- ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
- Отсюда следует, что экономичность турбовальных двигателей полностью определяется их внутренним КПД, характеризующим совершенство двигателя как тепловой машины.
- Рассмотрим влияние параметров рабочего процесса на удельные параметры ТВаД.
- 5.2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТВаД
- В вертолетных ГТД широкое применение находят пылезащитные устройства (ПЗУ) инерционного типа.
- На характеристики малоразмерных турбовальных двигателей значительное влияние оказывает снижение чисел Рейнольдса с увеличением высоты полета.
- Термодинамический цикл турбовального ГТД в p,v-координатах представлен на рис. 5.4
- 5.3. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОВАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
- Характеристики газогенератора
- Характеристики свободной турбины вертолетных ГТД
Теория авиационных двигателей (РИО). Меньшей массой (по сравнению с поршневыми двигателями) при данной мощности
 Скачать 16.59 Mb.
|
|
Глава 5 РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОВАЛЬНЫХ, ТУРБОВИНТОВЫХ И ТУРБОВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 5.1. УДЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТВаД И ИХ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА У турбовальных двигателей (рис. 5.1) реализуется термодинамический цикл Брайтона, и работа цикла Lц = Lе +. (5.1) У ТВаД, применяемых на вертолетах, реактивная тяга не используется в качестве движущей силы. Скорость истечения газа из сопла сс у них стремятся иметь как можно меньшей. Мала у них и скорость полета V. Поэтому у этих двигателей практически Lц = Lе. В этом случае мощность на валу двигателя выражается формулой Ne = LеGв LцGв. (5.2) Основными удельными параметрами ТВаД служат удельная мощность Nе.уд и удельный расход Се топлива.
Удельная мощность равна: Ne.уд ==Lе Lц. (5.3) Внутренний КПД термодинамического цикла ТВаД, как и для ГТД прямой реакции, определяется из соотношения вн ==. (5.4) Удельный расход топлива равен Сe ===. (5.5) Отсюда следует, что экономичность турбовальных двигателей полностью определяется их внутренним КПД, характеризующим совершенство двигателя как тепловой машины. Формулы (5.1)…(5.5) с достаточной точностью применимы также для расчета удельных параметров ТВД и ТВВД, т.к. для этих двигателей доля тяги, создаваемой за счет истечения газа из реактивного сопла, мала. Параметрами их рабочего процесса являются степень повышения давления = и степень подогрева воздуха =Т*г / Тн. Они определяют эффективность термодинамического цикла этих двигателей. Рассмотрим влияние параметров рабочего процесса на удельные параметры ТВаД. Зависимости Lц и вн от и для рассматриваемых двигателей остаются такими же, как для ТРД и ТРДД. Качественный характер протекания зависимостей Ne.уд и Сe от (и соответственно от при известной величине вх) при =const и заданных условиях полета для ТВаД изображен на рис. 5.2 а. Отличие от ТРД и ТРДД состоит в том, что значение величины эк у ТВаД соответствует условию максимума вни, следовательно, значительно ниже, чем у ТРДД и особенно у ТРД. Качественный характер зависимостей величин Ne.уд и Се от (и соответственно от ) при = const и заданных условиях полета приведен на рис. 5.2 б (сплошные линии). Величина Nе.уд повторяет зависимость работы цикла от . Как видно, Nе.уд увеличивается при повышении , а следовательно, и , более интенсивно, чем Руду ТРД , что объясняется снижением у них с ростом тягового КПД.
Внутренний КПД с ростом при = const увеличивается (рис. 5.2 в), поэтому величина Се , которая у ТВаД изменяется обратно пропорционально вн, с ростом уменьшается. Это также является отличительной особенностью ТВаД: у них нет эк. Чем выше и соответственно , тем при прочих равных условиях ниже удельный расход топлива. Это справедливо в предположении, что с ростом не происходит значительного увеличения расхода воздуха на охлаждение турбины. 5.2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ТВаД Турбовальными принято называть такие газотурбинные двигатели, у которых вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения турбовальных двигателей в авиации – силовые установки вертолетов (ТВаД). Помимо этого в авиации турбовальные двигатели применяются в качестве вспомогательных газотурбинных двигателей (ВГТД), где они являются источником мощности для запуска основных двигателей, привода генераторов, а также для снабжения ЛА сжатым воздухом. К этому же типу двигателей относятся турбостартеры. Помимо авиации в настоящее время турбовальные двигатели находят все более широкое применение в наземном и водном транспорте. На вертолетах используются преимущественно турбовальные двигатели, состоящие из автономного одно- или двухвального газогенератора и свободной (силовой) турбины (рис. 5.1). Реже на легких вертолетах применяются более простые двигатели одновальной схемы, но они имеют ряд недостатков и не считаются перспективными. Преимущество турбовальных двигателей со свободной турбиной состоит в том, что вал свободной турбины механически не связан с газогенератором. Это позволяет поддерживать постоянство частоты вращения вала свободной турбины nс.т = const при различных загрузках несущего винта независимо от частот вращения валов газогенератора, а также облегчает запуск двигателя. Для передачи крутящего момента с вала двигателя к несущему и рулевому винтам вертолета применяется трансмиссия с редуктором. Преимущество схемы со свободной турбиной здесь проявляется в том, что редуктор в этом случае имеет меньшее передаточное отношение, так как частота вращения nс.т делается меньшей, чем роторов газогенератора. Это дает экономию в размерах и массе редуктора, но приводит к снижению окружных скоростей ступеней свободной турбины, а следовательно, к увеличению их числа (или их утяжелению). Таблица 5.1
*) Встроенный редуктор **) ПЗУ Основные параметры наиболее распространенных турбовальных двигателей в стендовых условиях приведены в табл. 5.1. К числу отечественных двигателей в этой таблице относятся ТВ7-117, Д-136 и РД600В. Здесь же приведены данные двигателей PW-206 (Канада), RTM322 (Англия-Франция) и Т-700 (США). Все приведенные в таблице двигатели выполнены по схеме со свободной турбиной. В двигателе Д-136 применен двухвальный ГГ. Остальные двигатели имеют одновальные ГГ. Тип применяемых компрессоров и число ступеней компрессоров и турбин даны в таблице в виде условной записи zкнд+ zквд= zтвд+ zтнд+ zс.т. Применение осевых компрессоров характерно для турбовальных двигателей больших мощностей. На менее мощных турбовальных двигателях находят применение одно- и двухступенчатые центробежные компрессоры, либо компрессоры комбинированной схемы, состоящие из нескольких осевых и центробежной ступени. Это объясняется как эксплуатационными и технологическими преимуществами центробежных компрессоров (меньшим числом деталей, повышенной стойкостью к эрозионному износу, отсутствием регулируемых элементов), так и лучшими их характеристиками при малых расходах воздуха, влияющих на радиальные размеры проточной части. У турбовальных двигателей мощность, получаемая с одного килограмма воздуха в стендовых условиях, доходит, как видно из табл. 5.1, до 200...280 кВтс/кг. Поэтому у двигателей малой мощности потребный расход воздуха также получается небольшим. В результате этого при использовании осевых компрессоров длина лопаток их последних ступеней получается чрезвычайно малой. На осевые ступени с короткими лопатками оказывает сильное влияние перетекание воздуха в радиальных зазорах и наличие относительно более толстого пристеночного пограничного слоя, что снижает КПД этих ступеней. Центробежная ступень в таких условиях может обеспечивать более высокие значения КПД. В двигателях малых размеров широко применяются также противоточные камеры сгорания, поскольку они не лимитируют общих лобовых размеров двигателей этого типа, но снижают осевой габарит. Из анализа данных табл. 5.1 видно, что турбовальные двигатели имеют параметры рабочего процесса ( и ) более низкие, чем ГТД прямой реакции – ТРД и ТРДД. Это объясняется влиянием на выбор и размеров двигателей. У вертолетных двигателей, имеющих малые размеры, значительное увеличение температуры и сопутствующее этому повышение не всегда целесообразно с точки зрения улучшения эффективности термодинамического цикла. Вызываемое этим увеличение Nе.уд и снижение Gв приводит к чрезмерному уменьшению длины лопаток на последних ступенях компрессора и на первых ступенях турбины, что, в свою очередь, снижает КПД указанных элементов двигателя и не дает ожидаемого выигрыша в увеличении полезной работы цикла и снижении удельного расхода топлива. В вертолетных ГТД широкое применение находят пылезащитные устройства (ПЗУ) инерционного типа. Схема установки такого ПЗУ на двигателе показана на рис. 5.3. Воздух из окружающей атмосферы засасывается двигателем через искривленный канал -образной формы, в котором частицы пыли, подхватываемые потоком воздуха, разгоняются и по инерции проскакивают в пылеулавливающий канал, в котором для усиления потока воздуха устанавливается эжектор, работающий на сжатом воздухе, отбираемом от компрессора. Рис. 5.3. Схема пылезащитного устройства Необходимо учитывать влияние ПЗУ на данные и характеристики двигателя. Это влияние заключается в снижении вх и отборе воздуха для работы эжектора (только при взлете и посадке). Отбор воздуха может составлять 2…3%, а снижение вх – 1,5…2,0%. На характеристики малоразмерных турбовальных двигателей значительное влияние оказывает снижение чисел Рейнольдса с увеличением высоты полета. Это объясняется тем, что вследствие меньших размеров хорды лопаток числа Рейнольдса у них получаются более низкими и, уменьшаясь с подъемом на высоту, они раньше достигают критических значений. Высокие параметры рабочего процесса, достигнутые в двигателе Д-136, являются в известной степени следствием его больших размеров. В схемах турбовальных двигателей со свободной турбиной (рис. 5.1) Le = Lс.т. Отсюда следует, что у этих двигателей Ne = Gв Lс.т; Nе.уд = Lс.т; вн = и Се =. Как видно, у турбовальных двигателей эффективность преобразования теплоты Q0 в полезную работу Lс.т определяется только величиной внутреннего КПД. Рис. 5.4. Изображение цикла турбовального ГТД в p,v-координатах Особенность рабочего процесса турбовальных двигателей состоит в том, что, вследствие малых скоростей полета вертолетов, скорость истечения из сопла выгодно иметь у них как можно меньшей. По этой причине за свободной турбиной устанавливается не сопло, а диффузорный выходной патрубок (затурбинный диффузор). Его назначение максимально снизить скорость истечения газовой струи на выходе из двигателя и за счет этого увеличить степени понижения давления на свободной турбине с.т = р*тк / рт и повысить работу Lс.т= срТ*тк(1-1/с.тk-1/k) ηст. Термодинамический цикл турбовального ГТД в p,v-координатах представлен на рис. 5.4. Вследствие малых скоростей полета вертолета (или при V = 0 в стационарных ГТУ) у них может быть рв <рН. Линия Н-в соответствует процессу расширения воздуха во ВУ. Линия в-к изображает процесс политропного сжатия воздуха в компрессоре, к-Г – подвода теплоты в камере сгорания, Г-ТК – политропного расширения газа в турбине ГГ, а ТК-Т – в свободной турбине. Линия Т-С соответствует процессу повышения давления в затурбинном диффузоре, сопровождающемуся уменьшением скорости газа. Наличие диффузора уменьшает работу цикла на величину площади Т -Т-C (цикл Т -Т-C-Т является обратным), но благодаря уменьшению потерь с выходной скоростью и увеличению с.т = работа на валу Lс.т =срТ*тк(1-1/eст)ηст получается большей, чем без диффузора. 5.3. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОВАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Рассмотрим условия совместной работы элементов ГТД непрямой реакции различных типов на примере вертолетного турбовального двигателя со свободной турбиной (рис. 5.1). Основными элементами двигателя этой схемы являются: входное устройство (от сечения «Н-Н» до сечения «в-в»), газогенератор одновальной или двухвальной схемы (от сечения «в-в» до сечения «ТК-ТК» или «ТНД-ТНД») и свободная турбинас затурбинным диффузором (от выхода из газогенератора до сечения «с-с»). Характеристика входного устройства, как и у двигателей других типов, задается величиной коэффициента восстановления полного давления вх. У вертолетных ГТД величина вх зависит от приведенного расхода воздуха на входе в двигатель. С ростом Gв.пр величина вх несколько уменьшается из-за увеличения скоростей движения воздуха во входном канале и возрастания потерь в нем. Величина вх может изменяться в зависимости от углов атаки и скольжения, и она снижается при наличии пылезащитного устройства. Влияние этих факторов должно учитываться в каждом конкретном случае по имеющимся характеристикам ВУ и ПЗУ. Характеристики газогенератораопределяются из условий совместной работы его элементов. На характеристику компрессора ГГ наносится рабочая линия. Если перепад давлений в первом сопловом аппарате свободной турбины является сверхкритическим, то для определения рабочей линии на характеристике компрессора ГГ используется условие =const. Но иногда у турбовальных (и турбовинтовых) двигателей, имеющих малонагруженные ступени свободной турбины, указанный перепад давлений может быть докритическим. Тогда у турбины ГГ const. В этом случае построение рабочей линии на характеристике компрессора может быть произведено с использованием расходной характеристики свободной турбины. Характеристики ГГ при =const являются однопараметрическими функциями, которые после их расчета, удобно представлять в виде критериальных зависимостей величин , , , Gв.пр и Gт.пр от приведенной частоты вращения ротора ГГ. Будем частоту вращения ротора ГГ обозначать nт.к (частота вращения турбокомпрессора). Тогда, в соответствии с обозначениями на рис. 5.1 а, характеристиками ГГ будут являться зависимости от т.к.пр следующих величин: =; =; =; Gв.пр=; Gт.пр=. Рис. 5.5. Типовая характеристика свободной турбины Характеристики свободной турбины вертолетных ГТД принято рассматривать вместе с затурбинным диффузором и представлять в виде критериальных зависимостей КПД от степени понижения давления с.т=/рН и параметра оборотов – u= uст/акр= const nст/ При определении величин с.т и с.т в данном случае используются статические параметры газового потока в сечении «с-с» на выходе из затурбинного диффузора, поскольку они относятся к свободной турбине вместе с затурбинным диффузором. Пример такой характеристики представлен на рис. 5.5. Все параметры на рис. 5.5 даны в относительных величинах. Они отнесены к параметрам свободной турбины на расчетном режиме ее работы (в точке «р», рис. 5.5). Характеристики свободной турбины, представленные в таком виде, удобны тем, что они справедливы для геометрически подобных турбин и слабо зависят от их расчетных параметров. В определенном диапазоне изменения расчетных параметров они могут рассматриваться как обобщенные зависимости. В отличие от турбины ГГ, которая работает при =const, свободная турбина изменяет режим работы по с.т в широких пределах. Это в основном вызвано тем, что температура на выходе из турбины ГГ весьма значительно меняется в зависимости от режима ее работы при неизменном значении nс.т и u с.т. Поэтому сильно изменяется величина nс.т пр. Это оказывает влияние на КПД свободной турбины. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||