книги / Эксплуатационные характеристики авиационных газотурбинных двигателей

и ТРД определяется особенностями протекания линий рабочих режимов на характеристике компрессора.

Ранее мы выяснили, что степень расширения турбины ДТРД значительно больше, чем у исходного ТРД. Поэтому перепад давлений в реактивном сопле первого контура ДТРД всегда меньше, чем у исходного ТРД, т. е. лр.с(1)<Яр.с(0).

Рассмотрим случай, когда на максимальном режиме работы двигателя перепад давлений в реактивном сопле докритический, т. е.

	к
^р.сО)	= 1,85.
Этому случаю соответствуют сравнительно низкие значения
7з и высокие значения у	(рис. 4.2). Тогда при дросселировании

двигателя по мере снижения числа оборотов и, следовательно*

Рис. 4.9. Перераспределе­ ние перепада давлении между турбиной и реак­ тивным соплом при дрос­ селировании одновально-

го ДТРД

Рис. 4.10. Распределение суммарной степени рас­ ширения газа между тур. биноп и реактивным соп­ лом при дросселировании

(Г;р)=1200°К, ур = 2,

* = т )

**к1/ . = 8, "к||/л, — 1«")

степени сжатия компрессора уменьшается перепад давлений в реактивном сопле и в турбине. Сначала снижение суммарной степени расширения охватывает главным образом ступень низ­ кого давления — реактивное сопло. Затем по мере приближения Пр.С(1) к 1 усиливается падение перепада давлений в турбине (рис. 4.9).

Таким образом, закономерность изменения перепада давле­ ния в турбине ДТРД заметно отличается от изменения перепа­ да давления в турбине одноконтурного ТРД, у которого в значи­ тельном диапазоне чисел оборотов перепад давлений в турбине остается постоянным.

91

Распределение суммарной степени расширения между турбиной и реактивным соплом при дросселировании

двигателя

Распределение суммарной степени расширения между тур­ биной и реактивным соплом на докрнтических режимах истече­ ния газа из реактивного сопла можно произвести по методике, изложенной для ТРД. На рис. 4.10 показано распределение сум­ марной степени расширения газа между турбиной и реактивным

соплом при дросселировании двигателя. Изменение

пт и

лг,.с по числу оборотов для одновального ДТРД приведены на рис. 4.9.

Изменение степени двухконтурности одновального ДТРД при дросселировании

	С уменьшением числа оборотов геометрически неизменяемого
		одновального ДТРД степень двухкон-
		турностп	его сначала увеличивается
		(рис. 4.11). Такая закономерность объ­
		ясняется тем, что весовой расход воздуха
		через данный контур зависит главным
		образом от степени сжатия компрессора.
		При дросселировании		двигателя степень
		сжатия в первом контуре, имеющая бо­
		лее высокое исходное		значение, умень­
		шается более интенсивно, чем во втором
		контуре. Это приводит к тому, что расход
		воздуха через первый контур падает го-
Рис.	4 .1 1 . Изменение па-	Раздо интенсивнее, чем через второй кон-
раметров двухконтурно-		тур, в результате чего		степень двухкон-
стн	одновального ДТРД	турности	увеличивается,
при дросселировании

Только в области глубокого дросселирования, когда резко снижаются скорости истечения газа из второго кон­ тура, у падает.

Увеличение параметра у с уменьшением числа оборотов яв­ ляется важным фактором, который, как мы это увидим дальше, оказывает серьезное влияние на эксплуатационные особенности и свойства ДТРД.

92

Изменение температуры газа перед турбиной одновального ДТРД

Температура газа перед турбиной одновального ДТРД опре­ деляется балансом работ турбины и компрессора на равновесных числах оборотов. Имеем

откуда

^К| 4- //^Кц

(4.22)

Л_ Л*

— ьт"т

где

• ^ = 118.

А

Пусть по-прежнему на исходном максимальном режиме ра­ боты двигателя Яр.с,|)< я Кр. С уменьшением числа оборотов ра­ бота компрессора будет непрерывно снижаться. Если бы перепад давлений в турбине и степень двухконтурности оставались в некото­ ром диапазоне оборотов постоянны­ ми, то температура газа перед тур­ биной ДТРД первоначально снижа­ лась бы таким же образом, как у ТРД. Но так как параметр у воз­ растает при дросселировании (комп-

	0,6	0,7	0,6	0,9	/? 1,0
	Рис. 4.12. Изменение			относи­		Рис. 4.13. Влияние		степени
	тельной температуры газа перед					двухконтурностн	на _относи-
	турбиной	одновального			ДТРД	тельное изменение		при
	по	числу	оборотов
						дросселировании	одноваль­
	( Я = 0 ,	с0 = 0	, Уд =1200° К,
						ного ДТРД

5:к1(о,= 8- т'к= °-85- < = 0'9)

рессор «затяжеляется», сжимая относительно большее количест­ во воздуха во втором контуре), а перепад давлений на турбине быстро снижается (турбина «облегчается», ее работоспособность падает), то в итоге температура газа перед турбиной ДТРД по

93

сравнению с ТРД уменьшается незначительно. При дальнейшем дросселировании двигателя она, достигнув некоторого минимума, начинает быстро расти. Во всем диапазоне рабочих оборотов

значение Т1 у производного ДТРД оказывается существенно выше, чем у исходного ТРД (рис. 4.12). На рис. 4. 12 показано, что при снижении оборо­ тов двигателя на 35%, от­

носительное значение

7з

для

ДТРД

равно 0,70, а

для

ТРД — 0,55;

таким

образом, температура

га­

за перед турбиной ДТРД

оказывается выше на 190°.

Влияние степени двух-

коптурности

на относи­

тельное изменение темпе­

ратуры

газа

перед турби­

ной ДТРД

при дроссели­

ровании

двигателя

при­

ведено

на

рис. 4. 13.

Чем

больше значение у, а сле­

довательно,

ниже

я Кц ,

тем

выше уровень темпе­

ратуры

Ь

во всем

диа­

пазоне

рабочих

оборотов

двигателя.

и

Изменение

тяги

удельного

расхода

топлива одновального

ДТРД

Рис. 4.14. Дроссельные

характеристики

На

рис. 4.14

показано

(Н = 0,

ДТРД и ТРД

= 1 ,7 ,

относительное

изменение

с„ = 0,

Т*= 1200" К, г*

тяги и

удельного расхода

11(0)

Я*

= 8 ,

т* = 0,85,

Т*=0.90)

топлива

одновального

1(0)

ДТРД

в

зависимости

от

В соответствии с более

высокими

числа оборотов.

значениями

температуры

газа перед турбиной и замедленным падением расхода воздуха при дросселировании тяга ДТРД падает медленнее, чем у ТРД, а удельный расход топливаувеличивается быстрее. Так, напри­

мер, при л=0,65 у ДТРД Я= 0,22 и Суд=1,3; соответственно у ТРД /?=0,16 .и Суд= 1,14.

Характерно, что кривая удельного расхода топлива геометри­ чески неизменяемого одновального ДТРД не имеет свойственно­ го для характеристик обычного одноконтурного ТРД минимума,

94

вследствие чего режим максимальной тяги ДТРД совпадает с режимом его наилучшей экономичности. В этом отношении дрос­ сельные характеристики ДТРД напоминают характеристики тур­ бовинтовых двигателей.

Физически непрерывный рост удельного расхода топлива гео­ метрически неизменяемого ДТРД со снижением чисел оборотов объясняется ухудшением эффективного к. п. д. цикла при отно­ сительно малом «удельном» весе в ДТРД потерь с выходной ско­ ростью. В то же время у ТРД уменьшение значительных потерь кинетической энергии потока при дросселировании двигателя приводит к появлению минимума Суд. Непрерывный рост Суд при дросселировании приводит к тому, что уже при небольшой степени дросселирования исчезает преимущество ДТРД над ТРД по экономичности. На режимах более глубокого дроссели­ рования удельный расход топлива ТРД оказывается существен­ но меньше, чем у двухконтурного ТРД (рис. 4.15, а).

На рис. 4.16 показана дроссельная характеристика одноваль­ ного ДТРД фирмы Рато А-65. Из рисунка видно, что отмеченные выше свойства дроссельной характеристики одновального ДТРД

сохраняются и при низких степенях сжатия (лк( =4) . С

уменьшением числа оборотов падение температуры Тз невелико и составляет едва 150°, удельный же расход топлива двигателя при этом непрерывно растет.

Приемистость одновального ДТРД 1

Более высокие значения температуры газа перед турбиной ДТРД по сравнению с ТРД во всем диапазоне эксплуатационных режимов свидетельствует о меньшем запасе избыточной мощно­ сти на валу турбокомпрессора

дN = N ^- N К,

т. е. разности между располагаемой мощностью турбины (опре­ деляемой максимально допустимой температурой газов Т^ш<с) и потребной мощностью компрессора (определяющей температуру газа перед турбиной на данном равновесном режиме). Это при­ водит к увеличению времени разгона двигателя (выхода на ре­ жим) — ухудшению приемистости.

Облегчение запуска (в том числе предотвращение недопусти­ мого заброса температуры газа) и улучшение приемистости од­ новального ДТРД может быть достигнуто:

—открытием реактивного сопла второго контура;

—выключением из работы второго контура (путем прикры­ тия лопаток поворотного направляющего аппарата на входе в компрессор);

—открытием реактивного сопла первого контура;

—переходом к двухвальной схеме ДТРД.

1 Подробнее об этом см. в главе 9.

95

I

а)

о)

--------- ДТРД

-------- - ТРД

Рис. 4.15. Сравнение дроссельных характеристик ДТРД и ТРД: а — одновальные двигатели; б — двухвальные двигатели

I

Рис. 4.16. Дроссельная характеристика одновального ДТРД Рато А-65

I

96

При открытии реактивного сопла второго контура мощность компрессора второго контура падает (так как расход воздуха при этом незначительно растет, а степень повышения давления существенно уменьшается). Следовательно, избыточная мощ­ ность турбокомпрессора растет. Такой же эффект достигается и при прикрытии лопаток поворотного направляющего аппарата, установленного на входе в компрессор второго контура (снижа­

ется расход воздуха через контур из-за падения лк,, и, кроме то­ го, уменьшается эффективная работа компрессора).

Полное закрытие лопаток на входе в компрессор второго контура переводит ДТРД на режим работы ТРД. Однако этот метод не предотвращает некоторой затраты мощности на трение и нагрев циркулирующего в межлопаточных пространствах воз­ духа при вращении ротора. Кроме того, при выключении из ра­ боты компрессора турбина переходит на нерасчетный режим ра­ боты, характеризующийся дополнительными потерями.

При открытии реактивного сопла первого контура располага­ емая мощность турбины вследствие увеличения срабатываемого в ней перепада давлений возрастает.

Наконец, переход к двухвальной схеме ДТРД сводит законо­

мерность изменения 7з по числу оборотов к случаю двухвальиого ТРД, а следовательно, улучшает приемистость двигателя.

Дроссельные характеристики двухвальных ДТРД

Стремление устранить эксплуатационные недостатки, прису­ щие одновальным ДТРД, улучшить основные показатели этих

двигателей на расчетном режиме работы	привело	к появлению
д в у х в а л ь н ы х ДТРД уже на ранней	стадии	их развития
(двигатели Конвэй).

В настоящее время большинство серийных и опытных ДТРД выполнено по двухвальной схеме.

Влияние дросселирования на процесс расширения газа в двухвальной турбине ДТРД

Процесс расширения газа в двухвальной турбине ДТРД при дросселировании двигателя происходит так же, как в любой многоступенчатой турбине с выхлопом в наружную атмосферу. С уменьшением чисел оборотов перепад давлений в турбине сни­ жается, начиная с последней ее ступени (ближе всего располо­

женной к наружной атмосфере). Это снижение *т постепенно охватывает ступени, установленные вверх по потоку.

1 Применение двухвальной схемы позволяет увеличить напорность ступе­ ней компрессора высокого давления первого контура за счет доведения окруж­

ной скорости его лопаток до предельного значения. Это дает	возможность
уменьшить габаритную длину и удельный вес двигателя.
4 А. Л. Клячкнн	9?

Пусть на расчетном режиме работы двигателя (л = /г,) скоро­ сти истечения газа из реактивного сопла первого контура, сопло­ вых аппаратов турбин высокого и низкого давления достигают критических значений, т. е.

Я(^б)= Я(^са)вд = Я(>>са)нд = 1•

При дросселировании двигателя в сверхкритической области истечения из реактивного сопла (яр.с> л Кр= 1,85) снижение сте­ пени расширения двигателя сначала происходит за счет умень-

Рис. 4.17. Перераспределение перепада		Рис. 4.18. К	определению
давлений	между турбинами высокого	режима работы турбины
давления	и низкого давления при	высокого	давления

дросселировании ДТРД

При некотором значении числа оборотов п2< п х в реактивном сопле устанавливается докритический режим истечения, т. е.

<7 (^5) < 1 - Начиная с этого момента, давление на входе в реак­ тивное сопло падает. Одновременно снижается степень расшире­ ния в турбине низкого давления. Поскольку режим истечения из первого соплового аппарата турбины низкого давления еще продолжает сохраняться критическим, турбина высокого давле­

ния остается	«запертой»	по.перепаду давления, т.	е.	"твд=
= сопз1. При	дальнейшем	снижении числа оборотов	до	п3 ско­

рость истечения из первого соплового аппарата турбины низкого давления становится докритической. С этого момента перепад давлений в турбине высокого давления начинает, падать. Те­ перь между турбинами высокого давления и низкого давления уменьшающийся суммарный перепад давлений перераспределя­ ется. По мере приближения я* к 1 падение л* ускоряется.

98

На рис. 4.18 показана экспериментальная зависимость изменения <7(^Л) от те*.

Так как

*п + \

2п /СА(НЛ)^(^Са)нД

ТВД '

<7(>‘Са)нД

/ са(вд)^^са)вд

то этот график показывает качественную связь падения те* как функции те* .

Изменение температуры газа перед турбиной двухвального ДТРД

Закономерность изменения температуры Тг по числу обо­ ротов двухвального ДТРД полностью определяется балансом работ турбокомпрессора высокого давления

^твд=^квд,

откуда

7 з = -------- —	-------- .	( 4 .2 3 )
срт •	*
Т Етвдт‘твд

Так как первый сопловой аппарат турбины низкого давле­

ния в начальной стадии дросселирования	работает при критиче­
ском перепаде давлений, то я*вд =сопз1	и Г* — Аквд. В этом

диапазоне оборотов наступает снижение Т*г, которое определяет­

ся уменьшением работы компрессора высокого давления по числу оборотов. При дальнейшем дросселировании двигателя перепад давлений на турбине высокого давления снижается [когда

<7('са)нд < 1], вследствие чего падение 7з замедляется. По мере уменьшения оборотов температура газа перед турбиной дости­ гает минимума, а затем начинает расти.

Закономерность изменения Т\ в широком диапазоне чисел

оборотов двухвального ДТРД оказывается такой же, как у двух­ зального ТРД.

«Скольжение» турбокомпрессоров высокого и низкого давлений

С уменьшением температуры газа перед турбиной высокого давления (7 з ) снижается температура газа и перед турбиной

1 По данным Майера [20].

4*

99

низкого давления (7^Нд ), а степень двухконтурности при этом

возрастает. Ввиду этого нарушается баланс работ на турбоком­ прессоре низкого давления

(1

у) 1кнд >

^тнд-

В результате обороты турбокомпрессора низкого

давления

падают,

причем более

интенсивно, чем

обороты турбокомпрес­

сора

высокого

давления.

Падение

оборотов

турбо­

компрессора низкого дав­

ления

усиливается,

когда

перепад давлений

в реак­

тивном

сопле

первого

контура

становится

до-

критическим

и

наступает

падение

перепада

давле­

ний

в

турбине

низкого

давления двигателя

(рис.

4.19).

при

Таким образом,

дросселировании

двига­

теля

отношение

чисел

оборотов

—

Пн п

п = ---- —непре-

Лвд

рывно снижается. Это яв­

ление мы назвали «сколь­

жением»

турбокомпрес­

0.86 0,88 090

0,92

0,94

0,98 Пвй 1,0

соров.

Изменение степени

характеристика

Рис. 4.19. Дроссельная

двухконтурности

двухвалыюго

Д Т Р Д

двигателя при

(Н=0. Мо=0.ур=1. 7-;(р) = 1300» К. С „ р=

дросселировании

=0,7

, <• =13,

<

=2,7)

С

уменьшением

обо­

К Г - Ч

К1(р)

кЧСр)

ротов

степень

двух­

ДТРД

увеличивается. Увеличение

контурности двухвальиого

у

обусловлено

различием

степеней сжатия компрессоров в контурах (л кц'С”к1^ и, сле­ довательно, более быстрым падением расхода воздуха через пер­ вый клнтур по сравнению со вторым. Однако прогрессивное па­ дение оборотов компрессора низкого давления ускоряет падение

я1сп и задерживает рост у.

Это существенно улучшает дроссельные характеристики двухвальных ДТРД по сравнению с одновальными (см. рис. 4.15, б).

100