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 3 Совместная работа элементов и программы управления двухконтурных двигателей В двухконтурных турбореактивных двигателях (ТРДД) поступающий воздух разделяется на два потока. Один из них проходит через внутренний контур, а второй – через наружный. Термодинамический цикл в ТРДД реализуется во внутреннем контуре. Одна часть работы цикла этого контура затрачивается на создание его собственной тяги, другая передается вентилятору для сжатия воздуха в наружном контуре с целью увеличения тяги по сравнению с одноконтурным ТРД. Присоединение к внутреннему контуру дополнительной массы воздуха наружного контура с передачей ему части работы цикла внутреннего контура позволяет увеличить тягу и уменьшить удельный расход топлива ТРДД по сравнению с исходным ТРД (при одинаковых и ГГ) за счет получения более высоких значений тягового КПД из-за снижения скоростей истечения газа из сопел контуров. Для дозвуковых пассажирских и транспортных самолетов применяются преимущественно ТРДД с высокими (m = 4…6) и сверхвысокими (m = 12…16) степенями двухконтурности. Их выполняют как с раздельными контурами, так и со смешением потоков. 3.1. Совместная работа элементов ТРДДсм Схема ТРДДсм представлена на рис.3.1. Его основным функциональным модулем является газогенератор (ГГ) – это группа элементов, расположенных между сечениями «вВД-вВД» и «тВД-тВД». Рис. 3.1. Схема ТРДД со смешением потоков (ТРДДсм) Условия совместной работы элементов и алгоритмы для расчета параметров и характеристик ГГ для ТРДДсм не отличаются от рассмотренных для ТРД. Но, помимо ГГ, ТРДДсм содержит ряд других элементов. Группа элементов, расположенная между сечением «в-в» на входе в двигатель и критическим сечением реактивного сопла «кр-кр» называется турбокомпрессорным модулем (ТКМ). Как видно, ТКМ помимо ГГ включает в себя турбовентилятор и камеру смешения с докритической частью реактивного сопла), т.е. по существу весь двигатель (двигательный модуль). Условиями совместной работы газогенератора, турбовентилятора и камеры смешения ТРДДсм являются:
1. Условия баланса расходов позволяют получить ряд важных соотношений. Так из уравнения баланса расходов через сечение II -II наружного контура и сечение вВД – вВД (рис. 3.1) можно получить выражение для степени двухконтурности . Если расход воздуха через наружный контур определить по сечению II-II на входе в камеру смешения, то, учитывая, что и (рис.3.1), получим . Расход воздуха на входе в КВД равен . В результате для степени двухконтурности ТРДДсм получим следующее выражение: . (3.1) Как видно, степень двухконтурности ТРДДсм зависит от относительных плотностей тока на входе в камеру смешения (по наружному контуру) и на входе в КВД (по внутреннему контуру), т.е. от соотношения пропускных способностей контуров. Величина является функцией только приведенной частоты вращения РВД и при снижении уменьшается. Если приближенно принять, что , то из (3.1) следует, что при снижении , а значит и , степень двухконтурности будет возрастать. Возрастание m при снижении у ТРДДсм приводит к тому, что при Fкр = const величина не сохраняется постоянной (как у ТРД), а уменьшается. Физически это объясняется тем, что в результате относительного увеличения расхода воздуха, поступающего через наружный контур, происходит переполнение камеры смешения воздухом. Это приводит к возрастанию противодавления за турбиной, что и вызывает снижение , а соответственно, и . 2. Условие равенства мощностей КНД и ТНД, если отбор мощности от КНД не производится, означает, что . В развернутом виде это уравнение записывается следующим образом: , (3.2) где . Учитывая, что , получаем , (3.3) где и – параметры работы КНД и ТНД. Формула (3.3) устанавливает связь степени двухконтурности с параметрами ГГ, КНД и ТНД. Температура газа перед турбиной определяется из условий совместной работы КВД и ТВД по значению , причем при . Следовательно, совместная работа КНД и ТНД влияет на только через режим работы КНД за счет того, что в нем осуществляется предварительный подогрев воздуха перед КВД, а это приводит к изменению , и соответственно . 3. Условие равенства статических давлений на входе в камеру смешения установлено опытным путем. Если принять допущение о том, что затурбинный диффузор является элементом турбины низкого давления, тогда условие равенства статических давлений записывается как , где – статическое давление за диффузором ТНД. Но поскольку давление связанно с давлением соотношением , (3.4) а давление может быть записано в виде , (3.5) то условие согласно (3.4) и (3.5) будет иметь следующий вид . Далее, учитывая, что и , получим . (3.6) Уравнение (3.6) устанавливает взаимосвязь параметров ГГ, ТНД и камеры смешения через λтНД = λI и λII. Для получения полной системы уравнений, определяющей взаимосвязь параметров ТРДДсм, нужно к системе уравнений (3.1–3.6) добавить зависимости, устанавливаемые характеристиками всех элементов, входящих в состав двигателя. Характеристики этих элементов задаются графически или в форме полиномов. Характеристики ГГ, определяемые при условии =const, задаются в виде зависимостей , , , , от (рис. 3.2).
Характеристики компрессора низкого давления (вентилятора) представляются в обычных координатах (рис. 3.3). Приведенная частота вращения РВД (ротора ГГ) при этом должна определяться с учетом подогрева воздуха в КНД из соотношения , (3.7) где – температура воздуха на входе в КВД на расчетном режиме работы двигателя.
Характеристики турбины низкого давления задают в виде зависимостей от и от параметра частоты вращения (рис. 3.4). Характеристики камеры смешения представляются в виде зависимостей I, II и см от приведенной степени двухконтурности (рис. 3.5). По ним удобно анализировать условия совместной работы камеры смешения, турбины и реактивного сопла в ТРДДсм. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Условием совместной работы камеры смешения, турбины и реактивного сопла является равенство расхода газа на выходе из камеры смешения расходу газа через критическое сечение реактивного сопла. У одноконтурных ТРД и их ГГ при сверхкритических перепадах давлений в нерегулируемом реактивном сопле турбина ГГ является «запертой» критическим сечением реактивного сопла и поэтому при у них , а из условия следует постоянство числа и приведенной скорости за турбиной. У ТРДДсм при . В данном случае равенство расходов газа для сечений см-см и кр-кр (рис. 3.1) выражается следующим образом . Учитывая, что = , и принимая , получаем . Как видно, при сверхкритических перепадах давлений в реактивном сопле (когда ) условию соответствует условие . На рис. 3.5 дан фрагмент характеристики камеры смешения с нанесенной на нее рабочей линией, соответствующей условию и проходящей через расчетную точку р. Как видно, с ростом приведенной степени двухконтурности величина снижается, а увеличивается. Уменьшение приводит к снижению приведенной скорости за турбиной и соответственно величины , а значит, и . Таким образом, система уравнений (3.1-3.6) и зависимости, устанавливаемые характеристиками всех элементов, входящих в состав двигателя, определяют систему уравнений, связывающую между собой параметры ТРДДсм. Количество неизвестных независимых безразмерных параметров в этой системе уравнений получается большим числа независимых уравнений. Эти избыточные переменные являются управляемыми параметрами. Управление режимами ТРДДсм может осуществляться по одному, двум и большему числу параметров. Число управляемых параметров определяется числом независимых управляемых факторов. Управляющими факторами для ТРДДсм являются: расход топлива , углы установки лопаток НА , площадь смесителя Fсм и др. У существующих ТРДДсм углы задаются в функции от, и тогда не является независимым управляющим фактором; площадь Fсм у большинства ТРДДсм, как правило, не регулируется. В этом случае управление двигателем осуществляется по одному параметру – Gт. 3.2. РАБОЧИЕ ЛИНИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКЕ КНД И ВЛИЯНИЕ НА НИХ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ Если в ТРДДсм Fкр=const, то на расположение рабочей линии на характеристике КНД может влиять выбор расчетных параметров элементов двигателя:
Влияние изменения расчетной площади Fкр.р (или ) на расположение рабочей линии показано на рис. 3.6. Изменяя расчетную величину площади Fкр.р, можно смещать рабочую линию на характеристике КНД и, тем самым, влиять на взаимосвязь параметров ТРДДсм и на протекание его тягово-экономических характеристик. Рабочая линия на характеристике КВД при этом остается неизменной, если . У ТРДДсм при увеличении площади Fкр.р преобладающее влияние имеет раздросселирование КНД, возрастание приведенной скорости и увеличение степени двухконтурности. Это, несмотря на уменьшение скольжения роторов , вызывает смещение рабочей линии на характеристике КНД в сторону удаления от границы устойчивых режимов при высоких значениях (рис. 3.6). Но при низких значениях рабочая линия смещается в меньшей степени. Это объясняется замедлением, а затем прекращением роста и , если наступает запирание камеры смешения по наружному контуру (). С этого момента прекращается увеличение при возрастании площади Fкр, и под воздействием уменьшения S рабочая линия уже смещается к границе устойчивых режимов. Влияние расчетной степени двухконтурности m0 на крутизну расположения рабочей линии в поле характеристик КНД состоит в следующем. Чем выше расчетная величина , тем значительнее рабочая линия удаляется от границы устойчивых режимов работы при пониженных значениях , как показано на рис. 3.7 а. Влияние m можно объяснить, если составить уравнение неразрывности для сечения на выходе из КНД и на входе в КВД. В этом случае q(кНД) = (1+m)q(вВД) const. (3.8) В формуле (3.8) величина (1+m) повышается при снижении и тем значительнее, чем выше . Это и приводит к более интенсивному увеличению q(кНД) и раздросселированию КНД. Влияние величины на расположение рабочей линии в поле характеристик КНД показано на рис. 3.7 б. Увеличение приводит к более интенсивному снижению q(вВД) КВД при уменьшении (рис. 3.7 в).
По этой причине КВД оказывает более сильное дросселирующее влияние на поток воздуха, протекающий через КНД. Это вызывает приближение рабочей линии на характеристике КНД к границе его устойчивой работы при уменьшении (рис. 3.7 б). 3.3. формирование программ управления трддсм Программа управления влияет на протекание характеристик двигателя. Важными являются режимы, на которых от двигателя требуют получения наиболее высоких значений тяги. У всех типов самолетов значительную роль играет обеспечение высокой экономичности на крейсерских режимах полета. Другим важным требованием к программе управления двигателя является обеспечение эксплуатационных ограничений. Оно сводится к недопущению механических и тепловых перегрузок элементов конструкции двигателя и к предотвращению неустойчивых режимов работы каскадов компрессора. Прочностные ограничения вводятся из условия сохранения допустимых запасов прочности в элементах конструкции при изменении условий полета и режимов работы двигателя. Характерным для всех ГТД является ограничение максимально-допустимых частот вращения роторов nmax, а также максимально-допустимой температуры газа перед турбиной . Указанные параметры очень сильно влияют на запасы прочности лопаток и дисков каскадов турбомашин. Рис. 3.8. К определению ограничения по Ку.min Ограничения по запасу устойчивости каскадов компрессора вводится в тех случаях, когда величина запаса устойчивости Ку одного из каскадов приближается к минимально допустимому при данных условиях полета значению. У ТРДДсм при снижении приведенных частот вращения каскадов компрессоров в условиях их реального регулирования величины Ку.ВД и Ку.НД обычно повышаются и ограничений по запасу устойчивости вводить не требуется. Ограничение по Ку.min у этих двигателей, как правило, наступает в области режимов, где приведенные частоты вращения каскадов компрессора достигают величин более 100% и дальнейшее повышение уже недопустимо. Тогда ограничиваемыми параметрами являются величины или . Определение предельно допустимых значений приведенных частот вращения каскадов компрессора производится после построения рабочих линий на их характеристиках. Способ определения допустимого значения Ку.доп КВД в качестве примера иллюстрирует рис. 3.8. Как видно, в расчетной точке «р» (при = 1,0) величина Ку.р здесь составляет 15%. Но при = 1,05 (точка 1) запас устойчивости снижается до минимально-допустимого значения, которое в данном примере принято равным 10%, а при = 1,1 (точка «в») уже Ку = 0, а следовательно, возникает потеря устойчивости КВД («верхний срыв»). В данном случае величине = 1,05 соответствует вполне определенная величина , которая и принимается в качестве предельно-допустимой. У ТРДДсм всякий раз, когда программой управления задана рабочая линия на характеристике КНД, между рабочими точками на рабочих линиях КНД и КВД устанавливается однозначная связь, и значению однозначно соответствует определенная величина . Поэтому независимо от того, какой каскад вызывает необходимость ограничения максимально допустимой приведенной частоты вращения,это ограничение вводится исходя из условия . Если для двигателя установлены величины основных ограничиваемых параметров, то может быть определена (сформирована) программа управления на режимах ограничения. Переход на повышенные режимы работы двигателя связан с одновременным увеличением температуры , а также физических и приведенных частот вращения роторов. Под режимами ограничения подразумеваются такие режимы, при которых какой-либо из ограничиваемых параметров достигает предельно допустимого значения. В условиях ограничения двигатель, как правило, работает на максимальном режиме. Формирование программы управления для максимального режима рассмотрим в качестве примера при условии, что система управления двигателем обеспечивает заданное расположение рабочей линии на характеристике КНД и свободным является только один управляющий фактор – расход топлива Gт. В этом случае в качестве управляемого может быть принят только один какой-либо параметр. Им может быть , , , . Задание закона изменения одного из этих параметров однозначно определяет изменение всех остальных параметров. Программы управления изображают в виде зависимостей управляемых параметров от температуры , которая характеризует влияние на двигатель внешних условий. Изменение условий полета (МН и Н) или атмосферных условий (рН, ТН) приводит к изменению температуры на входе в двигатель и соответственно приведенных частот вращения роторов и , а как следствие этого, к изменению основных параметров элементов двигателя по их рабочим линиям (; ; ; ; ; ; ,…) и параметров ТКМ (; ;; ; ; ,…). Взаимосвязь параметров при той или иной программе управления будет в каждом конкретном случае своя. Она зависит от расчетных параметров и индивидуальных свойств характеристики элементов двигателя. При каждом заданном значении температуры на предельных режимахможно вводить ограничение только на один какой-либо параметр (по максимально-допустимой его величине). Формирование программы управления на предельных режимах сводится к выявлению на этих режимах ограничиваемых параметров в зависимости от температуры . Вначале назначают, исходя из газодинамических и прочностных расчетов, предельные значения ограничиваемых параметров. Они могут быть либо постоянными величинами (при любых условиях полета) ; ; ; , (3.9) либо величинами, зависящими от температуры . Зная требуемое изменение ограничиваемых параметров по температуре и имея взаимосвязь их с остальными параметрами, устанавливаемую характеристиками ТКМ, находят значения параметров , при которых может наступать каждое из рассмотренных ограничений. Для каждого ограничиваемого параметра величина имеет свою функциональную зависимость от температуры . В частности при однопараметрической системе управления (когда задана рабочая линия на характеристике КНД) все параметры ТКМ взаимосвязаны таким образом, что задание какого-либо одного из ограничиваемых параметров позволяет определить все остальные – в том числе значения , соответствующие этому ограничиваемому параметру. Технология определения этих зависимостей для различных ограничений состоит в следующем: 1. Для ограничения по эта зависимость, очевидно, имеет вид: . 2. Зависимость для ограничения по определяется из соотношения . Подставляя в эту формулу величину , найденную по условиям прочности, и варьируя температурой , получаем искомую функцию . 3. Величины для ограничения по определяются через параметр . По этим величинам, найденным при различных значениях температуры , с помощью характеристики ТКМ определяются зависимость для предельных режимов по. 4. Зависимость для ограничения по определяется с использованием формулы (3.7), по которой , а переход к осуществляется с использованием зависимости , взятой из характеристик ТКМ. Характер зависимостей от при рассматриваемых ограничениях показан на рис. 3.9. Из четырех рассмотренных управляемых параметров (, , , ) в однопараметрической системе управления двухвального ТРДДсм при стабилизации одного из них остальные изменяются, причем это изменение однозначно определяется температурой на входе в двигатель, либо величиной . Определив значения для каждого из рассматриваемых ограничиваемых величин, строят графики зависимостей этих величин от температуры . Вследствие различного наклона указанных кривых они между собой пересекаются, как показано на рис. 3.9.
Огибающая этого семейства кривых снизу, именуемая линией предельных режимов (ЛПР), дает комбинированную программу управления двигателя при заданных ограничениях. Как видно, в каждом диапазоне температур (между вертикальными штриховыми линиями) действует свое какое-либо ограничение. Точки излома указанной линии предельных режимов соответствуют переходу от одного ограничения к другому. Зная, что в диапазоне возможного изменения температуры какой из параметров выходит на ограничение, далее находят изменение всех остальных управляемых параметров от температуры . На рис. 3.10 в качестве примера изображена комбинированная программа управления ТРДДсм на предельных режимах, имеющая четыре участка: I – nНД.пр.max = const; II – nНД.max = const; III – = const; IV – nВД. max = const. На участке I при низких значениях температур ограничиваемым параметром является , причем условию nНД.пр = const соответствует nВД.пр = const и поэтому соблюдается подобие режимов ТКМ. В этом случае с ростом температуры , как указывалось, nНД и nВД увеличиваются пропорционально , а температура изменяется пропорционально . Такое управление обеспечивает постоянство величин Ку.ВД и Ку.НД. На участке II достигается ограничение по , причем поддержание nНД.max = const требует значительного увеличения температуры , что вызывает раскрутку ротора высокого давления. Следовательно, на участке II автоматически обеспечивается «температурная раскрутка» РВД при увеличении температуры (росте числа М полета). Это способствует увеличению крутизны нарастания тяги по числу М полета, что благоприятно сказывается на соотношении потребных и располагаемых тяг. Физические причины появления «температурной раскрутки» РВД, т.е. возрастания и при nНД = const и увеличении связано с особенностями рассогласования ступеней каскадов компрессора. Увеличение температуры на входе в компрессор вызывает уменьшение приведенных частот вращения и степеней повышения давления обоих каскадов. Вызванное этим рассогласование ступеней приводит к тому, что первые ступени переходят на повышенные углы атаки, они «затяжеляются», а последние ступени переходят на пониженные углы атаки, они «облегчаются». Как распределяются «облегчающиеся» и «затяжеляющиеся» ступени в каскадах по их количеству зависит от расчетной величины и ее распределения между КНД и КВД. Для современных ТРДДсм они таковы, что «затяжеляются» все ступени КНД и часть первых ступеней КВД, а «облегчаются» последние ступени КВД. Следовательно, для поддержания nНД = const, поскольку КНД «затяжеляется», нужно повышать температуру . Это и является причиной возрастания nВД, т.е. «температурной раскрутки» РВД. Следует отметить, что «затяжелению» РНД с увеличением у двухвальных ТРДДсм, в отличие от ТРД, дополнительно способствует возрастание степени двухконтурности . Повышение у ТРДДсм при увеличении (по сравнению с двухвальным ГГ ТРД) требует дополнительного повышения температуры газа перед турбиной для обеспечения nНД = const. Интенсивность раскрутки РВД зависит также от параметров и свойств самого КВД. Если КВД имеет , то, как указывалось, он при увеличении обычно склонен к «затяжелению»; а при меньших значениях – к «облегчению». Влияет на поведение КВД его регулирование поворотом лопаток НА группы первых ступеней. При увеличении и снижении лопатки НА КВД поворачиваются на прикрытие, т.е. на уменьшение углов атаки регулируемых ступеней, что снижает степень «затяжеления» КВД, либо вызывает его «облегчение». Если КВД склонен к «затяжелению», то увеличение на участке II, где nНД =const, будет происходить медленнее, чем в случае «облегчающегося» КВД, но температурная раскрутка на этом участке всегда будет иметь место. На участке III (рис. 3.10) своего максимально допустимого значения достигает температура . При поддержании в рассматриваемом примере, как видно, продолжается увеличение с ростом температуры (в данном случае КВД является «облегчающимся»). Вступление в работу ограничителя температуры приводит к замедлению темпа нарастания по, а частота вращения начинает падать. На участке IV в случае «облегчающегося» КВД уже возникает потребность ограничения , что сопровождается уменьшением и еще более сильным, чем на участке III, снижением с увеличением . Степень двухконтурности и скольжение роторов на участке I сохраняются неизменными, так как здесь nНД.пр = const и nВД.пр = const, а далее с ростом величина все время уменьшается, поэтому степень двухконтурности и скольжение роторов возрастают. Чем интенсивнее снижается , тем значительнее повышаются и . Причины увеличения степени двухконтурности и скольжения у ТРДДсм при снижении были рассмотрены ранее. Как указывалось, величина определяется по формуле (3.1). Она при повышении увеличивается вследствие снижения q(в)ВД и повышения q(II). Темп нарастания тяги по числу М полета определяется в первую очередь интенсивностью повышения с ростом МН температуры и расхода воздуха Gв. Глава 4 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОКОНТУРНЫХ И ДВУХКОНТУРНЫХ ТРД |
||||||||||||||||||||||||||