Высотные характеристики турбовальных двигателей

Для ТВаД принято рассматривать характеристики трех видов: высотные, дроссельные и климатические. Вследствие малых максимальных скоростей полета вертолетов скоростные характеристики для них не рассматриваются. Считается, что для всех режимов полета параметры двигателя и его выходные данные (N_е и С_е) от скорости полета не зависят.

На характеристики турбовального двигателя на максимальном режиме сильное влияние оказывают эксплуатационные ограничения. Чтобы лучше понять роль этих ограничений и их влияние на данные двигателя, целесообразно каждый вид характеристик рассматривать вначале при отсутствии ограничений, а затем анализировать влияние ограничений.

Высотными характеристиками турбовальных двигателей называются зависимости мощности на валу N_e и удельного расхода топлива С_е от высоты полета при заданной программе управления двигателя. Их определяют для максимального, номинального и крейсерского режимов работы двигателя. Рассмотрим в качестве примера высотные характеристики для максимального режима.

Рис. 5.10. Высотные характеристики турбовального двигателя при Нр = 0 (а) и при Нр > 0

Предположим вначале, что двигатель является невысотным, т.е. имеет расчетный режим при Н = 0, а его программа управления соответствует условию n _т.к = const (или = const), и никаких других ограничений двигатель не имеет. В этом случае его высотные характеристики будут такими, как показано на рис. 5.10 а сплошными линиями. Мощность в таком случае с высотой сильно снижается и несколько уменьшается величина С_е.

Основной причиной снижения N_e с увеличением Н является уменьшение расхода воздуха через двигатель. Удельная мощность N_{е .уд} = L _с.т при этом немного возрастает, что объясняется увеличением p_с.т вследствие повышения  и D, вызванного уменьшением температуры Т_Н. Причина снижения С_е та же, что и у ГТД других типов – с увеличением Н возрастают параметры термодинамического цикла p и D и повышается внутренний КПД двигателя. Поэтому

С_e = .

уменьшается, что является следствием улучшения использования теплоты в термодинамическом цикле.

Хотя максимальные высоты полета вертолетов не превышают обычно 6…8 км, на высотные характеристики малоразмерных вертолетных ГТД, как указывалось, оказывает значительное влияние уменьшение с высотой полета чисел Рейнольдса. В области Re < Re_кp это приводит к уменьшению КПД элементов двигателя и снижению G _в, что вызывает менее интенсивное снижение С_е и более интенсивное уменьшение N_e с ростом высоты полета (см. штриховые линии на рис. 5.10 а).

В реальных условиях на вертолетах используются высотные турбовальные двигатели. Они проектируются из условия получения заданной мощности на расчетной высоте полета Н = Н_р.

Тогда на высотах полета, больших расчетной, у них протекание высотных характеристик качественно не отличается от рассмотренного для двигателя, имеющего Н _р = 0 (рис. 5.10 а). На высотах, меньших Н _р, двигатель работает на режимах ограничения по N_е = N_{e .max}. Для этого при Н < Н _р его нужно дросселировать, т.е. снижать температуру газа перед турбиной  и соответственно n _т.к таким образом, чтобы обеспечивалось во всем диапазоне высот полета от Н = 0 до Н = Н _р условие N_e = N_{e .max} = const. Дросселирование двигателя при Н < Н _р приводит вследствие снижения p и D к дополнительному возрастанию удельного расхода топлива на величину D С_е (рис. 5.10 б).

Рис. 5.11. Высотная характеристика турбовального двигателя (а) и программа его управления для режима «максимал» (б) при Нр>0

Построение высотной характеристики вертолетных ГТД с учетом реальных эксплуатационных ограничений может осуществляться с использованием характеристик ГГ и полученных зависимостей (n _т.к.пр )_огр от температуры Т_Н (рис. 5.8 и рис. 5.9). Построенная таким способом высотная характеристика приведена на рис. 5.11 а. От земли до расчетной высоты (на участке I,

На расчетной высоте (в точке «р») режим работы ГГ в данном примере выходит на ограничение по n _т.к.max (рис. 5.11 б). При дальнейшем уменьшении температуры Т_Н с высотой полета двигатель на максимальном режиме работает вдоль ЛПР р-2-1. Температура газа перед турбиной  на участке II (где n _т.к = const) в данном случае снижается (компрессор «облегчается» при снижении температуры Т_Н), и температура  по высотной характеристике нигде не достигается. Увеличение же n _т.к.пр при уменьшении Т_Н с высотой полета приводит к снижению D K _у компрессора, и в данном примере в точке 2 наступает ограничение по n _{т.к.пр.max}. Далее с ростом Н (на режимах ограничения по n _{т.к.пр.max}) температура  уменьшается пропорционально T_Н, а частота вращения n _т.к – пропорционально . Мощность N_e начинает падать еще интенсивнее. Удельный расход топлива на участке III перестает снижаться, так как здесь условиям p = const и D = const соответствует h_вн = const. Следовательно, на этом участке, с точностью до изменения КПД свободной турбины, можно принимать С_е = const.

 

ДРОССЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТУРБОВАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Рис. 5.12. Дроссельные характеристики турбовального двигателя

В отличие от дроссельных характеристик ГТД прямой реакции, которые при М = const в ряде случаев могут быть представлены в виде критериальных зависимостей от одного критерия подобия – приведенной частоты вращения , у турбовальных двигателей, как уже указывалось, такая возможность исключается. Это объясняется тем, что при n _т.к.пр = const у них режимы подобия на свободную турбину не распространяются, поскольку она работает при условии n _с.т = const, а следовательно, у нее n _с.т.пр ¹ const. Поэтому дроссельными характеристиками турбовальных двигателей называют зависимости мощности на валу свободной турбины N_е и удельного расхода топлива С _е от физической частоты вращения ротора ГГ n _т.к при заданных атмосферных условиях р_Н и Т_Н или, что то же самое, при заданных значениях температуры Т_Н и высоты полета Н. Они имеют вид, показанный на рис. 5.12.

Физическое объяснение протекания дроссельных характеристик турбовального ГТД имеет много общего с ГТД других типов. При увеличении n _т.к возрастает G _в. Повышается также работа L _с.т = L _ц, поскольку увеличиваются параметры термодинамического цикла p и D. Это приводит к интенсивному возрастанию N_e.

Внутренний КПД с увеличением n _т.к все время возрастает, как и у любого другого ГТД, вследствие одновременного повышения p и D. Отличие от ТРД и ТРДД состоит в том, что турбовальный ГТД является чисто тепловым двигателем и эффективность использования теплоты в нем оценивается только величиной h_вн, как это следует из формулы (5.5). Поэтому с увеличением n _т.к величина С_е все время снижается. У ГТД прямой реакции при определении С _уд приходится учитывать еще тяговый КПД, который при повышении режима работы двигателя снижается, что приводит к появлению на дроссельной характеристике этих двигателей характерной «ложки», аналогичной той, которая наблюдается при анализе зависимости С _уд от D при p = const. У турбовальных ГТД минимум С_е обеспечивается на максимальном режиме.

На дроссельной характеристике принято отмечать точки, соответствующие крейсерскому, номинальному и максимальному режимам.