3.4. Рабочий процесс ТВаД. Основные параметры рабочего процесса
Рабочим процессом газотурбинного двигателя называется совокупность протекающих в его проточной части термодинамических процессов.
В основе рабочего процесса ТВаД лежит идеальный цикл с подводом и отводом тепла при постоянном давлении, адиабатическим сжатием и расширением рабочего тела. Рабочий процесс (реальный цикл) отличается от идеального цикла наличием гидравлических и других потерь работоспособности энергии газа в процессах сжатия, подвода тепла и расширения.
Рис.22. Рабочий процесс ТВаД:
Q к. с. — тепло, подводимое к воздуху в камере сгорания; Q охл — тепло, отводимое в атмосферу
На рис. 22 показано изменение состояния газа в реальном цикле ТВаД в р—v координатах.*
Рабочий, процесс ТВаД состоит из ряда последовательно протекающих термодинамических процессов:
— политропического процесса сжатия во входном устройстве и компрессоре (Н—к);
— процесса сгорания топлива в камере сгорания (подвода тепла) (к—г);
— политропического процесса расширения газа в турбине компрессора (г—тк);
— политропического процесса расширения газа в свободной турбине (тк—т);
— политропического процесса расширения газа в выходном устройстве (т—с);
— условного изобарического процесса с отводом тепла (с—Н), протекающего в окружающей атмосфере и означающего условный возврат рабочего тела на вход в двигатель.
Так как газ, выйдя из двигателя, приобретает параметры атмосферного воздуха, а во входное устройство поступает атмосферный воздух, то цикл ТВаД равноценен замкнутому циклу. В таких случаях, когда один из термодинамических процессов проходит за пределами двигателя, цикл называется условно замкнутым. Атмосферный воздух в этом случае, рассеивая отводимое тепло, играет как бы роль холодильника.
Как было сказано выше (см. п.2.9) при таком процессе газ, циклически изменяя свои параметры, производит работу. Причем, чем больше разница между работами расширения и сжатия газа, тем больше работа цикла, тем больше работы производится газом. Работа цикла эквивалентна площади внутри графика циклического изменение параметров газа в р-v координатах. Учитывая, что работа цикла ТВаД расходуется, в основном, на привод во вращение несущего и рулевого винтов, можно сделать вывод: чем больше работа цикла ТВаД тем больше его мощность.
*Показано в упрощенном виде
Для увеличения работы цикла и, следовательно, мощности двигателя необходимо увеличить разность между работами расширения и сжатия газа. Этого можно добиться, увеличивая давление газа за компрессором или увеличивая количество подводимого в газу тепла. Графики рабочих процессов для этих случаев показаны на рисунке 23.
Рис.23. Изменение рабочего процесса ТВаД при увеличении давления за компрессором (а) и увеличении количества подводимого к газу тепла (б)
Как видно и рисунка 23, увеличение давления за компрессором и увеличение количества подводимого к газу тепла приводит к увеличению площади внутри графика, а следовательно, увеличению разности между работами расширения и сжатия газа, работы цикла и мощности двигателя. На рисунке 23 площадь эквивалентная приращению работы цикла (DLцикла) заштрихована.
Основные параметры рабочего процесса ГТД характеризуют условия и напряженность работы агрегатов двигателей. К ним относятся: степень повышения давления воздуха в компрессоре и температура газа перед турбиной.
Степень повышения давления воздуха в компрессоре (pК)— отношение давления на выходе из компрессора рк к давлению на входе в него рВ:
(31)
Часто используется также степень повышения давления, выраженная через давление заторможенного потока:
(32)
Нетрудно сделать вывод, что с ростом pК (или pК*) происходит увеличение мощности двигателя. Это объясняется увеличением силы давления газа на лопатки турбины, как следствие, возрастает момент на валу турбины и ее мощность. У существующих ТВаД pК* составляет 6¸18,4, у ТВ2-117 — pК*=6,6.
Температура газа перед турбиной Т г* определяет величину тепловой энергии подведенной к воздуху. Чем больше Т г* тем больше мощность двигателя. Это объясняется тем, что с ростом температуры газа происходит увеличение его объема, значит, для его прохождения необходимо увеличивать площадь проточной части турбины двигателя, следовательно, возрастает высота лопаток турбины и действующая на них сила от давления газа.
У существующих ТВаД температура газа перед турбиной составляет 1070¸1516 К, у двигателя ТВ2-117 — Т г* = 1148¸1153К.
3.5. Режимы работы ТВаД*
Режим работы двигателя — состояние работающего двигателя, характеризуемое совокупностью значений мощности, а также параметров рабочего процесса (pК*, Тг*) и других параметров, определяющих происходящие в нем процессы тепловую и динамическую напряженность его деталей (частота вращения ротора турбокомпрессора nтк, свободной турбины nсв и др). В зависимости от изменения параметров двигателя во времени различают установившиеся и неустановившиеся режимы работы двигателя.
*Приводится применительно к двигателю ТВ2-117
Под установившимся понимается такой режим, при котором nтк, nсв Тг* и другие параметры, характеризующие работу двигателя, не изменяются во времени. На неустановившемся режиме эти параметры с течением времени изменяются.
К неустановившимся режимам относятся: запуск, останов двигателя, переход с одного режима на другой.
Взлетный режим работы двигателя — установившийся режим работы двигателя, характеризуется максимальной мощностью Ne, максимальными значениями nтк, nсв, pК*, Тг* Работа двигателя на взлетном режиме допускается в течение ограниченного времени.
Взлетный режим применяется при взлете вертолета, может быть также применен при полете на одном двигателе в случае отказа второго.
Номинальный режим — установившийся режим работы двигателя, характеризуемый пониженными по сравнению с взлетным режимом значениями Ne, nтк, nсв, pК*, Тг*. Работа двигателя на номинальном режиме также ограничено по времени.
Эффективная мощность двигателя на номинальном режиме составляет 0,7¸0,9 от Ne на взлетном.
Номинальный режим применяется в полете при наборе высоты.
Крейсерский режим — установившийся режим работы двигателя, характеризуемый пониженными по сравнению с номинальным величинами Ne, nтк, nсв, pК*, Тг*. Продолжительность работы двигателя на крейсерском режиме в течение ресурса не ограничена.
Эффективная мощность двигателя на крейсерском режиме < 0,7 Ne на взлетном.
Крейсерский режим применяется при горизонтальном полете вертолета на максимальную дальность и продолжительность, при полете со снижением.
Режим малого газа — установившийся режим работы двигателя с минимальной частотой вращения роторов и мощностью, при которых обеспечиваются его устойчивая работа. При работе на режиме «малый газ» величина мощности двигателя не регламентируется. На режим «малый газ» двигатель выходит после запуска, на этом режиме осуществляется прогрев двигателя после запуска и охлаждение перед остановом.
Время работы двигателя на режиме «малый газ» ограничено, т. к. при длительной работе на этом режиме возможен перегрев подшипниковых узлов из-за недостаточной циркуляции масла и охлаждающего воздуха.
3.6. Основные параметры ТВаД
Оценка совершенства авиационных двигателей, в том числе и вертолетных, производится оценочными параметрами. Эти параметры, в основном, аналогичны параметрам, применяемым для оценки других двигателей непрямой реакции, и характеризуют:
— величину мощности;
— экономичность;
— массовые характеристики, габариты и др.
Так как условия полета оказывают большое влияние на параметры газотурбинных двигателей, обычно указанные выше параметры рассматриваются для стандартных атмосферных условий, при работе двигателя на уровне земли и режиме работы, обеспечивающем висение вертолета при нулевой скорости набегающего потока. Экономичность рассматривается для крейсерского режима работы, т. к. на этом режиме двигатель работает большую часть своего ресурса.
Эффективная мощность двигателя (Ne) — это мощность, снимаемая с вала свободной турбины вертолетного ТВаД. Абсолютная величина эффективной мощности задается техническими условиями на проектирование двигателя и зависит от его назначения. Поэтому эффективная мощность, являясь важным параметром, не позволяет в полном объеме судить о конструктивном совершенстве двигателя.
При выборе газотурбинного двигателя для конкретного вертолета необходимо учитывать потери эффективной мощности при передаче ее на несущий винт. Потери эффективной мощности на вертолете состоят; из потерь на всасывание, трение, охлаждение, приводы агрегатов и привод рулевого винта. Потери мощности на всасывание возникают вследствие гидравлических сопротивлений, создаваемых влиянием фюзеляжа вертолета и входного устройства двигателя. Эти потери составляют примерно 2,5% от эффективной мощности двигателя и, как показали эксперименты, не зависят от скорости полета вертолета. Потери мощности на трение в трансмиссии составляют примерно 3% от эффективной мощности и практически не зависят от скорости полета. Потери на привод вентилятора охлаждения агрегатов силовой установки составляют 1,15% от эффективной мощности и также не зависят от скорости полета. Потери эффективной мощности на привод рулевого винта составляют 9—10% от Ne.
На современных вертолетах применяются газотурбинные двигатели (ТВаД) с эффективной мощностью 400¸11400 л. с. (294¸8380 кВт)
Удельная эффективная мощность двигателя (Ne уд) — это отношение эффективной мощности двигателя (Ne) к секундному расходу воздуха через двигатель (Gв):
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 |
