Глава 3. Характеристики турбореактивных двигателей

§ 3.1. Общие сведения.
Установившиеся и подобные режимы работы двигателей.

Тепловой расчет позволяет определить значения параметров рабочего процесса, соответствующие требуемым показателем двигателя на одном расчетном режиме его работы. По этим параметрам путем газодинамического расчета устанавливаются форма и размеры отдельных элементов проточной части и частота вращения ротора двигателя.

Однако двигатель эксплуатируется на разных высотах и скоростях полета и при различной развиваемой им тяге (разной нагрузке), изменение которой достигается регулированием расхода подаваемого в двигатель топлива. Таким образом, двигатель практически почти всегда работает на нерасчетных режимах.

При решении вопросов, связанных с применением двигателя на летательном аппарате, необходимо знать его показатели во всех условиях эксплуатации. Для этой цели служат характеристики двигателя, представляющие собой зависимости основных его показателей от изменяющихся в эксплуатации факторов, наиболее важными из которых являются скорость полета, высота и частота вращения ротора двигателя, характеризующая относительное изменение тяги и напряженности элементов конструкции.

На характеристиках приводятся показатели двигателя на нерасчетных режимах работы, которые принимаются установившимися, т. е. такими, при которых все показатели остаются неизменными во времени. Помимо этого в некоторых случаях оказывается необходимым знать условия перехода двигателя с одного установившегося режима на другой, т. е. переходные (неустановившиеся) режимы.

Наиболее точными являются характеристики, полученные экспериментально. Однако при проектировании новых двигателей или в тех случаях, когда проведение экспериментов связано с большими техническими трудностями, характеристики двигателей рассчитываются. На первом этапе проводятся проектировочные расчеты, затем проводят исследования на отдельных элементах двигателя, и только затем испытывают двигатель в целом. Это объясняется высокими экономическими затратами на изготовление двигателя и проведение самих испытаний.

При расчете характеристик решается по существу обратная задача, чем при определении данных двигателя на расчетном режиме. Расчет характеристик производится при уже установленной проточной части, которая принимается большей частью неизменной. Поэтому задачей расчета является определение параметров рабочего процесса и соответствующих им показателей двигателя при выбранной проточной части для случая использования ее в рассматриваемых нерасчетных условиях.

Если эта проточная часть двигателя не обеспечивает его устойчивую работу и удовлетворительные показатели в необходимом диапазоне нерасчетных режимов, то ее форма изменяется в соответствии с требованиями документации. Однако это приводит к ухудшению показателей двигателя в расчетных и близких к ним условиях. При значительном ухудшении показателей форма проточной части должна выполняться изменяемой применительно к нерасчетным условиям работы, хотя это и связано с существенным усложнением конструкции и системы регулирования двигателя.

Поскольку при работе двигателя на установившемся режиме параметры потока (скорость, давление, температура) в любой точке тракта не изменяются по времени, то установившийся режим возможен только при одинаковом расходе воздуха и соответствующем расходе газа через каждое сечение газовоздушного тракта. Пренебрегая небольшой разницей в расходах воздуха и газа, можно считать, что в любом сечении тракта должен сохраняться одинаковый расход воздуха. Это условие накладывает первое ограничение на характер изменения параметров потока по тракту двигателя.

Величина расхода воздуха через отдельные элементы двигателя влияет на происходящее в них изменение параметров потока. Поэтому на установившемся режиме одинаковый для всех элементов расход воздуха должен быть таким, чтобы соответствующее ему изменение параметров потока в каждом элементе обеспечивало устойчивое получение этого расхода. Кроме того должно сохраняться и постоянство частоты вращения ротора двигателя. При соблюдении этих условий работа всех элементов двигателя считается согласованной.

В наиболее общем случае для определения данных двигателя на нерасчетном режиме необходимо рассматривать вопросы согласования всех его пяти элементов: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного сопла. Однако при не очень высоких скоростях полета допустимо ограничиваться учетом только трех элементов: компрессора, турбины и выходного сопла. В этих случаях для согласования должны соблюдаться следующие три условия:

1) равенство расходов через компрессор и турбину;

2) баланс мощностей – развиваемой турбиной и поглощаемой компрессором и механическими потерями в двигателе (для сохранения постоянства частоты вращения);

3) равенство расходов через турбину и через выходное сопло.

§ 3.2. Основные режимы работы авиационных ГТД.

В настоящее время не существует строгой стандартизации основных режимов работы двигателей. Для единообразной оценки напряженности работы двигателей при испытаниях и эксплуатации обычно принимается следующая номенклатура основных режимов (в соответствии с нормами летной годности самолетов НЛГС-3).

Максимальный режим – установившийся режим двигателя, характеризующийся максимальной тягой (или мощностью) на земле или в полете в течение ограниченного времени.

Взлетный режим – максимальный режим работы двигателя на земле (Н = 0, = 0) при взлете самолета с полной нагрузкой. Этот режим ограничен временем непрерывной работы до 5…15 мин (на стоянке самолета из-за плохих условий охлаждения до 15…30 с) и суммарной наработкой на этом режиме до τ_∑ = 5% ресурса. Он характеризуется величинами n_max, T_г*_max, Р_max и является наиболее напряженным. Режим используется для нормального взлета или ухода на второй круг при прерванной посадке самолета.

Максимальный продолжительный режим – установившийся режим работы двигателя, характеризуемый, по сравнению с максимальным режимом, пониженными значениями n и T_г*, при котором двигатель может работать с ограниченной по времени общей наработкой.

Номинальный режим – режим наибольшего значения тяги (или мощности) с неограниченной продолжительностью по времени работы за полет. На некоторых двигателях время непрерывной работы ограничено 30…60 мин. Суммарная наработка на этом режиме составляет τ_∑ном = 20…70% ресурса. На этом режиме:

Р_ном = (0,75…0,85)∙Р_max

n_ном = (0,95…0,97)∙n_max

Режим используется в гражданской авиации для набора высоты и для взлета самолета с пониженной нагрузкой.

Крейсерский режим – режим пониженной тяги (или мощности), не ограничен по времени непрерывной работы. Обычно обозначается в долях номинальной тяги:

Р_кр = (0,4…0,85)∙Р_ном

n_кр= (0,78…0,92)∙n_ном

Режим характеризуется пониженными тяговыми и динамическими нагрузками, более высокой экономичностью и используется на крейсерских режимах полета. В ряде случаев назначаются несколько крейсерских режимов, отличающихся по тяге и рекомендуемых для различных режимов полета: Р_кр = (0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85)∙Р_ном.

Режим земного малого газа (МГ) – установившийся режим минимальной частоты вращения ротора (n_м.г.) и тяги (или мощности), при котором обеспечивается устойчивая работа двигателя и требуемая приемистость (время выхода с n_м.г. до n_ном, равное 5 сек).

Для уменьшения длины пробега самолета при посадке и удобства руления обычно вводится ограничение по тяге:

Р_м.г. = (0,03…0,05)∙Р_max.

Из-за высокой температуры газа T_г* и ухудшения эффективности охлаждения турбины время непрерывной работы на n_м.г. в ряде случаев ограничено от 10…20 мин до 30…60 мин (у некоторых двигателей оно не ограничивается). У современных двигателей обычно:

n_м.г. = (0,4…0,55)∙n_max.

Режим полетного малого газа (ПМГ) – установившийся режим работы двигателя при минимально допустимой частоте вращения ротора, обеспечивающий требуемые приемистость и тягу при заходе на посадку.

Режим проверки приемистости – режим работы двигателя на стенде с тягой (или мощностью) не более 15% от взлетной. Проверяется время регламентируемой приемистости, не превышающей 5 с, до достижения 95 % взлетной тяги (или мощности).

Форсированный режим – режим повышенной тяги за счет включения форсажной камеры или распыливания жидкости на входе в двигатель и т. д.

Полный форсированный режим (ПФ) – режим работы, характеризуемый максимальным расходом топлива в форсажной камере и величинами T_ф*_max, n_max, T_г*_max, что соответствует тяге Р_{ф max}.

Режим ограничен временем непрерывной работы.

Частичный форсированный режим (ЧФ) –режим работы, характеризуемый пониженными значениями тяги Р и расхода топлива в форсажной камере G_т.ф. (T_ф* < T_ф*_max) при максимальных или несколько пониженных значениях T_г* и n. Время непрерывной работы на этом режиме, как правило, не ограничено. Используется при длительном сверхзвуковом полете.

Минимальный форсированный режим (МФ) – режим работы, характеризуемый минимальным значением расхода топлива на форсаже G_{т.ф .} (T_ф*_min) при максимальных или пониженных значениях T_г* и n. Минимальное значение T_ф*_min ограничено срывными характеристиками форсажной камеры.

Режим реверсирования тяги – режим работы при включенном реверсивном устройстве. Время работы ограничено.

Режим с отбором воздуха (газа) от двигателя указывается в основных данных для каждого типа двигателя. Различают режимы по количеству отбираемого воздуха (газа) в процентах или по включенным потребителям.

Чрезвычайным режим – режим, превышающий по тяге (или мощности) взлетный, ограниченный временем непрерывной работы и используемый лишь в аварийных условиях для обеспечения сохранения летательного аппарата.

Перечень режимов работы двигателей обычно корректируется с учетом практики их доводки и эксплуатации.