Файл: Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие.pdf

а) замкнутый регулятор числа оборотов, у которого регули­ рующим фактором является расход т т топлива в основные ка­ меры сгорания;

Рис. 6.І8. Возможная принципиальная схема управления ТРДФ при nQMOLUn замкнутых регуляторов.

Р01 со

Рис. 6.19. Возможная принципиальная схема управления ТРДФ при помощи замкнутого и разомкнутого регуляторов: ТНФ — топливный насос, форсажный.

б) замкнутый регулятор температуры газа Т* или Т*ф или степени расширения газа б* на турбине, у котброго изменение

регулируемой реличины происходит либо за счет изменения пло­ щади критического сечения FKp сопла (рис. 6.18), либо за счет изменения расхода /?гТ(ц форсажного топлива. В последнем

77

случае замкнутый регулятор Т* или 7*(), или 6* может быть за­

менен разомкнутым регулятором расхода топлива. При этом упрощается система управления (рис. 6.19), хотя ухудшается точность регулирования.

В связи с тем, что на параметры рабочего процесса двигателя оказывают влияние условия полета, в системе управления пре­ дусматриваются устройства, позволяющие осуществлять коррек­ цию по скорости и высоте полета.

Для ТРДФ характерна программа регулирования на макси­ мальную тягу; программа осуществляется при выполнении усло­

Глава VII

ТУРБОВИНТОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1. Устройство и принцип действия двигателя

Турбовинтовой двигатель (ТВД) (рис. 7.1) состоит из вход­ ного устройства 1, компрессора 2, камеры сгорания 3, газовой турбины 4, реактивного сопла 5, редуктора 6 и воздушного винта изменяемого шага (ВИШ) 7.

7 В

Рис. 7.1. Принципиальная схема турбовинтового двигателя.

Рабочий процесс турбовинтового двигателя аналогичен про­ цессу турбореактивного двигателя. Однако в отличие от турборе­ активного двигателя турбина в турбовинтовом двигателе приво­ дит в действие не только компрессор, но и винт изменяемого шага. В связи с этим работа турбины превосходит работу, затра­ чиваемую на компрессор, /т> /к. Разность работы . турбины и компрессора представляет собой эффективную работу /е = /т— /к на валу двигателя, которая затрачивается на вращение винта. На турбине турбовинтового двигателя по сравнению с турборе­

78

активным двигателем происходит более глубокое расширение газа (рис. 7.2, линия 3—4). Турбины ТВД выполняются многосту­ пенчатыми.

Современные воздушные винты рассчитаны на обороты более

ется редуктор обычно планетарного типа с передаточным отноше­ нием от 5: 1 до 15:1. Редуктор планетарного типа имеет высо­ кий к. п. д. т]р8д= 0,97-—0,98.

В результате работы винта и ускорения газового потока в ре­ активном сопле создается тяга, которая складывается соответст­

Рис. 7.2. Идеальный цикл ТВД.

Из располагаемой энергии примерно 75—90% затрачивается на создание тяги винтом и 25—10% — на создание тяги от реак­ ции струи. Следует иметь в виду, что распределение энергии за­ висит от скорости полета и к. п. д. винта.

Турбовинтовые двигатели могут выполняться и по двухвальной схеме. Одна из возможных схем предусматривает в струк­ туре двигателя турбину низкого давления, предназначенную для вращения винта, и турбину высокого давления, обеспечивающую работу компрессора. Двигатель усложняется конструктивно, но улучшается регулирование двигателя (обороты винта можно ме­ нять в широких пределах независимо от оборотов компрессора) и облегчается его запуск.

§2. Эквивалентная работа, эквивалентная мощность

иудельный эффективный расход топлива

Работа за цикл реального двигателя обусловливает получе­ ние эффективной работы на валу двигателя /е и ускорение газо­ вого потока от скорости со до скорости Съ на выходе из сопла дви­ гателя, т. е.

79

где le = lT— /к; 1Т и lK— эффективные работы турбины и компрес­ сора.

Работа, используемая на вращение винта,

где г)в— к. п. д. винта.

_ Тяговая работа реакции струи, отнесенная к единичному мас­

Работу, которую необходимо затратить для вращения дан­ ного винта, чтобы он произвел тяговую работу, равную суммар­ ной тяговой работе двигателя, называют эквивалентной. Из опре­ деления эквивалентной работы следует, что

Формула (7.9) позволяет определятьэквивалентную мощ­ ность двигателя при любой скорости полета, исключая случай ра­ боты двигателя на месте, когда Со= 0 и рв= 0 .

Эквивалентную мощность при работе двигателя на месте определяют путем испытания на стенде. В ходе испытания заме­ ряют крутящий момент на валу винта, число оборотов, скорость истечения газов из реактивного сопла и расход воздуха через дви­ гатель. По полученным данным находят мощность на валу винта Nsо и тягу от реакции струи Рро, а затем определяют эквивалент­ ную мощность, считая, что 1 кет мощности соответствует 1,47 дан тяги,

А7э0=А7в0—|—0,6ЪРр0: (7.10)

80

Экономичность двигателя оценивается по удельному эффек­ тивному расходу топлива се. Эта величина выражает часовой рас­ ход топлива, отвечающий единице эквивалентной мощности, т. е.

3600шт

(7Л1)

~ N T~

Если воспользоваться выражением (6.12) для т т, вытекаю­ щим из уравнения теплового баланса камеры сгорания, удель­ ный эффективный расход топлива можно представить в виде

§ 3. Оптимальное распределение работы цикла двигателя между винтом и кинетической энергией струи газа

В зависимости от условий полета располагаемая энергия (ра­ бота за цикл) будет определенным образом делиться между вин­ том и кинетической энергией струи газа (формула 7.2). Пусть эффективная работа 4 составляет долю х от работы /ц цикла

Если значение хопт подставить в уравнение (7.14), то оптималь­ ная скорость Свопт истечения газа из сопла составит

Выражения (7.18) и (7.19) говорят о том, что по мере увели­ чения скорости с0 полета и снижения приведенного к. п. д. винта (Лв’Пред) уменьшается доля работы цикла, используемая на при­ вод винта, т. е. увеличивается доля работы цикла, идущая на ус­ корение газового потока. Расчеты показывают, что применение ТВД становится нецелесообразным при числе полета Л4о>0,9

Рис. 7.3. Зависимость х 0пт от числа М0 полета'.

(рис. 7.3). При А4о>0,9 работа за цикл должна быть использо­ вана только на создание тяги за счет реакции струи, в связи с чем отпадает необходимость в воздушном винте, ТВД транс­ формируется в ТРД.

§ 4. Зависимость эквивалентной работы и удельного эффективного расхода топлива от параметров рабочего процесса

Эквивалентная работа (7.8) с учетом формул (7.2) и (7.3) может быть представлена в виде

Алгебраическая сумма последних двух членов уравнения оцени­ вается величиной 1,5—2% от работы цикла. Поэтому без. боль­ шой погрешности можно принять

Работа за цикл ТВД выражается, как и в случае ТРД, форму­ лой (6.8). Поэтому эквивалентная работа

и удельный эффективный расход топлива

82

При одних и тех же условиях полета и потерях энергии экви­ валентная работа и удельный эффективный расход топлива зави­ сят только от двух параметров рабочего процесса: степени повы­ шения давления я*' в компрессоре и температуры газа Т* перед

турбиной (рис. 7.4). Следует отметить две особенности:

1) оптимальное значение я*, при котором имеет место мак­

симальное значение эквивалентной работы ТВД, соответствует значению, отвечающему максимальной удельной тяге ТРД;

Рис. 7.4. Зависимость эквивалентной работы и удельного эффективного

2) эквивалентная работа ТВД в большей степени зависит от Т* (k~ T *), чем удельная тяга ТРД (РуД~У Т*).

§ 5. Управление двигателем

На основании данных § 4 можно утверждать, что эквивалент­ ная мощность и удельный эффективный расход топлива зависят от двух параметров рабочего процесса; степени повышения давле­ ния я* в компрессоре и температуры газа Т* перед турбиной.

Поэтому изменение эквивалентной мощности двигателя и удель­ ного эффективного расхода топлива может быть осуществлено путем соответствуйщего изменения отмеченных параметров ра­ бочего процесса.

Так как степень повышения давления я* в компрессоре опре­

деляется числом п оборотов, то обычно за регулируемые пара­ метры ТВД принимают число оборотов іі и температуру газа Т*

перед турбиной. Вместо температуры газа Т* перед турбиной

за регулируемый параметр может быть принята, как и у ТРД, температура газа Т* за турбиной. Отмеченные регулируемые па­

раметры изменяются при помощи регулирующих органов двига­ теля. К числу регулирующих органов относятся