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

1) у с т р о й с т в а , и з м е н я ю щ и е р а с х о д /и т т о п л и в а в к а м е р а х с г о ­

р а н и я ; 2) в и н т и з м е н я е м о го ш а г а (ВИШ).

У винта изменяемого шага может меняться угол ср установки лопастей винта, причем каждому типу ВИШ присущ свой интер­ вал изменения ср, ОТ фт ш ДО фтах-

М о щ н о с т ь , п о т р е б л я е м а я в и н т о м , в з а в и с и м о с т и о т ч и с л а о б о ­

сла п оборотов происходит в соответствии с (7.23) по закону ку-

Рис. 7.5. Зависимость мощности винта от числа оборотов при различных значениях угла ср установки лопастей.

бической параболы (рис. 7.5). При увеличении ф растет величина А, в связи с чем увеличивается мощность, потребляемая винтом (винт «затяжеляется»), и наоборот, при уменьшении ф ' снижа­ ется мощность, потребляемая винтом (винт «облегчается»). Та­ ким образом при помощи ВИШ можно за счет изменения ф ме­ нять число п оборотов при іѴв= const или мощность NB при п = = const. В связи с отмеченным становятся возможными два закона управления одновальным ТВД

9 —> ѣ\ тт-+ТІ или Т\ и m..t—> п\ ф—>- 7'з или Т\.

Преимущественное распространение получил первый закон управления ТВД. Поэтому в системе управления ТВД устанав­ ливаются два замкнутых регулятора: регулятор числа п оборо­ тов и регулятор температуры газа Т* или Т* (рис. 7.6). Управле­

ние двигателем производится одним рычагом управления {РУ) посредством агрегата объединенного управления (ЛОУ). Агре­ гат объединенного управления изменяет подачу топлива с помо­ щью топливного крана (ТКр) и перенастраивает оба регулятора

84

в соответствии с выбранной для данного двигателя программой регулирования и внешними условиями полета.

Трудно создать надежный и достаточно простой замкнутый регулятор температуры газа. Поэтому находят распространение

Рис. 7.6. Возможная принципиальная схема управления ТВД при помощи замкнутых регуляторов.

системы управления двигателя с замкнутым регулятором числа оборотов и разомкнутым регулятором температуры газов. В этом

Рис. 7.7. Возможная принципиальная схема управления ТВД при помощи замкнутого и разомкнутого регуляторов.

случае в качестве регулятора температуры газов выступает регу­ лятор расхода топлива' т т (рис. 7.7). Измеритель этого регуля­ тора фиксирует либо давление топлива перед форсунками, либо перепад давления'на топливном кране и в соответствии с этим при .неизменном положении ручки управления РУ дозирует по­ дачу топлива.

85

он является менее точным, чем замкнутый регулятор темпера­ туры газов.

§ 6. Программы регулирования двигателя

Программы регулирования ТВД предусматривают такое из­ менение параметров рабочего процесса, при котором на всех ско­ ростях и высотах полета автоматически выдерживается заданный закон изменения мощности Nb винта, эквивалентной УѴЭмощности или удельного эффективного расхода се топлива. Например, про­ граммы регулирования могут предусматривать получение макси­ мальной мощности УѴВвинта, эквивалентной /Ѵэ мощности двига­ теля и минимального удельного эффективного расхода се топ­ лива.

Программа регулирования на максимальную эквивалентную мощность реализуется при соблюдении следующих условии: п = = Птах= C o nst, Т*=Т*тах= Const, x = XOUT = f(C0).

Очевидно, что первые два условия можно выполнить, если в системе управления двигателем будет регулятор числа оборо­ тов и регулятор температуры газа. Поддержание оптимального значения л'ОПт или оптимальной скорости истечения газа из сопла, отвечающей выражению (7.19), возможно лишь при наличии ре­ гулируемого реактивного сопла. Применение регулируемого ре­ активного сопла со средствами автоматики усложняет и удоро­ жает двигатель без соответствующей компенсации мощности п экономичности двигателя. Вместе с этим при нерегулируемом ре­ активном сопле Fb= const и при полном расширении газа на тур­ бине Рі = р5 — Ро располагаемая энергия расходуется только на работу винта. При числе Мо<0,7 (рис. 7.3) значение х,тт близко к единице. Поэтому поддержание оптимального значения х при 7^5= const приближенно выполняется при Р4= Р5= Ро, если число полета Мо<0,7. В этих условиях эквивалентная мощность будет мало отличаться от максимального значения при выполнении первых двух условий программы регулирования.

§7. Характеристики двигателя

1.Дроссельная характеристика выражает зависимость мощ­ ности винта, реактивной тяги и удельного эффективного расхода топлива от числа оборотов при принятой программе регулирова­ ния и неизменных условиях полета.

Если угол установки лопастей винта cp = const, дросселирова­ ние двигателя осуществляется путем такого изменения подачи

86

топлива, при котором температура газа 7* перед турбиной сни­

жается, достигает минимального значения на средних оборотах, а затем повышается. Уменьшение числа оборотов приводит к снижению степени повышения давления я* в компрессоре и

расхода /п воздуха. В связи с этим снижается мощность NB винта, реактивная тяга Рѵ и увеличивается удельный эффектив­ ный расход се топлива (рис. 7.8).

• Если угол установки лопастей винта изменяется ср = ѵаг, тодросселирование двигателя может осуществляться при различ-

ном законе изменения температуры газа 7* перед турбиной: тем­ пература газа 7* может оставаться постоянной ■7* = 7* •= = const или меняться пропорционально оборотам Т *~п, или квадрату оборотов 7* ~ /г2.

Дросселирование двигателя при 7* = 7 ^ = const создает

предпосылки к помпажу компрессора на малых оборотах. Кроме того, лопатки турбины длительное время работают в условиях высокого теплового напряжения. Для улучшения приемистости и отдаления линии равновесных режимов от границы помпажа двигатель при разгоне до выхода на режим программы обычно работает по характеристике винта фиксированного шага с cpm in-

Расчеты показывают, что для получения высокой экономично­ сти двигателя на крейсерских режимах при дросселировании дви­ гателя целесообразно изменять температуру газа 7* перед тур­

биной пропорционально квадрату оборотов или более резко при п = const. Поэтому у современных одновальных ТВД запуск

8 7

.двигателя и выход на режим максимальных оборотов произво­ дится по характеристике винта фиксированного шага с фт ы (рис. 7.9), а регулирование рабочих режимов осуществляется при n = nmax = const путем изменения угла ср установки лопастей винта и температуры газа Т* перед турбиной.

2.Скоростная характеристика показывает изменение эквива­

лентной мощности и удельного эффективного расхода топлива от скорости) полета при принятой программе регулирования и не­ изменной высоте. На рис. 7.10 представлена скоростная характе­ ристика ТВД при программе регулирования на максимальную эквивалентную мощность. При увеличении скорости полета ра­ стет расход воздуха и степень повышения давления. В связи

с этим увеличивается степень расширения газа на турбине и рас­ тет мощность на валу винта; реактивная тяга несколько снижа­ ется, так как скорость полета увеличивается более, чем скорость истечения газа при относительно небольшом росте расхода воз­ духа в обычном для ТВД диапазоне скоростей. Таким образом эквивалентная мощность двигателя увеличивается по мере роста скорости полёта. Удельный эффективный расход топлива с рос­ том скорости полета снижается, так как увеличивается степень повышения давления и растет температура воздуха на выходе из компрессора.

3. Высотная характеристика отражает зависимость эквива­ лентной мощности и удельного эффективного расхода топлива от высоты полета при принятой программе регулирования и не­ изменной скорости полета.

Рассмотрим высотную характеристику ТВД (рис. 7.11) при программе регулирования на максимальную эквивалентную

88

Система управления высотным ТВД может иметь замкнутый регулятор числа п оборотов и разомкнутый регулятор темпера­ туры газа Т* (регулятор расхода т т топлива), который связан

с ограничителем эффективной мощности Ne. Ограничитель мощ­ ности работает в определенных пределах высоты и скорости по­ лета. Его измерители фиксируют внешние условия: р0, Т0, с0- Ограничитель мощности изменяет подачу топлива посредством регулятора расхода т т, а следовательно, косвенным образом ре­ гулирует температуру газа Г* перед турбиной в соответствии

с высотной характеристикой.

Глава VIII

ДВУХКОНТУРНЫЕ ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1. Устройство и принцип действия двигателя

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ДТРД) могут иметь различные конструктивные формы. На рис. 8.1 приведены две из возможных принципиальных схем ДТРД. Одновалы-іый

Рис. 8.1. Принципиальная схема ДТРД с полным разделением потоков а и с камерой смешения 6.

ДТРД с полным разделением потоков (рис. 8.1, а) представля­ ется в виде турбореактивного двигателя (первый контур), во­ круг которого создан кольцевой проточный канал 4 (второй кон­ тур). В состав первого контура входит компрессор 3, камера сгорания 5, газовая турбина 6 и реактивное сопло 8. Во втором

90

контуре, имеющем реактивное сопло 7, располагается низкона­ порный компрессор или вентилятор 2. Двигатель имеет общее входное устройство 1. Газовая турбина 6 обеспечивает не только работу компрессора 3, но и работу вентилятора 2

где Nт-— мощность газовой турбины; NKi и УѴК 2— мощность, рас­ ходуемая на привод компрессора соответственно первого и вто­ рого контура.

В связи с отмеченным на газовой турбине ДТРД происходит более глубокое расширение газа (рис. 7.2), чем у ТРД; газовые турбины, как и у ТВД, выполняются многоступенчатыми.

Низконапорный компрессор (вентилятор) 2 обеспечивает по­ вышение давления воздуха во втором контуре обычно до вели­ чины, близкой к давлению газа за турбиной первого контура. Ра­ бочий процесс в первом контуре протекает таким же образом, как и у турбовинтового двигателя. Во втором контуре воздух после сжатия во входном устройстве и в низконапорном компрес­ соре поступает в реактивное сопло, где и ускоряется. Поэтому тяга двигателя складывается из тяги Рі первого и тяги Рг вто­ рого контуров

Так как часть работы за цикл первого контура используется для работы вентилятора второго контура, скорость истечения газа см из сопла первого контура ниже, чем у ТРД; скорость же истечения воздуха из сопла второго контура Сьг<См-

Вдвигателе может быть предусмотрено объединение потоков

иперемешивание газов первого контура и воздуха второго кон­ тура в камере смешения 9 после турбины (рис. 8.1, б). В этом случае двигатель-снабжается одним реактивным соплом, в связи с чем упрощается конструкция двигателя и управление им. Оче­

видно, что в этом случае скорость Сь истечения газа из сопла бу­ дет С5<Сйо скорости истечения газа из сопла ТРД. Если у ТРД расход воздуха составляет т', а у ДТРД т "> т ', так как при­ соединяется масса воздуха второго контура, то при равенстве энергии, затрачиваемой на ускорение газового потока в отмечен­ ных двигателях при скорости полета Со,

При т "> т г С5< с 5о- С увеличением т" (за счет присоединяемой массы) снижается ускорение газа. Если тяга ТРД

Р '= т ' (с50—с0),

тяга ДТРД

Р"— іп" (с5— с0),

91