Оптимальное распределение работы цикла твд и тввд между винтом и реакцией газовой струи

 

У турбовальных двигателей, применяемых на вертолетах, работа цикла

L _ц = L_е +

полностью передается на вал винта и реактивная тяга у них практически равна нулю. У ТВД и особенно у ТВВД, применяемых на самолетах, как видно из формулы (5.9), тяговая работа создается как за счет винта, так и за счет реакции проходящего через двигатель газового потока. Возникает задача оптимального распределения работы цикла между винтом и реактивной струей, вытекающей из сопла. Оптимальным является такое распределение работы цикла, при котором тяговая работа при заданных условиях полета получается максимальной. Целевая функция для оптимизации в таком случае определяется соотношением (5.9).

Оптимизация производится отысканием такой скорости истечения из сопла с _с.опт, при которой L _тяг = L _тяг.max при заданных значениях скорости полета и работы цикла.

Если из (5.1) определить L _е и подставить в (5.9), получим

L _тяг = h_редh_в + (с _с– V) V.

Для определения с _с.опт вычислим производную  при L _ц = const и V = const и приравняем ее к нулю, тогда

= – с _сh_редh_в + V = 0.

Отсюда получим формулу для определения скорости истечения из сопла с _с.опт при оптимальном распределении работы цикла между винтом и реакцией, впервые выведенную Б.С. Стечкиным в 1944 г.:

с _с.опт = .                                      (5.13)

Условие (5.13) показывает, что при больших скоростях полета и низких КПД винта следует увеличивать долю работы цикла, используемую для получения реактивной тяги. При уменьшении скорости полета передача работы цикла для создания реактивной тяги становится менее выгодной. Именно по этой причине у турбовальных двигателей, применяемых при очень малых скоростях полета (V» 0), оптимальное распределение работы цикла соответствует условию L _ц = L_е.

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ

И ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ ТВД

 

У ТВД одновальной схемы имеется два независимых регулирующих фактора – расход топлива G _т и угол установки лопастей винта j_в. Это позволяет у них осуществлять независимое управление двумя параметрами. Такими параметрами могут быть частота вращения ротора n и температура газа перед турбиной . По указанной причине на максимальных режимах работы одновальных ТВД в высотно-скоростных условиях может быть реализована программа управления

n = n _max = const; и  = = const.                (5.14)

Наибольшее распространение у одновальных ТВД получили САУ, в которых частота вращения ротора регулируется путем изменения j_в, а температура  – изменением G _т. Для обеспечения программы управления (5.14) в полете подбирается закон подачи топлива, обеспечивающий косвенное поддержание постоянства температуры газа перед турбиной.

Рабочая линия (РЛ) на характеристике компрессора при программе управления (5.14) определяется как для одновального ГГ при n = const и = const, т.е. с использованием уравнения

= const n _пр.

При этом расположение рабочей точки на РЛ зависит только от температуры .

Рис. 5.16. Рабочие линии на характеристике компрессора одновального ТВД: при n = const, = const (а); при дросселировании (б)

Условие баланса мощностей для каждой точки рабочей линии (в отличие от одновального ГГ ГТД прямой реакции) здесь выполняется за счет регулирования величины мощности, передаваемой на винт, путем изменения угла установки его лопастей j _в. Точка 1 на рис. 5.16 а соответствует j _в.max (при ), а точка 2 – j _в.min (при ).

Дросселирование одновального ТВД при заданной температуре  на входе может производиться с использованием различных РЛ в поле характеристик компрессора. Такими линиями, в частности, могут быть: линия a-б, соответствующая дросселированию при n = const, линия а-в, соответствующая одновременному снижению n и  (что возможно, например, при j_в = const), линия а‑б‑в – отвечающая дросселированию по комбинированной программе: вначале по n = const, а затем по j_в = const и др. (рис. 5.16 б).

Наиболее выгодным, как показали исследования, является дросселирование одновальных ТВД при n =const, так как это обеспечивает быстрое снижение  и N _экв практически при таких же значениях С _экв, что и дает дросселирование, например, по линии а-в. Снижение  в случае дросселирования при n = const благоприятно влияет на показатели надежности работы двигателя, так как на пониженных режимах значительно снижается температура . При таком дросселировании улучшается приемистость двигателя, поскольку отпадает необходимость раскрутки ротора, но затрудняется запуск из-за большого момента инерции вращающихся масс.

У ТВД со свободной турбиной на максимальных режимах работы также возможно применение (в области отсутствия других ограничений) программы управления

n _в = n _в.max = const; и = =const.                   (5.15)

И в этом случае условие = const обеспечивается за счет подачи топлива – G _т, а условие n _в = const – за счет установки лопастей винта – j_в.

Изменение параметров ГГ по  при этом сохраняется таким же, как у ГТД других типов и, в частности, в области низких температур  возможно ограничение по n _{т.к.пр.max}, а на малых высотах и больших скоростях полета возникает ограничение по N_{e max}. Расчет характеристик ТВД (и ТВВД) с использованием характеристик ГГ является таким же, как для ТВаД (см.п.21.3).