Особенности выходных устройств

ТУРБОВАЛЬНЫХ ГТД ВЕРТОЛЕТОВ

 

Рис. 8.14.Схема выходного патрубка вертолетного ГТД

В турбовальных ГТД, устанавливаемых на вертолётах, работа расширения газа практически полностью превращается (за вычетом гидравлических потерь) в работу на валах турбины компрессора и свободной турбины, вращающей несущий винт вертолёта. Полное давление газа за турбиной превышает давление атмосферы лишь на небольшую величину, необходимую для выпуска газов из-за свободной турбины через выходной патрубок (рис. 8.14).

При этом отвод газов из-за турбины производится не в сторону, противоположную направлению полёта, а вверх или вбок, так как за силовой установкой располагается хвостовая часть фюзеляжа, омывание которой потоком горячих газов нежелательно. Поэтому выходной патрубок вертолётного ГТД имеет форму криволинейного канала, подобного показанному на рис. 8.14. Боковая составляющая силы реакции компрессируется тем, что выходные патрубки двух устанавливаемых на вертолет двигателей изогнуты в противоположные (по отношению к продольной оси вертолёта) стороны.

При этом в целях максимального использования работы расширения газа для получения работы на валу турбин, скорость газа на выходе из криволинейного канала выбирается возможно малой, обычно меньшей, чем за свободной турбиной.

Сильная искривленность канала такого выходного устройства приводит к появлению значительных гидравлических потерь. Их учет в расчетах ТВаД может быть выполнен либо по коэффициенту восстановления полного давления , либо по коэффициенту скорости , где  , причем , р *_т – полное давление за свободной турбиной, а р *_с – полное давление на выходе из выходного патрубка.

Обычно на расчетном режиме для выходных устройств ТВаД

      и   .

 

ЧАСТЬ 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ, СОВМЕСТНАЯ

РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВИАЦИОННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Глава 1

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО

ПРОЦЕССА ГТД ПРЯМОЙ РЕАКЦИИ

 

РЕАЛЬНЫЙ ЦИКЛ ГТД

Во всех газотурбинных двигателях осуществляется однотипный термодинамический цикл - цикл Брайтона с подводом теплоты при практически постоянном давлении.

В этой главе рассматривается влияние параметров рабочего процесса на удельные параметры ГТД прямой реакции различных схем в предположении, что параметры процесса могут изменяться независимо друг от друга, что обычно соответствует условиям проектирования двигателя. В выполненном двигателе, как будет показано ниже, параметры рабочего процесса являются взаимно связанными, что должно специально учитываться.

Рис. 1.1. Сравнение реального и идеального циклов ГТД

Реальный цикл ГТД отличается от идеального наличием гидравлических потерь во всех элементах двигателя.

Гидравлическими потерями называется работа газа, затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления при его движении. Гидросопротивление обусловлено наличием:

- сопротивления трения;

- вихреобразования;

- волнового сопротивления.

Поэтому процессы сжатия и расширения в реальном цикле являются не адиабатными, а политропными. Кроме того, в процессе подвода к воздуху теплоты в камере сгорания изменяется состав рабочего тела (образуется смесь воздуха и продуктов сгорания топлива), а также увеличивается его массовый расход на величину расхода топлива. В процессе подвода теплоты в камере сгорания увеличивается скорость газа и, следовательно, снижается давление в ней в отличие от идеального цикла, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении.

На рис.1.1 представлено сравнение реального и идеального циклов ГТДпри условии, что параметры циклов π и Δ одинаковы.

 

Рис. 1.2. Одноконтурный ТРД		Рис. 1.3. Двухконтурный ТРД

 

Функции воздуха, участвующего в рабочем процессе ГТД различных схем, различаются. Так, в ГТД прямой реакции (ТРД и ТРДД, рис. 1.2 и 1.3) воздух выполняет три функции. Во-первых, он служит основным компонентом рабочего тела цикла, в результате осуществления которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Часть этой энергии в виде работы на валу турбины используется для привода во вращение роторов компрессора, а также агрегатов двигателя и самолета. Во-вторых, оставшаяся после расширения в турбине энергия газа (смеси воздуха и продуктов сгорания топлива) расходуется на его ускорение, за счет чего создается тяга. В-третьих, кислород воздуха используетсядля окисления топлива в процессе преобразования его химической энергии в тепловую.

В ТВД, ТВВД и ТВаД (рис. 1.4 и рис. 1.5) воздух, участвующий в рабочем процессе, выполняет только две функции: является основным компонентом рабочего тела цикла и служит для окисления топлива за счет находящегося в нем кислорода. Третью функцию по созданию реактивной тяги он выполняет лишь частично в ТВД и ТВВД. Движителем силовых установок с двигателями этих типов является винт, который создает основную величину тяги.

 

Рис. 1.4. Турбовинтовой двигатель	Рис. 1.5. Турбовальный ГТД

 

Рис. 1.6. Цикл газотурбинного двигателя в р - υ и Т- s - координатах

В реальном цикле ГТД (рис. 1.6) в процессе H -В-К происходит последовательное политропное сжатие воздуха во входном устройстве (процесс Н-В) и компрессоре (процесс В-К). В процессе К-Г в камере сгорания осуществляется подвод теплоты к воздуху, а в процессе Г-Т-С – последовательное политропное расширение газа в турбине (процесс Г-Т) и сопле (процесс Т-С). Замыкается цикл условным процессом С-Н отвода теплоты от газов в атмосферу после их истечения из двигателя.

Площадь левее линии общего процесса сжатия Н-В-К эквивалентна политропной работе сжатия L _п.с.

Так как в процессе подвода теплоты в камере сгорания давление газа падает, то процесс К-Г-Т-С будем называть общим процессом расширения, а площадь левее линии этого процесса – политропной работой расширения L _п.р.

Отличие циклов двигателей различных схем состоит в различном положении точки Т, характеризующей давление газов за турбиной. В цикле одноконтурного двигателя точка Т расположена выше всех (рис.1.6 а), т.к. в нем работа турбины расходуется лишь для привода во вращение компрессора и агрегатов двигателя и самолета, хотя доля мощности, затрачиваемая на привод этих агрегатов, пренебрежимо мала.

В цикле двухконтурного двигателя точка Т' расположена ниже, чем точка Т в ТРД, т.к. в этом двигателе работа турбины, кроме привода компрессора внутреннего контура, используется еще и для привода во вращение вентилятора. Поэтому для получения большей работы в турбине этого двигателя газ расширяется в ней до более низкого давления, чем в ТРД.

Основной функцией ТВД (рис.1.4) является создание работы на валу турбины с целью передачи ее на винт для создания тяги. В силовых установках с этими двигателями за счет реакции струи создается лишь примерно 8…12% тяги. Поэтому в турбине ТВД происходит еще более глубокое расширение газов, чем в турбине ТРДД (точка Т'' на рис. 1.6 а).

Наконец, задачей турбовального двигателя (рис.1.5) является создание мощности на валу турбины для передачи ее нанесущий и рулевой винты. За счет реакции струи тяга у этих двигателей не создается. Поэтому в турбине ТВаД происходит практически полное расширение газов до давления, близкого к атмосферному, а иногда и ниже атмосферного. Поэтому точка Т''' на рис. 1.6 а почти совпадает с точкой С.

Работой реального цикла газотурбинного двигателя называется величина

L _ц = (L _п.р – L _п.с) – (L _{r р} + L_{r с}) = (L _п.р – L_{r р}) – (L _п.с + L_{r с}).

Таким образом, работа реального цикла в отличие от идеального не эквивалентна площади цикла, а меньше ее на величину суммарных гидравлических потерь L_{r с} в общем процессе сжатия и L_{r р} в общем процессе расширения. Выше было отмечено, что работа воздуха и газа, расходуемая на преодоление сил гидравлических сопротивлений, полностью преобразуется в теплоту трения, т.е. L_{r с}= Q_{r с}и L_{r р}= Q_{r р}.

Для учета этих потерь введем в рассмотрение понятие коэффициента полезного действия общего процесса сжатия η_с и коэффициента полезного действия общего процесса расширения η_р.

Кроме того, примем следующие допущения:

1. Вместо статического давления за компрессором будем рассматривать давление заторможенного потока, т.к. при малой скорости за компрессором они отличаются незначительно;

2. Гидравлические потери в камере сгорания отнесем к общему процессу расширения;

3. Также будем считать, что расширение газа в сопле двигателя полное, т.е. р _с= р_Н.

С учетом принятых допущений, как и в идеальном цикле, введем два параметра цикла: π = р^* _к / р_Н – степень повышения давления в цикле и Δ= Т^* _г/ Т_Н – степень подогрева воздуха в цикле.

Коэффициентом полезного действия общего процесса сжатия будем называть отношение адиабатной работы общего процесса сжатия к сумме политропной работы и гидравлических потерь в этом же процессе, т.е.

,

где , а .

Этот КПД учитывает гидравлические потери во входном устройстве и компрессоре.

Коэффициентом полезного действия общего процесса расширения будем называть отношение политропной работы всего процесса расширения за вычетом потерь в этом же процессе к адиабатной работе процесса расширения, т.е.

,

где .

Так как в идеальном процессе подвода теплоты в камере сгорания потери отсутствуют, то р^* _г = р^* _к. Кроме того, при полном расширении газа в сопле р _с= р_Н, тогда

.

КПД η_р учитывает гидравлические потери в процессе расширения, т.е. потери в турбине, сопле, а также в камере сгорания.

Выразим теперь работу цикла через параметры цикла и КПД η_с и η_р.

.

Введем в рассмотрение коэффициент

,

учитывающий различие физических свойств воздуха и продуктов сгорания. Он зависит от трех величин: π, Т^* _г и Т_Н, т.к. от этих величин зависят теплоемкости с_р и . Для практически возможных значений π, Т^* _г и Т_Н приближенно можно считать, что =1,03…1,06.

Кроме того, учтем, что . Тогда окончательно получим

.                                      (1.1)

Как видно, в отличие от идеального цикла, работа реального цикла ГТД зависит не только от параметров рабочего процесса π и Δ, но и от коэффициентов полезного действия η_с и η_р, учитывающих гидравлические потери в общих процессах сжатия и расширения. Кроме того, работа цикла зависит от температуры атмосферного воздуха Т_Н, которая может изменяться при изменении высоты полета и атмосферных условий.

Формула для работы цикла (1.1) справедлива для ГТД различных типов (ТРД, ТРДД, ТВД, ТВаД и др.), у которых рабочий цикл аналогичный, описанному выше.

В приближенных расчетах можно считать, что η_с = const и η_р= const, т.к. у ГТД в стендовых условиях и в полете с дозвуковыми и небольшими сверхзвуковыми скоростями КПД общего процесса сжатия близок к КПД компрессора (т.е. η_с = 0,83…0,85), а КПД процесса расширения близок к КПД турбины (т.е. η_р= 0,9…0,92).