- 4.1. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Скоростными характеристиками
- Чем выше
- «вырождение»
- Возрастание С
- Увеличение внутреннего КПД объясняется улучшением использования теплоты в цикле за счет повышения
- 4.2. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Высотными характеристиками
- Суммарная степень повышения давления
- Степень подогрева воздуха
- Таким образом, тяга двигателя
- Удельный расход топлива.
- Влияние числа Рейнольдса
- Высотно-скоростные характеристики ТРД.
- 4.3. ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Дроссельными характеристиками
- Тяга при дросселировании двигателя
- Удельный расход топлива
Теория авиационных двигателей (РИО). Меньшей массой (по сравнению с поршневыми двигателями) при данной мощности
 Скачать 16.59 Mb.
|
Характеристики одноконтурных ТРДНа протекание скоростных и высотных характеристик ТРД влияет много различных факторов. Закономерности изменения тяги Р и удельного расхода топлива Суд от скорости полета, высоты полета и режима работы двигателя зависят от расчетных параметров рабочего процесса двигателя (; ), программы управления, эксплуатационных ограничений и ряда других факторов. На уровень параметров, обеспечиваемых двигателем, влияет режим его работы, задаваемый положением РУД. Высотно-скоростные характеристики принято рассматривать для максимального режима, характеризующего предельные возможности двигателя по создаваемой тяге, а его данные на пониженных режимах принято оценивать по дроссельным характеристикам. Предельные режимы работы двигателя определяются с учетом конкретных эксплуатационных ограничений. Для качественного объяснения основных физических закономерностей, свойственных высотно-скоростным характеристикам ТРД, будем рассматривать программу управления n = nmax = const; = = const, (4.1) как обеспечивающую наибольшую тягу ТРД при всех условиях полета. Для объяснения характера изменения величин Р и Суд в зависимости от различных факторов будем пользоваться следующими соотношениями Р = GвРуд; Суд = или Суд =, определяя величину удельной тяги по формуле Руд = сс – V. 4.1. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Скоростными характеристиками двигателя называют зависимости его тяги (мощности) и удельного расхода топлива от скорости (числа М) полета при постоянной высоте полета и принятой программе управления. Проанализируем характер изменения тяги и удельного расхода топлива по скорости (числу М) полета у ТРД при программе управления (4.1). Тяга двигателя, равная Р = Gв Руд, зависит от характера изменения расхода воздуха Gв и удельной тяги Руд от скорости полета V (и соответственно числа М полета – МН). Расход воздуха Gв =. (4.2) при увеличении скорости полета на заданной высоте возрастает, главным образом, по причине повышения давления воздуха на входе в двигатель и далее по всей его проточной части, т. к. Величина вх с ростом V повышается за счет сжатия воздуха от скоростного напора во входном устройстве. Темп повышения Gв, зависящий от интенсивности роста скоростного напора, тем выше, чем больше скорость полета V (рис. 4.1). Фактором, ослабляющим увеличение Gв с ростом V (МН), является повышение температуры , влияющее непосредственно на Gв в соответствии с формулой (4.2), а также вызывающее снижение =, что приводит к уменьшению относительной плотности тока на входе в двигатель q(в). Поэтому темп возрастания Gв по V зависит от расчетной величины степени повышения давления воздуха в компрессоре . Чем выше , тем интенсивнее снижается q(в) при уменьшении и тем медленнее повышается Gв с ростом скорости полета.
Удельная тяга Руд = сс – V при увеличении скорости полета V уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом скорости полета V скорость истечения газа из реактивного сопла сс повышается медленнее, чем растет сама скорость полета V (рис. 4.3).
В этом можно убедиться, если представить Руд через работу цикла в виде соотношения Lц = =, (4.3) откуда Руд = 2Lц /(сс+V). С ростом V работа цикла при > опт снижается (рис. 4.3), а величина (сс+V) увеличивается, что и приводит к уменьшению Руд при увеличении V. При очень больших скоростях полета, когда , Lц = 0, удельная тяга обращается в ноль (скорость Vmax на рис. 4.3), происходит «вырождение» двигателя). Это соответствует при параметрах существующих двигателей МН max ≈ 3,0…3,5. При МН = МН max, соответствующем «вырождению» двигателя, когда Lц = 0, подводимая теплота Qmin= сп(–) (вследствие увеличения температуры при ограничении максимально-допустимой температуры ) оказывается настолько малой, что она полностью расходуется на преодоление гидравлических потерь в двигателе. Тяга двигателя, равная произведению Gвна Руд, определяется рассмотренными закономерностями изменения Gв и Руд от числа М (или скорости V) полета. На начальном участке скоростной характеристики (а-б, рис. 4.4) Gв возрастает медленнее, чем уменьшается Руд и тяга снижается. При МН ≈ 0,4…0,5 и Н = 0 она обычно достигает минимума, а затем (на участке б-в, рис. 4.4) возрастает из-за более интенсивного увеличения Gв по сравнению с падением Руд. Затем интенсивное снижение Руд замедляет рост Р и уже в данном примере при МН = 2,0…2,5 тяга достигает максимальной величины и далее на участке в-г уменьшается, стремясь к нулю при МН max ≈ 3,0…3,5, когда Руд = 0. Удельный расход топлива, равный Суд = , с возрастанием числа М полета непрерывно повышается и стремится к бесконечности, когда Руд = 0. Это объясняется тем, что, несмотря на уменьшение Q = сп (–) из-за увеличения при = const, величина Руд очень интенсивно падает, что и вызывает повышение Суд. При числе МН max, когда Руд 0, Суд ∞. Рис. 4.5. Зависимости вн, тяг и п ГТД прямой реакции от МН Возрастание Суд с увеличением МН не означает ухудшения экономичности рассматриваемых ГТД. Экономичность двигателя характеризуется величиной полного КПД, который равен п = внтяг. Характер протекания КПД по МН для ГТД прямой реакции показан на рис. 4.5. Величина hп при увеличении МН возрастает во всем рабочем диапазоне режимов полета по следующим причинам. Тяговый КПД с ростом МН увеличивается из-за более медленного роста скорости истечения сс (рис. 4.3) по сравнению со скоростью полета V. Это приводитк уменьшению отношения скоростей и к росту . Увеличение внутреннего КПД объясняется улучшением использования теплоты в цикле за счет повышения . Но при больших МН, когда величина Q = сп(–) становится малой, а относительные гидравлические потери в двигателе резко возрастают, Lц и hп стремятся к нолю. Полный КПД резко падает лишь при тех числах МН, при которых Руд стремится к нулю и происходит «вырождение» двигателя. Эти числа М полета лежат за пределами возможных режимов полета ЛА с рассматриваемыми двигателями. Рост Суд = в основном диапазоне режимов полета объясняется тем, что скорость полета растет быстрее, чем растет полный КПД. 4.2. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Высотными характеристиками двигателя называют зависимости его тяги (мощности) и удельного расхода топлива от высоты полета при постоянной Рис. 4.6. Относительное протекание высотных характеристик ТРД скорости (числе М) полета и принятой программе управления. Закономерности протекания высотных характеристик объясняются изменением по высоте полета параметров рабочего процесса и , а также подводимой теплоты Q, относительное изменение которых представлено на рис. 4.6. Суммарная степень повышения давления воздуха в двигателе равна = вх. Величина вх= при МН = const сохраняется неизменной, поскольку вх = const, а есть функция только МН. Величина же вследствие снижения температуры ТН с высотой полета до 11 км возрастает. Это объясняется снижением в указанных условиях температуры воздуха на входе в компрессор, а значит ростом и . Степень подогрева воздуха =увеличивается с ростом Н, т. к. в соответствии с принятой программой управления Т*г= const, а Тн снижается. Величина Q = сп(–) также повышается, но еще более медленно, чем , вследствие снижения температуры воздуха за компрессором с ростом Н (рис. 4.6 в). Одновременный рост и при увеличении Н от 0 до 11 км приводит к возрастанию работы цикла и к значительному повышению (примерно на 40…50%) Руд. На высотах более 11 км, где температура ТН постоянна, параметры и также остаются неизменными, что объясняется подобием режимов работы двигателя. Расход воздуха с увеличением высоты полета у всех типов ГТД очень значительно снижается вследствие уменьшения давления и плотности воздуха во всех сечениях их проточной части. Величина Gв определяется пропускной способностью соплового аппарата первой ступени турбины (если он «заперт» по перепаду давлений или с.а = 1). В этом случае в соответствии с (4.1) Gв =. (4.4) Отсюда видно, что расход воздуха определяется главным образом давлением перед турбиной , так как = const. Но при МН = const величина в диапазоне высот от 0 до 11 км падает медленнее, чем рН, поскольку = к.с= constрН. Увеличение с ростом Н до 11 км несколько замедляет темп снижения давления по сравнению с рН. Это замедляет снижение Gв. На высотах более 11 км при МН = const, поскольку ТН = const и = const, в соответствии с теорией подобия , и другие безразмерные параметры сохраняются неизменными, поэтому остаются постоянными Руд и Суд, а Gв и Р изменяются пропорционально Н. Таким образом, тяга двигателя Р = Gв Руд до высоты 11 км снижается из-за снижения Gв, не смотря на увеличение Руд. Выше 11 км тяга снижается более интенсивно, т. к. Руд= const, а Gв снижается пропорционально рн, т. к. = const. Удельный расход топлива. Снижение Суд = (где п = внтяг) в диапазоне высот полета от 0 до 11 км объясняется увеличением внутреннего КПД двигателя (из-за одновременного повышения и ) и улучшением вследствие этого использования теплоты в цикле. Выше 11 км все параметры цикла постоянны, поэтому постоянны п и Суд. Рис. 4.7. Высотно-скоростные характеристики ТРД для режима «максимал» при программе управления n = const, = const Влияние числа Рейнольдса на высотные характеристики ГТД состоит в том, что при Re < Reкр вследствие возрастания вязкостного трения повышаются потери во всех элементах двигателя. Снижение и при Re < Reкр вызывает уменьшение Руд и возрастание Суд. Высотно-скоростные характеристики ТРД. Обычно высотные характеристики для ГТД прямой реакции отдельно не приводятся, а даются скоростные характеристики для нескольких высот полета. Построенные таким способом высотно-скоростные характеристикипри принятых допущениях имеют вид, представленный на рис. 4.7. Они построены в диапазоне высот от 0 до 11 км с учетом того, что при Н > 11 км при принятых допущениях Суд = const, а Р = const Н. 4.3. ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД Дроссельными характеристиками называют зависимости тяги и удельного расхода топлива ГТД от частоты вращения одного из роторов (или расхода топлива) при заданных условиях полета и принятой программе управления. Дросселирование двигателя в целях снижения его тяги осуществляется снижением подачи топлива в камеру сгорания за счет уменьшения угла установки РУД. Основным управляющим фактором при этом является расход топлива Gт. Объясним качественный характер протекания дроссельных характеристик на примере ТРД при условии, что дросселирование осуществляется при Fкр = const. Рис. 4.8. Дроссельные характеристики ТРД На рис. 4.8 показано два способа изображения стендовых дроссельных характеристик ТРД: в виде зависимостей удельного расхода топлива от тяги (рис. 4.8 а) и в виде зависимостей Р и Суд от (рис. 4.8 б). Основные режимы работы двигателя отмечены условными обозначениями. Характеристики построены в относительных координатах, где за исходный принят максимальный режим. Протекание дроссельных характеристик двигателя определяется параметрами его рабочего процесса. Характер изменения наиболее важных из них представлен на рис. 4.9. Здесь показано изменение от степени повышения давления и КПД компрессора, а также, и . Объясним с их помощью протекание дроссельных характеристик. Тяга при дросселировании двигателя, как видно из рис. 4.8, интенсивно снижается, что обусловлено уменьшением как удельной тяги, так и расхода воздуха. Уменьшение Gв вызвано со снижением и q(в) из-за перемещения рабочей точки по рабочей линии на характеристике компрессора вниз. Снижение Руд обусловлено одновременным уменьшением параметров рабочего процесса и (в основном, температуры газа перед турбиной ), как это показано на рис. 4.9. Одновременное снижение параметров и при дросселировании двигателя приводит к уменьшению работы цикла и удельной тяги. Следует особо отметить, что температура при снижается при уменьшении чрезвычайно интенсивно в соответствии со снижением работы, потребной для вращения компрессора. Происходит значительное уменьшение скорости истечения сс и удельной тяги Руд = , что наряду с уменьшением Gв приводит к очень интенсивному снижению тяги двигателя.
На пониженных частотах вращения при приближении к режиму МГ в стендовых условиях возможно уменьшение интенсивности снижения и даже увеличение температуры с уменьшением . Это обусловлено снижением при переходе реактивного сопла на докритические режимы истечения. Удельный расход топлива вначале незначительно уменьшается, вблизи режима «кр» достигает минимального значения, а затем увеличивается вплоть до режима МГ (рис. 4.8). На удельный расход топлива оказывают влияние два противоположно действующих фактора: снижение внутреннего КПД и увеличение тягового КПД. Внутренний КПД снижается по причине одновременного уменьшения параметров рабочего процесса и . Поэтому глубокое дросселирование ГТД любого типа всегда связано со значительным уменьшением внутреннего КПД вн и полного КПД п = внтяг и увеличением удельного расхода топлива Суд =. Снижение удельного расхода топлива на начальном участке дроссельной характеристики (от максимального до крейсерского режимов, рис. 4.8) объясняется интенсивным увеличением тягового КПД, вызванным быстрым снижением скорости истечения при дросселировании (из-за падения и ) и уменьшением, вследствие этого, потерь с выходной скоростью (рис. 4.9 в). Современные ГТД, как отмечалось ранее, имеют на максимальном режиме температуру больше , а поэтому снижение при дросселировании двигателя вблизи максимального режима приводит к приближению температуры к ее экономическому значению, что и вызывает некоторое уменьшение Суд (за счет повышения тягового КПД). |
||||||||||||