Термодинамика и теория авиационных...

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕОРИЯ

АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Методические указания по изучению дисциплины

Ульяновск 2009

ББК О551.4я7

Т35

Термодинамика и теория авиационных двигателей : метод. указания по

изучению дисциплины / сост. А. И. Созонов. – Ульяновск : УВАУ ГА(И),

2009. – 42 с.

Содержат программу дисциплины и методические рекомендации по ее

изучению с указанием вопросов для самопроверки и литературы для само-

стоятельного овладения дисциплиной.

Предназначены для курсантов и студентов заочной формы обучения спе-

циализаций 160503.65.01 – Летная эксплуатация гражданских воздушных су-

дов, 160505.65.01 – Управление воздушным движением, 160503.65.05 – Лет-

ная эксплуатация силовых установок и функциональных систем воздушных

судов.

Печатаются по решению Редсовета училища.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общие сведения ................................................................................................. 3

Содержание дисциплины

и методические рекомендации по ее изучению ............................................. 4

Рекомендуемая литература ............................................................................. 51

© Ульяновск, УВАУ ГА(И), 2009.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курс «Термодинамика и теория авиационных двигателей» является осно-

вополагающей дисциплиной в системе теоретической подготовки авиацион-

ного инженера (инженера-пилота, бортинженера). Целью дисциплины явля-

ется формирование у обучаемых систематизированных знаний о назначении,

принципах работы, основных характеристиках газотурбинных двигателей

(ГТД) различных типов и их основных узлов. С этой целью в рамках данной

дисциплины изучаются основные законы технической термодинамики и га-

зовой динамики, рассматривается применение этих законов для анализа про-

цессов, протекающих в основных элементах ГТД, влияние параметров рабо-

чего процесса двигателя на его энергетические, экономические показатели и

эксплуатационные характеристики.

При изучении данной дисциплины приобретаются знания, необходимые

для понимания рабочего процесса сложных энергетических устройств, каки-

ми являются современные авиационные двигатели. Только при наличии та-

ких знаний возможно последующее успешное изучение курса конструкции

двигателей и их летной эксплуатации, а также последующая успешная прак-

тическая деятельность инженера, грамотная летная эксплуатация силовых

установок современных воздушных судов.

Изучение курса базируется на знаниях, полученных при изучении мате-

матики, физики, химии, теоретической механики.

Автор: Сазонов А.И. Термодинамика и теория авиационных двигателей

Электронная версия: Ильиных ГА © НИЛ НОТ НИО УВАУ ГА (и), 2010г. 3

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

Введение

Цели, задачи дисциплины и ее составные части. Значение и место дисци-

плины в системе подготовки авиационного инженера (инженера-пилота,

бортинженера). Роль теоретической подготовки летного состава в обеспечении

безопасности полетов. Классификация авиационных двигателей. Полные и

удельные параметры ГТД. Требования, предъявляемые к авиационным двига-

телям. Краткие сведения об истории развития авиационных двигателей. Вклад

отечественных ученых в развитие технической термодинамики и теории рабо-

чего процесса двигателей ВС. Перспективы развития авиационного двигателе-

строения.

Методические указания

Изучая вводную часть, прежде всего, нужно уяснить назначение и задачи

курса. Необходимо понять, что разделы, где изучаются основы технической

термодинамики и газовой динамики, являются теоретической базой для изу-

чения собственно теории авиационных двигателей, поэтому изучение курса

должно вестись последовательно. Рассматривая историю развития теории

авиационных двигателей, следует выделить два этапа: развитие поршневых

авиационных двигателей и газотурбинных.

ГТД различных типов и схем сравниваются между собой по значениям их

абсолютных (полных) и удельных параметров. Абсолютные параметры

ГТД – это реактивная тяга (мощность), расход воздуха, расход топлива, масса

двигателя, его габариты и т.д. К удельным параметрам относятся удельная

тяга (мощность), удельный расход топлива, удельная масса ГТД и др. При

определении удельных параметров обычно используется значение силы тяги

(мощности) на максимальном режиме работы двигателя.



Основной задачей дальнейшего развития теории авиационных ГТД явля-

ется разработка путей повышения их топливной экономичности.

Вопросы для самоподготовки

1. Каковы цели и задачи курса «Термодинамика и теория авиационных двигателей»?

2. Как классифицируются авиационные двигатели?

3. Дайте характеристику полным и удельным параметрам авиационных ГТД.

4. Какие требования предъявляются к авиационным ГТД?

5. Каковы задачи дальнейшего развития теории авиационных двигателей?



Раздел 1. Основы технической термодинамики

Термодинамика представляет собой одну из самых обширных областей

современного естествознания, – науку, изучающую законы преобразования

одних видов энергии в другие в различных физико-химических процессах.

Техническая термодинамика как прикладная часть общей термодинамики изучает закономерности взаимного преобразования теплоты и работы в раз-личных по устройству и назначению тепловых машинах ( в том числе и в авиационных двигателях). Применяя основные законы физики к процессам превращения теплоты в механическую работу, техническая термодинамика дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей с целью по-вышения эффективности протекающих в них процессов.

Тема 1. Термодинамическая система и ее состояние

Рабочее тело тепловых двигателей. Понятие об идеальных и реальных га-зах. Термодинамическая система. Параметры состояния и функции состояния термодинамической системы. Открытые и закрытые системы. Уравнения со-стояния идеальных и реальных газов. Диаграммы состояния газов. Понятие о термодинамическом процессе.


Материал этой темы представляет собой необходимый комплекс определе-ний и понятий, на базе которых построено изложение последующих тем. В тех-нической термодинамике используются два метода исследования: метод круго-вых процессов и метод термодинамических функций и геометрических построе-ний. Последний метод получил в настоящее время широкое распространение.

Рекомендуемая литература: [1, с. 5–9, 20–24].


1. Что понимается под термодинамической системой? 2. Каким числом независимых параметров характеризуется состояние рабочего

тела?



3. Какое состояние называется равновесным и какое – неравновесным?

4. Какой газ называется идеальным?

5. Можно ли азот, кислород и воздух считать идеальными газами при достаточ-

но низких температурах и больших давлениях?

6. Можно ли водяной пар считать идеальным газом при достаточно больших

температурах и малых давлениях?

7. Что собой представляет уравнение состояния?

8. Что такое нормальные физические условия?

9. Что такое стандартные атмосферные условия?

10. Что называется термодинамическим процессом?



Тема 2. Первый закон термодинамики

Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия как функции состояния термо-

динамической системы. Теплота и работа как функции термодинамического

процесса. Аналитическое выражение первого закона термодинамики. Тепло-

емкость газов. Уравнение Майера. Определение работы и количества тепло-

ты, участвующей в термодинамическом процессе.


Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термоди-

намики. Первое начало термодинамики представляет собой приложение к те-

пловым явлениям всеобщего закона природы, – закона сохранения и превра-

щения энергии. При изучении данной темы необходимо обратить внимание

на принципиальное различие между функциями состояния газа (внутренней

энергией и энтальпией) и функциями процесса (теплотой и работой). Если

внутренняя энергия и энтальпия вполне определены для каждого заданного

состояния газа, то работа и теплота вообще не существуют для отдельного

состояния, а появляются лишь при наличии процесса (изменении состояния).

Рекомендуемая литература: [1, с. 20–37].


1. Что понимается в термодинамике под внутренней энергией газа?

2. Что такое энтальпия газа?

3. Дайте формулировку и аналитическое выражение первого закона термодинамики.

4. Когда теплота, работа и изменение внутренней энергии считаются положи-

тельными и когда – отрицательными?

5. Что называется теплоемкостью газа?

6. Какое влияние оказывают на теплоемкость газа условия подвода теплоты

(характер процесса)?

7. Какая связь существует между изохорной и изобарной теплоемкостями?

8. Какое влияние оказывает характер процесса на величину изменения внутрен-

ней энергии и энтальпии газа?



9. Как определяются работа изменения объема газа и располагаемая работа (ра-

бота изменения давления)?

10. Как графически изображается работа в pv-диаграмме?



Тема 3. Термодинамические процессы идеальных газов

Общие вопросы исследования термодинамических процессов. Исследова-

ние изохорного, изобарного, изотермического и адиабатного процессов.

Обобщающее значение политропного процесса.


Под термодинамическим процессом понимается всякое изменение со-

стояния системы. Причиной возникновения в системе термодинамических

процессов является взаимодействие с окружающей средой – именно это об-

стоятельство определяет характер и интенсивность процессов. Поскольку ме-

тодика анализа всех термодинамических процессов идентична, расчет раз-

личных процессов рекомендуется выполнять по одному и тому же алгоритму

(в следующем порядке):

− вывести уравнение данного процесса; установить связь между пара-

метрами начала и конца процесса;

− найти изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии газа;

− получить расчетные формулы для определения работы расширения (сжатия) и располагаемой работы (работы изменения давления);

− определить количество теплоты, участвующей в данном процессе;

− изобразить процесс в pv- и TS-диаграммах.



1. Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на совер-шение работы?

2. Как называется процесс, в котором подведенная к рабочему телу теплота численно равна изменению энтальпии? Какая доля подведенной теплоты идет в этом случае на изменение внутренней энергии?

3. Как называется процесс, в котором вся подведенная теплота идет на увеличе-ние внутренней энергии?



4. Как называется процесс, в котором работа совершается лишь за счет умень-шения внутренней энергии?

5. Какой процесс называется политропным? 6. За счет чего совершается работа в политропном процессе? 7. Чему равно значение показателя политропы для различных «изопроцессов»? 8. Покажите в pv-диаграмме взаимное расположение адиабаты и изохоры. 9. Покажите в TS-диаграмме взаимное расположение изохоры и изобары. 10. Как определяются работа, изменение внутренней энергии, энтальпии и эн-

тропии в политропном процессе?



Тема 4. Второй закон термодинамики

Основные положения второго закона термодинамики. Круговые термоди-

намические процессы (циклы). Прямые и обратные, обратимые и необрати-

мые циклы. Термический КПД цикла теплового двигателя. Цикл Карно. Тео-

рема Карно.


Второе начало термодинамики устанавливает направление протекания термодинамических процессов, позволяет выявить принципиальное различие между теплотой и работой как двух неравноценных форм передачи энергии. Если работа всегда и притом полностью, без ограничения может превращать-ся в теплоту, то превращение теплоты в работу в тепловых машинах ограни-чено. Ограничение это носит принципиальный характер, поэтому КПД теп-ловых двигателей всегда меньше единицы. Обратите внимание на то, что второй закон термодинамики имеет вероятностное толкование, т.е. не явля-ется абсолютным законом природы.



1.Как формулируется второй закон термодинамики применительно к явлениям теплообмена?

2. Как формулируется второй закон термодинамики применительно к тепловым двигателям?

3. Что такое термодинамический цикл? 4. Какой цикл называется прямым и какой – обратным? 5. Для чего служат машины, работающие по прямому и обратному циклам? 6. Как оценивается эффективность прямого и обратного циклов? 7. Какие условия необходимы для преобразования теплоты в механическую работу? 8. Дать описание цикла Карно и формулировку теоремы Карно 9. Чем определяется особое место цикла Карно в термодинамике? 10. Цикл Карно для теплового двигателя, холодильной машины и теплового насоса.



Тема 5. Термодинамические циклы тепловых двигателей

Понятие об идеальных циклах. Идеальные циклы ГТД (циклы Брайтона, Гемфри). Цикл с дополнительным подводом теплоты (с «дожиганием» топ-лива). Регенеративный цикл Брайтона. Методы повышения термического КПД ГТД. Циклы поршневых двигателей (циклы Отто, Дизеля, Тринклера). Сравнение циклов тепловых двигателей по экономичности.


В данной теме рассматриваются прежде всего термодинамические циклы

авиационных двигателей. Другие циклы рассматриваются лишь с ознакоми-

тельной целью. При изучении циклов тепловых двигателей необходимо об-

ратить внимание на следующие вопросы:

1) в связи с тем, что при протекании процессов с большими скоростями

существенный теплообмен между рабочим телом и окружающей средой не

успевает происходить, процессы сжатия и расширения в любых тепловых

двигателях (поршневых и газотурбинных) можно считать адиабатными;

2) принципиальное отличие циклов газотурбинных установок от циклов

поршневых двигателей заключается лишь в процессах отвода теплоты. В

ГТУ осуществляется полное расширение газа (до давления окружающей сре-

ды), поэтому процесс отвода теплоты принимается изобарным. В поршневых

ДВС газы удаляются из цилиндров с давлением в 2–4 раза большим атмо-

сферного, поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным;

3) термический КПД любого цикла растет с увеличением степени сжа-

тия рабочего тела (степени повышения давления).

При анализе различных циклов тепловых двигателей рекомендуется при-

держиваться следующего порядка:

− задаются параметрами состояния рабочего тела на входе в двигатель;

− зная, из каких процессов состоит данный цикл, определяют парамет-

ры состояния рабочего тела в характерных точках цикла;

− определяют количество подведенной и отведенной теплоты;

− определяют полезную работу и термический КПД цикла;



− анализируют влияние на величину полезной работы цикла и его тер-

мический КПД основных параметров рабочего процесса;

− определяют оптимальные и экономические значения основных па-

раметров рабочего процесса.



1. Дайте описание цикла Отто и рабочего процесса карбюраторного двигателя.

2. Опишите цикл Дизеля и рабочего процесса дизельного двигателя.

3. Дайте описание цикла Тринклера и рабочего процесса бескомпрессорного

дизельного двигателя.

4. Сравните по экономичности циклы Отто и Дизеля, пользуясь методом пло-

щадей и методом среднеинтегральных температур.

5. Дайте описание цикла Брайтона и рабочего процесса ТРД, ТВД, ПВРД.

6. Дайте описание и качественную оценку цикла Брайтона с дополнительным

подводом теплоты (с «дожиганием топлива»).

7. Дайте описание цикла Брайтона с регенерацией теплоты и укажите условия

его реализации.

8. Дайте описание цикла Гемфри и рабочего процесса ПуВРД.



Раздел 2. Основы газовой динамики

Газовой динамикой называется наука о движении газов с большими ско-

ростями. При достаточно больших скоростях проявляется такое свойство га-

зов, как сжимаемость, поэтому для описания движения газа и определения

параметров газового потока становится необходимым наряду с законами ме-

ханики учитывать и законы термодинамики. Если скорость потока газа зна-

чительно меньше скорости звука, сжимаемостью газа можно практически

пренебречь, т.е. газ ведет себя как несжимаемая среда, и для расчета его дви-

жения могут использоваться законы гидроаэродинамики. Пренебрежение

сжимаемостью начинает давать существенную ошибку в инженерных расче-

тах, когда скорость потока газа превышает 1/3 скорости звука. Для получения

надежных результатов расчетов следует пользоваться законами газовой ди-

намики при скорости движения газа более 100 м/с.

Процессы движения газа с большими скоростями все шире применяются

в технике: это движение газов в соплах реактивных двигателей, в межлопаточ-

ных каналах турбин и компрессоров, обтекание воздухом частей самолетов,

движущихся с околозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями.

Тема 6. Законы движения газов

Основные допущения. Уравнение неразрывности. Применение первого

закона термодинамики к открытым (проточным) системам. Уравнение энер-

гии потока газа в термической форме. Уравнение Бернулли. Основная систе-

ма уравнений для потока газа. Уравнения Эйлера. Применение уравнений га-

зовой динамики для анализа процессов, протекающих в основных элементах

ГТД и определения силы тяги ВРД.


При изучении данной темы необходимо обратить внимание на допуще-

ния, которые делаются при выводе уравнений движения газового потока, –



допущения о сплошности течения, о стационарности течения, об одномерно-

сти течения.

Уравнение неразрывности (уравнение расхода) позволяет установить про-

стое соотношение между скоростью движения, плотностью газа и площадью

поперечного сечения потока:

G = wρF = const .

Первый закон термодинамики применительно к потоку газа. В процессе

изменения состояния движущегося газа подводимая теплота расходуется не

только на изменение внутренней энергии и совершение работы, но и на из-

менение внешней кинетической энергии рабочего тела:

dq = di + dw2/2 = cpdT + dw2/2.

Это выражение иначе называют уравнением энергии потока газа в терми-

ческой форме. Записанное в такой форме, уравнение энергии удобно для вы-

числения изменений температуры и скорости потока в таких элементах тех-

нических устройств, где не совершается т.н. техническая работа (входное

устройство, камера сгорания, реактивное сопло ГТД). Когда газ движется по

каналам с подвижными стенками и совершает полезную (техническую) работу

над внешним объектом (например, в газовой турбине), уравнение энергии за-

писывается с учетом этой работы:

dq = di + dlтех + dw2/2 = di + dl0,

где l0 = –vdp – располагаемая работа. Следует иметь в виду, что располагае-

мая работа l0 и техническая работа lтех – это виды работы, которые соверша-

ются только в открытой термодинамической системе. Их не следует путать с

работой расширения (сжатия), совершаемой в закрытой системе. В открытой

системе работа затрачивается не только на деформацию газа (сжатие или

расширение), но и на ввод (или вывод) массы газа, а также на изменение

внешней кинетической энергии газа при его движении.

Уравнение Бернулли. Термическая форма уравнения энергии не дает связи между изменением скорости потока и изменением давления. Такую связь



можно получить, преобразовав уравнение энергии и придав ему «механиче-скую форму»: –vdp = dw2/2 + dlтех + dlтр. Уравнение энергии в механической форме называется обобщенным уравнением Бернулли.

Основная система уравнений потока газа. Основными определяемыми параметрами движения газа в любом сечении потока являются осредненные значения давления, температуры, плотности и скорости. Для нахождения этих четырех параметров необходимо составить систему из четырех незави-симых уравнений. Такую систему, например, можно составить, включив в нее уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона), уравнение процесса (в общем случае – уравнение политропы), уравнение неразрывности и одно из уравнений энергии потока газа.

Можно сформулировать целый ряд других задач, для решения которых применяется основная система уравнений потока газа. Однако при рассмот-рении практически важных вопросов силового взаимодействия газового по-тока с поверхностью твердого тела этих уравнений недостаточно. Они долж-ны быть дополнены уравнениями механики.

Уравнения Эйлера. Одной из важных задач газовой динамики является определение величин сил, действующих на твердые тела, обтекаемые потоком газа. В частности, для определения силового воздействия газового потока на основные элементы ГТД пользуются уравнением импульса силы, которое может быть получено на основании теоремы механики об изменении количе-ства движения. Применительно к потоку газа уравнение импульса силы име-ет вид:

P = Gсек(w2 – w1).

Это выражение называют уравнением Эйлера для поступательного дви-жения газа. Ценность этого уравнения состоит в том, что оно позволяет оп-ределить газодинамические силы, действующие на тела, расположенные в потоке газа, только по известным скоростям в характерных сечениях потока и по расходу газа, не анализируя сущность процессов, протекающих внутри потока. В частности, на основании этого уравнения может быть получена формула для определения силы тяги реактивного двигателя:

R = Gв(wc – Vп).



При изучении вращательного движения газа следует использовать еще одну из теорем механики – теорему об изменении момента количества дви-жения. Для потока газа уравнение моментов количества движения:

M = Gсек(w2ur2 – w1ur1).

Это выражение называется уравнением Эйлера для вращательного дви-жения газа. Оно является основополагающим в теории лопаточных машин, позволяет, в частности, вычислить крутящий момент, развиваемый на валу газовой турбины, мощность, затрачиваемую на привод компрессора и т.п.



1. При каких значениях скорости потока газа можно пользоваться расчетными формулами для несжимаемой жидкости?

2. Напишите уравнение расхода потока газа. 3. Напишите уравнение первого закона термодинамики для потока газа. 4. Что такое работа проталкивания и какой она может иметь знак? 5. Что такое техническая работа, при каких условиях она совершается? 6. Что такое располагаемая работа, как ее показать в pv-диаграмме? 7. Напишите уравнение энергии потока газа в термической и механической

форме. 8. Какие уравнения составляют основную систему уравнений потока газа? 9. Напишите уравнение Эйлера для поступательного и вращательного движения

газа. 10. Напишите формулу тяги ВРД.



Тема 7. Распространение возмущений в потоке газа

Распространение слабых возмущений в потоке газа. Скорость звука. Сильные возмущения в потоке газа (скачки уплотнения). Условия возникно-вения и характерные особенности прямых и косых скачков уплотнения.


Слабыми возмущениями называются такие местные изменения парамет-ров газа, которые по абсолютной величине значительно меньше средних зна-чений этих параметров. Типичными слабыми возмущениями являются зву-ковые волны, которые распространяются в газе со скоростью звука. В газо-вой динамике скорость распространения любых слабых возмущений считают

равной скорости звука: kRNTa = .

Обратите внимание на принципиально различный характер распростране-ния слабых возмущений в дозвуковом (М < 1) и сверхзвуковом (М > 1) пото-ках. При обтекании сверхзвуковым потоком поверхности твердого тела в ре-зультате наложения и суммирования слабых возмущений формируются силь-ные возмущения. При этом происходит скачкообразное возрастание давления и плотности и падение скорости потока. Зона резкого возрастания давления в сверхзвуковом потоке называется скачком уплотнения или ударной волной. Форма скачка уплотнения и его интенсивность зависят от формы обтекаемого тела и числа М набегающего потока. Необходимо детально ознакомиться с ха-рактерными особенностями скачков уплотнения различного типа и условиями их возникновения.

Рекомендуемая литература: [1, с. 100–106; 2, с. 33–37].


1.Что такое слабые возмущения?

2. Как определяется скорость распространения слабых возмущений?

3. Как распространяются слабые возмущения в потоке газа при различных ско-

ростях потока?

4. Что такое число Маха, конус Маха, угол Маха?



5. Что такое сильное возмущение?

6. Виды и условия образования скачков уплотнения.

7. Характерные особенности прямых и косых скачков уплотнения.



Тема 8. Движение газа по каналам переменного сечения

Энергоизолированное движение газа. Параметры торможения. Зависи-

мость между площадью проходного сечения канала и скоростью потока. За-

висимость между скоростью потока и перепадом давления. Получение сверх-

звуковых скоростей потока в канале. Критические параметры. Сопла и диф-

фузоры. Работа сопла при докритических и сверхкритических перепадах дав-

ления. Понятие о работе сверхзвуковых диффузоров. Газодинамические

функции (приведенные параметры).


Изучение общих вопросов движения газа позволяет перейти к рассмотре-

нию закономерностей практически важного случая энергоизолированного

течения газа по каналам переменного сечения.

Если газ движется по каналу с неподвижными стенками (воздухозаборни-

ки и реактивные сопла, направляющие аппараты компрессоров и сопловые

аппараты турбин ГТД), то газ не совершает техническую работу, и уравнения

энергии потока упрощаются. Уравнения становятся еще более простыми, ес-

ли можно пренебречь теплообменом между движущимся газом и окружаю-

щей средой (адиабатное течение), а также трением как между стенками кана-

ла и газом, так и внутри газа.

Для изменения скорости газового потока используются два типа каналов:

диффузоры и сопла (конфузоры). Диффузор – устройство, предназначенное

для уменьшения скорости потока, сопло – для ее увеличения. При движении

газ испытывает различные воздействия, которые влияют на скорость газового

потока. Преобразовав уравнение энергии, можно записать его в следующем

виде: w.dw = dq – dl – dlтех, откуда следует, что скорость потока может быть

изменена тремя способами:

1) скорость потока увеличивается при подводе теплоты извне; для этого

применяются устройства, называемые тепловыми соплами;



2) скорость потока изменяется, если есть обмен энергией с окружаю-

щей средой в форме работы; так, если к газу подводится работа, его скорость

увеличивается (компрессор ГТД, воздушный винт);

3) скорость потока может изменяться и при энергоизолированном тече-

нии за счет изменения его энтальпии; эта возможность реализуется в геомет-

рических соплах и диффузорах (каналах переменного сечения).

Совместное решение уравнения неразрывности и уравнения Бернулли для

энергоизолированного течения позволяет получить важное соотношение ме-

жду относительным изменением скорости потока и относительным измене-

нием площади поперечного сечения канала: dw / w = (df / f)/(M2 – 1), откуда

следует, что для увеличения скорости дозвукового потока канал должен быть

сужающимся, а для увеличения скорости сверхзвукового потока – расши-

ряющимся. Для непрерывного увеличения скорости потока от дозвукового до

сверхзвукового значения необходимо применить комбинированное сопло

(сопло Лаваля). По аналогичной схеме может быть рассмотрена и работа

диффузора (dw < 0).

При рассмотрении энергетических вопросов течения газа по каналам пе-ременного сечения вы впервые встречаетесь с понятием параметры тормо-жения, использование которых существенно упрощает газодинамические расчеты. Физический смысл этого понятия должен быть усвоен безупречно. В случае энергоизолированного потока суммарная энергия единицы массы газа не изменяется, а следовательно, все параметры торможения по длине по-тока также не изменяются.

Особое внимание следует уделить критическим параметрам потока, т.е. параметрам газа при скорости потока, равной местной скорости звука. Вели-чина критических параметров зависит только от физических свойств газа, а критическая скорость данного газа – только от его температуры торможения. Расчеты движения газа существенно упрощаются, если использовать табли-цы газодинамических функций (приведенных параметров). Необходимо оз-накомиться с методикой их использования.



Определение расхода газа через заданное проходное сечение – задача, часто встречающаяся в прикладных расчетах. Получить удобное для практи-ческого использования расчетное соотношение можно, если уравнение не-разрывности (уравнение постоянства расхода) преобразовать, используя па-

раметры торможения и газодинамические функции: G = mp*Fq(λ)/ *T . Заканчивается эта тема анализом режимов течения в сужающемся (дозву-

ковом) сопле и сопле Лаваля. Режим работы сужающегося сопла определяет-ся перепадом давлений, под которым происходит истечение газа из сопла: β = рн/р*. Различают три режима течения: докритический, критический и сверхкритический. Докритический режим течения имеет место, когда β > βкр, где критический перепад давлений βкр = [2/(k + 1)]k/(k – 1) (для данного газа ве-личина постоянная). Переход к критическому режиму наступает при условии β = βкр. Давление на срезе сопла в этом режиме, как и в предыдущем, рс = рн, а скорость становится равной местной скорости звука (М = 1). При дальней-шем увеличении полного давления р* (или снижении рн) наступает сверхкри-тический режим, при котором β < βкр. Этот режим характеризуется следую-щими значениями параметров на срезе сопла: рс > рн, М = 1. Таким образом, в сужающемся канале ни при каких условиях не может быть получена ско-рость больше местной скорости звука. Разгон потока до сверхзвуковой ско-рости возможен только в сопле Лаваля при сверхкритическом перепаде дав-лений (β < βкр).



1. Дайте определение сопла и диффузора. Каковы основные закономерности те-

чения газа по ним?

2. Что такое параметры торможения, как они определяются?

3. Чему равно динамическое повышение температуры газа при адиабатном

торможении потока газа?

4. Что такое критические параметры, как они определяются?

5. Почему при увеличении скорости потока газа уменьшается скорость распро-

странения звука в нем?



6. Какой профиль должно иметь сопло при различных скоростях газа?

7. Какой профиль должен иметь диффузор при различных скоростях газа?

8. В чем состоит основное отличие режима работы сопла с косым срезом?

9. Как определяются и используются газодинамические функции (приведенные

параметры)?



Раздел 3. Принцип работы и характеристик

и основных элементов ГТД

Тема 9. Входные устройства ГТД

Назначение и принцип работы входных устройств авиационных ГТД.

Требования, предъявляемые к входным устройствам, и основные параметры,

характеризующие их работу. Дозвуковые входные устройства. Типы и схемы

сверхзвуковых входных устройств (СВУ). Работа СВУ внешнего сжатия на

расчетных и нерасчетных режимах. Регулирование СВУ. Действия экипажа

ВС в ситуациях, связанных с возникновением неустойчивой работы СВУ.


Входное устройство предназначено для подвода воздуха к компрессору в

количестве, необходимом для данного режима работы двигателя; в полете

входное устройство служит для предварительного динамического сжатия

воздуха за счет скоростного напора.

Эффективность работы входного устройства характеризуется рядом па-

раметров, в том числе: коэффициентом сохранения полного давления *н

*1вхσ pp= ; коэффициентом расхода φ = Gв / Gв.max; коэффициентом внеш-

него сопротивления Сх.вх = Хвх / (q.Fм).

При изучении данной темы необходимо обратить внимание на законо-

мерности изменения указанных выше параметров при работе дозвуковых и

сверхзвуковых входных устройств на расчетных и нерасчетных режимах.

При рассмотрении работы СВУ особого внимания требуют вопросы согласо-

ванной работы входного устройства и компрессора ГТД, анализ факторов,

приводящих к нарушению устойчивого характера течения воздуха в канале

СВУ, способы и средства регулирования СВУ. Имея в виду возможность от-

каза автоматической системы регулирования СВУ, необходимо познакомить-

ся с рекомендациями экипажу ВС в случае использования ручного управле-

ния СВУ.





1. Каково назначение входных устройств авиационных ГТД?

2. Какие требования предъявляются к входным устройствам ГТД?

3. Какие параметры характеризуют эффективность работы входного устройства?

4. Работа дозвуковых входных устройств на расчетных и нерасчетных режимах.

5. Какие существуют типы сверхзвуковых входных устройств?

6. Схема и принцип работы СВУ внутреннего сжатия.

7. Как работает СВУ внешнего сжатия на расчетных и нерасчетных режимах?

8. Что такое помпаж и зуд СВУ: условия их возникновения.

9. Способы и средства регулирования СВУ.

10. Действия экипажа в особых ситуациях полета, связанных с неустойчивой

работой СВУ.



Тема 10. Компрессоры ГТД

Типы и схемы компрессоров ГТД. Требования, предъявляемые к ком-прессорам авиационных ГТД. Схема, принцип работы и основные пара-метры дозвуковой ступени осевого компрессора (ОК). Основные параметры многоступенчатого ОК, их связь с параметрами ступеней. Особенности рабо-ты сверхзвуковых ступеней ОК. Срывные и неустойчивые режимы работы ОК. Нормальные и универсальные характеристики ОК. Рабочие режимы и запасы устойчивости ОК в системе ГТД. Двухкаскадные и трехкаскадные ОК. Задачи и способы регулирования ОК. Действия экипажа ВС в ситуациях, связанных с возникновением неустойчивой работы (помпажа) компрессора.


При изучении этой темы следует рассмотреть схемы и принцип действия раз-личных типов компрессоров, их достоинства и недостатки. Особое внимание следует уделить осевым компрессорам (ОК), физическим процессам, происхо-дящим в каждой ступени ОК. Нужно четко уяснить, что собой представляет сту-пень ОК, какие процессы преобразования энергии происходят в рабочем колесе и направляющем аппарате, какие параметры характеризуют работу ступени.

При рассмотрении многоступенчатых ОК необходимо познакомиться с возможными формами меридиональных сечений, уяснить преимущества и недостатки каждой из этих форм. Следует внимательно изучить вопрос о свя-зи параметров, характеризующих работу ОК, с соответствующими парамет-рами его ступеней. Отдельного рассмотрения требуют вопросы, связанные с работой и целесообразностью использования сверхзвуковых ОК и осецен-тробежных компрессоров.

Ознакомившись со способами получения и построения характеристик ОК, следует изучить особенности работы ОК на нерасчетных режимах. Особого внимания требуют вопросы подобия течений в компрессоре, практически ис-пользуемые при построении универсальных характеристик ОК.

Отдельного рассмотрения требует вопрос об условиях возникновения не-устойчивой работы ОК. Следует проанализировать при этом характер обтека-ния профилей лопаток при изменении условий работы, появлении срывных



режимов, рассогласовании работы ступеней многоступенчатого ОК. Нужно хорошо разобраться в способах предотвращения неустойчивой работы ОК, по-знакомиться с рекомендациями экипажу ВС при возникновении помпажа двигателя в полете.



1. Какие превращения энергии происходят в элементах ступени ОК (в рабочем

колесе и направляющем аппарате)?

2. Какие уравнения используются для определения изменения параметров воз-

душного потока в элементах ступени ОК?

3. Изобразите процесс сжатия в ступени в pv- и TS-диаграммах.

4. Изобразите план скоростей ступени ОК.

5. Что такое степень реактивности ступени ОК?

6. Какой профиль должна иметь проточная часть многоступенчатого ОК?

7. Какие существуют способы повышения напорности ОК?

8. Характеристики ОК и методы их получения.

9. Что такое неустойчивая работа ОК, чем она вызывается?

10. Как определяется коэффициент запаса газодинамической устойчивости?

11. Почему происходит рассогласование в работе ступеней ОК?

12. Для чего применяются двух- и трехкаскадные ОК?



Тема 11. Камеры сгорания ГТД

Требования к камерам сгорания (КС) авиационных ГТД и их основные

параметры. Типы и схемы КС. Организация процесса горения в основных КС

ГТД. Особенности процесса горения в форсажных КС. Эксплуатационные

характеристики КС. Зависимость эффективности работы КС от высоты и

скорости полета. Эмиссия вредных веществ в атмосферу. Требования ИКАО

к содержанию вредных веществ в продуктах сгорания. Действия экипажа ВС

в ситуациях, связанных с возникновением неустойчивой работы КС.


В любом тепловом двигателе важнейшим процессом является процесс

подвода теплоты к рабочему телу. В ГТД этот процесс осуществляется в ка-

мере сгорания (КС).

Горение топливовоздушной смеси (ТВС) представляет собой сложный фи-

зико-химический процесс. Химическим реакциям окисления компонентов топ-

лива кислородом воздуха в КС ГТД предшествуют процессы распыливания и

испарения топлива и смешения паров топлива с воздухом. Для воспламенения

ТВС и обеспечения устойчивого фронта пламени требуется специальная орга-

низация процесса горения в КС ГТД, обусловленная следующими факторами:

Во-первых, скорость воздушного потока на входе в КС на порядок выше

скорости распространения пламени. Если не принять специальных мер, пламя

будет унесено потоком. Отсюда вытекает задача сближения этих скоростей.

Во-вторых, топливовоздушная смесь может гореть только в определен-

ном диапазоне значений коэффициента избытка воздуха α, существенно бо-

лее узком по сравнению с тем значением α, который задается режимом рабо-

ты двигателя. Необходимо согласовать в зоне горения величины заданного и

потребного коэффициента α.

В-третьих, для обеспечения высокой полноты сгорания топлива и эколо-

гических требований необходимо подготовить горючую смесь нужного со-

става и структуры. Возникает, таким образом, задача подготовки горючей



смеси: подача, распыливание и испарение топлива, перемешивание его с воз-

духом, воспламенение и поддержание постоянного очага пламени.

При сравнении работы форсажных камер (ФК) ТРДФ с основными КС

необходимо обратить внимание на две принципиальные особенности ФК.

1. ФК работает при составе смеси, близком к стехиометрическому. 2. ФК

располагается за турбиной и в нее поступает рабочее тело с более высокой

температурой и скоростью и существенно меньшим давлением. Эксплуата-

ционные характеристики основных и форсажных КС подобны.



1. Какие схемы КС вы знаете?

2. Какие требования предъявляются к КС авиационных ГТД?

3. Какими параметрами характеризуется эффективность работы КС?

4. Что представляет собой коэффициент избытка воздуха?

5. Почему возникает задача согласования скорости потока воздуха на входе в

КС и скорости горения и как она решается?

6. Почему возникает задача согласования заданного и потребного в зоне горе-

ния коэффициентов избытка воздуха и как она решается?

7. В связи с чем возникает и как решается задача стабилизации фронта пламени?

8. Что собой представляют эксплуатационные характеристики КС?

9. В чем состоят особенности работы ФК по сравнению с основными КС?

10. Зависимость эффективности работы КС от высоты и скорости полета.



Тема 12. Газовые турбины ГТД

Требования, предъявляемые к газовым турбинам авиационных ГТД. Типы

и схемы газовых турбин. Схема, принцип работы и основные параметры сту-

пени осевой газовой турбины. Основные параметры многоступенчатой осе-

вой турбины, их связь с параметрами ступеней. Формы проточной части тур-

бины и распределение работы между ступенями. Двухкаскадные и трехкас-

кадные турбины. Нормальные и универсальные характеристики газовой тур-

бины. Применение теории подобия к анализу работы турбины.


При изучении этой темы необходимо познакомиться с принципом уст-

ройства и работы ступени турбины, сущностью процессов преобразования

энергии в сопловом аппарате и рабочем колесе, рассмотреть основные пара-

метры, характеризующие работу ступени. Особое внимание следует обратить

на характер потерь в турбине, зависимость их от различных факторов, а также

на систему КПД, принятую для оценки этих потерь. Для газовых турбин, как и

для компрессоров, строятся характеристики, используемые для определения

основных данных турбины при ее работе на различных эксплуатационных

режимах. Следует обратить внимание на особенности нормальных и универ-

сальных характеристик и на преимущества последних.

Рекомендуемая литература: [2, с. 114–121; 3, с. 141–186, 197–208].


1. Что собой представляет ступень осевой газовой турбины?

2. Какие превращения энергии происходят в элементах ступени турбины?

3. Как изменяются параметры газового потока в элементах ступени турбины?

4. Как изображается процесс расширения газа в турбине в pv- и TS-диаграммах?

5. Что такое степень реактивности ступени турбины?

6. Какими основными параметрами оценивается эффективность работы ступени

турбины?

7. Изобразите план скоростей для ступени турбины.



8. Как оцениваются потери энергии в ступени турбины?

9. Что такое нормальные характеристики турбины?

10. Что такое универсальные характеристики?



Тема 13. Выходные устройства ГТД

Назначение, принцип работы и основные параметры выходных устройств

авиационных ГТД. Требования к выходным устройствам авиационных ГТД.

Характеристики дозвуковых выходных устройств. Расчетные и нерасчетные

режимы работы дозвуковых реактивных сопел. Диффузорное выходное уст-

ройство. Расчетные и нерасчетные режимы работы сверхзвуковых реактив-

ных сопел. Влияние режима работы сопла на тягу двигателя. Регулирование

реактивных сопел. Работа выходных устройств на режиме реверсирования

тяги. Шум реактивной струи. Требования ИКАО по уровню шума.


Обязательным элементом выходных устройств авиационных ГТД являет-

ся реактивное сопло на двигателях прямой реакции или диффузорное

устройство на турбовальных двигателях (тяга которых не используется). Ре-

активное сопло выполняет две основные функции: служит для преобразова-

ния потенциальной энергии газа в кинетическую, т.е. для увеличения тяги;

обеспечивает заданную пропускную способность и тем самым согласование

режимов работы турбины и компрессора. Средства регулирования реактив-

ного сопла предназначены для получения максимально возможной тяги на

всех режимах полета ВС и режимах работы двигателя.

При изучении данной темы необходимо повторить раздел «Истечение из

сопел» (тема 8), обратив внимание на вопросы, связанные с работой сопел

различного типа при докритических и сверхкритических перепадах давле-

ния. Следует далее разобраться в том, какими параметрами определяются

режимы работы сопла, как эти параметры изменяются с изменением режима

полета и режима работы двигателя, как, в конечном счете, режимы работы

сопла влияют на тягу двигателя.





1. Какой профиль должно иметь сопло при различных скоростях газа?

2. Что такое расчетные и нерасчетные режимы работы сопла?

3. Чем отличаются докритический, критический и сверхкритический случаи ис-

течения газа из реактивного сопла?

4. Как влияют режимы работы сопла на расход газа, скорость его истечения и

тягу ВРД?

5. Какие требования предъявляются к выходным устройствам авиационных

ГТД?

6. Какие требования предъявляются к реверсивным устройствам?

7. Как изменится режим работы сопла при увеличении высоты полета, если су-

жающееся реактивное сопло работает на критическом режиме?

8. Как изменяется расход газа через сопло при уменьшении давления окру-

жающей среды?



Тема 14. Совместная работа элементов авиационных ГТД

Совместная работа сверхзвукового воздухозаборника и турбокомпрессора

двигателя. Совместная работа компрессора, камеры сгорания и турбины. Со-

вместная работа турбины, форсажной камеры и реактивного сопла. Задачи

регулирования авиационных ГТД. Регулируемые параметры и регулирующие

факторы. Понятие о программах регулирования авиационных ГТД.


При анализе совместной работы основных элементов ГТД необходимо

учитывать, что: 1) изменение работы любого элемента ГТД может вызвать

изменение параметров общего газовоздушного потока и через него повлиять

на работу остальных элементов ГТД; 2) частота вращения ротора двигателя

зависит от соотношения мощности, развиваемой турбиной, и мощности, по-

требной для привода компрессора; 3) максимально возможный расход возду-

ха через турбокомпрессор определяется наиболее узким сечением соплового

аппарата I ступени турбины, где скорость потока достигает значения местной

скорости звука.

При постоянной скорости и высоте полета изменение режима работы дви-гателя приводит к изменению пропускной способности двигателя Gв.дв, но не изменяет пропускную способность воздухозаборника Gв.вз. При этом в сверх-звуковом воздухозаборнике устанавливаются разные режимы течения. В об-ласти сверхкритических режимов работы СВУ (при n > nкр) Gв.дв > Gв.вз. При частоте вращения n = nкр достигается оптимальное согласование работы СВУ и турбокомпрессора двигателя, Gв.дв= Gв.вз. В области докритических режи-мов работы СВУ (при n < nкр) Gв.дв < Gв.вз.. В первом и последнем случаях со-гласование работы воздухозаборника и турбокомпрессора двигателя обеспе-чивается изменением положения конуса (клина) СВУ.

В системе ГТД компрессор связан с турбиной механически (следователь-но, nт = nк) и газодинамически (расход воздуха через компрессор примерно равен расходу газа через турбину). Частота вращения ротора двигателя зави-сит от соотношения располагаемой мощности турбины Nт и мощности,



потребной для привода компрессора Nк. Если Nт = Nк, то n = const, если Nт > Nк, то n увеличивается, и наоборот. Геометрическое место точек, где выпол-няются условия совместной работы турбины и компрессора, образуют линию рабочих режимов (ЛРР) на характеристике компрессора.

На всех эксплуатационных режимах работы ГТД (пока в узком сечении СА скорость потока равна скорости звука) изменение режима работы выход-ного устройства не оказывает влияния на расход газа и мощность, развивае-мую на валу турбины. Если между турбиной и реактивным соплом имеется форсажная камера, то на форсированных режимах в одновальном ТРДФ управлять работой турбины можно как изменением Fкр.ф, так и изменением расхода форсажного топлива.

Задачей регулирования ГТД является автоматическое поддержание за-данного режима работы для обеспечения наивыгоднейшего протекания ха-рактеристик двигателя и надежной его работы без тепловых и механических перегрузок. Кроме того, регулирование должно обеспечить быстрый и устой-чивый переход с одного режима работы на другой.

Тяга и удельный расход топлива в эксплуатации не измеряются, поэтому управление ими возможно путем изменения одного или нескольких парамет-ров процесса, определяющих режим работы двигателя. Эти параметры назы-ваются регулируемыми параметрами. Для ГТД основными параметрами, оп-ределяющими режим его работы, являются степень повышения давления воздуха в компрессоре и температура газа перед турбиной.

Физическая величина, с помощью которой оказывается воздействие на рабочий процесс для изменения регулируемого параметра, называется регу-лирующим фактором. Для независимого управления двумя параметрами требуется два управляющих фактора.

Принятая зависимость, связывающая параметры рабочего процесса и (или) управляющие факторы с условиями полета и положением рычага управления двигателем (РУД), называется законом регулирования или про-граммой регулирования ГТД.





1. Как определяются условия совместной работы СВУ и компрессора ТРД?

2. Как определяются условия совместной работы компрессора, камеры сгорания

и турбины ТРД?

3. Как определяются условия совместной работы турбины, форсажной камеры и

реактивного сопла?

4. Каковы особенности совместной работы компрессора и турбины на переход-

ных режимах работы ТРД?

5. Что такое регулируемые параметры?

6. Что такое регулирующие факторы?

7. Каковы задачи регулирования ГТД?

8. Что такое программа регулирования?



Раздел 4. Рабочий процесс и эксплуатационные

характеристики авиационных ГТД

Под рабочим процессом в теории ГТД понимают термодинамический

процесс, происходящий в двигателе. В результате совершения процессов

сжатия и расширения, подвода и отвода теплоты получается термодинамиче-

ский цикл. Принципиально рабочий процесс и термодинамический цикл яв-

ляются общими для всех типов ГТД.

Реальные процессы во всех элементах ГТД протекают при наличии гид-

равлических сопротивлений. Для анализа влияния параметров рабочего про-

цесса на работу реального цикла ГТД используется метод исследования,

впервые предложенный академиком Б.С.Стечкиным.

Тема 15. Рабочий процесс турбореактивных двигателей

Реальный цикл ТРД. Основные параметры рабочего процесса ТРД. Ра-

бота цикла. Зависимость удельной тяги и удельного расхода топлива от

степени повышения давления. Зависимость удельной тяги и удельного

расхода топлива от степени подогрева. Коэффициенты полезного действия

ТРД. Оптимальные и экономические значения параметров рабочего процесса

ТРД. Методы форсирования ТРД. Особенности рабочего процесса ТРДФ.

Принципиальные схемы ДТРД. Оптимальное распределение работы цикла

ДТРД между контурами. Оптимальная степень повышения давления в на-

ружном контуре. Влияние степени двухконтурности на выходные параметры

ДТРД. Особенности рабочего процесса ДТРДФ.


При анализе реального цикла ТРД процессы сжатия во входном устройстве

и компрессоре, подвода теплоты в камере сгорания и расширения в турбине

и реактивном сопле следует рассматривать как политропные процессы. В ТРД

полезная работа цикла используется полностью на увеличение кинетической

энергии газа, проходящего через двигатель. Величина полезной работы цикла



зависит от основных параметров рабочего процесса: степени повышения дав-

ления воздуха π и степени подогрева δ (т.е. от температуры газа перед турби-

ной Тг), а также от КПД процессов сжатия ζс и расширения ζр. Степень повы-

шения давления, при которой работа цикла максимальная, называют опти-

мальной (πопт).

Следует иметь в виду, что ТРД выполняет одновременно две функции:

теплового двигателя и движителя. Как тепловой двигатель он преобразует

тепловую энергию, выделившуюся при сгорании топлива, в кинетическую

энергию движения газа. Вторая функция ТРД состоит в преобразовании по-

лученного приращения кинетической энергии в полезную тяговую работу.

Совершенство ТРД как теплового двигателя оценивается внутренним

КПД. Совершенство ТРД как движителя оценивается тяговым КПД. Эффек-

тивность преобразования тепловой энергии, внесенной в ТРД с топливом, в

полезную тяговую работу оценивается полным КПД. Полный КПД определя-

ется произведением внутреннего и тягового КПД и характеризует ТРД и как

тепловой двигатель, и как движитель.

Экономическими значениями параметров рабочего процесса называют

такие значения πэк и δэк (или Тг.эк), при которых удельный расход топлива ми-

нимальный, а полный КПД максимальный.

Особенности рабочего процесса ДТРД обусловлены наличием второго

контура. Воздух в ДТРД поступает через общее входное устройство и на-

правляется к компрессорам I и II контуров. Отношение расходов воздуха

m = GвII / GвI называется степенью двухконтурности. В каждом контуре ДТРД

совершаются работы сжатия и расширения. В результате получаются полез-

ные работы циклов. Тяга ДТРД представляет собой сумму тяг I и II контуров.

Работа, передаваемая во внешний контур, характеризуется степенью по-

вышения давления в этом контуре πкII.. При некотором оптимальном значе-

нии πкII тяга и удельная тяга ДТРД достигают максимального, а удельный

расход топлива – минимального значений. Расчеты показывают, что при ка-

ждом значении степени двухконтурности m существует оптимальное значе-

ние коэффициента распределения энергии между контурами хопт, соответст-



вующее наибольшей удельной тяге и наименьшему удельному расходу топ-

лива. Оптимальное значение хопт увеличивается при увеличении m.

Рекомендуемая литература: [2, с. 131–148; 4, с. 65–105, 126–140].


1. Как определяется и на что затрачивается работа цикла ТРД?

2. Что такое оптимальная степень повышения давления воздуха в ТРД?

3. Что такое внутренний КПД ТРД? Как он определяется?

4. Что такое тяговый КПД ТРД? Как он определяется?

5. Что такое полный КПД ТРД? Как он определяется?

6. Охарактеризуйте зависимость КПД от параметров рабочего процесса ТРД.

7. Что такое удельный расход топлива ТРД? Как он определяется?

8. Что понимается под экономической степенью повышения давления воздуха в

ТРД?

9. Что понимается под экономической степенью подогрева и экономической

температурой в ТРД?

10. Чем объясняется необходимость увеличения Fкр реактивного сопла при

включении форсажной камеры?

11.В чем состоят достоинства и недостатки двухконтурной схемы турбореак-

тивного двигателя?

12. Что такое степень двухконтурности?

13. Каково условие оптимального распределения работы цикла между контура-

ми ДТРД?

14. Как определяется оптимальная степень повышения давления в наружном

контуре?

15. В чем состоят особенности рабочего процесса ДТРДФ?



Тема 16. Эксплуатационные характеристики

турбореактивных двигателей

Основные режимы работы ГТД. Методы получения характеристик ГТД.

Высотные характеристики ТРД. Скоростные характеристики ТРД. Высотно-

скоростные характеристики ТРД. Дроссельные характеристики ТРД. Клима-

тические характеристики ТРД. Приведение замеренных параметров ТРД к

стандартным атмосферным условиям. Особенности характеристик двухваль-

ных ТРД. Особенности характеристик ТРДФ. Особенности характеристик

двухконтурных ТРД.


В процессе эксплуатации ТРД работают в различных условиях, которые

определяются высотой и скоростью полета, частотой вращения и другими

параметрами регулирования. Изменение условий работы двигателя и пара-

метров регулирования вызывает изменение его тяги и удельного расхода то-

плива. Зависимость основных данных ТРД от величин, характеризующих ус-

ловия полета и режим работы двигателя, называются эксплуатационными

характеристиками ТРД.

Знание характеристик двигателя необходимо для расчета летно-технических

характеристик самолета, для инженерно-штурманских расчетов (расчетов

потребного запаса топлива, загрузки самолета, при выборе наиболее экономич-

ных режимов полета и работы двигателя), а также для сравнения двигателей ме-

жду собой.

Для удобства анализа и практического использования эксплуатационные

характеристики ГТД разделяют на летные (скоростные и высотные), дрос-

сельные (стендовые) и климатические.

Скоростными характеристиками ТРД называются зависимости тяги и

удельного расхода топлива от скорости полета при постоянной высоте и

заданной программе регулирования.



Регулирование ТРД выполняется для обеспечения максимальной тяги на

взлетном режиме, минимального удельного расхода топлива на режимах

длительной работы и достаточных запасов устойчивой работы двигателя в раз-

личных условиях эксплуатации. Максимальная тяга двигателя получается

при максимально допустимых значениях температуры газа перед турбиной Тг

и частоты вращения n двигателя. Поэтому одной из основных программ ре-

гулирования двигателя в полете является программа nmax = const; *maxгT =

const.

Анализ скоростных характеристик ТРД показывает, что оптимальными

скоростями полета самолетов с ТРД являются скорости, соответствующие

Мп ≈ 2,0–2,5. Дальнейшее увеличение скорости полета будет сопровождаться

резким ухудшением топливной экономичности и снижением тяги ТРД.

Форсирование тяги сжиганием дополнительного количества топлива в ФК

оказывает существенное влияние на протекание скоростных характеристик

двигателя. На форсированных режимах можно достигнуть существенно

больших скоростей полета. Обратите внимание, что хорошая экономичность

ТРДФ на больших сверхзвуковых скоростях обеспечивает практически ту же

дальность полета, что и на дозвуковой наивыгоднейшей скорости полета.

Поэтому в современных ТРД для самолетов, летающих при Мп ≈ 2,5–3, фор-

сажная камера работает постоянно.

Скоростные характеристики ДТРД (ДТРДФ) в основном подобны харак-

теристикам одноконтурных ТРД (ТРДФ), но имеют ряд особенностей. Тяга

ДТРД с увеличением числа М полета увеличивается менее резко, чем тяга

ТРД, а при больших степенях двухконтурности может даже уменьшаться.

Тяга ДТРДФ на полном форсированном режиме при увеличении числа М

возрастает быстрее, а удельный расход топлива медленнее, чем у ТРДФ.

Высотными характеристиками ТРД называются зависимости тяги и

удельного расхода топлива от высоты полета при постоянной скорости по-

лета и заданной программе регулирования.



Следует иметь в виду, что при регулировании ТРД по программе

nmax = const, fкр.с = const температура газа *гT при изменении высоты полета

практически не изменяется. Поэтому высотные характеристики при про-

граммах nmax = const, *гT = const и nmax = const, fкр.с = const совпадают.

Анализируя высотные характеристики ТРД, можно сделать следующие выводы:

1) полеты на максимальную дальность или продолжительность (полеты по маршруту) следует выполнять на высотах, близких к 11 км;

2) с увеличением высоты полета уменьшается тяговооруженность са-молета; снижение тяги двигателей с высотой приводит к ограничению мак-симальной высоты полета, на которой Rрасп = Rпотр;

3) взлет с высокогорных аэродромов будет более продолжительным, с увеличенной длиной разбега; – следует избегать перегруза самолета.

Дроссельными характеристиками называются зависимости тяги и удельного расхода топлива от частоты вращения ротора на заданной вы-соте и скорости полета при принятой программе регулирования.

Обычно дроссельные характеристики получают опытным путем на специ-альном экспериментальном стенде при Vп = 0 и Н = 0, поэтому их называют стендовыми характеристиками.

Тяга и удельный расход топлива ТРД изменяются при изменении давле-ния и температуры внешней среды. В частности, зависимость тяги двигате-лей от Тн и рн необходимо учитывать пилотам при расчете взлетной дистан-ции, которая летом из-за высоких Тн длиннее, чем зимой.

Зависимость дроссельных характеристик от атмосферных условий делает их неудобными для практического применения. Поэтому обычно экспери-ментальные данные, полученные при испытаниях двигателей, приводят к стандартным атмосферным условиям при М = 0 и Н = 0. Характеристики строят в приведенных параметрах, которые рассчитывают на основании тео-рии подобия газовых потоков. Дроссельные характеристики, представленные в приведенных параметрах, называются приведенными характеристиками.



Дроссельные характеристики ДТРД и ТРД аналогичны. Отличие состоит лишь в том, что при дросселировании ДТРД не происходит уменьшения удельного расхода топлива, так как экономическая температура Тг.эк выше, чем в ТРД, и близка к Тг.max.



1. Что понимается под эксплуатационными характеристиками ТРД?

2. Что называют скоростными характеристиками ТРД и каков их общий вид?

3. Как изменяются тяга и удельный расход топлива ТРД по скорости полета?

4. В чем заключаются особенности скоростных характеристик ДТРД, ТРДФ

(ДТРДФ)?

5. Что такое высотные характеристики ТРД и каков их общий вид?

6. Как изменяются тяга и удельный расход топлива по высоте?

7. Что называют дроссельными характеристиками ТРД и каков их общий вид?

8. Что такое приведенные характеристики?

9. Что такое климатические характеристики?

10. В чем состоят особенности дроссельных характеристик ТРДФ (ДТРДФ)?



Тема 17. Рабочий процесс турбовинтовых двигателей

Схемы и принцип действия турбовинтовых двигателей ТВД. Особенности

рабочего процесса и основные параметры ТВД. Оптимальное распределение ра-

боты цикла между воздушным винтом и прямой реакцией струи. Зависимость

выходных параметров ТВД от параметров рабочего процесса. Особенности

рабочего процесса ТВлД и ТВВД.


В ТВД турбина развивает большую мощность, чем требуется для враще-

ния компрессора. Избыточная мощность передается на воздушный винт. Ес-

ли избыточная мощность передается на вал несущего винта вертолета, двига-

тель называется турбовальным (ТВлД), а если на вал винтовентилятора –

турбовинтовентиляторным (ТВВД). Рабочие процессы ТВД, ТВлД и ТВВД

аналогичны.

В ТВД тяга создается в основном воздушным винтом и частично в ре-

зультате реакции газа, проходящего через двигатель. Суммарную полез-

ную тяговую работу ТВД называют эквивалентной работой, а соответст-

вующую ей мощность – эквивалентной мощностью ТВД. Эффективность

ТВД может оцениваться также суммарной тягой, которая складывается из

тяги, создаваемой винтом, и реактивной тяги.

Топливная экономичность ТВД оценивается удельным расходом топли-

ва, – отношением часового расхода топлива к эквивалентной мощности или к

суммарной тяге. Удельный расход топлива ТВД, определяемый по суммар-

ной тяге, удобно использовать для сравнения по экономичности ТВД и ТРД,

а удельный расход топлива, определяемый по эквивалентной мощности, –

для сравнения топливной экономичности ТВД и поршневых ДВС.

Характер зависимости удельного расхода топлива ТВД от параметров ра-

бочего процесса отличается от аналогичных зависимостей для ТРД. Увели-

чение Тг приводит к монотонному увеличению удельной мощности и умень-

шению удельного расхода топлива ТВД. Особенно значительное улучшение



экономичности и удельной мощности получается при одновременном увели-

чении Тг и πк.

Зависимость удельных параметров ТВД от степени повышения давле-

ния не является монотонной. Величина πк, при которой удельная мощность

ТВД достигает максимума, называется оптимальной степенью повышения

давления (πк.опт). Величина πк, при которой удельный расход топлива имеет

минимальное значение, называется экономической (πк.эк).

Максимальная тяговая работа ТВД при заданной скорости полета дости-

гается при условии оптимального распределения работы цикла между вин-

том и реакцией струи. Это условие формулируется в виде формулы Б. С.

Стечкина, которая показывает, что чем больше скорость полета и чем мень-

ше КПД винта, тем больше должна быть скорость истечения газа из выход-

ного сопла (работа реакции струи) и меньше работа, передаваемая на винт.

При оптимальном распределении работы цикла полный КПД ТВД также

максимален.

Рабочий процесс турбовальных двигателей практически не отличается от

рабочего процесса ТВД со свободной турбиной. В отличие от самолетных

ТВД на вертолете усложняется использование реактивной тяги, поэтому в

ТВлД стремятся получить как можно большую мощность на валу свободной

турбины и меньшую скорость истечения газа из сопла. Для этого за свобод-

ной турбиной устанавливается диффузор.



1. Куда расходуется работа цикла в ТВД?

2. Как определить работу, передаваемую на воздушный винт?

3. Как определяется тяговая работа воздушного винта?

4. Что такое эквивалентная мощность ТВД и как она определяется в полете и

при работе двигателя на земле?

5. Как определяется удельный расход топлива в ТВД?



6. При каком условии достигается оптимальное распределение работы цикла

между винтом и реакцией?

7. Как зависят удельные параметры ТВД от степени повышения давления воз-

духа в компрессоре?

8. Как зависят удельные параметры ТВД от температуры газа перед турбиной?



Тема 19. Эксплуатационные характеристики ТВД и ТВлД

Особенности регулирования и совместной работы элементов ТВД. Дрос-

сельные характеристики ТВД. Ограничения работы ТВД. Зависимость ос-

новных параметров ТВД от давления и температуры атмосферного воздуха.

Приведение замеренных параметров ТВД к стандартным атмосферным усло-

виям. Скоростные характеристики ТВД. Высотные характеристики ТВД.


Вид характеристик ТВД в значительной степени зависит от программы

регулирования двигателя. У одновального ТВД регулируемыми параметрами

является частота вращения n и температура газа перед турбиной Тг. В отли-

чие от ТРД, эти параметры, благодаря наличию воздушного винта, можно ре-

гулировать независимо друг от друга.

Воздушные винты могут быть с фиксированным (ВФШ) и изменяемым

(ВИШ) шагом лопастей. При постановке на двигатель винта с изменяемым

шагом лопастей имеется возможность выбора различных программ регули-

рования ТВД, так как появляются два независимых регулирующих фактора:

расход топлива Gт и угол установки лопастей винта φв.

Дроссельными характеристиками ТВД называются зависимости Nэк, Nв, R

и Суд (Сэк) от режима работы двигателя на заданной скорости и высоте полета

при принятой программе регулирования.

На максимальном режиме работы двигателя наиболее эффективна про-

грамма регулирования nmax = const, *гT = const. Перевод ТВД с максимального

режима на пониженный может осуществляться по следующим программам:

1) n = nmax = const, φв = var; 2) φв = const, n = var; 3) комбинированная про-

грамма, т.е. n = nmax = const, φв = var –в одном диапазоне режимов и φв = φв.min

= const, n = var – в другом диапазоне режимов.

Программа 1 не требует сложной системы регулирования, обеспечивает

быстрый переход с пониженного режима на максимальный и повышение за-

паса устойчивости на пониженных режимах.



Дроссельная характеристика ТВД с φв = const соответствует двигателю, на

котором установлен винт с фиксированным шагом (ВФШ). При изменении по-

дачи топлива основные параметры рабочего процесса по частоте вращения из-

меняются так же, как в ТРД с нерегулируемой геометрией. Мощность двигателя

при увеличении частоты вращения возрастает, а удельный расход топлива

уменьшается. Основным недостатком такой программы регулирования, когда

остается большой постоянный угол φв является то, что с тяжелым винтом за-

трудняется запуск двигателя и его разгон до большой частоты вращения.

У отечественных одновальных ТВД частота вращения на всех режимах

работы двигателя и на всех режимах полета поддерживается постоянной.

У двухвальных самолетных ТВД и у вертолетных ГТД частоту вращения

турбокомпрессора делают переменной. Их отличительной особенностью по

сравнению с одновальным ТВД является лучшая экономичность, облегчение

запуска и уменьшение массы редуктора.

При выборе программы регулирования необходимо учитывать ограни-

чения, накладываемые на режимы работы двигателя: по помпажу; по *maxгT ,

определяющей прочность турбины; по устойчивости процесса горения при

малых значениях *гT (на очень бедных смесях); по максимальной частоте

вращения nmax, выбираемой по условиям прочности вращающихся элементов

турбокомпрессора; по режиму авторотации.

Скоростными характеристиками ТВД называются зависимости Nэк (или

Nв и R) и Суд от скорости полета при неизменной высоте полета и принятой

программе регулирования. Максимальная мощность и минимальный удель-

ный расход топлива обеспечивается при программе регулирования n = const, *гT = const.

С увеличением скорости полета возрастают нагрузки на редуктор и валы.

На низких высотах эти нагрузки могут достигать предельных значений, по-

этому при увеличении скорости двигатель регулируется по программе

Nв = const, n = const. Постоянство мощности, потребляемой винтом, обеспе-

чивается соответствующим автоматическим регулированием угла φв. Переход



на такую программу регулирования является вынужденной мерой, так как

при этом ухудшаются параметры двигателя и летные данные самолета.

Высотными характеристиками ТВД называются зависимости Nэк (или Nв и R) и Суд от высоты полета при заданной программе регулирования и посто-янной скорости полета.

Наилучшей программой регулирования, обеспечивающей получение мак-симальной мощности и минимального удельного расхода топлива на всех

высотах, является программа n = const, *гT = const.

В целях облегчения редуктора и двигателя в целом редуктор рассчитывает-ся на нагрузки, получающиеся на расчетной скорости и расчетной высоте. То-гда на высотах ниже расчетной для предотвращения перегрузки редуктора двигатель должен регулироваться по программе Nв = const, n = const. С умень-шением скорости полета высота, на которой необходимо переходить на вто-рую программу, уменьшается. Двигатель, который регулируется по указанной комбинированной программе, называется высотным двигателем. Совокуп-ность скоростных и высотных характеристик представляет собой летные ха-рактеристики.



1. Как изменяются Nэк и Суд в зависимости от частоты вращения ТВД с ВФШ? 2. Какие программы регулирования ТВД с ВИШ применяют и с какой целью? 3. Какие имеются ограничения по режимам работы ТВД? 4. Определите зависимость основных параметров ТВД от давления и темпера-

туры атмосферного воздуха. 5. Как определяются приведенная мощность и приведенный расход топлива

ТВД? 6. При каких скоростях и высотах полета применяется программа регулирова-

ния *гT = const, n = const?

7. Когда применяется программа регулирования Nв = const, n = const и как она

осуществляется?

8. Какой ТВД принято называть «высотным двигателем»?



РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Будзинаускас, М. В-П. Основы термодинамики и теплопередачи авиа-

ционных двигателей : учеб. для вузов / М. В-П. Будзинаускас, А. Л. Клячкин,

Г. Д. Могилевский. – М. : Машиностроение, 1987.

2. Термодинамика и теория реактивных двигателей : учеб. / под ред.

А. Н. Каулиса. – М. : Воениздат, 1985.

Дополнительная

3. Ловинский, С. И. Теория авиационных двигателей : учеб. / С. И. Ловин-

ский. – М. : Машиностроение, 1982.

4. Созонов, А. И. Теория авиационных двигателей в вопросах и ответах :

учеб. пособие : в 2 ч. Ч. 1. Характеристики основных элементов ГТД /

А. И. Созонов. – Ульяновск : УВАУ ГА, 1997.



Термодинамика и теория авиационных...

Documents