ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПРИ ПРИЕМИСТОСТИ И СБРОСЕ ГАЗА В ОДНОВАЛЬНЫХ ТРД

Рассмотрим работу одновального газогенератора, установленного в ТРД или ТРДФ, на режимах приемистости и сброса газа. Приемистость осуществляется за счет подачи в камеру сгорания избыточного количества топлива и повышения вследствие этого температуры . Сброс газа происходит при уменьшении подачи топлива в камеру сгорания до значений, более низких, чем на установившихся режимах.

В рамках гипотезы квазистационарности будем считать, что характеристики элементов ГГ и условия их совместной работы, вытекающие из уравнения неразрывности, те же, что и на стационарных режимах.

Расположение рабочих линий на характеристике компрессора на неустановившихся режимахотличается от их расположения на установившихся режимах по причине отличия (при каждом текущем значении n) значений температуры от её значения на установившемся режиме ( ). В процессе приемистости . Но из баланса расходов воздуха через компрессор и газа через турбину, как вы знаете, следует, что

.

Рис. 44.2.

Следовательно, в процессе приемистости режим работы компрессора ГГ вследствие возрастания будет смешаться в сторону более высоких значений , чем на установившихся режимах. Соответственно, вся рабочая линия на характеристике компрессора в процессе приемистости смещается (по отношению к рабочей кривой на установившихся режимах) влево, в сторону границы устойчивой работы, как показано штриховой линией 2 на рис. 44.2.

На режимах сброса газа за счет уменьшения подачи топлива температура газа перед турбиной снижается по сравнению с ее значениями на установившихся режимах. Это приводит к увеличению расхода газа, пропускаемого турбиной, а следовательно, к смещению рабочей линии на характеристике компрессора вправо от линии установившихся режимов (линия 4 на рис. 44.2).

Для уменьшения времени приемистости нужно в процессе приемистости максимально увеличивать температуру газа перед турбиной. Ограничение предельно допустимой температуры газа в процессе приемистости может быть обусловлено следующими причинами:

- недопустимостью неустойчивой работы компрессора;

- недопустимостью перегрева лопаток турбины;

- недопустимостью нарушения устойчивости процесса горения в камере сгорания из-за переобогащения горючей смеси.

Рассмотрим характер этих ограничений.

Ограничение по газодинамической устойчивости работы компрессорасвязано с возможностью чрезмерного приближения линии 2 на рис. 44.2 к границе устойчивых режимов работы компрессора. Сама эта граница может несколько смещаться вправо из-за производственных отклонений в форе и углах установки лопаток, из-за их износа, а также вследствие возникновения различных возмущений на входе в компрессор ( о чем я расскажу вам позже). Поэтому необходимо, чтобы в процессе приемистости запас устойчивостне снижался до значений, меньших 4…5%.

Ограничение по жаропрочности турбины состоит в том, что в процессе разгона температура газа перед турбиной не должна намного её предельно допустимого значения на установившихся режимах. Учитывая, что время разгона (приемистости) невелико и что часть этого времени турбина работает при пониженных окружных скоростях и, следовательно, при пониженных напряжениях от центробежных сил, допускается кратковременный «заброс» температуры перед турбиной в процессе приемистости на 50…70^оС.

Рис. 44.3

Ограничение по устойчивости процесса горения обусловлено возможным недопустимо большим снижением коэффициента избытка воздуха a (переобогащением горючей смеси) при приемистости в результате чрезмерного увеличения подачи топлива.

На рис. 44.3 показано изменение коэффициента a в зависимости от частоты вращения ротора ГГ на различных режимах. На установившихся режимах увеличение с ростом n требует увеличения доли топлива в смеси, т.е. её обогащения - уменьшения a (кривая 1). Увеличение подачи топлива в процессе приемистости приводит к еще большему обогащению смеси (уменьшению a), как показано кривой 2, и в принципе при чрезмерном увеличении подачи топлива (кривая 3) может привести к срыву пламени («богатый срыв»).

Рис. 44.4

Обычно раньше наступают ограничения по ГДУ компрессора и по жаропрочности турбины. Однако в условиях полета на больших высотах с малыми скоростями возможен и «богатый срыв» пламени в камере сгорания в процессе приемистости.

Оптимальнойбудет такая приемистость, когда при каждом значении n подача топлива поддерживается на предельно высоком уровне, допустимом с учетом указанных ограничений. В этом случае ускорение ротора при каждом значении n будет максимальным, а время приемистости – минимальным. На рис. 44.4 показано изме­нение G_т и по n на установившихся режимах (1) и при оптимальной приемистости с ограничениями по (2) и по (3).

Для обеспечения желаемого уровня подачи топлива на режимах приемистости на ГТД устанавливаются специальные автоматические устройства, называемые автоматами приемистости. Они задают программу максимальной подачи топлива с учетом указанных ограничений.

На режимах сброса газа опасности возникновения неустойчивой работы компрессора в одновальном ГГ нет (см. кривую 4 на рис. 44.2) равно как и нет опасности перегрева турбины. Но резкое уменьшение подачи топлива может привести к переобеднению горючей смеси в камере сгорания, которое (вместе с ухудшением качества распыла при уменьшении расхода топлива через форсунки) может вызвать «бедный срыв» пламени (см. кривую 4 на рис. 44.3). Чтобы не допустить выключения камеры сгорания вследствие «бедного» срыва, в САУ двигателя вводится ограничение минимального расхода топлива, препятствующее уменьшению G_т ниже допустимого уровня при любых темпах уборки РУД.

Темпы нарастания частоты вращения ротора и тяги ТРД при приемистости. При пониженных значениях достижимая избыточная мощность турбины также мала, так как значение ограничено запасом устойчивости компрессора (см. рис. 44.4), а расход воздуха (и газа) в это время тоже мал. При средних значениях величина DN_т заметно повышается из-за возрастания G_в и . При дальнейшем повышении величина DN_т уменьшается из-за ограничения .Поэтому в процессе приемистости темп нарастания частоты вращения ротора в начале этого процесса мал, а потом значительно увеличивается, а при приближении к максимальному режиму несколько снижается, как показано для примера на рис. 44.5, где приведена кривая характерного изменения частоты вращения ротора одновального ГГ в стартовых (земных) условиях.

Если данный газогенератор установлен в ТРД, то, учитывая, что тяга такого двигателя пропорциональна частоте вращения ГГ в степени значительно выше первой, нарастание тяги ТРД получается еще более резким на последнем этапе приемистости, что также показано на рис. 44.5.

Рис. 44.5