Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
Теория авиационных двигателей (РИО). Меньшей массой (по сравнению с поршневыми двигателями) при данной мощности
 Скачать 16.59 Mb.
|
|
Глава 2 СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ОДНОВАЛЬНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ В предыдущих главах были рассмотрены характеристики отдельных элементов ГТД в условиях их изолированной работы. В системе двигателя эти элементы работают совместно и имеют между собой газодинамические и механические связи. Изменение режима работы какого-либо одного элемента двигателя вызывает изменение режимов и параметров остальных элементов. Исходя из условий совместной работы элементов двигателя, составляется система уравнений, позволяющая при наличии характеристик всех элементов и заданной программы управления определять рабочие линии на характеристиках элементов и находить параметры двигателя в любых условиях полета. Такая система уравнений совместно с характеристиками элементов является математической моделью (ММ) рабочего процесса двигателя. 2.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДУЛИ АВИАЦИОННЫХ СИЛОВЫХ СТАНОВОК Функциональными модулями СУ являются группы элементов, совместная работа которых не зависит от остальных элементов двигателя и СУ. Для этой группы элементов также могут быть определены характеристики в виде критериальных зависимостей, которые остаются неизменными при их использовании в двигателях и СУ различных схем. К числу функциональных модулей современных ГТД любой схемы прежде всего относится его газогенератор (ГГ), который может быть выполнен как по одновальной, так и по двухвальной схемам. Рис. 2.1. Схемы авиационных ГТД с одновальными и двухвальными газогенераторами На рис. 2.1 представлены схемы основных типов авиационных ГТД, и в каждой из этих схем выделен газогенератор. Газогенератором является группа элементов, состоящая из компрессора, камеры сгорания и турбины, вращающей компрессор, причем у двухвальных ГГ компрессор и турбина являются двухкаскадными. Сечение на входе в ГГ на рис. 2.1 обозначено «вГГ-вГГ», а на выходе – «ТГГ-ТГГ». В двухконтурном двигателе со смешением потоков контуров, помимо ГГ, в качестве более крупного функционального модуля может рассматриваться турбокомпрессорный модуль (ТКМ) – это группа элементов, состоящая из газогенератора, турбовентилятора и камеры смешения, расположенных между сечениями «в-в» на входе в двигатель и «см-см» на выходе из камеры смешения или сечением «кр-кр» (рис. 2.1, б и е). Турбовентилятором в данном случае назван турбокомпрессор низкого давления, состоящий из вентилятора (КНД) и турбины вентилятора (ТНД), расположенных на одном валу и кинематически не связанных с роторами ГГ. У двухконтурных ТРД с раздельными контурами в качестве ТКМ можно рассматривать группу элементов от сечения «в-в» на входе в двигатель до критических (выходных) сечений реактивных сопел контуров. Газогенератор – главный функциональный модуль ГТД любой схемы. Он не обладает замкнутым термодинамическим циклом, поэтому не удается оценить его эффективность с помощью какого-либо коэффициента полезного действия термодинамической природы. Его эффективность зависит от многих факторов и в первую очередь от степени повышения давления воздуха в компрессоре, количества теплоты, сообщаемой в камере сгорания, уровня газодинамических потерь в элементах. Интегрально эти факторы оценивают по относительному повышению давления и температуры газового потока в ГГ. Поэтому в качестве основных параметров эффективности ГГ принимают степень повышения полного давления в ГГ: и степень повышения полной температуры в ГГ: . Другими важными параметрами ГГ и соответственно одноконтурных одновальных ТРД являются: - относительная температура газа перед турбиной ГГ: ; - приведенный расход воздуха ГГ: Gв.пр.ГГ; - приведенный расход топлива ГГ: Gт.пр.ГГ и др. ГГ является наиболее ответственным функциональным модулем двигателя, а его характеристики свойства при определенных условиях сохраняются одинаковыми, в какой бы схеме двигателя данный ГГ не использовался. Практическое значение выделения ГГ, как самостоятельного функционального модуля, состоит в возможности использования его отработанной и доведенной конструкции при модернизации имеющихся и создании новых двигателей. 2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ И УПРАВЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ Авиационные двигатели работают в широком диапазоне изменения внешних условий и внутренних управляющих воздействий. К внешним условиям относятся: режим полета (М и Н); атмосферные условия ( рН и ТН); углы атаки и скольжения и возмущения потока на входе в двигатель. Воздействие внешних условий на режим работы двигателя проявляется, в основном, через изменение параметров заторможенного потока воздуха на входе в него, т.е. через р*в и Т*в. Изменение давления р*в при Т*в = const влияет на расход воздуха через двигатель, а также на давление во всех сечениях двигателя по длине его проточной части. Расход воздуха, а также давление в каждом сечении двигателя изменяются при Т*в = const пропорционально р*в. При этом приведенные частоты вращения каскадов компрессоров и турбин не изменяются, а следовательно, и режимы их работы сохраняются подобными (любые их безразмерные параметры остаются постоянными). В таком случае неизменным (подобным) остается и режим работы двигателя. Изменение температуры Т*в при р*в=const приводит к изменению приведенных частот вращения роторов и положения рабочих точек на рабочих линиях отдельных элементов двигателя. Следовательно, изменяются не только абсолютные, но и относительные параметры указанных элементов. Подобие режимов работы элементов нарушается. Следовательно, изменяется и режим работы двигателя. Из сказанного следует, что изменение внешних условий влияет на режим работы двигателя только через изменение температуры воздуха Т*в на входе в двигатель. К внутренним управляющим воздействиям двигателя относятся управляющие факторы, т.е. факторы, с помощью которых осуществляется воздействие на рабочий процесс двигателя. Управляющими факторами для двигателей прямой реакции являются: Gт, Fкр, φна, Gпер. Посредством управляющих факторов осуществляется воздействие на управляемые параметры. В качестве управляемых параметров выбирают независимые параметры, которые удобно измерять и контролировать, а также оценивать по ним значения параметров рабочего процесса и осуществлять необходимые их ограничения. Такими параметрами являются: n, nпр, Т*г, Δ, р*к мах и др. Число независимых управляемых параметров всегда равно числу управляющих факторов, а задание конкретных значений этих параметров при известных внешних условиях определяет параметры рабочего процесса и, следовательно, режим работы двигателя. Программой (законом) управления двигателем называется закон изменения его независимых управляемых параметров(n, nпр, Т*г, Δ, р*к мах и др.) (или некоторых управляющих факторов: Gт, Fкр, φна, Gпер) от внешних условий, характеризуемых значениями температуры воздуха Т*в на входе в двигатель, и от положения РУД. 2.3. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ОДНОВАЛЬНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ И ОДНОВАЛЬНЫХ ТРД Схема одновального ТРД и его газогенератора показана на рис. 2.2. Поскольку одновальные ГГ у двигателей различных схем имеют одинаковое устройство, будем для определенности рассматривать совместную работу их элементов в системе одновального ТРД. В системе ТРД на входе (перед ГГ) имеется входное устройство, а на выходе (за ГГ) – реактивное сопло. Параметры на входе в ТРД (в его ГГ) определяются из характеристик ВУ. Ими являются: = вх; =. Чтобы установить влияние на работу ГГ ТРД реактивного сопла, следует рассмотреть его совместную работу с турбиной ТРД (его ГГ). Совместная работа турбины и реактивного сопла ТРД на установившихся режимах работы определяется условием равенства расходов газа для минимального сечения соплового аппарата первой ступени турбины и для критического сечения реактивного сопла (рис. 2.3).
Для этих сечений уравнение неразрывности имеет следующий вид: Gг = mг Fс.а q(с.а) = mг Fкр q(кр), где Fс.а и q(с.а) – площадь минимального сечения соплового аппарата первой ступени турбины и относительная плотность тока в этом сечении; Fкр и q(кр) – площадь и относительная плотность тока в критическом (минимальном) сечении сопла. Из этого уравнения следует, что = . Принимая процесс расширения газа в турбине политропным с показателем политропы n и учитывая, что ==, получим =. При перепадах давлений в сопловом аппарате первой ступени турбины, близких к критическим, что характерно для турбин ТРД и турбин ГГ вплоть до глубоких дроссельных режимов, а также при сверхкритических перепадах давлений в выходном сопле, имеющих место на всех основных режимах работы ТРД в полете и на стенде, можно принимать q(с.а) ≈ 1 и q(кр) = 1. При этих условиях =, (2.1) где = 1,1…1,15, а с.а и кр близки к единице и меняются мало. Это уравнение связывает степень понижения давления в турбине с площадью критического сечения реактивного сопла Fкр. Из него следует, что при нерегулируемом сопловом аппарате турбины (Fс.а = const) и при условии Fкр = const величина практически на всех режимах работы двигателя остается постоянной, т.к. турбина оказывается запертой по перепаду давлений критическим сечением реактивного сопла. При регулируемой площади критического сечения сопла изменяется почти пропорционально изменению площади Fкр. Если в ТРД Fкр = const, то на режим работы ГГ, а значит и ТРД можно воздействовать только изменением расхода топлива Gт (изменяя ). У двигателей других схем, представленных на рис. 2.1, ГГ со стороны выхода «заперт» по перепаду давлений критическим сечением соплового аппарата той ступени турбины, которая расположена непосредственно за ГГ. У турбовальных и турбовинтовых двигателей (рис. 2.1 г) это первая ступень свободной турбины; у двухконтурных двигателей (рис. 2.1 б и в) – первая ступень турбины вентилятора. Во всех этих схемах турбина ГГ работает при условии = const. Следовательно, в этих схемах ГТД на режим работы ГГ можно воздействовать только изменением Gт. Учитывая, что условие = const является для большинства одновальных ГГ современных ГТД наиболее типичным, рассмотрим вначале совместную работу элементов ТРД при = const, учитывая, что выведенные соотношения будут справедливы для одновальных ГГ всех указанных ранее схем (имеющих = const). Совместная работа элементов одновального ТРД (и соответственно одновального ГГ) характеризуется двумя основными условиями: условием баланса расходов и условием баланса работ. 1. Баланс расходов воздуха через компрессор и газа через турбину должен учитывать такие факторы, как отбор воздуха от компрессора на самолетные нужды, отвод воздуха из разных сечений проточной части компрессора на охлаждение элементов конструкции и возвращение этого воздуха в прочную часть двигателя, а также увеличение массового расхода газа через турбину по сравнению с массовым расходом воздуха через компрессор вследствие подачи топлива (рис. 2.4). Рис. 2.4. К составлению уравнений балансов расходов и работ Предположим, что расход воздуха, требуемый для охлаждения турбины, отбирается от компрессора и обратно в тракт двигателя возвращается уже за турбиной. Тогда расход воздуха на входе Gв равен сумме расходов воздуха во входном сечении камеры сгорания Gк.с и расходов воздуха Gохл и Gотб, отбираемых от компрессора, т.е. Gв = Gк.с + Gохл + Gотб. Расход газа через турбину Gг равен сумме расхода воздуха на входе в камеру сгорания и расхода топлива, т.е. Gг = Gк.с + Gт. Исключая из этих двух соотношений величину Gк.с, получим Gг =(1 – gохл – gотб)(1 + gт) Gв, где gт = ; gохл = ; gотб = относительные расходы топлива, охлаждающего воздуха и воздуха, отбираемого на вспомогательные нужды. Для краткости записи обозначим (1 – gохл – gотб)(1 + gт) = а, тогда условие баланса расходов компрессора и турбины будет выражаться следующим соотношением: аGв = Gг. (2.2) При определении коэффициента а величины gотб и gохл задают по статистическим данным, а gт рассчитывают. В среднем для ТРД а = 0,96…0,98. Входящие в выражение (2.2) расходы воздуха и газа запишем применительно к входному сечению компрессора «в-в» и критическому сечению соплового аппарата первой ступени турбины «са-са». Уравнение неразрывности для этих сечений дает . Принимая во внимание, что = к.с= к.с, после простых преобразований получим , (2.3) где . При сверхкритических и близких к ним перепадах давлений в сопловом аппарате первой ступени турбины q(с.а)=const и величина А в уравнении (2.3) является константой. Уравнение (2.3) выражает равенство расходов воздуха и газа через компрессор и турбину одновального одноконтурного ТРД (или одновального ГГ). Оно устанавливает связь между параметрами компрессора и q(в) и параметром ГГ . При каждом заданном значении соотношение (2.3) представляет собой в координатах характеристики компрессора – q(в) уравнение прямой, проходящей через начало координат (рис. 2.5). При увеличении угол наклона этой прямой к оси абсцисс увеличивается. Это означает, что при постоянной частоте вращения ротора компрессора увеличение параметра приводит к возрастанию величины . Рабочая точка на характеристике компрессора при этом перемещается по напорной ветке вверх, в сторону границы устойчивой работы. Следовательно, при увеличении достигается эффект, сравнимый с прикрытием дросселя, установленного за компрессором. Его принято интерпретировать как тепловое дросселирование компрессора. Рис. 2.5. Рабочие линии на характеристике компрессора при различных Δ*гг Физическая причина дросселирующего воздействия на компрессор повышения состоит в том, что вследствие увеличения температуры газа перед турбиной уменьшается плотность газа в критическом сечении соплового аппарата. Это приводит к уменьшению расхода газа, пропускаемого турбиной, по сравнению с расходом воздуха, проходящим через компрессор. Нарушается баланс расходов. Но повышение приводит, как видно из (2.3), к возрастанию и повышению, вследствие этого, , а соответственно давления и плотности газа в критическом сечении соплового аппарата турбины. Баланс расходов восстанавливается. 2. Баланс работ компрессора и турбины составляется из того условия, что мощность турбины Nт равна мощности компрессора Nк и мощности Nотб, отбираемой от вала двигателя для вспомогательных целей (рис. 2.4). Тогда Nт = Nк + Nотб = Nк(1 + nотб), где nотб = Nотб/Nк – относительная доля мощности, отбираемой от турбины. Она мала и обычно не превышает 0,5…1,0% от Nт. Переходя от мощностей к работам и учитывая условие (2.2), получим Lк == а1 Lт, где а1 – коэффициент, учитывающий gохл, gотб; nотб и gт. Заменим входящие сюда работы Lк и Lт их выражениями через параметры газового потока = а1 Lт = а1 ср г . (2.4) Уравнение баланса работ компрессора и турбины (2.4) при = const и = const приводится к виду = В (2.5) В уравнении (2.5) при условии = const и = const коэффициент В, равный В = , сохраняется неизменным (В = const). Поскольку В = const, температура газа перед турбиной в любых условиях полета пропорциональна работе компрессора Lк, так как согласно (2.4) при этом условии: = const Lк. (2.6) 2.4. РАБОЧИЕ ЛИНИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКЕ КОМПРЕССОРА ОДНОВАЛЬНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА При совместной работе элементов одновальных ТРД на установившихся режимах должны одновременно удовлетворяться как условие равенства расходов (2.3), так и условие равенства работ (2.5). Решая совместно эти уравнения (исключая из них величину ), находим . (2.7) Рис. 2.6. Изменение относительных параметров компрессора вдоль рабочей линии в зависимости от Выражение (2.7) является уравнением совместных режимов работы компрессора, камеры сгорания и турбины одновального ТРД и одновального ГГ в ГТД любой схемы при условии = const. В него входят только величины, характеризующие режим работы компрессора и имеющиеся на его характеристике. Константа С = в уравнении (2.7) находится по параметрам компрессора в какой-либо одной заданной (расчетной) точке его характеристики. На рис. 2.5 в качестве такой точки принята точка «р». Следовательно, если имеется характеристика компрессора одновального ГГ (нерегулируемого или регулируемого в зависимости от nпр) и на ней задана одна исходная точка, то, используя уравнение (2.7), можно на этой характеристике построить линию совместных режимов работы компрессора и турбины при условии = const, т.е. рабочую линию. Она определяется в данном случае как геометрическое место точек на характеристике компрессора, удовлетворяющих уравнению (2.7). Это означает, что для каждого значения nпр на характеристике компрессора при найденной величине константы С можно определить такие значения и q(в), которые удовлетворяют уравнению (2.7). Важнейшим свойством рабочей линии на характеристике компрессора одновального ГГ, соответствующей условию = const, является независимость ее положения от схемы двигателя, в котором данный ГГ установлен. Она определяется только выбором исходной точки на характеристике компрессора (значением константы С) и не изменяет своего расположения при любых изменениях атмосферных условий, скорости, высоты полета и частоты вращения ротора двигателя, если не нарушаются допущения, принятые при выводе уравнения (2.7). Изменение указанных условий влияет только на расположение рабочей точки на рабочей линии. Следовательно, рабочая линия на характеристике компрессора ГГ при принятых условиях является единственной. Поэтому для дальнейших расчетов характеристик двигателя достаточно знать изменение параметров компрессора только вдоль рабочей линии, например, в функции от приведенной частоты вращения, как показано на рис. 2.6. 2.5. КРИТЕРИАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОВАЛЬНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ Критериальными характеристиками ГГ будем называть зависимости его основных безразмерных параметров от критериальных параметров, однозначно определяющих режим работы ГГ. Критериальными параметрами для ГГ являются приведенная частота вращения nпр и степень понижения давления в турбине . Характеристики ГГ, представляемые в функции двух указанных параметров, являются двухпараметрическими зависимостями. При условии же = const они становятся однопараметрическими. Преимущество критериальных характеристик ГГ состоит в том, что они для геометрически подобных ГГ сохраняются неизменными, а поэтому могут быть использованы в двигателях других типов и других схем при соблюдении условий равенства их расчетных параметров. Зная все параметры компрессора вдоль рабочей линии, полученной из условий совместной работы элементов ГГ, можно построить характеристики ГГ в критериальной форме. Основные параметры ГГ выражаются через параметры компрессора и турбины следующим образом. Степень повышения давления в ГГ определяется из условия ==. (2.8) Степень повышения температуры в ГГ равна ==. (2.9) Величины и в формулах (2.8) и (2.9) в общем случае изменяются и должны для заданного ГГ определяться с использованием характеристики турбины. При условии = const эти величины сохраняются неизменными и находятся по данным расчетного режима работы турбины. Рассмотрим вначале однопараметрические характеристики одновальных ГГ. Из формул (2.8) и (2.9) видно, что при = const . (2.10) Отсюда следует, что изменение рассматриваемых параметров ГГ при = const зависит только от изменения параметров компрессора в соответствующих точках его рабочей линии. Но поскольку параметры компрессора вдоль заданной рабочей линии однозначно определяются величиной приведенной частоты вращения ротора ГГ nпр, то зависимости безразмерных величин , и в функции от nпр являются критериальными характеристиками ГГ. Они справедливы для заданного ГГ при любых условиях на входе. При этом величина приведенной частоты вращения может быть определена как или как , где – значение температуры на входе в ГГ на расчетном режиме (если > 288 К). Может вместо nпр рассматриваться относительная величина . Важными параметрами ГГ являются также величины приведенных расходов воздуха и топлива. Так называются параметры расходов воздуха и топлива, которые, в соответствии с правилами теории подобия, при работе ГГ на подобных режимах сохраняются неизменными (см. ниже). Как уже известно из теории компрессоров, Gв.пр = Gв. Ниже будет показано, что Gт.пр = Gт. Здесь и – давление и температура заторможенного потока воздуха на входе в ГГ в расчетных условиях. Рис. 2.7. Характеристики одновального ГГ На рис. 2.7 представлены относительные критериальные характеристики одновального ГГ. На нем все параметры ГГ отнесены к их значениям на расчетном режиме работы двигателя, например, =. Они справедливы как для заданного ГГ, так и для геометрически подобных ГГ в какой бы схеме двигателя они не применялись (но при одинаковых расчетных параметрах и при условии == const). Управление режимами работы ГГ в рассматриваемом случае достигается за счет изменения подачи топлива в камеру сгорания. Этим осуществляется управляющее воздействие на температуру газа перед турбиной, что приводит к изменению n, а следовательно, и nпр. По полученному значению nпр (или ) однозначно определяются все остальные параметры ГГ по его характеристикам (рис. 2.7). 2.6. ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОВАЛЬНЫХ ГГ И ОДНОВАЛЬНЫХ ТРД, УПРАВЛЯЕМЫХ ПО ОДНОМУ ПАРАМЕТРУ Рассогласование ступеней компрессора в одновальном ГГ (и одновальном ТРД) При снижении коэффициенты расхода на первых ступенях уменьшаются, а на последних ступенях возрастают. Уменьшение на первых ступенях приводит к увеличению углов атаки, повышению напорности этих ступеней и относительной работы, требуемой для их вращения. Первые ступени в этих условиях как бы «затяжеляются». Вместе с тем у них снижаются КПД и запас устойчивости. Последние ступени, вследствие увеличения , переходят на работу с пониженными углами атаки. В результате этого снижается их напорность и КПД, а также относительная работа, требуемая для их вращения, поэтому они «облегчаются». Пояснение к вопросу рассогласования ступеней компрессоров одновальных ТРД с различными при = const дает рис. 2.8. На нем изображены три компрессора, имеющие различные , и соответственно разное число ступеней. Изменение режима работы ступеней характеризуется величинами углов атаки i в отдельных ступенях и, следовательно, значениями i отклонения угла атаки от расчетной величины, если на расчетном режиме принимать i ≈ 0. У ступеней, которые переходят на повышенные углы атаки («затяжеляются») i > 0, а у тех ступеней, которые переходят на пониженные углы атаки («облегчаются») i <0. Как видно из рис. 2.8, при =4 в данном примере облегчаются все три ступени. С увеличением картина меняется. При = 7 из 5 ступеней 2 «затяжеляются» и 3 «облегчаются», но в меньшей степени. При = 10 из 7 ступеней 5 «затяжеляются» и только 2 «облегчаются». Рис. 2.8. К объяснению рассогласования ступеней при <� 1,0 для компрессоров, имеющих различные Программы управдения одновальных ГГ и одновальных ТРД Управление режимами работы одновальных ТРД при = const может осуществляться посредством изменения расхода топлива Gт. Это характерно для одновальных ГГ двухконтурных, турбовальных и турбовинтовых двигателей, что будет играть важную роль при изучении их характеристик. При = const одновальный ТРД представляет собой объект управления с одной степенью свободы. Поэтому он имеет только один независимый управляемый параметр. Это может быть: частота вращения ротора n; температура газа перед турбиной ; приведенная частота вращения ротора nпр и др. Управление тем или иным выбранным управляемым параметром обеспечивается единственным управляющим фактором – расходом топлива Gт. За счет изменения Gт осуществляется управляющее воздействие на двигатель. Кроме расхода топлива на режим работы двигателя и его ГГ могут влиять внешние условия – скорость и высота полета, а также параметры окружающей атмосферы. Внешние условия, как указывалось, воздействуют через изменение температуры воздуха на входе в двигатель. Поэтому программы управления ГТД принято изображать в виде зависимостей управляемых параметров от температуры заторможенного потока воздуха на входе в двигатель (или на входе в ГГ – ) при заданном положении РУД. Если задать закон изменения какого-либо одного из указанных управляемых параметров от температуры , то изменение остальных параметров определится однозначно и может быть найдено по обобщенным характеристикам ГГ. Это вытекает из того, что задание температуры и любого из перечисленных управляемых параметров однозначно определяет режим работы ГГ (через , либо через ). Тогда все его остальные безразмерные параметры находятся по характеристике ГГ (рис. 2.7). Простейшими программами управления одновального ТРД являются такие, при которых один из управляемых параметров в определенном диапазоне изменения температуры () поддерживается постоянным (стабилизируется). Рассмотрим основные из них. Программа управления n = const сопровождается изменением nпр; ; Ку и др. величин в зависимости от температуры , а характер их изменения зависит, в первую очередь, от . С ростом температуры при n = const уменьшается nпр. Рабочая точка на характеристике компрессора перемещается по рабочей линии вниз. Каждому значению при заданной величине по характеристике ГГ может быть найдена величина = и соответствующее ей значение температуры . Полученные таким способом зависимости в функции и при n = const приведены на рис. 2.9.
Как видно, при низких значениях температура уменьшается при увеличении (это объясняется «облегчением» компрессора). При высоких значениях температура увеличивается при повышении (компрессор «затяжеляется»). Рассмотренные зависимости позволяют установить области режимов (по температурам и соответствующим им условиям полета), где температура может превысить максимально допустимые значения – в целях введения ограничения по ≤ . Программа управления = const сопровождается изменением n и nпр. Характер изменения от при = const для ТРД с нерегулируемыми компрессорами показан на рис. 2.10 сплошными линиями. При низких значениях в данном случае увеличивается с ростом , что объясняется «облегчением» компрессора в указанных условиях и раскруткой ротора ГГ. При высоких значениях компрессор «затяжеляется», а его частота вращения уменьшается с ростом . «Затяжеление» у нерегулируемых компрессоров наблюдается при > 6…7. Но если осуществляется регулирование компрессора поворотом лопаток НА группы первых ступеней – степень их «затяжеления» снижается (штриховые линии на рис. 2.10). Может возникнуть необходимость ограничения максимально допустимой величины n по условиям прочности. Как видно, при малых значениях это ограничение достигается в области высоких , т.е при больших скоростях полета. Программа управления nпр=const соответствует условию подобия режимов работы ТРД. При этом в области nпр = const обеспечивается постоянство всех безразмерных параметров ГГ. Температура и частота вращения n при увеличении температуры возрастают и находятся исходя из условий: = const; n = const. Запас устойчивости компрессора сохраняется неизменным, поэтому программа управления nпр = const применяется для предотвращения снижения Ку ниже Ку.min при низких значениях температур . Программы управления одновального ГГ с учетом эксплуатационных ограничений по условиям прочности (n ≤ nmax или ≤) и газодинамической устойчивости (Ку ≥ Ку.min) определяются по характеристикам ГГ при известных значениях ограничиваемых величин nmax , и Ку.min , найденных из предварительных прочностных и газодинамических расчетов. Характерные программы управления одновального ГГ для случая = const, полученные с учетом эксплуатационных ограничений для «затяжеляющегося» (а) и «облегчающегося» (б) компрессоров, представлены на рис. 2.11. Случай а здесь соответствует = 10 (он характерен для ГГ ТРДД). Случай б соответствует = 4 (он характерен для ГГ высокого давления двухвальных ТРД). Основной диапазон режимов работы ГГ на рис. 2.11 соответствует области II.
При = 10 в области II принята программа управления n = nmax = const. Поскольку компрессор при = 10 является «затяжеляющимся», температура при увеличении повышается. При она достигает и далее в области III поддерживается программа управления = const. При уменьшении температуры приведенная частота вращения повышается и при наступает ограничение по nпр.max. В области I, где <, поддерживается условие nпр = const. Здесь вследствие подобия режимов работы ГГ = const; n= const и Ку = Ку.min = const. Следовательно, при рассмотренной комбинированной программе управления двигатель все время работает на предельных режимах: в области I – с минимально допустимым запасом устойчивости; в области II – при n = nmax = const; в области III – при = = const. При величине = 4, характерной для КВД двухвальных ГГ (рис. 2.11 б), в области II принята программа управления = const. При «облегчающемся» компрессоре здесь с увеличением температуры на входе в ГГ ВД происходит «раскрутка» ротора ГГ. При достигается ограничение по nВД = nВД.max, а при – по nВД.пр.max. Аналогичные программы управления на предельных режимах имели бы ТРД, если бы у них соблюдалось условие Fкр = const, т.е. при однопараметрическом управлении. |
||||||||||