД
Рис. 4.10. Распределение суммарной степени рас ширения газа между тур. биноп и реактивным соп лом при дросселировании
(Г;р)=1200°К, ур = 2, |
* = т ) |
**к1/ . = 8, "к||/л, — 1«")
степени сжатия компрессора уменьшается перепад давлений в реактивном сопле и в турбине. Сначала снижение суммарной степени расширения охватывает главным образом ступень низ кого давления — реактивное сопло. Затем по мере приближения Пр.С(1) к 1 усиливается падение перепада давлений в турбине (рис. 4.9).
Таким образом, закономерность изменения перепада давле ния в турбине ДТРД заметно отличается от изменения перепа да давления в турбине одноконтурного ТРД, у которого в значи тельном диапазоне чисел оборотов перепад давлений в турбине остается постоянным.
91
Распределение суммарной степени расширения между турбиной и реактивным соплом при дросселировании
двигателя
Распределение суммарной степени расширения между тур биной и реактивным соплом на докрнтических режимах истече ния газа из реактивного сопла можно произвести по методике, изложенной для ТРД. На рис. 4.10 показано распределение сум марной степени расширения газа между турбиной и реактивным
соплом при дросселировании двигателя. Изменение |
пт и |
лг,.с по числу оборотов для одновального ДТРД приведены на рис. 4.9.
Изменение степени двухконтурности одновального ДТРД при дросселировании
|
С уменьшением числа оборотов геометрически неизменяемого |
|||
|
|
одновального ДТРД степень двухкон- |
||
|
|
турностп |
его сначала увеличивается |
|
|
|
(рис. 4.11). Такая закономерность объ |
||
|
|
ясняется тем, что весовой расход воздуха |
||
|
|
через данный контур зависит главным |
||
|
|
образом от степени сжатия компрессора. |
||
|
|
При дросселировании |
двигателя степень |
|
|
|
сжатия в первом контуре, имеющая бо |
||
|
|
лее высокое исходное |
значение, умень |
|
|
|
шается более интенсивно, чем во втором |
||
|
|
контуре. Это приводит к тому, что расход |
||
|
|
воздуха через первый контур падает го- |
||
Рис. |
4 .1 1 . Изменение па- |
Раздо интенсивнее, чем через второй кон- |
||
раметров двухконтурно- |
тур, в результате чего |
степень двухкон- |
||
стн |
одновального ДТРД |
турности |
увеличивается, |
|
при дросселировании |
|
|
|
Только в области глубокого дросселирования, когда резко снижаются скорости истечения газа из второго кон тура, у падает.
Увеличение параметра у с уменьшением числа оборотов яв ляется важным фактором, который, как мы это увидим дальше, оказывает серьезное влияние на эксплуатационные особенности и свойства ДТРД.
92
Изменение температуры газа перед турбиной одновального ДТРД
Температура газа перед турбиной одновального ДТРД опре деляется балансом работ турбины и компрессора на равновесных числах оборотов. Имеем
откуда
^К| 4- //^Кц
(4.22)
Л_ Л*
— ьт"т
где
• ^ = 118.
А
Пусть по-прежнему на исходном максимальном режиме ра боты двигателя Яр.с,|)< я Кр. С уменьшением числа оборотов ра бота компрессора будет непрерывно снижаться. Если бы перепад давлений в турбине и степень двухконтурности оставались в некото ром диапазоне оборотов постоянны ми, то температура газа перед тур биной ДТРД первоначально снижа лась бы таким же образом, как у ТРД. Но так как параметр у воз растает при дросселировании (комп-
0,6 |
0,7 |
0,6 |
0,9 |
/? 1,0 |
|
|
|
|
Рис. 4.12. Изменение |
относи |
Рис. 4.13. Влияние |
степени |
|||||
тельной температуры газа перед |
двухконтурностн |
на _относи- |
||||||
турбиной |
одновального |
ДТРД |
тельное изменение |
при |
||||
по |
числу |
оборотов |
|
|||||
|
дросселировании |
одноваль |
||||||
( Я = 0 , |
с0 = 0 |
, Уд =1200° К, |
||||||
ного ДТРД |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
5:к1(о,= 8- т'к= °-85- < = 0'9)
рессор «затяжеляется», сжимая относительно большее количест во воздуха во втором контуре), а перепад давлений на турбине быстро снижается (турбина «облегчается», ее работоспособность падает), то в итоге температура газа перед турбиной ДТРД по
93
сравнению с ТРД уменьшается незначительно. При дальнейшем дросселировании двигателя она, достигнув некоторого минимума, начинает быстро расти. Во всем диапазоне рабочих оборотов
значение Т1 у производного ДТРД оказывается существенно выше, чем у исходного ТРД (рис. 4.12). На рис. 4. 12 показано, что при снижении оборо тов двигателя на 35%, от
|
|
|
|
|
носительное значение |
7з |
|||||||
|
|
|
|
|
для |
ДТРД |
равно 0,70, а |
||||||
|
|
|
|
|
для |
ТРД — 0,55; |
таким |
||||||
|
|
|
|
|
образом, температура |
га |
|||||||
|
|
|
|
|
за перед турбиной ДТРД |
||||||||
|
|
|
|
|
оказывается выше на 190°. |
||||||||
|
|
|
|
|
Влияние степени двух- |
||||||||
|
|
|
|
|
коптурности |
на относи |
|||||||
|
|
|
|
|
тельное изменение темпе |
||||||||
|
|
|
|
|
ратуры |
газа |
перед турби |
||||||
|
|
|
|
|
ной ДТРД |
при дроссели |
|||||||
|
|
|
|
|
ровании |
двигателя |
|
при |
|||||
|
|
|
|
|
ведено |
на |
рис. 4. 13. |
Чем |
|||||
|
|
|
|
|
больше значение у, а сле |
||||||||
|
|
|
|
|
довательно, |
|
ниже |
я Кц , |
|||||
|
|
|
|
|
тем |
выше уровень темпе |
|||||||
|
|
|
|
|
ратуры |
Ь |
|
во всем |
диа |
||||
|
|
|
|
|
пазоне |
рабочих |
оборотов |
||||||
|
|
|
|
|
двигателя. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
и |
Изменение |
тяги |
|
|||||
|
|
|
|
|
удельного |
расхода |
|||||||
|
|
|
|
|
топлива одновального |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ДТРД |
|
|
|||
Рис. 4.14. Дроссельные |
характеристики |
На |
рис. 4.14 |
показано |
|||||||||
(Н = 0, |
ДТРД и ТРД |
= 1 ,7 , |
относительное |
изменение |
|||||||||
с„ = 0, |
Т*= 1200" К, г* |
тяги и |
удельного расхода |
||||||||||
|
|
|
|
11(0) |
|||||||||
Я* |
= 8 , |
т* = 0,85, |
Т*=0.90) |
топлива |
|
|
одновального |
||||||
1(0) |
|
|
|
ДТРД |
в |
зависимости |
от |
||||||
В соответствии с более |
высокими |
числа оборотов. |
|
|
|
||||||||
значениями |
|
температуры |
газа перед турбиной и замедленным падением расхода воздуха при дросселировании тяга ДТРД падает медленнее, чем у ТРД, а удельный расход топливаувеличивается быстрее. Так, напри
мер, при л=0,65 у ДТРД Я= 0,22 и Суд=1,3; соответственно у ТРД /?=0,16 .и Суд= 1,14.
Характерно, что кривая удельного расхода топлива геометри чески неизменяемого одновального ДТРД не имеет свойственно го для характеристик обычного одноконтурного ТРД минимума,
94
вследствие чего режим максимальной тяги ДТРД совпадает с режимом его наилучшей экономичности. В этом отношении дрос сельные характеристики ДТРД напоминают характеристики тур бовинтовых двигателей.
Физически непрерывный рост удельного расхода топлива гео метрически неизменяемого ДТРД со снижением чисел оборотов объясняется ухудшением эффективного к. п. д. цикла при отно сительно малом «удельном» весе в ДТРД потерь с выходной ско ростью. В то же время у ТРД уменьшение значительных потерь кинетической энергии потока при дросселировании двигателя приводит к появлению минимума Суд. Непрерывный рост Суд при дросселировании приводит к тому, что уже при небольшой степени дросселирования исчезает преимущество ДТРД над ТРД по экономичности. На режимах более глубокого дроссели рования удельный расход топлива ТРД оказывается существен но меньше, чем у двухконтурного ТРД (рис. 4.15, а).
На рис. 4.16 показана дроссельная характеристика одноваль ного ДТРД фирмы Рато А-65. Из рисунка видно, что отмеченные выше свойства дроссельной характеристики одновального ДТРД
сохраняются и при низких степенях сжатия (лк( =4) . С
уменьшением числа оборотов падение температуры Тз невелико и составляет едва 150°, удельный же расход топлива двигателя при этом непрерывно растет.
Приемистость одновального ДТРД 1
Более высокие значения температуры газа перед турбиной ДТРД по сравнению с ТРД во всем диапазоне эксплуатационных режимов свидетельствует о меньшем запасе избыточной мощно сти на валу турбокомпрессора
дN = N ^- N К,
т. е. разности между располагаемой мощностью турбины (опре деляемой максимально допустимой температурой газов Т^ш<с) и потребной мощностью компрессора (определяющей температуру газа перед турбиной на данном равновесном режиме). Это при водит к увеличению времени разгона двигателя (выхода на ре жим) — ухудшению приемистости.
Облегчение запуска (в том числе предотвращение недопусти мого заброса температуры газа) и улучшение приемистости од новального ДТРД может быть достигнуто:
—открытием реактивного сопла второго контура;
—выключением из работы второго контура (путем прикры тия лопаток поворотного направляющего аппарата на входе в компрессор);
—открытием реактивного сопла первого контура;
—переходом к двухвальной схеме ДТРД.
1 Подробнее об этом см. в главе 9.
95
I
а) |
о) |
--------- ДТРД
-------- - ТРД
Рис. 4.15. Сравнение дроссельных характеристик ДТРД и ТРД: а — одновальные двигатели; б — двухвальные двигатели
I
Рис. 4.16. Дроссельная характеристика одновального ДТРД Рато А-65
I
96
При открытии реактивного сопла второго контура мощность компрессора второго контура падает (так как расход воздуха при этом незначительно растет, а степень повышения давления существенно уменьшается). Следовательно, избыточная мощ ность турбокомпрессора растет. Такой же эффект достигается и при прикрытии лопаток поворотного направляющего аппарата, установленного на входе в компрессор второго контура (снижа
ется расход воздуха через контур из-за падения лк,, и, кроме то го, уменьшается эффективная работа компрессора).
Полное закрытие лопаток на входе в компрессор второго контура переводит ДТРД на режим работы ТРД. Однако этот метод не предотвращает некоторой затраты мощности на трение и нагрев циркулирующего в межлопаточных пространствах воз духа при вращении ротора. Кроме того, при выключении из ра боты компрессора турбина переходит на нерасчетный режим ра боты, характеризующийся дополнительными потерями.
При открытии реактивного сопла первого контура располага емая мощность турбины вследствие увеличения срабатываемого в ней перепада давлений возрастает.
Наконец, переход к двухвальной схеме ДТРД сводит законо
мерность изменения 7з по числу оборотов к случаю двухвальиого ТРД, а следовательно, улучшает приемистость двигателя.
Дроссельные характеристики двухвальных ДТРД
Стремление устранить эксплуатационные недостатки, прису щие одновальным ДТРД, улучшить основные показатели этих
двигателей на расчетном режиме работы |
привело |
к появлению |
д в у х в а л ь н ы х ДТРД уже на ранней |
стадии |
их развития |
(двигатели Конвэй). |
|
|
В настоящее время большинство серийных и опытных ДТРД выполнено по двухвальной схеме.
Влияние дросселирования на процесс расширения газа в двухвальной турбине ДТРД
Процесс расширения газа в двухвальной турбине ДТРД при дросселировании двигателя происходит так же, как в любой многоступенчатой турбине с выхлопом в наружную атмосферу. С уменьшением чисел оборотов перепад давлений в турбине сни жается, начиная с последней ее ступени (ближе всего располо
женной к наружной атмосфере). Это снижение *т постепенно охватывает ступени, установленные вверх по потоку.
1 Применение двухвальной схемы позволяет увеличить напорность ступе ней компрессора высокого давления первого контура за счет доведения окруж
ной скорости его лопаток до предельного значения. Это дает |
возможность |
уменьшить габаритную длину и удельный вес двигателя. |
|
4 А. Л. Клячкнн |
9? |
Пусть на расчетном режиме работы двигателя (л = /г,) скоро сти истечения газа из реактивного сопла первого контура, сопло вых аппаратов турбин высокого и низкого давления достигают критических значений, т. е.
Я(^б)= Я(^са)вд = Я(>>са)нд = 1•
При дросселировании двигателя в сверхкритической области истечения из реактивного сопла (яр.с> л Кр= 1,85) снижение сте пени расширения двигателя сначала происходит за счет умень-
Рис. 4.17. Перераспределение перепада |
Рис. 4.18. К |
определению |
|
давлений |
между турбинами высокого |
режима работы турбины |
|
давления |
и низкого давления при |
высокого |
давления |
дросселировании ДТРД
При некотором значении числа оборотов п2< п х в реактивном сопле устанавливается докритический режим истечения, т. е.
<7 (^5) < 1 - Начиная с этого момента, давление на входе в реак тивное сопло падает. Одновременно снижается степень расшире ния в турбине низкого давления. Поскольку режим истечения из первого соплового аппарата турбины низкого давления еще продолжает сохраняться критическим, турбина высокого давле
ния остается |
«запертой» |
по.перепаду давления, т. |
е. |
"твд= |
= сопз1. При |
дальнейшем |
снижении числа оборотов |
до |
п3 ско |
рость истечения из первого соплового аппарата турбины низкого давления становится докритической. С этого момента перепад давлений в турбине высокого давления начинает, падать. Те перь между турбинами высокого давления и низкого давления уменьшающийся суммарный перепад давлений перераспределя ется. По мере приближения я* к 1 падение л* ускоряется.
98
На рис. 4.18 показана экспериментальная зависимость изменения <7(^Л) от те*.
Так как
*п + \
2п /СА(НЛ)^(^Са)нД
ТВД '
<7(>‘Са)нД
/ са(вд)^^са)вд
то этот график показывает качественную связь падения те* как функции те* .
Изменение температуры газа перед турбиной двухвального ДТРД
Закономерность изменения температуры Тг по числу обо ротов двухвального ДТРД полностью определяется балансом работ турбокомпрессора высокого давления
^твд=^квд,
откуда
7 з = -------- — |
-------- . |
( 4 .2 3 ) |
срт • |
* |
|
Т Етвдт‘твд |
|
Так как первый сопловой аппарат турбины низкого давле
ния в начальной стадии дросселирования |
работает при критиче |
ском перепаде давлений, то я*вд =сопз1 |
и Г* — Аквд. В этом |
диапазоне оборотов наступает снижение Т*г, которое определяет
ся уменьшением работы компрессора высокого давления по числу оборотов. При дальнейшем дросселировании двигателя перепад давлений на турбине высокого давления снижается [когда
<7('са)нд < 1], вследствие чего падение 7з замедляется. По мере уменьшения оборотов температура газа перед турбиной дости гает минимума, а затем начинает расти.
Закономерность изменения Т\ в широком диапазоне чисел
оборотов двухвального ДТРД оказывается такой же, как у двух зального ТРД.
«Скольжение» турбокомпрессоров высокого и низкого давлений
С уменьшением температуры газа перед турбиной высокого давления (7 з ) снижается температура газа и перед турбиной
1 По данным Майера [20].
4* |
99 |
низкого давления (7^Нд ), а степень двухконтурности при этом
возрастает. Ввиду этого нарушается баланс работ на турбоком прессоре низкого давления
|
|
|
(1 |
у) 1кнд > |
^тнд- |
|
|
|
|
|
|
|
||
В результате обороты турбокомпрессора низкого |
давления |
|||||||||||||
падают, |
причем более |
интенсивно, чем |
обороты турбокомпрес |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
сора |
высокого |
давления. |
||||||
|
|
|
|
|
|
Падение |
оборотов |
|
турбо |
|||||
|
|
|
|
|
|
компрессора низкого дав |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ления |
усиливается, |
|
когда |
|||||
|
|
|
|
|
|
перепад давлений |
в реак |
|||||||
|
|
|
|
|
|
тивном |
сопле |
|
первого |
|||||
|
|
|
|
|
|
контура |
становится |
до- |
||||||
|
|
|
|
|
|
критическим |
и |
наступает |
||||||
|
|
|
|
|
|
падение |
перепада |
|
давле |
|||||
|
|
|
|
|
|
ний |
в |
турбине |
низкого |
|||||
|
|
|
|
|
|
давления двигателя |
|
(рис. |
||||||
|
|
|
|
|
|
4.19). |
|
|
|
|
|
|
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
дросселировании |
|
двига |
||||||
|
|
|
|
|
|
теля |
отношение |
|
чисел |
|||||
|
|
|
|
|
|
оборотов |
— |
Пн п |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
п = ---- —непре- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лвд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рывно снижается. Это яв |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ление мы назвали «сколь |
||||||||
|
|
|
|
|
|
жением» |
турбокомпрес |
|||||||
0.86 0,88 090 |
0,92 |
0,94 |
0,98 Пвй 1,0 |
соров. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Изменение степени |
|||||||||||||
|
|
|
характеристика |
|
||||||||||
Рис. 4.19. Дроссельная |
|
двухконтурности |
||||||||||||
|
двухвалыюго |
Д Т Р Д |
|
|
|
двигателя при |
|
|||||||
(Н=0. Мо=0.ур=1. 7-;(р) = 1300» К. С „ р= |
|
дросселировании |
||||||||||||
=0,7 |
, <• =13, |
< |
=2,7) |
|
||||||||||
|
С |
уменьшением |
|
обо |
||||||||||
|
К Г - Ч |
К1(р) |
|
кЧСр) |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
ротов |
|
степень |
|
|
двух |
|||
ДТРД |
увеличивается. Увеличение |
контурности двухвальиого |
||||||||||||
у |
обусловлено |
|
различием |
степеней сжатия компрессоров в контурах (л кц'С”к1^ и, сле довательно, более быстрым падением расхода воздуха через пер вый клнтур по сравнению со вторым. Однако прогрессивное па дение оборотов компрессора низкого давления ускоряет падение
я1сп и задерживает рост у.
Это существенно улучшает дроссельные характеристики двухвальных ДТРД по сравнению с одновальными (см. рис. 4.15, б).
100