- Степень двухконтурности m у ТРДД является
- 4.4. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД
- Зависимость расхода воздуха от скорости (числа
- Расход воздуха через внутренний контур ТРДД G
- Расход воздуха через наружный контур ТРДД G
- Зависимость удельной тяги ТРДД от скорости полета
- Удельная тяга с ростом
- Зависимость тяги двигателя
- Удельный расход топлива
- 4.5. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД
- 4.6. ВЫСОТНО-СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД
- 4.7. ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД
- Дроссельными характеристиками ТРДД
Теория авиационных двигателей (РИО). Меньшей массой (по сравнению с поршневыми двигателями) при данной мощности
 Скачать 16.59 Mb.
|
Характеристики двухконтурных ТРД (ТРДД)В ТРДД, используемых на дозвуковых транспортных и гражданских самолетах, характерно применение сравнительно высоких степеней двухконтурности. Это обусловлено требованием получения хорошей экономичности и соответственно низких удельных расходов топлива. У этих ТРДД, по мере их развития, степени двухконтурности m = GвII/GвI и параметры рабочего процесса и увеличивались (как показано на рис. 4.10) и в настоящее время они достигают: m0 ≈ 4,5…5,5; ≈ 1500…1600 К; ≈ 25…35. Рис. 4.10. Изменение параметров рабочего процесса и удельных параметров ТРДД в ходе их развития: I, II, III – поколения Повышение степени двухконтурности m приводит к возрастанию тягового КПД двигателя за счет снижения потерь с выходной скоростью. Вследствие увеличения параметров рабочего процесса, при условии сохранения высоких КПД элементов, достигается увеличение внутреннего КПД двигателя. В итоге повышается полный КПД двигателя п=внтяг и снижается удельный расход топлива Суд. Но увеличение степени двухконтурности неизбежно приводит к уменьшению удельной тяги двигателя, а вследствие этого увеличивается расход воздуха, требуемый для получения заданной тяги. Это вызывает увеличение габаритных размеров и в первую очередь миделя таких ТРДД. Рис. 4.11. Влияние режима работы двигателя (а) и условий полета (б) на степень двухконтурности ТРДД Степень двухконтурности m у ТРДД является функцией от приведенной частоты вращения компрессора nк.при при этом весьма существенно изменяется при изменении скорости, высоты полета и частоты вращения ротора двигателя. Качественный характер изменения m от представлен на рис. 4.11 а. С уменьшением величина m возрастает, а это, как видно из рис. 4.11 б, приводит к повышению m с увеличением скорости (числа MН) полета и к ее снижению с увеличением высоты полета Н до 11 км. Весьма значительная зависимость степени двухконтурности от режима работы двигателя, скорости и высоты полета наряду с низкими абсолютными значениями удельных тяг являются теми отличительными особенностями, которые влияют на протекание высотно-скоростных и дроссельных характеристик ТРДД по сравнению с соответствующими характеристиками ТРД. Ниже дается объяснение характеру протекания характеристик двухконтурных двигателей двух основных типов: ТРДД (без смешения и со смешением потоков контуров), а также производится сравнение их характеристик с характеристиками ГТД прямой реакции других типов. 4.4. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД Характеристики ТРДД без смешения и со смешением потоков контуров при равных значениях степени двухконтурности почти не различаются между собой. Поэтому в последующем изложении, если нет оговорок, под аббревиатурой ТРДД будут подразумеваться как ТРДД, так и ТРДДсм. Согласно определению, скоростной характеристикой ТРДД называется зависимость тяги Р и удельного расхода топлива Суд от скорости полета на заданной высоте полета при принятой программе управления. Тяга равна произведению расхода воздуха Gв и удельной тяги Руд, т.е. Р = Gв Руд. Рассмотрим последовательно влияние на величины Gв и Руд, а следовательно, и на тягу Р, скорости полета V (и соответственно числа М полета – МН) на заданной высоте полета. Зависимость расхода воздуха от скорости (числа М) полета определяется из соотношения Gв = mв q(в)Fв. (4.5) Условия полета оказывают влияние на Gв через давление и температуру воздуха на входе в двигатель, причем и . Величина q(в) при этом изменяется в соответствии с изменением приведенной частоты вращения вентилятора ТРДД, поскольку q(в) = f (nв.пр), и определяется по рабочей линии на характеристике вентилятора. На изменение Gв по скорости полета влияют расчетные значения и m0, а также характер их зависимостей от МН. Уравнение расхода для ТРДД в форме Gв = GвI (1+m), учитывая, что GвI = const , (4.6) можно привести к виду Gв = const (1+m). (4.7) Если принимать ≈const, то из формул (4.6) и (4.7) видно, что расход воздуха через внутренний контур ТРДД GвI пропорционален давлению ==вх, а расход воздуха через наружный контур GвII пропорционален (1+m), а следовательно, на него, помимо , влияет изменение степени двухконтурности m. Расход воздуха через внутренний контур ТРДД GвI при возрастании скорости полета V (и соответственно числа М полета) как и у ТРД увеличивается медленнее, чем повышается давление на входе в двигатель. Это объясняется уменьшением с ростом температуры , поскольку при ≈ const GвI ≈ const=const. (4.8) Чем более высокое расчетное значение имеет двигатель, тем интенсивнее снижается при увеличении , а это замедляет темп возрастания по скорости полета давления , а следовательно, и GвI. Расход воздуха через наружный контур ТРДД GвII вследствие увеличения степени двухконтурности m (рис. 4.11 б) увеличивается с ростом скорости полета быстрее, чем расход воздуха через внутренний контур GвI, что в соответствии с (4.7) приводит (при одинаковых параметрах рабочего процесса) к более интенсивному увеличению Gв у двухконтурных двигателей по сравнению с одноконтурными, у которых m= 0. На рис. 4.12 представлены зависимости = / от числа М полета для ТРД (m0 = 0) и для ТРДД, имеющих m0 = 1,0; 2,0; 4,0 при одинаковых параметрах рабочего процесса (= 24; = 1500 К) для высот полета Н = 0 и Н = 11 км. Видно, что темп возрастания Gв по МН повышается с увеличением m0. На рис. 4.13 показано влияние на характер изменения Gв расчетного значения суммарной степени повышения давления воздуха в компрессоре у ТРДД для значений , равных 15 и 30, при m0 = 4,0. С ростом , как и у ТРД, интенсивность роста Gв по МН замедляется, что вызвано более значительным снижением у них q(в) с ростом и с уменьшением .
Зависимость удельной тяги ТРДД от скорости полета будем рассматривать для простоты при равенстве скоростей истечения газа из сопел кон туров, т.е. при условии =. Это качественно приемлемо для ТРДД с раздельными контурами (из-за малого различия у них величин и ). Тогда удельная тяга для всех ГТД прямой реакции будет определяться по одной и той же формуле: Руд = сс – V. (4.9) Различие в схемах двигателей и режимах их работы будет влиять на Руд только через скорость истечения сс из реактивного сопла. Скорости сс зависят от располагаемой степени понижения давления в реактивном сопле с.расп и температуры газа перед соплом . У ТРДД значения скоростей истечения и удельных тяг при заданных параметрах рабочего процесса зависят от степени двухконтурности двигателя m. При увеличении m уменьшаются давление и температура перед соплами, а это приводит к снижению сс и Руд. Таблица 4.1
Рис. 4.14. Характер изменения Руд и по числу М полета у ГТД прямой реакции Порядок величин удельных тяг и удельных расходов топлива для основных типов ГТД прямой реакции в стендовых условиях (в данном случае Руд=сс) на режиме «М» при характерных параметрах рабочего процесса указан в табл. 4.1. Снижение скорости истечения выгодно с точки зрения уменьшения удельного расхода топлива, но оно ведет к снижению удельных тяг и к их более интенсивному падению при увеличении числа М полета. Удельная тяга с ростом МН падает тем интенсивнее, чем меньшую скорость истечения ссо имеет двигатель в стендовых условиях. Качественный характер зависимостей Руд от МН для ГТД прямой реакции различных типов, приведенных в табл. 4.1, показан на рис. 4.14 а. На рис. 4.14 б дано относительное протекание от МН. За исходный для сравнения относительного протекания скоростных характеристик двигателей принят режим полета на высоте 11км с МН = 0,5. Как видно, во всех случаях удельная тяга тем ниже и падает тем быстрее, чем меньшую скорость истечения в стендовых условиях имеет двигатель. Заштрихованная область на рис. 4.14 б относится к двухконтурным двигателям, причем ее нижняя граница соответствует ТРДД с высокими расчетными значениями m0 и , а верхняя граница относится к малым расчетным значениям этих величин. Зависимость тяги двигателя от МН для ТРД и ТРДД, имеющих различные m0, для высоты Н = 11 км представлены на рис. 4.15. Как видно, у двигателей с высокими скоростями истечения газа из сопла возрастание расхода воздуха с ростом МН преобладает над снижением удельной тяги, и тяга двигателя с увеличением МН возрастает. Для ТРД характерно наличие в зависимости тяги от числа М полета трех участков: снижения тяги (из-за преобладающего влияния уменьшения Руд), затем ее увеличения (где рост Gв превышает падение Руд) и резкого падения тяги вплоть до «вырождения» двигателя (в области больших сверхзвуковых скоростей полета). Видно также влияние на скоростные характеристики ТРДД расчетной степени двухконтурности. При малых степенях двухконтурности характер зависимости Р от МН является качественно таким же, как у ТРД (при m0 = 0), но с увеличением m0 преимущественную роль начинает играть снижение Руд с ростом МН. При высоких степенях двухконтурности, несмотря на значительное повышение Gв с увеличением МН (рис. 4.12), тяга все время снижается, вначале круто, затем более полого и снова круто (рис. 4.15).
Удельный расход топлива для ТРДД определяется из соотношения Суд = . (4.10) Как видно, он зависит от характера изменения удельной тяги Руд, степени двухконтурности m0 и количества подводимой теплоты на 1 кг воздуха в газогенераторном контуре Q. С ростом МН подводимая теплота Q уменьшается, а степень двухконтурности m возрастает, что благоприятно сказывается на Cуд. Но определяющую роль в зависимости Cуд от МН играет изменение Руд. Из-за падения Руд при увеличении МН удельный расход топлива повышается. Это свойственно всем ГТД прямой реакции (рис. 4.16), но у ТРДД, у которых Руд снижается с ростом МН более интенсивно и тем значительнее, чем выше m0, величины Cуд круто увеличиваются и уже при скоростях полета, близких к скорости звука, ТРДД с высокими m0 по экономичности начинают проигрывать ТРД. 4.5. ВЫСОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД Высотные характеристики ТРДД качественно не отличаются от высотных характеристик ТРД. С высотой полета до 11 км удельная тяга возрастает из-за увеличения и . При этом удельный расход топлива снижается, несмотря на уменьшение степени двухконтурности. Тяга до 11 км уменьшается вначале менее интенсивно, чем снижается плотность Н, из-за возрастания Руд, а на высотах более 11 км падает пропорционально плотности Н. 4.6. ВЫСОТНО-СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД Высотно-скоростными характеристиками ТРДД называются зависимости тяги, удельного расхода топлива и других данных от числа М полета для ряда высот полета при принятой программе управления. Для примера высотно-скоростные характеристики ТРДД для максимального режима приведены на рис. 4.17. При их расчете в стартовых условиях были заданы: Р0 = 50 кН; = 1500 К; = 10; = 2,5; m0 = 5. Расчет выполнен для трех высот полета: 0; 6 и 11 км. Характер протекания этих ВСХ полностью соответствует ранее выявленным закономерностям для ТРДД с высокими m0 (рис. 4.15). При Н = 0 (в условиях разбега и разгона у земли) тяга в диапазоне МН = 0…0,4 резко падает (примерно на 25%). На высотах (в данном случае при Н = 6 и 11 км) интенсивный рост расхода воздуха компенсирует снижение удельной тяги, и суммарная тяга на заданной высоте с ростом МН сохраняется почти постоянной или слегка увеличивается. Удельный расход топлива с ростом МН монотонно увеличивается (при Н = 0 в диапазоне от МН = 0 до 0,8 – почти в 1,5 раза), а с ростом высоты полета до 11 км незначительно снижается. Наибольшее влияние высота полета оказывает на тягу двигателя.
4.7. ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРДД Двухконтурные двигатели дозвуковых самолетов в процессе эксплуатации большую часть времени работают на дроссельных режимах, т.к. в условиях горизонтального полета у них необходимая потребная тяга, затрачиваемая на перемещение ЛА, существенно меньше тяги на максимальном режиме. Данные двигателя на этих режимах полета определяются по дроссельным характеристикам. Дроссельными характеристиками ТРДД называются зависимости тяги, удельного расхода топлива и некоторых параметров рабочего процесса таких, как температура , степень двухконтурности m, отношение частот вращения роторов /, КПД каскадов компрессора и и др., от частоты вращения какого-либо из роторов, обычно от при заданном режиме полета и принятой программе управления. Поскольку реактивные сопла у ТРДД с высокими степенями двухконтурности не регулируются, а углы установки лопаток НА регулируемых ступеней компрессора устанавливаются в зависимости от , то для изменения режима работы двигателя имеется один управляющий фактор – расход топлива Gт. Поэтому дросселирование двигателя осуществляется только снижением Gт. Дроссельные характеристики двигателя, имеющего =20; =1500 К и m0=3, при МН = 0,85 и Н = 11 км в качестве примера представлены на рис. 4.18. Дросселирование двигателя сопровождается снижением температуры , возрастанием степени двухконтурности m, небольшим повышением, а затем снижением КПД вентилятора и компрессора, а скольжение роторов S=/ увеличивается. Такое изменение S свойственно и двухвальным одноконтурным ТРД. При дросселировании двигателя уменьшается q(в)ВД компрессора ТРДД и повышается q(II). Это и приводит к увеличению степени двухконтурности . При снижении тяга ТРДД Р уменьшается весьма интенсивно. Удельный расход топлива Суд первоначально снижается, что связано с увеличением тягового КПД при уменьшении и увеличении m, а также с возрастанием КПД вентилятора и компрессора. Затем, достигнув минимального значения (в данном случае при = 0,88), Суд увеличивается главным образом за счет снижения внутреннего КПД двигателя. Вид дроссельных характеристик у ТРДД со смешением потоков контуров и с раздельными контурами различается мало. На характер протекания дроссельных характеристик ТРДД влияет величина расчетной степени двухконтурности m0. Это видно из рис. 4.19, где дано сравнение относительного протекания дроссельных характеристик ТРД и ТРДД с различными значениями m0. Чем выше величина m0, тем меньше снижается Суд на начальном участке дроссельной характеристики и тем интенсивнее увеличивается Суд при более значительном дросселирование двигателя. Это объясняется тем, что внутренний КПД сравниваемых двигателей с одинаковыми расчетными параметрами рабочего процесса при дросселировании изменяется практически одинаково, а величины тяговых КПД и характер их изменения при дросселировании сильно различаются.
Характер изменения вн и тяг при дросселировании ТРДД показан на рис. 4.20. Как видно, бóлее высокие величины тягового КПД при = 1,0 имеют двигатели с более высокими степенями двухконтурности. Но, поскольку они имеют меньшие потери с выходной скоростью, темп возрастания тяг при дросселировании у них ниже. По указанной причине максимум полного КПД п = вн тяг, а следовательно, минимум Суд , с возрастанием m0 смещается в сторону режима «М» (= 1). В конечном итоге улучшение экономичности двигателя при его дросселировании на начальном участке дроссельной характеристики оказывается меньшим у двигателей с более высокой расчетной степенью двухконтурности, а при m0 ≈ 6…8 уже практически исчезает «ложка» в зависимости от . Помимо этого, как видно, относительные дроссельные характеристики ТРД и ТРДД с низкими значениями m0 отличаются между собой не очень значительно. |